CN101883444B - 一种适用于物联网的移动代理采集存储方法 - Google Patents

Abstract

移动代理存储管理系统是一种应用于物联网的采集存储方案，主要用于解决物联网环境下数据传输量大，网络任务复杂等问题。开发一种适用于物联网的移动代理存储管理系统，它应具有以下特征：多媒体节点实时地采集图像信息，并将其存储到本地的存储空间模块；交互代理由节点生成，携带本节点的图像信息标识和存储空间信息，遍历簇内节点进行交互，使采集节点根据其他节点的存储空间信息来调整自身工作状态；查询代理由用户参数生成，包含了所有的查询参数信息；簇头节点收到查询代理后，根据任务参数生成返回代理遍历节点，由采集节点将匹配的图像块返回到簇头节点；簇头节点直接将附加了标识的图像块返回到基站服务器，由终端进行图像的融合，形成完整清晰的监控区域图像。

Description

一种适用于物联网的移动代理采集存储方法

技术领域

本发明涉及一种适用于物联网的移动代理采集存储方案，主要用于解决物联网环境下传感数据信息量较大以及节点存储压力过大等问题，属于无线传感器网络应用及软件开发领域。

背景技术

物联网(Internet of Things)顾名思义就是“物物相连的互联网”，指的是将各种信息传感设备，如传感器节点、射频识别(RFID)装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等种种装置与互联网结合起来而形成的一个巨大网络。物联网框架应该由安全的API接口、骨干网络、可通过标准接口接入到骨干网络的设备网络构成。

物联网又称“传感网”，以互联网为代表的计算机网络技术是二十世纪计算机科学的一项伟大成果，它给我们的生活带来了深刻的变化，然而在目前，网络功能再强大，网络世界再丰富，也终究是虚拟的，它与我们所生活的现实世界还是相隔的，在网络世界中，很难感知现实世界，很多事情还是不可能的，时代呼唤着新的网络技术。

多媒体传感器网络作为传感器网络的一种，除了具有这些特点以外，还具有显著的个性特点.具体表现为以下几个方面：(1)网络能力增强。由于大数据量音频、视频、图像等媒体的引入，多媒体传感器节点及网络能力(采集、处理、存储、收发、能量供应等方面)都有显著增强。(2)感知媒体丰富。音频、视频、图像、数值、文本以及控制信号在内的多种类型数据共存于多媒体传感器网络中。(3)处理任务复杂。传统传感器网络采集的数据格式单一、信息量少，因而处理简单，只需经过加、减、乘、除、求和、求平均值等运算，人们通过这些数值结果很难对监测环境形成全面认知，而多媒体传感器网络采集的音频、视频、图像信息丰富且格式复杂，我们可利用压缩、识别、融合等多种处理以满足多样化应用需求。

移动代理，简单的说就是具有移动性的智能代理。它指的是能够自行决定在网络的各个节点之间移动，代表其它实体(人或其他代理)进行工作的一种软件实体。它能自行选择运行地点和时机，根据具体情况，中断当前自身的执行，移动至另一设备上恢复运行，并及时将有关的结果返回。通过虚拟机系统的通信机制，可以实现多个代理之间的合作。这种合作有多种模式。相同的代理之间互相协作，可以防止系统和代理失效。一旦有代理失效，其他代理可以采取措施，通过承担起失效代理的任务或者启动新的代理的办法来进行失效弥补。另外，异种代理之间也可以进行互补性合作，多个不同功能的代理协作完成共同目标。在多媒体传感器网络中，由于节点计算量、存储量、网络传输数据量都较大，处理任务类型较为复杂，引入移动代理的机制可以使程序的执行尽可能靠近数据源，降低网络通信开销，节省带宽，平衡负载，加快任务的执行，从而提高分布式系统的处理效率。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提供一种适用于物联网的移动代理采集存储方法，旨在由监测区域内的节点对图像信息进行分布式采集，簇内节点之间由移动代理进行图像信息的交互，图像信息在簇内节点进行分布式存储，根据用户查询需求向网内注入查询代理，返回图像信息，该方案有效地解决了节点计算传输能力受限等问题，延长了网络的生存周期。

