CN101990238B - 一种传感器网络数据聚合的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种传感器网络数据聚合的实现方法，步骤1)：传感器网络节点信息表的初始化创建：完成当前传感器网络中已经存在的节点信息表的建立；步骤2)：在传感器节点信息表中添加新节点信息：当收到传感器数据时，提取节点ID，并根据节点ID计算哈希值，根据计算出的哈希值在信息表中查找该传感器节点信息，如果没有找到，创建该节点信息实体，并插入信息表中；步骤3)：对传感器网络节点数据进行聚合调度：在传感节点信息表中找到对应的节点信息结构实体，根据信息结构实体当中聚合表示位的值，判断是否满足聚合条件，选择是以聚合报文链方式发送还是单数据包直接发送，对于满足聚合条件的数据包，根据聚合阀值进行组装成聚合链发送。

Description

一种传感器网络数据聚合的实现方法

技术领域

本发明涉及物联网架构中传感器网络接入领域，具体地说，本发明涉及一种传感器网络数据聚合的实现方法。

背景技术

传感器网络(Sensor Network，SN)是由大量传感器节点通过无线通信技术组成的自组织网络，它集数据的采集、传输、融合分析于一体，是信息技术的一个新领域，极大地扩展了人们的信息获取能力，它能将客观世界的物理信息同传输网络连接在一起，在下一代互联网中为人们提供最直接、最有效、最真实的信息。

物联网(Internet of Things)，指的是将各种信息传感设备，如射频识别(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。它利用了传统的传感器网络技术让所有的物品都与网络连接在一起，方便识别和管理。物联网技术是当前网络研究的热点，但是目前还没有统一的标准。

本发明中传感器网络数据聚合实现在连接传感器网络与物联网的物联网家庭网关之上。物联网中的家庭网关(Home Gateway)是实现家庭网络内部各设备与物联网接入网关相互通信的设备，是实现整个物联网架构的基础。根据物联网架构的需求，该家庭网关必须具有多种接入的功能。家庭网关用于家庭内部网络包括WiFi网络、传感器网络、移动通信网络在整个物联网网络中互联，实现了各种数据的转换及转发。

对于传感器网络来说，传感器节点在家庭网关内部采集感知区域内的数据，进行简单的处理后发送至汇聚节点；传感器网络汇聚节点将传感器网络采集的数据发送给家庭网关，如传感器节点部署区域内的温度、湿度、光强等；接着家庭网关进行远距离传输，传输方式包括以太网、无线通信网等，最终到达远程物联网区域服务器。

在传感器网络中，家庭网关收到数据后，不再为每个数据帧启动传输，而是采用帧聚合方式，从而减少通信开销。数据聚合减少传感器网络内部节点转发的数据冗余增加从源节点到基站有用信息流，也减少节点的能量消耗、消除网络中的数据冗余、延长网络的使用寿命。

数据聚合实现的方法在本质上来看就是把多个数据包按照一定的帧格式重新封装成一个数据帧，待接收节点接收后，进行反向的解聚合操作，还原成原始的多个数据包。

家庭网关的数据聚合模块借鉴了传感器网络的数据聚合思想。家庭网关的数据聚合模块就是要在转发传感器网络节点数据时先进行数据处理，再进行数据传输，从而减少通信开销，增加从传感器网络节点到物联网控制设备-区域服务器之间的有用信息流。

在物联网架构下融合传感器网络时，由于传感器网络中传感节点分布广泛、节点个数多，而每个节点传输的数据包数据量不大，如果对每个传感器节点收集的数据进行数据转发，将由于无线报头开销的原因带来大量额外信息，造成带宽资源的浪费，也会增加网络的负载。因此本发明提出实时地进行传感器网络数据报文的聚合处理，减少信息传输中所携带的额外信息，提高网络的传输效率和提高网络吞吐量，减少骨干网络出现拥塞的可能性。

为方便理解，下面列出本发明中出现的一些术语的中英文对照：

IP：Internet Protocol，                因特网协议

SN：Sensor Network，                   传感器网络

IOT：Internet of Things，              物联网

HGW：Home GateWay，                    家庭网关

A-PDU：Aggregation-Protocol Data Unit，协议数据单元聚合

A-SDU：Aggregation-Service Data Unit， 服务数据单元聚合

发明内容

本发明的目的是：提供一种传感器网络数据聚合的实现方法，在物联网中克服传感器网络接入后大量节点数据带来网络拥塞以及无线资源的浪费，从而提出利用数据聚合模块来提高传感器网络数据转发时有效信息量，提高网络的传输效率和吞吐量。

