CN101902772B - 基于异构分簇无线传感网多源监测数据融合的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于异构分簇无线传感网多源监测数据融合的方法及系统，包含若干监测节点、若干簇头节点、若干中继节点、一网关节点和一上位机，网关节点接通上位机后，建立符合ZigBee协议的PAN网络，簇头节点和中继节点在上电后，搜寻并加入该PAN网络以组成无线网状网络，簇头节点接收监测节点的广播包，进行相关性计算，并将计算结果通过无线网状网络提供给上位机进行分簇处理，然后按照分簇结果，由簇内的监测节点采集环境数据发送给该簇内的簇头节点，由簇头节点通过无线网状网络将采集到的环境数据发送给上位机按照环境数据的不同来源相应处理，从而将异构分簇无线传感网和无线网状网络相结合，充分利用两者的优势进行数据采集。

Description

基于异构分簇无线传感网多源监测数据融合的方法及系统

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种基于异构分簇模型的无线传感器网络数据融合的方法及系统。

背景技术

随着传感器技术、低功耗无线通信技术以及嵌入式计算技术的飞速发展和日益成熟，生产具备感应、无线通信以及信息处理能力的低功耗微型传感器节点成为可能。这些微型的传感器节点共同组成无线传感器网络，通过节点间的短距离通信来协作感知、采集和处理覆盖区域内的多种环境信息(温度、湿度等)，并汇聚给远程基站(Sink)进行处理，以满足不同传感器网络中不同应用的需求。无线传感器网络的随机布设、自组织、环境适应等特点广泛应用在环境监测、生物医学研究、目标跟踪、工农业控制、军事应用等诸多领域。由于受到成本、体积等因素的限制，传感器节点处理能力、电池容量、无线带宽等资源非常有限。特别是面向一些特殊的应用领域时，对传感器节点的处理能力、无线通信能力以及供电方式等需求有所不同，研究异构网络的拓扑结构与信息处理模式具有广阔的应用前景和很高的应用价值。

将无线传感器网络划分成簇能有效利用系统资源，基于异构分簇模型的无线传感器网络，是指网络中存在多种不同能力的节点，能力强的节点自动成为簇头，这种网络避免了复杂的簇头选举过程并有效降低了普通节点的硬件复杂性和成本。

无线异构网络中的信息处理模式目前主要是对同一类型传感器感知信息进行数据融合处理，异构网络的融合方法面临着高延迟、高消耗、低速率等诸多方面的“瓶颈”。通过将数据融合问题与网络拓扑结构相结合，面向具体服务领域特点，研究异构分簇网络的融合思路和方法来为多种异构网络融合的实现提供更为广阔的研究空间。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出一种基于异构分簇无线传感网多源监测数据融合的方法及系统，将异构分簇无线传感网和无线网状(Mesh)网络相结合，充分利用两者的优势，进行拓扑规划，可以充分利用网络资源、扩大网络覆盖范围，平衡了网络负载，减少了整个网络的能量消耗，降低了普通节点的硬件复杂性和成本。

为了解决上述技术问题，本发明提出一种基于异构分簇无线传感网多源监测数据融合系统，包含若干监测节点、若干簇头节点、若干中继节点、一网关节点和一上位机，网关节点接通上位机后，建立符合ZigBee协议的PAN网络，簇头节点和中继节点在上电后，搜寻并加入该PAN网络以组成无线网状网络，其中：

每一监测节点上电后，广播发送封装有其地址信息的广播包，以及在收到一簇头节点发送来的封装有父节点地址和采集周期的应答数据包后，按照该采集周期进行环境数据采集，并将采集到的环境数据发送给符合该父节点地址的簇头节点；

每一簇头节点在其接收到一监测节点发送来的广播包后，根据接收该广播包时的接收信号强度计算出该簇头节点与该监测节点的相关性值，将该簇头节点作为父节点，将该监测节点作为子节点，将该相关性值、该父节点地址以及该子节点地址封装为数据包并通过无线网状网络发送给上位机；以及接收并保存上位机通过无线网状网络发送来的拓扑结构列表和采集周期，将该拓扑列表中的父节点地址和采集周期分别发送给与该拓扑列表中的若干子节点地址相符的若干监测节点；

上位机根据簇头节点与监测节点的相关性值进行分簇处理，每一簇中包含一作为父节点的簇头节点和若干作为子节点的监测节点，产生各簇的拓扑列表，根据各簇内节点规模或者用户需求为各簇配置采集周期，然后将各簇的拓扑列表和采集周期封装成数据包通过无线网状网络发送给各簇内的簇头节点；以及根据接收到的环境数据的来源对环境数据进行分析处理。

进一步地，上述系统还可具有以下特点：

簇头节点维护所管理的簇内节点的拓扑信息列表，当在一采集周期内接收到多个监测节点采集到的环境数据时，簇头节点只对该拓扑列表中存在的监测节点采集到的环境数据按照拓扑顺序依次打包，构成当前簇内监测到的完整数据，封装为数据包后通过无线网状网络上传给上位机。