技术方案：本发明的一种适用于物联网的移动代理采集存储方法可应用于现有的无线多媒体传感器网络。通过节点对图像的分块采集，节点之间通过移动代理进行图像信息的交互，用户通过查询代理返回相对应的图像块信息，在终端进行图像的融合，其目的在于降低节点的计算负担和存储负担，将集中式计算转化为分布式计算，充分发挥各个节点的功能，避免单个节点由于负载过重、能耗过大而失效，延长了网络生存周期，节省网络能量，保证无线多媒体传感器网络的任务执行。

在物联网环境下，实现一种移动代理采集存储方案，该存储方案应该具有如下特征：网络中的多媒体节点对图像信息进行分块采集，网络中存在多个移动代理，以移动代理的迁移、运行过程来进行节点之间的图像信息交互；移动代理具有高度的自治性，可以同其他移动代理进行多方面交流；各个多媒体传感器节点能够将图像信息存储在自身的存储模块；终端发出的查询代理能够将指定的图像信息块返回到终端，并在终端进行图像的融合。

整个无线多媒体传感器网络由加载了移动代理平台的普通采集节点加上簇头节点以及基站节点组成。本发明的实现基于现有的操作系统，如TinyOS，MantisOS，SOS等，主要有三个设计要点：节点对于图像信息的分块采集、移动代理在节点间进行图像信息的交互以及图像信息在多媒体节点上的存储。

图像采集过程：

监控区域内的多媒体节点监测图像信息，区域内的节点自组织成为一个网络簇，每个节点采集区域内的一个图像块，整个簇内的节点共同采集完成整个监控区域的图像信息采集。采集节点根据用户指派的任务类别来选择监测区域的范围，对于精准图像的采集，采集节点调整较高的采集分辨率，缩小采集范围，控制图像块所占容量；对于大规模区域监控，采集节点调整较低的采集分辨率，扩大采集范围，保证簇内节点采集的图像块能够完全覆盖整个监控区域。

图像存储过程：

采集节点采集的图像信息存储在自身的存储模块，经过一定的时间间隔，采集节点自身生成一个移动代理，携带自身的图像块信息，当前节点的存储状态，时间标识等信息，移动代理能够自主地迁移到簇内的其他节点，因此通过移动代理对簇内节点的遍历来实现与簇内其他节点进行交互，这样，簇内的节点能够获取其他采集节点的存储状态和图像块信息，当簇内的某个节点的存储空间较小时，其他节点适当调整自身监控范围，减轻某个节点的存储压力。当节点存储空间已满时，则产生移动代理通知簇内其他节点，自身停止采集，其他节点控制采集范围，覆盖存储空间已满的节点的监控范围。

图像返回过程：

用户根据需求查询指定图像信息时，由PC机终端生成一个查询代理，携带要查询的图像要求，注入到网络中，移动代理自主迁移到指定监测区域的簇头节点，通知簇头节点返回图像信息，簇头节点根据查询需求生成相应移动代理对簇内采集节点进行遍历，簇头节点所在簇内的采集节点在存储图像时都附加了时间，区域信息等标识，根据查询代理的查询需求，选择匹配的图像信息返回到簇头节点，簇头节点直接将图像信息进行转发，返回到PC机终端，在终端上进行图像融合、重组的操作，形成完整的监测区域的图像。

方法流程：

步骤1).在无线多媒体传感器网络节点上烧写支持移动代理运行的中间件平台软件；

步骤2).部署无线多媒体传感器网络，对网络进行分簇，每个簇选举出簇头节点负责和基站通信；

步骤3).簇头节点记录本簇内节点的地址信息；

图像采集过程：

步骤4).采集节点根据网络任务类型，启动摄像模块，对监控区域内的图像信息进行采集；

步骤5).若网络需要进行小范围的高清晰度的图像采集，采集节点调整摄像模块，提高图像采集清晰度，缩小采集范围；若网络需要进行大规模的区域监控，对清晰度要求较低，转入步骤6)；