本发明的技术解决方案是：1、一种传感器网络数据聚合的实现方法，其特征在于，所述的方法包括：传感器网络节点信息表的建立、传感器网络节点信息表的添加、数据聚合调度发送，所述的方法具体包括以下步骤：

步骤1)：传感器网络节点信息表的初始化创建：完成当前传感器网络中已经存在的节点信息表的建立；

步骤2)：在传感器节点信息表中添加新节点信息：当收到传感器数据时，提取节点ID，并根据节点ID计算哈希值，根据计算出的哈希值在信息表中查找该传感器节点信息，如果没有找到，创建该节点信息实体，并插入信息表中；

步骤3)：对传感器网络节点数据进行聚合调度：在传感节点信息表中找到对应的节点信息结构实体，根据信息结构实体当中聚合表示位的值，判断是否满足聚合条件，选择是以聚合报文链方式发送还是单数据包直接发送，对于满足聚合条件的数据包，根据聚合阀值进行组装成聚合链发送。

所述的传感器节点信息结构实体包含：节点ID，节点组ID，聚合标识；

所述的聚合标示的意义是：长度为16bit，0x00标示不可以聚合，0x01标示仅可以单节点聚合，0x02标示可以多节点聚合；

所述的聚合阀值包括：聚合链数据包限制(一个聚合链中最多含有的数据包个数)，聚合链长度限制(一个聚合链最大字节数)，延迟时间限制(节点数据在缓存队列内最大缓存时间)；

所述的传感器信息表是一个链表结构，一个头指针始终指向该表的第一个组播结构实体，一个尾指针始终指向该表中的最后一个组播结构实体，整个信息表采用以节点ID为哈希关键字的存储方式；

所述的缓存队列包含：聚合包个数、当前聚合链长度、定时器和当前队列内聚合链类型、指向该队列内第一个数据报文的头指针、指向队列内最后一个数据报文的尾指针；

所述的聚合链意义是：缓存队列内第二个报文开始，都以组装成聚合链的形式；

所述的待处理报文时：缓存队列内第一个数据包；

所述的聚合报文链包括：传感数据报文、聚合分隔符；

所述的聚合分隔符包括：聚合链报文个数8bit、聚合链20bit长度、聚合链类型4bit。

所述的传感器网络数据聚合的实现方法中步骤1)具体包括如下子步骤：

1.1)：所述的传感器网络节点信息表的初始化创建：当网关上电以后，完成当前网络中传感器节点信息的建立，每个传感器的信息以信息结构实体的形式记录，包括节点ID、组ID和聚合标识，并以节点ID计算哈希值，存放在传感器网络节点信息表中，设置新加节点聚合默认标示，新加入的节点聚合表示会被系统按默认标示填写。

所述的对传感器网络节点数据进行聚合调度的实现方法中步骤2)具体包括如下子步骤：

2.1)：所述的在传感器网络节点信息表中添加新的节点信息结构实体：当收到某传感器节点数据时，读取所述的传感器节点数据中每个数据包的源节点ID位，判断发送节点是否已在节点信息表内，如果收到该消息的节点已在节点信息表内，则直接返回，否则为所述的传感节点初始化一个消息结构体，设置节点信息，并将所述的消息结构体加入到消息结构体链表中。

所述的对传感器网络节点数据进行聚合调度的实现方法中步骤3)具体包括如下子步骤：

3.1)：提取传感器节点信息，转到3.2)；

3.2)：判断该数据包能否聚合，可以聚合转到3.3)，否则转到3.11)；

3.3)：判断缓存队列当前是否为空，如果为空转到3.5)，否者转到3.4)；

3.4)：创建10分钟定时器，转到3.5)；

3.5)：将待处理的数据包插入到缓存队列头部；

3.6)：判断当前待处理数据包是否需要单节点多数据聚合，如果需要转到3.7)，否者转到3.8)；

3.7)：判断缓存队列是否为空或者当前待处理数据包和缓存内聚合链是否同ID，如果一个条件成立，转到3.11)，否者转到3.8)；

3.8)：判断能否将待处理报文组装到缓存队里内的聚合链中。如果当前待处理数据包是单节点多数据聚合类型且和聚合链同ID，如果同时成立转到3.9)，否者转到3.11)；

3.9)：将待处理的数据包插入聚合链，转到3.10)；

3.10)：判断聚合链是否超过了聚合阀值要求，即聚合链长度达到最大聚合长度，聚合链数据包个数达到最大聚合链数据包个数，如果上面两个条件有一个成立，转到3.15)，否者转到3.11)；