进一步地，上述系统还可具有以下特点：

簇头节点维护所管理的簇内节点的拓扑信息列表是指，簇头节点接收到一监测节点广播的数据包后，查找当前存储于该簇头节点中的拓扑列表中是否存在该监测节点的地址，如果不存在，则认为该监测节点第一次预备加入当前簇，由上位机为该监测节点优选一个簇，由该优选出的簇中的簇头节点向该监测节点发送父节点地址以及采集周期；如果存在，则继续判断当前收到的该监测节点广播的数据包中包含的时间戳与上一次收到的该监测节点广播的数据包中包含的时间戳之差是否大于传输时间限度，如果不大于则认为该监测节点已经在该簇内，该广播包为重复包，丢弃该广播包，如果大于则认为该监测节点预备重新加入当前簇，簇头节点直接向该监测节点发送父节点地址和采集周期；

该传输时间限度表示簇头节点回复监测节点应答包的最大时间限度，等于网关到簇头节点间的最大跳数与平均每跳传输时间之积。

进一步地，上述系统还可具有以下特点：

簇头节点还需确定其在该无线网状网络中基于最优跳数的路由，并通过该基于最优跳数的路由与网关节点进行通信。

进一步地，上述系统还可具有以下特点：

监测节点与簇头节点交互的数据包中封装有前导字节、网络ID、长度、有效负载和校验和，其中：

网络ID存在2个取值，其一表示监测节点所在的网络，另一个表示网关所在的网络；

有效负载中又包含数据包类型、父节点地址、子节点地址、监测数据、周期或者时间戳：有效负载中的类型字段存在3个不同取值，分别代表广播包、应答包、数据包3种不同类型的数据包；

从监测节点到簇头节点发送的数据包类型是广播包或者数据包，有效负载最后一字段为时间戳信息；簇头节点向监测节点发送的数据包类型是应答包，有效负载最后一字段为周期信息。

进一步地，上述系统还可具有以下特点：

簇头节点根据接收监测节点的广播包时的接收信号强度计算出该簇头节点与该监测节点的相关性值的计算公式为：

P＝1-P_r/P₀

其中，P为该簇头节点与该监测节点的相关性值，P_r表示接收当前广播包的信号强度值，P₀为常量，表示采用相同射频芯片的节点与源节点足够远时接收到的功率值。

进一步地，上述系统还可具有以下特点：

簇头节点发送给网关节点的数据包中封装有前导字节、长度、自定义数据结构、校验和，其中：

自定义数据结构中包含数据包类型、自定义字段；自定义字段中包含父节点地址、子节点地址和负载数据；

数据包类型字段具有2个不同取值，分别代表广播包、应答包2种不同类型的数据包；在数据包类型为广播包时，自定义字段中的负载数据为监测节点与簇头节点的相关性值；在数据包类型为应答包时，自定义字段中的负载数据为监测节点检测到的环境数据。

进一步地，上述系统还可具有以下特点：

上位机在进行分簇处理时，如果判断某一监测节点的信息是通过多个不同的簇头节点上传的，选择相关性值大的簇头节点作为该监测节点的父节点。

进一步地，上述系统还可具有以下特点：

上位机发送给簇头节点的数据包中封装有前导字节、网络ID、长度、有效负载和校验和，其中：

网络ID存在2个取值，其一表示监测节点所在的网络，另一个表示网关所在的网络；有效负载中又包含广播最大跳数、拓扑列表，所述广播最大跳数是由上位机程序根据接收到的网络数据确定网络规模而限定的。

本发明还提出一种基于上述基于异构分簇无线传感网多源监测数据融合系统进行数据融合的方法，包含步骤：

网关节点接通上位机后，建立符合ZigBee协议的PAN网络，簇头节点和中继节点在上电后，搜寻并加入该PAN网络组成无线网状网络；

监测节点上电后，广播发送封装有其地址信息的广播包；

簇头节点接收到一监测节点发送来的广播包后，分别根据接收该广播包时的接收信号强度计算出簇头节点与该监测节点的相关性值，将该簇头节点作为父节点，将该监测节点作为子节点，将该相关性值、该父节点地址以及该子节点地址封装为数据包并通过无线网状网络发送给上位机；

上位机根据簇头节点与监测节点的相关性值进行分簇处理，每一簇中包含一作为父节点的簇头节点和若干作为子节点的监测节点，产生各簇的拓扑列表，根据各簇内节点规模或者用户需求为各簇配置采集周期，然后将各簇的拓扑列表和采集周期封装成数据包通过无线网状网络发送给各簇内的簇头节点；

簇头节点接收并保存上位机通过无线网状网络发送来的拓扑结构列表和采集周期，将该拓扑列表中的父节点地址和采集周期分别发送给与该拓扑列表中的若干子节点地址相符的若干监测节点；

监测节点收到簇头节点发送来的封装有父节点地址和采集周期的应答数据包后，按照该采集周期进行环境数据采集，并将采集到的环境数据发送给符合该父节点地址的簇头节点，由簇头节点通过无线网状网络发送给上位机；