步骤6).采集节点降低图像采集清晰度，扩大采集范围；

步骤7).采集节点将图像信息附上时间、区域信息等标识；

图像存储过程：

步骤8).簇内采集节点将附上标识的图像信息转存到自身的存储模块，并启动自身的中间件平台；

步骤9).节点上的中间件平台根据当前节点的存储空间，采集的图像信息标识，任务类型等生成交互移动代理的代码段信息；

步骤10).中间件平台给移动代理附上状态信息，时间戳等标识，注入到网络中，交互代理在簇内进行遍历；

步骤11).移动代理迁移到簇内的某个采集节点上，工作在当前节点的中间件平台上，当前节点从交互代理的代码段信息中获得生成该代理的采集节点的各种状态信息和图像块标识，交互代理继续迁移到下个节点；

步骤12).若节点获取到某个采集节点的剩余存储空间较小，同时当前节点的剩余存储空间较大时，当前采集节点就扩大图像采集区域，同时给交互代理附加标识；

步骤13).交互代理遍历结束后，回到发起交互代理的采集节点，若该节点的剩余存储空间较小，同时检测到交互代理上的标识，该节点就缩小图像采集区域，节省自身存储空间；

步骤14).某节点的存储空间被占满时，自身停止采集图像信息，并生成一个移动代理，遍历簇内其他节点，通知其他节点扩大采集区域，覆盖存储空间已满节点的监测区域；

图像返回过程：

步骤15).用户通过PC机终端根据用户需要查询的图像时间，区域等信息形成查询代理，将该查询代理注入到网络中；

步骤16).查询代理根据需要返回图像所在的区域信息，自主迁移到区域所在簇的簇头节点，簇头节点获取查询任务的详细参数，生成返回代理遍历簇内采集节点；

步骤17).采集节点根据返回代理的查询参数，从自身的存储模块选择匹配的图像块信息，返回到簇头节点；

步骤18).簇头节点直接将图像块信息返回到PC机终端，终端对图像块信息进行融合和重组操作，形成完整的监测区域的图像；

步骤19).重复执行步骤4)至步骤18)执行新的查询任务。

体系结构

图3给出了根据此种适用于物联网的移动代理采集存储方案所设计的移动代理存储管理系统体系结构，该系统体系结构由用户终端和节点终端两部分组成。用户终端包括代理发布模块，为用户提供各种任务参数接口；节点终端包括数据存储模块，中间件代理管理模块，代理执行模块等，三种模块在节点上进行协调工作。

下面给出这几个模块的详细说明：

数据存储模块：该模块用于暂时存储多媒体数据，进行较小数据量的融合压缩计算处理，支持移动代理同时访问，根据移动代理任务执行和数据采集现状及其他节点的存储状态，向移动代理反馈自身的存储状态。

中间件代理管理模块：中间件平台工作在节点上，由该模块管理迁移到该节点上的移动代理，根据代理的指令来执行代理的功能，协调不同移动代理之间的交互，调整移动代理的执行状态等。

代理执行模块：该模块用于具体执行各种网络任务，中间件平台的代理执行模块根据代理的具体指令通过节点底层采集相应的多媒体信息，控制节点进行数据的采集和存储。

有益效果：本发明提出了一种适用于物联网的移动代理采集存储方案，以及使用该发明方法开发出的移动代理平台体系结构。本发明中，移动代理根据当前节点的采集存储状态，更改自身的运行状态，协调网络中的节点以实现图像的分布式采集，将移动代理技术应用于无线多媒体传感器网络，具有一些显著的优点，可有效地降低多媒体传感器网络复杂任务执行的难度，是其他多媒体传感器网络开发所不具备或不如的：

(1).降低了多媒体传感器网络的开发难度，节点上的移动代理平台基于现有的传感器操作系统，当网络应用更改时，不需要进行重复烧写节点，由上层移动代理的更改来实现任务的变化，避免了频繁地为所有传感器节点编译和烧制嵌入式机器码的过程，从而大大提高系统的开发和部署效率，减少了系统开发和部署的难度和费用。