3.11)：根据待发送数据包类型，设置发送信息，转到3.12)；

3.12)：判断缓存队列是否为空，如果为空转到3.15)，否者转到3.13)；

3.13)：判断缓存队列是否设置了定时器，如果有转到3.14)，否者转到3.15)；

3.14)：删除定时器；

3.15)：系统执行结束。

该方法包括：传感器网络节点信息表的初始化建立，传感器网络节点信息表的添加，数据聚合调度。所述的方法具体步骤：1)传感器网络节点信息表初始化创建：完成当前已知网络中所有传感节点的信息结构实体的创建，并插入信息表中；2)在信息结构表中添加新的节点信息结构实体：当新的节点加入网络中，在信息表中添加该节点的信息结构实体；3)数据聚合调度：对传感器网络节点数据进行聚合调度，选择是以A-PDU聚合方式发送还是单数据包直接发送。所述的节点信息结构实体包括：节点ID信息，节点所属组ID信息，聚合标志信息；所述的信息表采用链表结构。

与现有技术相比，本发明的一种传感器网络数据聚合的实现方法，具有以下优点：

1、通过对传感网络数据报文进行聚合，解决了在使用无线发送过程中因为传感数据在整个无线数据包中比重过小，浪费无线资源的问题。

2、传感器网络节点信息表采用初始化创建的方式，可以事先人为的对已经存在的节点完成信息结构实体的创建工作，区分了敏感节点，可针对业务形成多节点多数据聚合消息包和单节点多数据包。

3、可以在传感器网络节点信息表中添加新的节点信息结构实体，可以支持对加入新节点，完成网络的拓展。

附图说明

结合附图来详细说明本发明的实施例如下，其中：

图1为本发明的传感器网络节点信息初始化创建表示意图；

图2为本发明的在传感器网络节点信息表中添加新节点信息结构实体示意图；

图3为本发明的聚合调度发送示意图；

图4为本发明的对传感器网络节点数据进行聚合调度流程图；

图5为本发明的聚合链结构示意图；

图6为本发明的一次实际聚合链结构示意图。

具体实施方式

本发明提出一种利用数据聚合的方法来提高传感器网络数据转发时传输的有效信息。该方法适用于传感器网络和IP网络或移动通信网融合的网络中，总体说来，所述的方法包含如下步骤：

1)初始化，网关在上电以后，初始化节点信息表；

2)在传感器节点信息表中添加新节点信息：当收到传感器数据时，提取节点ID，在信息表中查找该传感器节点信息结构实体，如果没有找到，创建该节点信息实体，填写节点信息，并插入信息表中；

3)对传感器网络节点数据进行聚合调度：根据传感节点信息表中的信息，判断是否需要聚合，进行A-PDU聚合方式封装后放入聚合队列，在满足聚合阈值条件时调用发送模块发送。

传感网络具有节点多，数据量大，每个数据包小的特点，因此在传感网和互联网融合的过程当中，为每个传感数据包都启动一次发送，往往浪费优先的资源，尤其是在使用3G或者WI-FI等方式接入互联网时，无线报头的长度往往比数据包本身还要大，很是浪费有限的无线信道资源，所以，对传感数据包使用聚合方式就显得尤为重要。

聚合方式分为单节点多数据聚合和多节点多数据聚合两种方式，第一种方式在一个聚合链中只能包含一个节点的数据包，第二种方式则可以包含多个节点的数据包。数据包和数据包之间用分隔符(delimiter)分开，聚合链的格式见图5所示。每个分隔符长度为4个字节，0-3bit为聚合链的类型：0标示单个数据包，1标示单节点聚合方式，3标示多节点聚合方式。4-11bit为数据包个数域，数值标示该聚合链包含的数据包的个数，12-31bit标示聚合链的长度。需要说明的是，只有第一个聚合链的分隔符需要添写相应的信息，而其余的分隔符则不需要填写，接收方根据每个数据包的大小自动跳过该数据包和分隔符，获取下一个数据包。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

图1网关初始化建立节点信息表，网关和四个传感器组成一个传感网，节点a，节b，节点c和节点d的ID假设分别为0x12，0x13，0x24，0x25，网关组ID为0x5。其中节点a发往网关的传感数据实时性要求较高，不能聚合，节点b只能单节点聚合，其余节点数据可以多节点聚合，聚合阀值为：一个数据聚合链最多含有15个传感数据报文，整个数据链最大为1500个字节，最大延迟时间为10分钟，新加入的传感器默认发送的数据可以多节点聚合。所以可以将网关的初始节点信息表配置如表一所示，当网关上电以后，自动初始化节点信息表，记录当前网络各个节点的信息。