上位机根据接收到的环境数据的来源对环境数据进行分析处理。

进一步地，上述方法还可具有以下特点：

簇头节点维护所管理的簇内节点的拓扑信息列表，当在一采集周期内接收到多个监测节点采集到的环境数据时，簇头节点只对该拓扑列表中存在的监测节点采集到的环境数据按照拓扑顺序依次打包，构成当前簇内监测到的完整数据，封装为数据包后通过无线网状网络上传给上位机。

进一步地，上述方法还可具有以下特点：

簇头节点维护所管理的簇内节点的拓扑信息列表是指，簇头节点接收到一监测节点广播的数据包后，查找当前存储于该簇头节点中的拓扑列表中是否存在该监测节点的地址，如果不存在，则认为该监测节点第一次预备加入当前簇，由上位机为该监测节点优选一个簇，由该优选出的簇中的簇头节点向该监测节点发送父节点地址以及采集周期；如果存在，则继续判断当前收到的该监测节点广播的数据包中包含的时间戳与上一次收到的该监测节点广播的数据包中包含的时间戳之差是否大于传输时间限度，如果不大于则认为该监测节点已经在该簇内，该广播包为重复包，丢弃该广播包，如果大于则认为该监测节点预备重新加入当前簇，簇头节点直接向该监测节点发送父节点地址和采集周期；

该传输时间限度表示簇头节点回复监测节点应答包的最大时间限度，等于网关到簇头节点间的最大跳数与平均每跳传输时间之积。

进一步地，上述方法还可具有以下特点：

簇头节点还需确定其在该无线网状网络中基于最优跳数的路由，并通过该基于最优跳数的路由与网关节点进行通信。

进一步地，上述方法还可具有以下特点：

监测节点与簇头节点交互的数据包中封装有前导字节、网络ID、长度、有效负载和校验和，其中：

网络ID存在2个取值，其一表示监测节点所在的网络，另一个表示网关所在的网络；

有效负载中又包含数据包类型、父节点地址、子节点地址、监测数据、周期或者时间戳：有效负载中的类型字段存在3个不同取值，分别代表广播包、应答包、数据包3种不同类型的数据包；

从监测节点到簇头节点发送的数据包类型是广播包或者数据包，有效负载最后一字段为时间戳信息；簇头节点向监测节点发送的数据包类型是应答包，有效负载最后一字段为周期信息。

进一步地，上述方法还可具有以下特点：

簇头节点根据接收监测节点的广播包时的接收信号强度计算出该簇头节点与该监测节点的相关性值的计算公式为：

P＝1-P_r/P₀

其中，P为该簇头节点与该监测节点的相关性值，P_r表示接收当前广播包的信号强度值，P₀为常量，表示采用相同射频芯片的节点与源节点足够远时接收到的功率值。

进一步地，上述方法还可具有以下特点：

簇头节点发送给网关节点的数据包中封装有前导字节、长度、自定义数据结构、校验和，其中：

自定义数据结构中包含数据包类型、自定义字段；自定义字段中包含父节点地址、子节点地址和负载数据；

数据包类型字段具有2个不同取值，分别代表广播包、应答包2种不同类型的数据包；在数据包类型为广播包时，自定义字段中的负载数据为监测节点与簇头节点的相关性值；在数据包类型为应答包时，自定义字段中的负载数据为监测节点检测到的环境数据。

进一步地，上述方法还可具有以下特点：

上位机在进行分簇处理时，如果判断某一监测节点的信息是通过多个不同的簇头节点上传的，选择相关性值大的簇头节点作为该监测节点的父节点。

进一步地，上述方法还可具有以下特点：

上位机发送给簇头节点的数据包中封装有前导字节、网络ID、长度、有效负载和校验和，其中：

网络ID存在2个取值，其一表示监测节点所在的网络，另一个表示网关所在的网络；有效负载中又包含广播最大跳数、拓扑列表，所述广播最大跳数是由上位机程序根据接收到的网络数据确定网络规模而限定的。

本发明所述的一种基于异构分簇无线传感网多源监测数据融合方法，具有如下优点：

异构分簇无线传感网通过分簇方式配置网络拓扑，选举产生一个较为稳定的簇，簇头节点对所在簇内的节点进行治理，能方便地向网关传达节点的各种信息，例如能量、安全性、故障等，部署方便、组网灵活；

网关节点通过中继节点可以有效地向网络中其他节点发送命令，可以扩大网络覆盖范围，使得网络具有更强的可扩展性；

通过减少数据通信量的分簇拓扑结构，由簇首节点负担数据融合的任务，有利于分布式算法的应用；

同一个簇内的节点共享簇头的路由信息，减少了整个网络的路由开销，簇内节点长时间不参与数据转发过程，显著的延长了整个网络的生存时间，适合大规模部署的网络应用；

基于异构分簇传感网络中簇头节点与监测节点的相关性进行拓扑规划，可以充分利用现有的网络资源，提高网络的可靠性、抗攻击能力；提高了网络容量，降低了监测节点的能量消耗，减少了整个网络冗余数据的传输。

