CN101877827B - 面向楼宇监测的无线传感器网络数据收集方法 - Google Patents

Abstract

一种面向楼宇监测的无线传感器网络数据收集方法，用于采集温度、湿度、光照度的传感器节点被部署在楼宇的各个房间内，簇头节点收集簇内各传感器节点的感知数据并进行融合，每个房间有且仅有一个所述簇头节点，所述传感器节点与所述簇头节点无线通信，所述簇头节点直接或以多跳的方式与基站设备无线通信，所述基站设备汇聚无线传感器网络中的数据并传送到楼宇监测管理平台上，所述无线传感器网络中有且仅有一个所述基站设备；所述数据收集方法包括：1)、成簇过程；2)、簇内数据处理；3)、建立簇头路由协议。本发明能有效适应楼宇监测系统、实现简单。

Description

面向楼宇监测的无线传感器网络数据收集方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络技术领域，尤其是一种面向楼宇监测的无线传感网数据收集方法。

背景技术

无线传感器网络综合了现代传感器技术、微电子技术、通信技术、嵌入式计算技术和分布式信息处理技术等多个学科，是一个新兴的交叉研究领域。通常地，传感器网络系统是由部署在监测区域内部或附近的大量微型廉价传感器节点构成。这些节点协作地感知、采集并处理网络覆盖区域内的目标信息，并通过无线多跳的通信方式将信息发送给观察者。无线传感器网络具有低功耗、低成本、方便部署、自组织等特点，并且已经被视为军事侦察、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物状态监控、城市交通等领域的下一代发展方向。

无线传感器网络带来机遇和商业价值，然而也带来了挑战。传感器节点存在以下现实约束：①电源能量有限；②通信能力有限；③计算和存储能力有限。这些制约使得现有无线网络中的设计方法不能直接应用到传感器网络系统中。无线传感器网络作为当今信息领域新的研究热点，有非常多的关键技术有待发现和研究。其中，数据收集方法(Data Gathering algorithm)，即如何将原始感知数据处理并传输到监护基站，是一个热点和难点问题，它涉及到数据融合、路由协议、拓扑控制等技术。目前，已有很多数据收集协议被提出，较为典型的是文献“Anapplication-specific protocol architecture for wireless microsensor networks”公开的一种LEACH(low energy adaptive clustering hierarchy)算法。LEACH算法是一种自适应分簇方法，其执行过程是周期性的，每轮循环分为簇的建立阶段和稳定的通信阶段。在簇的建立阶段，节点根据一定的概率竞选簇头，一旦节点成为簇头，它立即广播一个包含节点ID的消息包，其他非簇头节点则根据消息包的接收信号强度决定加入哪个簇；在数据通信阶段，簇内节点把数据发送给簇头，簇头进行数据融合并把结果发送给监护基站。

不可否认，LEACH算法为无线传感器网络数据收集方法提供有益的参考价值。但遗憾的是，LEACH协议不是针对特定应用背景设计且在实际应用中难以实现，主要表现在以下几个方面：

(1)簇头进行数据融合过程中假设以监测对象为圆心，半径为D的圆内的所有传感器节点的感知信息高度关联；

(2)成簇过程中，非簇头节点只根据消息包的接收信号强度决定加入哪个簇。因此，同一个簇内，各节点感知信息的关联性不确定，这给簇头节点的信息融合带来难度。

(3)LEACH算法假设簇头可以直接与基站设备无线通信。这要求所有节点都必须具备长距离的无线通信能力，因为任意节点都有可能成为簇头。然而，传感器节点的通信能力是有限的。

事实上，不同的应用背景对传感器网络的要求各有不同，其硬件平台、软件系统和网络协议必然会有很大差别。不同的传感器网络应用虽然存在一些共性问题，但在传感器网络应用的开发中，更关心其应用特征。比如，面向楼宇监测的无线传感器网络应用系统中，同一房间内的多个节点所采集的信息具有较高冗余度，而不同房间内的节点的感知信息冗余度不可预测。另外，正常的感知信息对实时性和丢包率要求不高，而异常信息则相反。LEACH协议无法直接应用到楼宇监测系统中，因此，必须贴近该应用背景，设计最高效的数据收集方法。

发明内容

为克服现有技术无线传感网数据收集方法无法有效适应楼宇监测系统、实现复杂的不足，针对基于无线传感器网络的楼宇监测系统特点，本发明提供一种能有效适应楼宇监测系统、实现简单的面向楼宇监测的无线传感网数据收集方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种面向楼宇监测的无线传感器网络数据收集方法，用于采集温度、湿度、光照度的传感器节点被部署在楼宇的各个房间内，簇头节点收集簇内各传感器节点的感知数据并进行融合，每个房间有且仅有一个所述簇头节点，所述传感器节点与所述簇头节点无线通信，所述簇头节点直接或以多跳的方式与基站设备无线通信，所述基站设备汇聚无线传感器网络中的数据并传送到楼宇监测管理平台上，所述无线传感器网络中有且仅有一个所述基站设备；所述数据收集方法包括：