表一：节点信息

节点ID	组ID	聚合标志	节点名称
				0x12	0x5	0x00	a
0x13	0x5	0x01	b
				0x24	0x5	0x02	c
0x25	0x5	0x02	d

图2所示是在信息表中添加新的传感器节点信息结构实体，在组号ID为0x5的传感网络中，新加入一个节点e，节点ID为0x30。当节点e加入网络后，网关收到其发送来的第一个数据后，根据其节点ID在信息表中查找不到对应的信息结构实体，这时网关会为其创建一个信息结构实体，并检查到目前网络新加入的节点默认是可以多节点聚合的。

图3所示是在某一个时刻，网关收到下面节点发送的数据包，接收到先后顺序为packet1，packet2，packet3，packet4，packet5共五个数据包，分别由节点a，b，d，c，e发送，长度都是50个字节。图4所示聚合调度处理流程图，图5所示聚合链结构意义图。由于节点a发送的数据不支持聚合，网关应该以单数据包形式转发，节点b发送的数据仅仅支持单节点数据聚合，所以网关可以使用聚合链转发节点b的数据，但是一个聚合链中只能包含节点b的数据，其余节点的数据可以使用一个聚合链转发，网关的处理流程如下：

1.1)：网关收到packet1后，提取传感器节点a的ID信息，在信息表中找到节点ID为0x12的信息结构实体，判断a节点的数据不能聚合，直接以普通方式发送，准备处理第二个数据；

1.2)：提取传感器节点b的ID信息，在信息表中找到节点ID为0x13的信息结构实体，判断可以聚合，由于当前队列为空，所以创建一个10分钟定时器，判断当前待处理报文仅支持单节点多数据聚合，判断缓存队列为空，系统直接将packet2放入缓存队列内，等待接收下一个数据包；

1.3)：提取传感器节点d的ID信息，在信息表中找到节点ID为0x25的信息结构实体，判断可以多节点多数据聚合，将该数据包插入缓存队列队头，由于缓存队列内的聚合链和当前报文不是同一类型的聚合，所以，先将缓存内的packet2数据包发送出去，由于此时缓存聚合链中仅有一个packet2，所以该聚合链仅有一个数据包，等待接收下一个数据；

1.4)：提取传感器节点c的ID信息，在信息表中找到节点ID为0x24的信息结构实体，判断可以多节点多数据聚合，将该数据包插入缓存队列队头，由于缓存队列内的聚合链和当前报文是同一类型的聚合，将packet4插入到packet3所在的聚合链中，由于整个包的大小＝(100字节数据+8字节分隔符)小于规定的1500个字节且包的数量为2，也小于规定的15个数据包，因此没有超过阀值要求，所以本次接收结束，等待接收下一个数据；

1.5)：提取传感器节点e的ID信息，在信息表中找到节点ID为0x30的信息结构实体，判断可以多节点多数据聚合，将该数据包插入缓存队列队头，由于缓存队列内的聚合链和当前报文是同一类型的聚合，将packet5插入到packet3和packet4所在的聚合链中，由于整个包的大小＝(150字节数据+12字节分隔符)小于规定的1500个字节且包的数量为3，也小于规定的15个数据包，因此没有超过阀值要求，所以本次接收结束，等待接收下一个数据；

1.6)；由于发送条件没有达到触发发送的条件，所以等待定时器到时，系统将在聚合链第一个数据包，即packet5的分隔符中设置聚合链信息，将Isaggr值设置为3，表示为多节点多数据聚合链，Cnt值设置成3，表示该聚合链中含有三个数据包，Len值设置成162，表示该聚合链长度为162个字节，如图6所示。由于此时缓存队列为空，系统判断当前缓存队列没有设置定时器，本次发送结束。

Claims (4)

1.一种传感器网络数据聚合的实现方法，其特征在于，所述的方法包括：传感器网络节点信息表的建立、传感器网络节点信息表的添加、数据聚合调度发送，所述的方法具体包括以下步骤：

步骤1）：传感器网络节点信息表的初始化创建：完成当前传感器网络中已经存在的节点信息表的建立；

步骤2）：在传感器网络节点信息表中添加新节点信息：当收到传感器数据时，提取节点ID，并根据节点ID计算哈希值，根据计算出的哈希值在信息表中查找该传感器节点信息，如果没有找到，创建该节点信息实体，并插入信息表中；