附图说明

图1是本发明实施例一种基于异构分簇无线传感网多源监测数据融合系统结构示意图；

图2是本发明实施例利用图1所示的系统自动建立监测网络的方法流程图；

图3是本发明实施例监测节点与簇头节点交互的数据包的封装结构示意图；

图4是本发明实施例簇头节点发送给网关节点的数据包的封装结构示意图；

图5是本发明实施例上位机发送给簇头节点的数据包的封装结构示意图；

图6是本发明实施例系统中各节点彼此交互进行拓扑结构建立的示意图；

图7是本发明实施例利用建立好的监测网络实现多源监测数据融合的方法流程图；

图8是本发明实施例簇头节点维护所管理的簇内节点的拓扑信息列表的方法流程图；

图9是本发明应用实例分布式智能型电气开关柜的温度测控系统结构示意图。

具体实施方式

本发明提出一种基于异构分簇无线传感网多源监测数据融合方法，可应用于冶金、电力等工业应用环境的数据监测。

下面将结合附图详细介绍本发明技术方案。

参见图1，该图示出了本发明实施例一种基于异构分簇无线传感网多源监测数据融合系统，包含异构分簇无线传感器网11和无线Mesh网络12。异构分簇无线传感器网11包含多个簇，每一簇内包含若干个监测节点111和一个簇头节点112，其中簇头节点112又属于无线Mesh网络12的一部分；无线Mesh网络12又包含簇头节点121(112)、中继节点122和网关节点123。

下面将进一步对上述各节点进行说明：

(1)监测节点

监测节点是可以感知温度、湿度等标量信息的无线传感器节点。监测节点与簇头节点进行通信。每一监测节点上电后，广播发送封装有其地址信息的广播包，以及在收到一簇头节点发送来的封装有父节点地址和采集周期的应答数据包后，按照该采集周期进行环境数据采集，并将采集到的环境数据发送给符合该父节点地址的簇头节点；

(2)簇头节点

簇头节点是具有两种通信功能的特殊节点，硬件上可以采用两种不同的射频模块，一种用于簇头节点与网关节点或中继节点间通信，能够搜索PAN网络，并加入自组织成ZigBee协议的Mesh网络；另一种用于簇头节点与簇内监测节点间的通信。待Mesh网络路由过程建立后，每一簇头节点在其接收到一监测节点发送来的广播包后，根据接收该广播包时的接收信号强度计算出该簇头节点与该监测节点的相关性值，将该簇头节点作为父节点，将该监测节点作为子节点，将该相关性值、该父节点地址以及该子节点地址封装为数据包并通过无线网状网络发送给上位机；以及接收并保存上位机通过无线网状网络发送来的拓扑结构列表和采集周期，将该拓扑列表中的父节点地址和采集周期分别发送给与该拓扑列表中的若干子节点地址相符的若干监测节点；以及接收到监测节点发送来的采集到的环境数据后，进行数据封装并通过Mesh网络上传给上位机。

簇头节点还对其保存的拓扑结构进行确认，即簇头节点维护所管理的簇内节点的拓扑信息列表，包含：簇头节点接收到一监测节点广播的数据包后，查找当前存储于该簇头节点中的拓扑列表中是否存在该监测节点的地址，如果不存在，则认为该监测节点第一次预备加入当前簇，由上位机为该监测节点优选一个簇，由该优选出的簇中的簇头节点向该监测节点发送父节点地址以及采集周期；如果存在，则继续判断当前收到的该监测节点广播的数据包中包含的时间戳与上一次收到的该监测节点广播的数据包中包含的时间戳之差是否大于传输时间限度，如果不大于则认为该监测节点已经在该簇内，该广播包为重复包，丢弃该广播包，如果大于则认为该监测节点预备重新加入当前簇，簇头节点直接向该监测节点发送父节点地址和采集周期，作为该监测节点的父节点为其服务。该传输时间限度表示簇头节点回复监测节点应答包的最大时间限度，等于网关到簇头节点间的最大跳数与平均每跳传输时间之积。

(3)中继节点

中继节点是简化了的簇头节点，只具有一种无线通信模块，初始时搜索PAN网络，并加入到PAN网络，根据通讯环境和节点的空间布置自组织成基于ZigBee的Mesh网络。中继节点加入网络后才可以接收和发送数据包，负责转发簇头节点与网关节点(Sink)间的交互数据。

(4)网关节点

网关节点，能够通过自配置，建立符合ZigBee协议的PAN网络，建立网络后，允许中继节点和簇头节点加入到网络；网关节点的另一端通过串口与上位机通讯，上位机中的应用软件能识别和处理由网关节点提供的数据包。网关节点负责将簇头节点发送来的数据包转发上位机，以及将上位机发送来的应答转发簇头节点。一个异构分簇无线传感网多源监测数据融合系统中只允许存在一个网关节点。