(2).降低了多媒体传感器网络的任务复杂度，视频数据采集所带来的任务复杂度较高，采集和存储任务较重，采用该方案可将采集和存储压力分担到网络中的各个节点上，并通过移动代理的方式来实现各个节点之间采集和存储信息的交互，移动代理的迁移和交互可使各个节点能够获取其他节点的存储状态，从而实现图像信息的分布式采集存储，降低了采集任务的复杂度，提高了整个网络多媒体数据采集的稳定性和健壮性。

(3).减轻了网络中传感器节点的负担，视频图像的采集会消耗节点大量的能量，使用分布式采集的方式可以根据当前网络状况和任务执行情况，随时更改某些节点的运行状态和存储状态，当一个节点工作负担过重时，各个节点通过移动代理进行协商交互，调动簇内节点协同工作，使一个节点的大量耗能转化为多个节点的耗能，整个网络各节点的能量是一个同步平均消耗的过程，避免了某些节点因为负担过重而失效，从而延长了网络的生存周期。

(4).提高了多媒体传感器网络的任务执行效率，多媒体传感器节点在采集数据时，移动代理可以在数据存储模块中通过对图像数据进行预处理，再返回到服务终端，有效地避免了数据混乱和数据冗余；对于精确度要求较高的任务采集，采集节点按照图像块标识将数据信息以一定的序列返回到基站服务终端进行处理，保证了图像、声音的准确性和可靠性。

附图说明

图1是多媒体传感器节点进行采集存储过程的示意图。表示节点生成交互移动代理的条件和移动代理在执行完信息交互后节点工作状态的改变。

图2是移动代理存储管理系统应用部署示意图。表示使用本发明方案在应用部署时包括的组件示例。

图3是移动代理存储管理系统的结构示意图。表示本发明方法中一种典型的适用于物联网的移动代理存储管理系统的体系结构。

具体实施方式

适用于物联网的移动代理存储管理系统的开发过程具体包含如下五个步骤：

步骤一：进行用户参数和代理指令结构的定义。对用户提供透明的可视化界面，供其输入各种任务参数，如传感类型(视频或图像等)，查询方式(数据流返回，按时间间隔返回等)，多媒体数据信息精确度，查询范围(单节点，同一簇，全网等)，任务类型(目标识别，精确采集等)；移动代理管理系统服务器终端根据用户参数生成相应的移动代理代码，根据任务类型和传感类型等确定移动代理的初始协作状态，生成一系列完整的移动代理信息，移动代理通过基于不同的操作系统采用不同的数据包格式下注入到目标节点或目标区域执行，如采用TinyOS操作系统部署无线多媒体传感器网络，则采用TinyOS数据包格式对各条移动代理进行封装，再通过串口传送到基站，继而发布到执行区域；移动代理生存周期的设定，由用户定义的任务周期、任务类型和任务时间间隔来确定，并根据不同的用户参数设定交互代理，数据返回代理等不在网络中长时间驻留的代理类型，终端平台还负责对各类型的移动代理进行消息包的解包处理，给用户提供可视化的数据显示。

步骤二：建立网络拓扑结构。网络采用层次式分簇结构，采用现有的分簇算法，如LEACH、GAF算法或基于RSSI定位算法等将整个网络分成若干簇，每个簇有一个簇头节点负责和基站通信，簇内的节点之间可以相互通信。簇头节点保存自己簇内节点的信息，簇内节点保存各自邻居节点的信息。