1)、成簇过程：指每个房间内的所有节点形成一个本地簇，确定一个簇头节点，实现方法为：

所述节点均被配置了其所在的房间号，所述节点的短地址根据下面式子计算：

A_node＝F×F_m+R×R_m+n    (1)

上式中，F和R分别表示楼层号和该楼层中的房间号，F_m和R_m分别是每层楼和每个房间内允许部署的最多节点数，n为所述节点被部署在房间里的顺序，第一个被部署在房间里的节点自动成为该房间的簇头节点，该房间内的其他节点成为该房间的传感器节点，计算所述簇头节点的短地址并主动加入所述簇头节点所在的簇；

2)、簇内数据处理：传感器节点将感知数据发送给本地簇的簇头节点，簇头节点再进行数据融合，具体实现方法为：所述传感器节点周期性采集温度、湿度、光照度信息，并每隔固定时间将采集信息打包发送给本地簇的簇头节点，所述簇头节点根据下面的式子分别对每个采集周期的温度、湿度、光照度信息进行数据融合：

$\mathrm{result}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{v}_i-(v_{\min }+v_{\max })}{N-2}---\left(2\right)$

上式中，v_i是所述传感器节点i的传感器测量值，N是本地簇中的传感器节点数量， $v_{\min }=\underset{i=1,\mathrm{L\; N}}{\min }{v}_i,$ $v_{\max }=\underset{i=1,\mathrm{LN}}{\max }{v}_i;$

3)、建立簇头路由协议：构造一棵以所述基站设备为根的多跳树，所述多跳树的其他顶点是所述簇头节点。

进一步，所述步骤3)中，所述簇头路由协议包括树初始化子过程，树初始化子过程按以下方法执行：首先初始化所述基站设备，创建一个网络，并设置它在网络中深度为1；初始化所有所述簇头节点没有加入所述网络，然后，所述簇头节点申请加入所述网络，具体步骤：

S1-1所述簇头节点广播一个入网请求信息帧，同时开启一个定时器，在定时时间内等待响应；

S1-2接收到所述入网请求信息帧的簇头节点或基站设备如果还没有加入所述网络则丢弃所述入网请求信息帧，否则给广播所述入网请求信息帧的簇头节点发送一个入网响应信息帧，所述入网响应信息帧包含簇头节点或基站设备在所述网络中的深度；

S1-3所述定时时间到，广播所述入网请求信息帧的簇头节点若没有接收到入网响应信息帧，随机延时后再执行S1-1，否则执行S1-4；

S1-4广播所述入网请求信息帧的簇头节点从给它发送入网响应信息帧的簇头节点或基站设备中按照设定规则选定一个父节点并给父节点发送一个关联请求信息帧；

所述设定规则是：接收所述入网响应信息帧时，内嵌的接收信号强度指示器显示的数值越大，则发送该入网响应信息帧的簇头节点或基站设备被选为父节点的概率越大；

S1-5接收到所述关联请求信息帧的簇头节点或基站设备将该关联请求信息帧的发送者加入到孩子表中，并返回一个关联响应信息帧；

S1-6广播所述关联请求信息帧的簇头节点若接收不到关联响应信息包，随机延时后再执行S1-1；否则表明它已经加入所述网络，且它在网络中的深度为父节点在网络中的深度加1，同时保存父节点信息。

再进一步，所述步骤3)中，所述簇头路由协议包括树维护子过程，树维护子过程按以下方法执行：

S1-1所述簇头节点广播一个入网请求信息帧，同时开启一个定时器，在定时时间内等待响应；

S1-2接收到所述入网请求信息帧的簇头节点或基站设备如果还没有加入所述网络则丢弃所述入网请求信息帧，否则给广播所述入网请求信息帧的簇头节点发送一个入网响应信息帧，所述入网响应信息帧包含簇头节点或基站设备在所述网络中的深度、当前的孩子数c_n和剩余能量