下面将介绍利用图1所示的异构分簇无线传感网多源监测数据融合系统自动建立监测网络的方法，参考图2，包含如下步骤：

步骤S201：监测节点采用电池供电，在出厂时已经处于异构分簇网络搜索状态，初始时周期广播ID地址信息；

监测节点与簇头节点交互的数据包结构如图3所示，包含前导字节、网络ID、长度、有效负载和校验和，其中：网络ID存在2个取值，其一表示监测节点所在的网络，即异构分簇无线传感器网，另一个表示网关所在的网络，即Mesh网络。其中：有效负载中又包含数据包类型、父节点地址、子节点地址、监测数据、周期或者时间戳。有效负载中的类型字段存在3个不同取值，分别代表广播包、应答包、数据包3种不同类型的数据包。

其中，从监测节点到簇头节点发送的数据包类型是广播包或者数据包，有效负载最后一字段为时间戳信息；簇头节点向监测节点发送的数据包类型是应答包，有效负载最后一字段为周期信息。

在本步骤中，即监测节点在广播ID地址信息时，类型字段取值表示广播包，子节点地址为该监测节点自身的地址，父节点地址为一广播地址，例如0xFFFF，网络ID取值为表示监测节点所在的网络，以及获取当前硬件时钟的时间戳，然后一同按图3格式打包，广播出去。

步骤S202：簇头节点在上电后处于Mesh网络搜索状态，同时监听监测节点的广播包；

簇头与监测节点初始时是没有网络连接的，簇头根据接收数据包的包头信息区分是否是监测节点的广播包；

步骤S203：中继节点在上电后处于Mesh网络搜索状态；

步骤S204：网关节点接通上位机后，建立符合ZigBee协议的PAN网络；

所建立的PAN网络符合IEEE802.15.4协议标准；

步骤S205：PAN网络建立完成后，中继节点搜索到PAN网络，加入该PAN网络，根据通讯环境和节点的空间布置自组织成基于ZigBee的Mesh网络；簇头节点也会搜索到该网络，加入该PAN网络，基于最优跳数建立与网关节点的路由；

经过上述步骤S201～步骤S205完成了基于ZigBee的Mesh网络建立，在Mesh网络中成功引入簇头节点，其中Mesh网络本身的建立过程是根据IEEE802.15.4协议标准PAN网络的建立过程实现的。

步骤S206：簇头节点在接收到各监测节点的广播包后，根据收到各监测节点数据包时的接收信号强度RSSI(Received Signal Strength Indication)来分别计算簇头节点与各监测节点的相关性值P；

相关性值用一个[0，1]的三位有效数字的小数来表示，通常当监测节点距离簇头节点越近时，RSSI接收信号强度值越大，相关性值也越大。根据自由空间的无线信号路径损耗模型，可知信号衰减和传输距离间的关系，距离越近，受环境干扰越少，RSSI值越大；而RSSI是一寄存器值，采用不同的射频芯片，RSSI值也有所不同，例如，对于CC1000通信芯片，RSSI值是一个10位的寄存器值，而对于CC2420，该值却是一个8位的寄存器值，为使上层不考虑底层数值范围变化，将其映射为相关性值P，令

P＝1-P_r/P₀

其中，P_r表示接收当前数据包的信号强度RSSI值，P₀为常量，表示采用相同射频芯片的节点与源节点足够远时接收到的功率值；

步骤S207：簇头节点使用自身的地址替换数据包中的父节点地址，并与计算出的该簇头节点与各监测节点的相关性封装为数据包，通过网关节点发送至上位机；

在本步骤中最终发送给网关节点的数据包的封装结构如图4所示，在该数据包中包含前导字节、长度、自定义数据结构、校验和；自定义数据结构中包含数据包类型、自定义字段；自定义字段中包含父节点地址(即该簇头节点地址)、子节点地址(即向该簇头节发送广播包的监测节点的地址)和负载数据。数据包类型字段具有2个不同取值，分别代表广播包、应答包2种不同类型的数据包。在数据包类型为广播包时，自定义字段中的负载数据为监测节点与簇头节点的相关性值P；在数据包类型为应答包时，自定义字段中的负载数据为监测节点检测到的环境数据。

步骤S208：上位机程序基于簇头节点与各监测节点间的相关性进行分簇处理，根据簇头节点与监测节点的相关性值进行分簇处理，每一簇中包含一作为父节点的簇头节点和若干作为子节点的监测节点，产生各簇的拓扑列表，根据各簇内节点规模或者用户需求为各簇配置采集周期，然后将各簇的拓扑列表和采集周期封装成数据包通过无线网状网络发送给各簇内的簇头节点；

监测节点与簇头节点距离越近，相关性值越大；

若判断某些监测节点的信息是通过两个不同的簇头节点上传到网关节点，上位机程序选择相关性值大的簇头节点作为监测节点的父节点；

每一簇头节点的拓扑列表中至少包含父节点地址、各子节点地址，以及采集周期；

在本步骤中，上位机最终将发送给簇头节点的数据包的封装结构如图5所示，包含前导字节、网络ID、长度、有效负载和校验和，其中：网络ID存在2个取值，其一表示监测节点所在的网络，即分簇无线传感器网，另一个表示网关所在的网络，即Mesh网络。有效负载中又包含广播最大跳数、拓扑列表，所述广播最大跳数是由上位机程序根据接收到的网络数据确定网络规模而限定的。