步骤三：设计图像采集和存储的过程。这步是本方案的关键，每个节点采集区域内的一个图像块，整个簇内的节点共同采集完成整个监控区域的图像信息采集。采集节点根据用户指派的任务类别来选择监测区域的范围，对于精准图像的采集，采集节点调整较高的采集分辨率，缩小采集范围，控制图像块所占容量；对于大规模区域监控，采集节点调整较低的采集分辨率，扩大采集范围，保证簇内节点采集的图像块能够完全覆盖整个监控区域；采集节点采集的图像信息存储在自身的存储模块，经过一定的时间间隔，采集节点自身生成一个移动代理，携带自身的图像块信息、当前节点的存储状态、时间标识等信息，移动代理能够自主地迁移到簇内的其他节点，这样，簇内的节点能够获取其他采集节点的存储状态和图像块信息，当簇内的某个节点的存储空间较小时，其他节点适当调整自身监控范围，减轻某个节点的存储压力。当节点存储空间已满时，则产生移动代理通知簇内其他节点，自身停止采集，其他节点控制采集范围，覆盖存储空间已满的节点的监控范围；用户根据需求查询指定图像信息时，由PC机终端生成一个查询代理，携带要查询的图像要求，注入到网络中，移动代理自主迁移到指定监测区域的簇头节点，通知簇头节点返回图像信息，簇头节点根据查询需求生成相应移动代理对簇内采集节点进行遍历，簇内节点根据查询代理的查询需求，选择匹配的图像信息返回到簇头节点，簇头节点直接将图像信息进行转发，返回到PC机终端，在终端上进行图像融合、重组的操作，形成完整的监测区域的图像。

步骤四：节点移动代理平台的功能设计。移动代理的协作和运行依赖于节点上的移动代理平台的功能实现。移动代理注入到节点上，平台根据移动代理当前所属状态将其装入运行引擎，按照平台定义好的指令结构执行该代理，移动代理还会根据平台上已有代理的运行情况调整自身的状态字，程序码等，或选择自身当前运行状态。根据网络任务类型的不同，平台还需对移动代理进行多媒体数据压缩融合算法的分配，用于进行分布式计算；平台需要根据代理参数对时间片进行设定，时间片信息同时记录在移动代理和平台上；如果节点的剩余存储空间不能支持当前的存储操作，则由平台生成数据返回代理，将散列的图像块信息返回到基站服务器终端进行处理。

步骤五：在网络中部署适用于物联网的移动代理存储管理系统应用的基础设施。如图2所示，一个典型的该类应用通常需要下面几个部件：

(1)服务器终端：提供图形化的操作界面供用户输入查询任务的各项参数；对查询任务的各项参数进行组合，封装成数据包并通过串口发往基站节点；对由串口传来的查询结果数据包进行解析，将用户需求的数据显示给用户，并将结果自动本存到本地的数据库中。

(2)带有多媒体传感模块的无线传感器节点：是无线传感器网络的网络站点，具有独立的计算、存储能力，而且可以与周围的其他传感器节点通过无线信道和无线协议进行无线广播通信，并带有多媒体传感器模块可以采集视频、音频信息。

(3)无线多媒体传感器网络管理基站：一个特殊的无线传感器网络节点，具有持续的电力供应，提供了与服务器之间的有线通信软硬件接口。

部署完基础设施之后还需烧制移动代理平台，平台基于操作系统之上，如TinyOS、MantisOS等。在部署完硬件基础设施及软件系统后，就可以将按本发明所设计的无线多媒体传感器网络移动代理管理系统应用到网络任务中。

为了方便描述，我们假定有如下应用实例：开发一个用于医院病房监控的无线多媒体传感器网络移动代理系统，该应用的基本需求是提供给用户图形化的操作界面，供用户选择各种组合的查询请求参数，系统将其封装成查询代理将其发布到分布在各个病房、手术室、楼道的多媒体传感器节点，并将拍摄到的信息传到服务器终端显示给用户，从而实现对医院病房大楼的监控。

具体实施方案为：

(1)部署网络，将多媒体传感器节点部署到楼宇中，节点配置有TinyOS操作系统，每个房间或一层楼道中的节点构成一个独立分簇，各有一个簇头节点负责和基站节点通信；

(2)对节点进行初始化，将移动代理平台节点端代码烧制到多媒体节点上，并运行服务器端代码，启动操作界面；

(3)节点端代码开始运行，在节点上预分配最大的存储单元为元组空间，并启动平台运行引擎，处于接收态，准备接收即将注入的移动代理；

(4)用户通过服务器端操作界面输入查询的各项参数(查询间隔，传感类别，任务类型，精度要求等)，服务器端对参数进行分析，生成相应的移动代理，并根据初始网络任务定义初始协作状态；