步骤3）：对传感器网络节点数据进行聚合调度：在传感器网络节点信息表中找到对应的节点信息结构实体，根据信息结构实体当中聚合标识位的值，判断是否满足聚合条件，选择是以聚合报文链方式发送还是单数据包直接发送，对于满足聚合条件的数据包，根据聚合阀值进行组装成聚合报文链发送；

所述的传感器网络节点信息结构实体包含：节点ID，节点组ID，聚合标识；

所述的聚合标识的意义是：长度为16bit，0x00标示不可以聚合，0x01标示仅可以单节点聚合，0x02标示可以多节点聚合；

所述的聚合阀值包括：聚合报文链数据包限制，聚合报文链长度限制，延迟时间限制；

所述的传感器网络节点信息表是一个链表结构，一个头指针始终指向该表的第一个组播结构实体，一个尾指针始终指向该表中的最后一个组播结构实体，整个信息表采用以节点ID为哈希关键字的存储方式；

缓存队列包含：聚合包个数、当前聚合报文链长度、定时器和当前队列内聚合报文链类型、指向该队列内第一个数据报文的头指针、指向队列内最后一个数据报文的尾指针；

所述的聚合报文链意义是：缓存队列内第二个报文开始，都组装成聚合报文链的形式；

待处理报文是：缓存队列内第一个数据包；

所述的聚合报文链包括：传感数据报文、聚合分隔符；

所述的聚合分隔符包括：聚合报文链报文个数8bit、聚合报文链20bit长度、聚合报文链类型4bit。

2.根据权利要求1所述的传感器网络数据聚合的实现方法，其特征在于，所述 的传感器网络数据聚合的实现方法中步骤1）具体包括如下子步骤：

1.1）：所述的传感器网络节点信息表的初始化创建：当网关上电以后，完成当前网络中传感器网络节点信息的建立，每个传感器网络节点的信息以信息结构实体的形式记录，包括节点ID、组ID和聚合标识，并以节点ID计算哈希值，存放在传感器网络节点信息表中，设置新加节点聚合默认标识，新加入的节点聚合标识会被系统按默认标识填写。

3.根据权利要求1所述的传感器网络数据聚合的实现方法，其特征在于，所述的对传感器网络节点数据进行聚合调度的实现方法中步骤2）具体包括如下子步骤：

2.1）：所述的在传感器网络节点信息表中添加新的节点信息结构实体：当收到某传感器网络节点数据时，读取所述的传感器网络节点数据中每个数据包的源节点ID位，判断发送节点是否已在节点信息表内，如果收到该消息的节点已在节点信息表内，则直接返回，否则为所述的传感器网络节点初始化一个消息结构体，设置节点信息，并将所述的消息结构体加入到消息结构体链表中。

4.根据权利要求1所述的传感器网络数据聚合的实现方法，其特征在于，所述的对传感器网络节点数据进行聚合调度的实现方法中步骤3）具体包括如下子步骤：

3.1）：提取传感器网络节点信息，转到3.2）；

3.2）：判断该数据包能否聚合，可以聚合转到3.3），否则转到3.11）；

3.3）：判断缓存队列当前是否为空，如果为空转到3.5），否者转到3.4）；

3.4）：创建10分钟定时器，转到3.5）；

3.5）：将待处理的数据包插入到缓存队列头部；

3.6）：判断当前待处理数据包是否需要单节点多数据聚合，如果需要转到3.7）,否者转到3.8）；

3.7）：判断缓存队列是否为空或者当前待处理数据包和缓存内聚合报文链是否同ID，如果一个条件成立，转到3.11），否者转到3.8）；

3.8）：判断能否将待处理报文组装到缓存队内的聚合报文链中，如果当前待处理数据包是单节点多数据聚合类型且和聚合报文链同ID，如果同时成立转到3.9），否者转到3.11）；

3.9）：将待处理的数据包插入聚合报文链，转到3.10）；

3.10）：判断聚合报文链是否超过了聚合阀值要求，即聚合报文链长度达到最大聚合长度，聚合报文链数据包个数达到最大聚合报文链数据包个数，如果上面两个条件有一个成立，转到3.15），否者转到3.11）； 

3.11）：根据待发送数据包类型，设置发送信息，转到3.12）；

3.12）：判断缓存队列是否为空，如果为空转到3.15），否者转到3.13）；

3.13）：判断缓存队列是否设置了定时器，如果有转到3.14），否者转到3.15）；

3.14）：删除定时器；

3.15）：系统执行结束。 

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