步骤S209：簇头节点接收并保存上位机发送来的拓扑列表和采集周期，将搜集到的监测节点的地址信息依次与拓扑列表中的子节点地址比较，向相符的监测节点发送父节点地址和采集周期；

步骤S210：监测节点收到父节点地址和采集周期后，使用该父节点地址替换广播地址，按照所述采集周期采集数据并上传给该簇头节点。

经过上述步骤S206～步骤S210完成了拓扑结构建立，参考图6，该图示出了系统中各节点彼此交互进行拓扑结构建立的示意图。

经过上述步骤S201～步骤S210即完成了监测网络的自动建立，之后，就可以利用该建立好的监测网络进行环境数据的采集与分析了。

参考图7，该图示出了如何利用建立好的监测网络实现多源监测数据融合，包含如下步骤：

步骤S701：监测节点按照簇头节点发送来的采集周期采集环境数据，并将采集到的环境数据上传给该簇头节点；

步骤S702：簇头节点维护所管理的簇内节点的拓扑信息列表，当一周期内接收到多个监测节点采集到的环境数据时，簇头节点只对该拓扑列表中存在的监测节点采集到的环境数据按照拓扑顺序依次打包，构成当前簇内监测到的完整数据，并以上行数据传输格式封装簇内监测节点采集到的环境数据，并通过网关节点上传给上位机；不在列表内的节点信息认为是冗余数据，不向上传输；

步骤S703：上位机接收到采集到的环境数据后，根据环境数据的来源进行相应分析处理。

参考图8，该图示出了本发明实施例簇头节点如何维护所管理的簇内节点的拓扑信息列表，即如何在监测网络中进行簇内节点拓扑确认的方法，包含如下步骤：

步骤S801：簇头节点接收到一监测节点广播的数据包；

步骤S802：该簇头节点查找其当前存储的拓扑列表中是否存在该监测节点的地址，如果不存在，则进入步骤S803；如果存在，则进入步骤S804；

步骤S803：认为该监测节点第一次预备加入当前簇，执行步骤S206～步骤S210，上位机为该监测节点优选一个簇头节点作为父节点，修改该簇头节点的拓扑列表，该簇头节点用新拓扑列表覆盖当前存储的拓扑列表，并向该新拓扑列表中的各监测节点发送父节点地址以及采集周期；

步骤S804：判断当前收到的该监测节点广播的数据包中包含的时间戳与上一次收到的该监测节点广播的数据包中包含的时间戳之差是否大于传输时间限度T，如果不大于则进入步骤S805，否则进入步骤S806；

该传输时间限度T表示簇头节点回复监测节点应答包的最大时间限度，等于网关到簇头节点间的最大跳数与平均每跳传输时间Tm之积，其中Tm为常量，通常为ms级；

步骤S805：认为该监测节点已经在该簇内，该广播包为重复包，丢弃该广播包；

步骤S806：认为该监测节点预备重新加入当前簇，簇头节点直接向该监测节点发送父节点地址和采集周期，该簇头节点作为该监测节点的父节点，为其提供服务。

上述步骤S801～步骤S806，可以实时对监测网络中的簇内节点拓扑结构进行确认，保证了监测节点选择的簇头节点传输距离最短，且对初始重复广播包和监测节点重新启动加入情况的进行了细致考虑。

下面介绍本发明图1所示的基于异构分簇无线传感网多源监测数据融合系统成功应用于分布式智能型电气开关柜的温度测控系统中的一应用实例，具体实施过程如下：

首先，进行系统构建，如图9所示：

监测节点：采用MEGA168的MCU，RF模块选择433M的射频模块CC1100实现，部署在电气开关柜内。

簇头节点：采用MEGA168的MCU，RF模块由两部分构成：CC1100和2.4G射频模块，一个电气开关柜内部署一个簇头节点。

中继节点：RF模块选择2.4G射频模块实现。

网关节点：RF模块选择2.4G射频模块实现，带有UART串口模块。

之后，利用上述系统的各组成部分自动建立起监测网络，将Mesh网络与异构分簇网络相融合，充分利用两者各自的优势互补，进行基于能量和距离的异构分簇拓扑规划，以资源受限、功耗低的监测节点实现电气开关柜的温度数据采集，以使用性能好、功耗高的簇头节点实现对采集到的数据的汇聚，通过覆盖范围好、传输功效好的Mesh网络上传给上位机，各节点各司其职，合理分工，扬长避短，有效降低了硬件的复杂性和成本，扩大了网络覆盖范围。在本应用实例中监测网络如何自动组建、如何进行拓扑规划和确认，以及后续如何进行自动检测的方法可以按照图2、图7、图8方法执行，这里不再赘述。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种基于异构分簇无线传感网多源监测数据融合系统，包含若干监测节点、若干簇头节点、若干中继节点、一网关节点和一上位机，网关节点接通上位机后，建立符合ZigBee协议的PAN网络，簇头节点和中继节点在上电后，搜寻并加入该PAN网络以组成无线网状网络，其中：