(5)对于病房等大规模区域的多媒体信息采集，监控区域内的多媒体节点将采集分辨率降低，扩大采集区域，每个节点采集区域的一个图像块信息，存储在本节点的存储模块，保证簇内节点采集的图像块能够涵盖整个监控区域；

(6)对于重症病房，手术室等重点区域的图像采集，多媒体节点提高采集分辨率，缩小采集区域，使采集的图像块具有较高的清晰度，在用户需要图像信息时，将附加标识的图像块返回到基站服务器，在终端进行融合处理，显示出清晰的图像；

(7)多媒体传感器节点采集图像块信息后，由节点生成移动代理，携带自身图像块信息参数和自身存储空间信息，遍历簇内各个节点，进行图像信息和存储空间的交互，使簇内各个节点能够获知其他节点的工作状态，同时继续进行图像采集操作；

(8)服务器端收到基站通过串口传回的数据，通过用户操作界面显示给用户，并同时保存到本地数据库中；

(9)用户对多媒体数据进行分析处理，并根据查询要求由界面生成新的查询代理注入到网络中。

Claims (1)

1.一种适用于物联网的移动代理采集存储方法，其特征在于该方法所包含的步骤如下：

步骤1).在无线多媒体传感器网络节点上烧写支持移动代理运行的中间件平台软件；

步骤2).部署无线多媒体传感器网络，对网络进行分簇，每个簇选举出簇头节点负责和基站通信；

步骤3).簇头节点记录本簇内节点的地址信息；图像采集过程：

步骤4).采集节点根据网络任务类型，启动摄像模块，对监控区域内的图像信息进行采集；

步骤5).若网络需要进行小范围的高清晰度的图像采集，采集节点调整摄像模块，提高图像采集清晰度，缩小采集范围；若网络需要进行大规模的区域监控，对清晰度要求较低，转入步骤6)；

步骤6).采集节点降低图像采集清晰度，扩大采集范围；

步骤7).采集节点将图像信息附上时间、区域信息标识；图像存储过程：

步骤8).簇内采集节点将附上标识的图像信息转存到自身的存储模块，并启动自身的中间件平台；

步骤9).节点上的中间件平台根据当前节点的存储空间，采集的图像信息标识，任务类型生成交互移动代理的代码段信息；

步骤10).中间件平台给移动代理附上状态信息，时间戳标识，注入到网络中，交互移动代理在簇内进行遍历；

步骤11).交互移动代理迁移到簇内的某个采集节点上，工作在当前节点的中间件平台上，当前节点从交互移动代理的代码段信息中获得生成该交互移动代理的采集节点的各种状态信息和图像块标识，交互移动代理继续迁移到下个节点；

步骤12).若节点获取到某个采集节点的剩余存储空间较小，同时当前节点的剩余存储空间较大时，当前采集节点就扩大图像采集区域，同时给交互移动代理附加标识；

步骤13).交互移动代理遍历结束后，回到发起交互移动代理的采集节点，若该节点的剩余存储空间较小，同时检测到交互移动代理上的标识，该节点就缩小图像采集区域，节省自身存储空间；

步骤14).某节点的存储空间被占满时，自身停止采集图像信息，并生成一个移动代理，遍历簇内其他节点，通知其他节点扩大采集区域，覆盖存储空间已满节点的监测区域；

图像返回过程：

步骤15).用户通过PC机终端根据用户需要查询的图像时间，区域信息形成查询代理，将该查询代理注入到网络中；

步骤16).查询代理根据需要返回图像所在的区域信息，自主迁移到区域所在簇的簇头节点，簇头节点获取查询任务的详细参数，生成返回代理遍历簇内采集节点；

步骤17).采集节点根据返回代理的查询参数，从自身的存储模块选择匹配的图像块信息，返回到簇头节点；

步骤18).簇头节点直接将图像块信息返回到PC机终端，终端对图像块信息进行融合和重组操作，形成完整的监测区域的图像；

步骤19).重复执行步骤4)至步骤18)执行新的查询任务。

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