S1-3所述定时时间到，广播所述入网请求信息帧的簇头节点若没有接收到入网响应信息帧，随机延时后再执行S1-1，否则执行S1-4；

S1-4广播所述入网请求信息帧的簇头节点从给它发送入网响应信息帧的簇头节点或基站设备中按照设定规则选定一个父节点并给父节点发送一个关联请求信息帧；

所述设定规则是：根据下面公式计算的值越大，则发送入网响应信息包的簇头节点或基站设备被选为父亲的概率越大：

$P_{\mathrm{in}}=\frac{{(1/(c_n+1))}^{{\mathrm{\β}}_1}{(1/d_n)}^{{\mathrm{\β}}_2}{({\stackrel{\‾}{E}}_n/E)}^{{\mathrm{\β}}_3}}{\underset{j\∈p_i}{\mathrm{\Σ}}{(1/(c_j+1))}^{{\mathrm{\β}}_1}{(1/d_j)}^{{\mathrm{\β}}_2}{({\stackrel{\‾}{E}}_j/E)}^{{\mathrm{\β}}_3}},n=p_i---\left(3\right)$

上式中E是初始能量，p_i是发送入网响应信息包的簇头节点或基站设备的集合，β₁，β₂，和β₃是非负权值因子；

S1-5接收到所述关联请求信息帧的簇头节点或基站设备将该关联请求信息帧的发送者加入到孩子表中，并返回一个关联响应信息帧；

S1-6广播所述关联请求信息帧的簇头节点若接收不到关联响应信息包，随机延时后再执行S1-1；否则表明它已经加入所述网络，且它在网络中的深度为父节点在网络中的深度加1，同时保存父节点信息。

更进一步，所述步骤2)中，所述传感器节点感知到超过设定阈值的数据时，加快数据采集频率，并给所述本地簇的簇头节点发送一个报警信息，所述簇头节点接收到所述报警信息后立即将它进一步转发，并忽略来自本地簇中其他传感器节点的感知信息。

所述步骤2)中，所述簇头节点周期性广播同步信息，用于使簇内各传感器节点的信息采集同步。

每个所述簇头节点都是周期性地执行所述树维护子过程，所述周期是随机计算得到的。

本发明的技术构思为：考虑到楼宇监测应用中同一个房间内的节点感知信息存在较高冗余度，受到LEACH算法的启发，构筑一个基于簇的层次型结构的无线传感器网络，引导同一房间内的所有节点形成一个本地簇；设计一棵以基站设备为根的多跳树，多跳树的其他顶点是簇头节点；簇头节点接收本地簇中传感器节点的感知信息，执行数据融合，沿着多跳树将融合信息传输到基站设备。

本发明的有益效果主要表现在：

1.本发明针对楼宇监测的应用背景，提供一种无线传感器网络数据收集方法。因此，所述数据收集方法可以直接应用到面向楼宇监测的无线传感网中，解决以往大多数数据收集方法特别是LEACH算法不适用于实际应用的矛盾。

2.本发明利用节点被部署的房间号和放置顺序计算短地址，让同一房间的节点形成本地簇，并让第一个放置的节点主动成为簇头节点。这种成簇方法实现简单，并有利于簇头节点进行数据融合。

3.本发明的所述树维护子过程中，簇头节点在确定父节点时综合考虑发送入网响应信息包的簇头节点或基站设备在网络中的深度、当前的孩子数和剩余能量。这有利于均衡各簇头节点的通信负载，提高网络性能，实现对一批簇头节点统一更换电池的可能。

4.本发明中每个簇头节点执行所述树维护子过程的周期是随机计算得到的，这可以避免所有簇头节点同时执行该子过程所引起的相互干扰。

附图说明

图1是本发明的基于簇的层次型结构的无线传感器网络的结构框图。

图2是本发明的以基站设备为根的多跳树示意图。

图3是本发明的入网请求信息帧格式。

图4是本发明的入网响应信息帧格式。

图5是本发明的关联请求信息帧格式。

图6是本发明的关联响应信息帧格式。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合具体实施方式并参照附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图6一种面向楼宇监测的无线传感网数据收集方法，该方法包括：

A.构筑一个基于簇的层次型结构的无线传感器网络，所述无线传感器网络分为3个层次，分别由传感器节点、簇头节点、基站设备所构成。

所述传感器节点被部署在楼宇的各个房间内，用于采集温度、湿度、光照度等信息。每个房间有多个所述传感器节点，具体数量则根据房间大小确定；所述簇头节点收集簇内各传感器节点的感知数据并进行融合。每个房间有且仅有一个所述簇头节点；所述基站设备汇聚无线传感器网络中的数据并传送到楼宇监测管理平台上，所述无线传感器网络中有且仅有一个所述基站设备；

所述传感器节点与所述簇头节点无线通信，所述簇头节点直接或以多跳的方式与所述基站设备无线通信。所述无线通信的实现硬件基于cc2420射频芯片。所述传感器节点和所述簇头节点均简称节点。