每一监测节点上电后，广播发送封装有其地址信息的广播包，以及在收到一簇头节点发送来的封装有父节点地址和采集周期的应答数据包后，按照该采集周期进行环境数据采集，并将采集到的环境数据发送给符合该父节点地址的簇头节点；

每一簇头节点在其接收到一监测节点发送来的广播包后，根据接收该广播包时的接收信号强度计算出该簇头节点与该监测节点的相关性值，将该簇头节点作为父节点，将该监测节点作为子节点，将该相关性值、该父节点地址以及该子节点地址封装为数据包并通过无线网状网络发送给上位机；以及接收并保存上位机通过无线网状网络发送来的拓扑结构列表和采集周期，将该拓扑列表中的父节点地址和采集周期分别发送给与该拓扑列表中的若干子节点地址相符的若干监测节点；

上位机根据簇头节点与监测节点的相关性值进行分簇处理，每一簇中包含一作为父节点的簇头节点和若干作为子节点的监测节点，产生各簇的拓扑列表，根据各簇内节点规模或者用户需求为各簇配置采集周期，然后将各簇的拓扑列表和采集周期封装成数据包通过无线网状网络发送给各簇内的簇头节点；以及根据接收到的环境数据的来源对环境数据进行分析处理；

簇头节点维护所管理的簇内节点的拓扑信息列表，当在一采集周期内接收到多个监测节点采集到的环境数据时，簇头节点只对该拓扑列表中存在的监测节点采集到的环境数据按照拓扑顺序依次打包，构成当前簇内监测到的完整数据，封装为数据包后通过无线网状网络上传给上位机；

簇头节点维护所管理的簇内节点的拓扑信息列表是指，簇头节点接收到一监测节点广播的数据包后，查找当前存储于该簇头节点中的拓扑列表中是否存在该监测节点的地址，如果不存在，则认为该监测节点第一次预备加入当前簇，由上位机为该监测节点优选一个簇，由该优选出的簇中的簇头节点向该监测节点发送父节点地址以及采集周期；如果存在，则继续判断当前收到的该监测节点广播的数据包中包含的时间戳与上一次收到的该监测节点广播的数据包中包含的时间戳之差是否大于传输时间限度，如果不大于则认为该监测节点已经在该簇内，该广播包为重复包，丢弃该广播包，如果大于则认为该监测节点预备重新加入当前簇，簇头节点直接向该监测节点发送父节点地址和采集周期；该传输时间限度表示簇头节点回复监测节点应答包的最大时间限度，等于网关到簇头节点间的最大跳数与平均每跳传输时间之积。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：

簇头节点还需确定其在该无线网状网络中基于最优跳数的路由，并通过该基于最优跳数的路由与网关节点进行通信。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于：

监测节点与簇头节点交互的数据包中封装有前导字节、网络ID、长度、有效负载和校验和，其中：

网络ID存在2个取值，其一表示监测节点所在的网络，另一个表示网关所在的网络；

有效负载中又包含数据包类型、父节点地址、子节点地址、监测数据、周期或者时间戳：有效负载中的类型字段存在3个不同取值，分别代表广播包、应答包、数据包3种不同类型的数据包；

从监测节点到簇头节点发送的数据包类型是广播包或者数据包，有效负载最后一字段为时间戳信息；簇头节点向监测节点发送的数据包类型是应答包，有效负载最后一字段为周期信息。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于：

簇头节点根据接收监测节点的广播包时的接收信号强度计算出该簇头节点与该监测节点的相关性值的计算公式为：

P=1-P_r/P₀

其中，P为该簇头节点与该监测节点的相关性值，P_r表示接收当前广播包的信号强度值，P₀为常量，表示采用相同射频芯片的节点与源节点足够远时接收到的功率值。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于：

簇头节点发送给网关节点的数据包中封装有前导字节、长度、自定义数据结构、校验和，其中：

自定义数据结构中包含数据包类型、自定义字段；自定义字段中包含父节点地址、子节点地址和负载数据；

数据包类型字段具有2个不同取值，分别代表广播包、应答包2种不同类型的数据包；在数据包类型为广播包时，自定义字段中的负载数据为监测节点与簇头节点的相关性值；在数据包类型为应答包时，自定义字段中的负载数据为监测节点检测到的环境数据。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于：

上位机在进行分簇处理时，如果判断某一监测节点的信息是通过多个不同的簇头节点上传的，选择相关性值大的簇头节点作为该监测节点的父节点。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于：

上位机发送给簇头节点的数据包中封装有前导字节、网络ID、长度、有效负载和校验和，其中：

网络ID存在2个取值，其一表示监测节点所在的网络，另一个表示网关所在的网络；有效负载中又包含广播最大跳数、拓扑列表，所述广播最大跳数是由上位机程序根据接收到的网络数据确定网络规模而限定的。