B.所述数据收集方法包括成簇过程、簇内数据处理和簇头路由协议。

所述成簇过程是指每个房间内的所有节点形成一个本地簇，确定一个簇头节点。实现方法为：所述节点均被配置了其所在的房间号，所述节点的短地址根据下面式子计算：

A_node＝F×F_m+R×R_m+n    (1)

上式中，F和R分别表示楼层号和该楼层中的房间号，例如所述节点被配置的房间号是324，那么F＝3，R＝24。F_m和R_m分别是每层楼和每个房间内允许部署的最多节点数。n为所述节点被部署在房间里的顺序。第一个被部署在房间里的节点自动成为该房间的簇头节点，该房间内的其他节点成为该房间的传感器节点，它们可以直接计算所述簇头节点的短地址并主动加入所述簇头节点所在的簇。

所述簇内数据处理是指传感器节点将感知数据发送给本地簇的簇头节点，簇头节点再进行数据融合。具体实现方法为：所述传感器节点周期性采集温度、湿度、光照度等信息，并每隔固定时间将采集信息打包发送给本地簇的簇头节点，所述簇头节点根据下面的式子分别对每个采集周期的温度、湿度、光照度信息进行数据融合：

$\mathrm{result}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{v}_i-(v_{\min }+v_{\max })}{N-2}---\left(2\right)$

上式中，v_i是所述传感器节点i的传感器测量值，N是本地簇中的传感器节点数量， $v_{\min }=\underset{i=1,\mathrm{L\; N}}{\min }{v}_i,$ $v_{\max }=\underset{i=1,\mathrm{LN}}{\max }{v}_i.$

所述簇头路由协议是指构造一棵以所述基站设备为根的多跳树，所述多跳树的其他顶点是所述簇头节点。所述簇头路由协议包括树初始化子过程和树维护子过程。

所述簇内数据处理的实现方法还包括：所述传感器节点感知到超过设定阈值的数据时，就加快数据采集频率，并给所述本地簇的簇头节点发送一个报警信息，所述簇头节点接收到所述报警信息后立即将它进一步转发，并忽略来自本地簇中其他传感器节点的感知信息。

所述簇内数据处理的实现方法还包括：所述簇头节点周期性广播同步信息，用于使簇内各传感器节点的信息采集同步。

所述树初始化子过程按以下方法执行：

首先初始化所述基站设备，创建一个网络，并设其在网络中的深度为1；初始化所有所述簇头节点没有加入所述网络。然后，所述簇头节点申请加入所述网络，具体步骤：

S1-1所述簇头节点广播一个入网请求信息帧，同时开启一个定时器，在定时时间内等待响应。

S1-2接收到所述入网请求信息帧的簇头节点或基站设备如果还没有加入所述网络则丢弃所述入网请求信息帧，否则给广播所述入网请求信息帧的簇头节点发送一个入网响应信息帧。所述入网响应信息帧包含簇头节点或基站设备在所述网络中的深度。

S1-3所述定时时间到，广播所述入网请求信息帧的簇头节点若没有接收到入网响应信息帧，随机延时后再执行S1-1，否则执行S1-4。

S1-4广播所述入网请求信息帧的簇头节点从给它发送入网响应信息帧的簇头节点或基站设备中按照设定规则选定一个父节点并给父节点发送一个关联请求信息帧。

所述设定规则是：接收所述入网响应信息帧时，cc2420内嵌的接收信号强度指示器显示的数值越大，则发送该入网响应信息帧的簇头节点或基站设备被选为父节点的概率越大。

S1-5接收到所述关联请求信息帧的簇头节点或基站设备将该关联请求信息帧的发送者加入到孩子表中，并返回一个关联响应信息帧。

S1-6广播所述关联请求信息帧的簇头节点若接收不到关联响应信息包，随机延时后再执行S1-1；否则表明它已经加入所述网络，且它在网络中的深度为父节点在网络中的深度加1，同时保存父节点信息。

所述树维护子过程与所述树初始化子过程相似，所述树维护子过程的区别在于：a.所述入网响应信息包除了包含发送者n在所述网络中的深度d_n，还包含发送者当前的孩子数c_n和剩余能量

b.步骤S1-4所述选择父亲的一定规则变为：根据下面公式计算的值越大，则发送入网响应信息包的簇头节点或基站设备被选为父亲的概率越大：

$P_{\mathrm{in}}=\frac{{(1/(c_n+1))}^{{\mathrm{\β}}_1}{(1/d_n)}^{{\mathrm{\β}}_2}{({\stackrel{\‾}{E}}_n/E)}^{{\mathrm{\β}}_3}}{\underset{j\∈p_i}{\mathrm{\Σ}}{(1/(c_j+1))}^{{\mathrm{\β}}_1}{(1/d_j)}^{{\mathrm{\β}}_2}{({\stackrel{\‾}{E}}_j/E)}^{{\mathrm{\β}}_3}},n=p_i---\left(3\right)$

上式中E是初始能量。p_i是发送入网响应信息包的簇头节点或基站设备的集合，β₁，β₂，和β₃是非负权值因子。

每个所述簇头节点都是周期性地执行所述树维护子过程，并且所述周期是随机计算得到的。

图1是本发明的基于簇的层次型结构的无线传感器网络的结构框图。所述无线传感器网络分为3个层次，分别由传感器节点1、簇头节点2、基站设备3所构成。所述传感器节点被部署在楼宇的各个房间内，能够采集温度、湿度、光照度等信息。每个房间有多个所述传感器节点，具体数量根据房间大小确定；所述簇头节点收集簇内各节点的感知数据并进行融合。每个房间有且仅有一个所述簇头节点；所述基站设备汇聚无线传感器网络中的数据并传送到楼宇监测管理平台上，所述无线传感器网络中有且仅有一个所述基站设备；所述传感器节点与所述簇头节点无线通信，所述簇头节点直接或以多跳的方式与所述基站设备无线通信。所述无线通信的实现硬件基于cc2420射频芯片。所述传感器节点和所述簇头节点均简称节点。

在LEACH算法中，成簇过程是：节点根据一定的概率竞选簇头，一旦节点成为簇头，它立即通过CSMA MAC协议广播一个包含节点ID的消息包，其他非簇头节点则根据消息包的接收信号强度决定加入哪个簇。但是这种成簇方法不适合于面向楼宇监测的无线传感器网络，主要原因有：①实际应用中，执行该过程是很复杂的，并且会消耗节点较多能量；②非簇头节点只根据消息包的接收信号强度决定加入哪个簇，因此，为了使簇头节点能较好执行数据融合，其前提条件是相邻节点间的感知数据存在一定关联性。然而在楼宇监测应用中，只有同一房间内的多个节点所采集的信息具有较高冗余度，不同房间内的节点的感知信息互不关联。比如，图1中(1)号传感器节点和(2)号传感器节点相距很近，即使它们同一时刻感知到的温度是一样的，这两个温度值也互不关联，因为它们代表两个不同房间的环境情况。综上，最理想的解决方案是设计一种简单的方法使同一个房间内的所有节点形成一个本地簇。本发明考虑到楼宇监测应用中，节点是人工部署到各个房间，为此，节点被部署前配置其所在的房间号也是完全可行的。所述房间号可以通过微处理器的串口配置，也可以编程下载时设定，本领域普通技术人员应理解，这里将不详细叙述。所述节点的短地址可根据下面式子计算：

A_node＝F×F_m+R×R_m+n    (1)

上式中，F和R分别表示楼层号和该楼层中的房间号，例如所述节点被配置的房间号是324，那么F＝3，R＝24。F_m和R_m分别是每层楼和每个房间内允许部署的最多节点数。n为所述节点被部署在房间里的顺序。第一个被部署在房间里的节点自动成为该房间的簇头节点，该房间内的其他节点成为该房间的传感器节点，它们可以直接计算出所述簇头节点的短地址，并主动加入所述簇头节点所在的簇。显然，这种成簇方法，不需要消耗节点能量。特别地，只要房间内已部署的节点数量少于R_m，就可以方便新加入或移除节点。

完成节点部署后，所述传感器节点周期性采集温度、湿度、光照度等信息，并每隔固定时间将采集信息打包发送给本地簇的簇头节点，所述簇头节点根据下面的式子分别对每个采集周期的温度、湿度、光照度信息进行数据融合：

$\mathrm{result}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{v}_i-(v_{\min }+v_{\max })}{N-2}---\left(2\right)$

上式中，v_i是所述传感器节点i的传感器测量值，N是本地簇中的传感器节点数量，且 $v_{\min }=\underset{i=1,\mathrm{L\; N}}{\min }{v}_i,$ $v_{\max }=\underset{i=1,\mathrm{LN}}{\max }{v}_i.$

可见，簇头节点将N个数据包压缩成1个数据包，大大减少数据通信量。因为数据融合过程的计算能耗远小于无线通信能耗，所以数据融合可极大地降低系统能耗。

特别地，所述传感器节点感知到超过设定阈值的数据时，就加快数据采集频率，并给所述本地簇的簇头节点发送一个报警信息，所述簇头节点接收到所述报警信息后立即将它进一步转发，并忽略来自本地簇中其他传感器节点的感知信息。在数据传输过程中，报警信息具有最高的传输优先级，这保证紧急信息能够被及时传输到监控中心。