8.一种权利要求1所述基于异构分簇无线传感网多源监测数据融合系统进行数据融合的方法，包含步骤：

网关节点接通上位机后，建立符合ZigBee协议的PAN网络，簇头节点和中继节点在上电后，搜寻并加入该PAN网络组成无线网状网络；

监测节点上电后，广播发送封装有其地址信息的广播包；

簇头节点接收到一监测节点发送来的广播包后，分别根据接收该广播包时的接收信号强度计算出簇头节点与该监测节点的相关性值，将该簇头节点作为父节点，将该监测节点作为子节点，将该相关性值、该父节点地址以及该子节点地址封装为数据包并通过无线网状网络发送给上位机；

上位机根据簇头节点与监测节点的相关性值进行分簇处理，每一簇中包含一作为父节点的簇头节点和若干作为子节点的监测节点，产生各簇的拓扑列表，根据各簇内节点规模或者用户需求为各簇配置采集周期，然后将各簇的拓扑列表和采集周期封装成数据包通过无线网状网络发送给各簇内的簇头节点；

簇头节点接收并保存上位机通过无线网状网络发送来的拓扑结构列表和采集周期，将该拓扑列表中的父节点地址和采集周期分别发送给与该拓扑列表中的若干子节点地址相符的若干监测节点；

监测节点收到簇头节点发送来的封装有父节点地址和采集周期的应答数据包后，按照该采集周期进行环境数据采集，并将采集到的环境数据发送给符合该父节点地址的簇头节点，由簇头节点通过无线网状网络发送给上位机；

上位机根据接收到的环境数据的来源对环境数据进行分析处理；

簇头节点维护所管理的簇内节点的拓扑信息列表，当在一采集周期内接收到多个监测节点采集到的环境数据时，簇头节点只对该拓扑列表中存在的监测节点采集到的环境数据按照拓扑顺序依次打包，构成当前簇内监测到的完整数据，封装为数据包后通过无线网状网络上传给上位机；

簇头节点维护所管理的簇内节点的拓扑信息列表是指，簇头节点接收到一监测节点广播的数据包后，查找当前存储于该簇头节点中的拓扑列表中是否存在该监测节点的地址，如果不存在，则认为该监测节点第一次预备加入当前簇，由上位机为该监测节点优选一个簇，由该优选出的簇中的簇头节点向该监测节点发送父节点地址以及采集周期；如果存在，则继续判断当前收到的该监测节点广播的数据包中包含的时间戳与上一次收到的该监测节点广播的数据包中包含的时间戳之差是否大于传输时间限度，如果不大于则认为该监测节点已经在该簇内，该广播包为重复包，丢弃该广播包，如果大于则认为该监测节点预备重新加入当前簇，簇头节点直接向该监测节点发送父节点地址和采集周期；

该传输时间限度表示簇头节点回复监测节点应答包的最大时间限度，等于网关到簇头节点间的最大跳数与平均每跳传输时间之积。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于：

簇头节点还需确定其在该无线网状网络中基于最优跳数的路由，并通过该基于最优跳数的路由与网关节点进行通信。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于：

监测节点与簇头节点交互的数据包中封装有前导字节、网络ID、长度、有效负载和校验和，其中：

网络ID存在2个取值，其一表示监测节点所在的网络，另一个表示网关所在的网络；

有效负载中又包含数据包类型、父节点地址、子节点地址、监测数据、周期或者时间戳：有效负载中的类型字段存在3个不同取值，分别代表广播包、应答包、数据包3种不同类型的数据包；

从监测节点到簇头节点发送的数据包类型是广播包或者数据包，有效负载最后一字段为时间戳信息；簇头节点向监测节点发送的数据包类型是应答包，有效负载最后一字段为周期信息。

11.如权利要求8所述的方法，其特征在于：

簇头节点根据接收监测节点的广播包时的接收信号强度计算出该簇头节点与该监测节点的相关性值的计算公式为：

P=1-P_r/P₀

其中，P为该簇头节点与该监测节点的相关性值，P_r表示接收当前广播包的信号强度值，P₀为常量，表示采用相同射频芯片的节点与源节点足够远时接收到的功率值。

12.如权利要求8所述的方法，其特征在于：

簇头节点发送给网关节点的数据包中封装有前导字节、长度、自定义数据结构、校验和，其中：

自定义数据结构中包含数据包类型、自定义字段；自定义字段中包含父节点地址、子节点地址和负载数据；

数据包类型字段具有2个不同取值，分别代表广播包、应答包2种不同类型的数据包；在数据包类型为广播包时，自定义字段中的负载数据为监测节点与簇头节点的相关性值；在数据包类型为应答包时，自定义字段中的负载数据为监测节点检测到的环境数据。

13.如权利要求8所述的方法，其特征在于：

上位机在进行分簇处理时，如果判断某一监测节点的信息是通过多个不同的簇头节点上传的，选择相关性值大的簇头节点作为该监测节点的父节点。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于：

上位机发送给簇头节点的数据包中封装有前导字节、网络ID、长度、有效负载和校验和，其中：

网络ID存在2个取值，其一表示监测节点所在的网络，另一个表示网关所在的网络；有效负载中又包含广播最大跳数、拓扑列表，所述广播最大跳数是由上位机程序根据接收到的网络数据确定网络规模而限定的。