需要注意的是，只有簇内的所有节点时间同步，上述簇头节点的数据融合才有意义。发本明提供的解决方法：所述簇头节点周期性广播同步信息，用于使簇内各传感器节点的信息采集同步。特别地，新加入的节点接收到本地簇头的同步信息后，才开始启动传感功能。

上面介绍了成簇过程和簇内数据处理规则，接下来介绍簇头路由协议，即簇头如何将融合信息传输到基站设备。本领域普通技术人员应知道节点的无线通信距离是有限的，只有距离基站设备较近的少数簇头节点可以同基站设备直接通信，大多数簇头节点必须通过无线多跳的方式才能将数据包传输到基站设备。本发明提供一种简单可行的方案：构建一棵以基站设备1为根的多跳树，多跳树的其他顶点是簇头节点2，如图2所示。

上述簇头路由协议的实现分为两个子过程：①树初始化，利用簇头节点和基站设备，构建出一棵以基站设备为根的多跳树；②树维护，更新多跳树结构，尽可能均衡各簇头节点间能耗。

节点部署完成时，各簇头节点间是相互独立的，所述树初始化子过程按照下面的方法完成：首先初始化所述基站设备创建一个网络，并设置它在网络中深度为1；初始化所有的所述簇头节点没有加入所述网络。然后，所述簇头节点申请加入所述网络，具体步骤：

S1-1所述簇头节点广播一个入网请求信息帧，同时开启一个定时器，在定时时间内等待响应。

S1-2接收到所述入网请求信息帧的簇头节点或基站设备如果还没有加入所述网络则丢弃所述入网请求信息帧，否则给广播所述入网请求信息帧的簇头节点发送一个入网响应信息帧。所述入网响应信息帧包含簇头节点或基站设备在所述网络中的深度。

S1-3所述定时时间到，广播所述入网请求信息帧的簇头节点若没有接收到入网响应信息帧，随机延时后再执行S1-1，否则执行S1-4。

S1-4广播所述入网请求信息帧的簇头节点从给它发送入网响应信息帧的簇头节点或基站设备中按照设定规则选定一个父节点并给父节点发送一个关联请求信息帧。

所述设定规则是：接收所述入网响应信息帧时，cc2420内嵌的接收信号强度指示器显示的数值越大，则发送该入网响应信息帧的簇头节点或基站设备被选为父节点的概率越大。

S1-5接收到所述关联请求信息帧的簇头节点或基站设备将该关联请求信息帧的发送者加入到孩子表中，并返回一个关联响应信息帧。

S1-6广播所述关联请求信息帧的簇头节点若接收不到关联响应信息包，随机延时后再执行S1-1；否则表明它已经加入所述网络，且它在网络中的深度为父节点在网络中的深度加1，同时保存父节点信息。

上面所述的树初始化过程中涉及到4种类型的信息帧，根据实现无线通信的硬件芯片cc2420的特点要求，微处理器需按照一定格式将待发数据通过SPI口发送给cc2420芯片。具体地，入网请求信息帧格式如图3；入网响应信息帧格式如图4；关联请求信息帧格式如图5；关联响应信息帧格式如图6。

根据上述的树初始化方法，基站设备的邻居簇头节点首先加入网络，然后基站设备的二跳簇头节点加入网络，最终形成一棵以基站设备为根的多跳树。

多跳树形成以后，各簇头节点就可将数据包沿着多跳树传输到基站设备。如图2中，(1)号簇头节点到基站设备的传输路径为：(1)-(2)-(3)-(4)。但是，必须认识到各簇头节点之间的能耗是不均匀的，这可以从两个方面解释：

(1)越靠近基站设备的簇头节点，数据转发量越大，能量消耗也越快。增加一些节点协助转发可以在一定程度上缓解此问题，但是这会增加系统成本，而且这些辅助节点的部署密度和部署位置也是一个难以解决的实际问题。

(2)即使同一网络深度下的簇头节点，但因为它们后代个数有较大差异，所以它们的能耗也不均衡，。如图3所示，(5)号簇头节点有3个后代，(6)号簇头节点有5个后代。为了尽可能地均衡各簇头节点的能耗，减低电池的更换频率，本发明提供的解决方法：树维护子过程，即各簇头节点周期性地动态更新父亲。

所述树维护子过程与所述树初始化子过程相似，所述树维护子过程的区别在于：a.所述入网响应信息包除了包含发送者n在所述网络中的深度d_n，还包含发送者当前的孩子数c_n和剩余能量

如图4所示；b.步骤S1-4所述选择父亲的一定规则变为：根据下面公式计算的值越大，则发送入网响应信息包的簇头节点或基站设备被选为父亲的概率越大：

$P_{\mathrm{in}}=\frac{{(1/(c_n+1))}^{{\mathrm{\β}}_1}{(1/d_n)}^{{\mathrm{\β}}_2}{({\stackrel{\‾}{E}}_n/E)}^{{\mathrm{\β}}_3}}{\underset{j\∈p_i}{\mathrm{\Σ}}{(1/(c_j+1))}^{{\mathrm{\β}}_1}{(1/d_j)}^{{\mathrm{\β}}_2}{({\stackrel{\‾}{E}}_j/E)}^{{\mathrm{\β}}_3}},n=p_i---\left(3\right)$

上式中E是初始能量。p_i是发送入网响应信息包的簇头节点或基站设备的集合，β₁，β₂，和β₃是非负权值因子。

上面介绍了树维护子过程的方法，下面介绍在树维护子过程实际实现中不可忽视的几个细节：

①每个簇头节点都是周期性地执行所述树维护子过程，以达到更新父亲的目的，但是每个簇头节点的执行周期是随机计算得到的。这可以避免所有簇头节点同时执行该子过程所引起的相互干扰。

②基站设备的能量是可以持续补充的，且所有簇头节点都是它的后代。簇头节点总希望优先选择基站设备成为父亲。为达到此效果，基站设备回复的关联响应信息包中包含的网络深度d_n，当前的孩子数c_n和剩余能量

是固定的，即d_n＝1，c_n＝0，

③所述簇头节点需要不断检查其孩子表的孩子，判断其当前是否仍是所述簇头节点的孩子，若不是，将该孩子从孩子表中移除。判断准则：设置一个阈值，在阈值时间内，未接收到某个孩子的数据包，则认为该孩子已关联新父亲，将其从孩子表中移除。

综上，本发明提供的一种面向楼宇监测的无线传感网数据收集方法不仅可以直接应用到楼宇监测系统中，也为无线传感器网络的其他应用提供参考。

Claims (6)

1.一种面向楼宇监测的无线传感器网络数据收集方法，其特征在于：用于采集温度、湿度、光照度的传感器节点被部署在楼宇的各个房间内，簇头节点收集簇内各传感器节点的感知数据并进行融合，每个房间有且仅有一个所述簇头节点，所述传感器节点与所述簇头节点无线通信，所述簇头节点直接或以多跳的方式与基站设备无线通信，所述基站设备汇聚无线传感器网络中的数据并传送到楼宇监测管理平台上，所述无线传感器网络中有且仅有一个所述基站设备；所述数据收集方法包括：

1）、成簇过程：指每个房间内的所有节点形成一个本地簇，确定一个簇头节点，实现方法为：

所述每个房间内的所有节点均被配置了其所在的房间号，所述每个房间内的所有节点的短地址根据下面式子计算：

A_node=F×F_m+R×R_m+n                                （1）

上式中，F和R分别表示楼层号和该楼层中的房间号，F_m和R_m分别是每层楼和每个房间内允许部署的最多节点数，n为所述每个房间内的所有节点被部署在房间里的顺序，第一个被部署在房间里的节点自动成为该房间的簇头节点，该房间内的其他节点成为该房间的传感器节点，计算所述簇头节点的短地址并主动加入所述簇头节点所在的簇；

2）、簇内数据处理：传感器节点将感知数据发送给本地簇的簇头节点，簇头节点再进行数据融合，具体实现方法为：所述传感器节点周期性采集温度、湿度、光照度信息，并每隔固定时间将采集信息打包发送给本地簇的簇头节点，所述簇头节点根据下面的式子分别对每个采集周期的温度、湿度、光照度信息进行数据融合：

$\mathrm{result}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{v}_i-(v_{\min }+v_{\max })}{N-2}---\left(2\right)$

上式中，v_i是所述传感器节点i的传感器测量值，N是本地簇中的传感器节点数量， $v_{\min }=\underset{i=1,\·\·\·N}{\min }{v}_i,$ $v_{\max }=\underset{i=1,\·\·\·N}{\max }{v}_i;$

3）、建立簇头路由协议：构造一棵以所述基站设备为根的多跳树，所述多跳树的其他顶点是所述簇头节点。

2.如权利要求1所述的面向楼宇监测的无线传感器网络数据收集方法，其特征在于：所述步骤3）中，所述簇头路由协议包括树初始化子过程，树初始化子过程按以下方法执行：首先初始化所述基站设备，创建一个网络，并设置它在网络中深度为1；初始化所有所述簇头节点没有加入所述网络，然后，所述簇头节点申请加入所述网络，具体步骤：

S1-1所述簇头节点广播一个入网请求信息帧，同时开启一个定时器，在定时时间内等待响应；

S1-2接收到所述入网请求信息帧的簇头节点或基站设备如果还没有加入所述网络则丢弃所述入网请求信息帧，否则给广播所述入网请求信息帧的簇头节点发送一个入网响应信息帧，所述入网响应信息帧包含簇头节点或基站设备在所述网络中的深度；

S1-3所述定时时间到，广播所述入网请求信息帧的簇头节点若没有接收到入网响应信息帧，随机延时后再执行S1-1，否则执行S1-4；

S1-4广播所述入网请求信息帧的簇头节点从给它发送入网响应信息帧的簇头节点或基站设备中按照设定规则选定一个父节点并给父节点发送一个关联请求信息帧；

所述设定规则是：接收所述入网响应信息帧时，内嵌的接收信号强度指示器显示的数值越大，则发送该入网响应信息帧的簇头节点或基站设备被选为父节点的概率越大；

S1-5接收到所述关联请求信息帧的簇头节点或基站设备将该关联请求信息帧的发送者加入到孩子表中，并返回一个关联响应信息帧；

S1-6广播所述关联请求信息帧的簇头节点若接收不到关联响应信息包，随机延时后再执行S1-1；否则表明它已经加入所述网络，且它在网络中的深度为父节点在网络中的深度加1，同时保存父节点信息。

3.如权利要求2所述的面向楼宇监测的无线传感器网络数据收集方法，其特征在于：所述步骤3）中，所述簇头路由协议包括树维护子过程，树维护子过程按以下方法执行：

S2-1所述簇头节点广播一个入网请求信息帧，同时开启一个定时器，在定时时间内等待响应；

S2-2接收到所述入网请求信息帧的簇头节点或基站设备如果还没有加入所述网络则丢弃所述入网请求信息帧，否则给广播所述入网请求信息帧的簇头节点发送一个入网响应信息帧，所述入网响应信息帧包含簇头节点或基站设备在所述网络中的深度、当前的孩子数c_n和剩余能量

S2-3所述定时时间到，广播所述入网请求信息帧的簇头节点若没有接收到入网响应信息帧，随机延时后再执行S2-1，否则执行S2-4；

S2-4广播所述入网请求信息帧的簇头节点从给它发送入网响应信息帧的簇头节点或基站设备中按照设定规则选定一个父节点并给父节点发送一个关联请求信息帧；

所述设定规则是：根据下面公式计算的值越大，则发送入网响应信息包的簇头节点或基站设备被选为父亲的概率越大：

$P_{\mathrm{in}}=\frac{{(1/(c_n+1))}^{{\mathrm{\β}}_1}{(1/d_n)}^{{\mathrm{\β}}_2}{({\stackrel{\‾}{E}}_n/E)}^{{\mathrm{\β}}_3}}{\underset{j\∈p_i}{\mathrm{\Σ}}{(1/(c_j+1))}^{{\mathrm{\β}}_1}{(1/d_j)}^{{\mathrm{\β}}_2}{({\stackrel{\‾}{E}}_j/E)}^{{\mathrm{\β}}_3}},n\∈p_i---\left(3\right)$

上式中E是初始能量，p_i是发送入网响应信息包的簇头节点或基站设备的集合，β₁,β₂,和β₃是非负权值因子；

S2-5接收到所述关联请求信息帧的簇头节点或基站设备将该关联请求信息帧的发送者加入到孩子表中，并返回一个关联响应信息帧，

S2-6广播所述关联请求信息帧的簇头节点若接收不到关联响应信息包，随机延时后再执行S2-1；否则表明它已经加入所述网络，且它在网络中的深度为父节点在网络中的深度加1，同时保存父节点信息。

4.如权利要求1～3之一所述的面向楼宇监测的无线传感器网络数据收集方法，其特征在于：所述步骤2）中，所述传感器节点感知到超过设定阈值的数据时，加快数据采集频率，并给所述本地簇的簇头节点发送一个报警信息，所述簇头节点接收到所述报警信息后立即将它进一步转发，并忽略来自本地簇中其他传感器节点的感知信息。

5.如权利要求4所述的面向楼宇监测的无线传感器网络数据收集方法，其特征在于：所述步骤2）中，所述簇头节点周期性广播同步信息，用于使簇内各传感器节点的信息采集同步。

6.如权利要求3所述的面向楼宇监测的无线传感器网络数据收集方法，其特征在于：每个所述簇头节点都是周期性地执行所述树维护子过程，所述执行树维护子过程的周期是随机计算得到的。

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