CN102377801A - 一种用于环境监测的传感器网络及数据传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供用于环境监测的传感器网络，包括：一个或多个传感节点、多个路由节点和一个中心节点；所述传感节点用于采集传感数据并将传感数据包发送到多个路由节点；所述路由节点用于接收传感数据包，并为所收到的传感数据包设定延迟转发时间，在该延迟转发时间到达且当前时刻该传感数据包还未被其它路由节点转发的情况下，该路由节点将该传感数据包转发至该路由节点的父节点，所述父节点是中心节点或者其它路由节点；所述延迟转发时间随机选择；所述中心节点用于汇总所述传感数据包。本发明还提供了相应的数据传输方法。本发明有效地解决了网络中“热点”能量消耗过快的问题，从而延长网络寿命。每个传感节点的出度都远大于1，能够杜绝数据丢失。

Description

一种用于环境监测的传感器网络及数据传输方法

技术领域

本发明涉及物联网技术领域和目标监测技术领域，具体地说，本发明涉及一种用于环境监测的传感器网络及数据传输方法。

背景技术

随着微电子技术、计算技术、传感技术和无线通信技术的快速发展，无线传感器网络受到越来越广泛的关注，并在民用和军事领域都体现出重大的应用价值。无线传感器网络由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域内中感知对象的信息，并发送给观察者。无线传感器网路具有方便部署、自组织成网、成本低廉、紧密结合应用、可靠及可扩展等特点，被广泛应用于战场监测、敌情侦查、智能交通、远程医疗、文化感知、环境监测、空间探索、大型车间和仓储管理，以及机场、大型工业区园区、建筑物、桥梁等结构安全监测领域。然而，无线传感器网络中节点一般由电池供电、计算、存储及通信带宽资源有限，同时、无线通信信道固有的不可靠性、不可预测性及无线通信环境的复杂性等特点，都为无线传感器网络在理论研究及工程技术方面带来严峻的挑战。

目前无线传感器网络应用系统中实现的具有代表性的数据收集和传输方法主要有CTP(Collection Tree Protocol)、基于地理位置信息的及以数据为中心的数据收集和传输方法。其中CTP方法采用周期性的统计接收到的数据包或控制包来估算节点间双向的链路的质量，同时根据接收到包的LQI值过滤掉质量差的链路，节点根据统计结果选择链路质量最好的邻居节点作为父节点，最终网络会形成一颗以网关节点为根的汇聚树，节点收到数据包后转发给自己的父节点，这种数据收集方法不适合于大规模、密集型的网络，同时没有考虑节点的能效性及能量消耗不均匀的情况。基于地理位置信息的数据收集和传输方式包括GPSR(Greedy Perimeter stateless protocol)协议、GEAR(Geographic and Energy-Aware Routing)协议等，该类协议采用贪婪的思想，利用节点的地理位置信息，选取最接近网关节点的节点转发数据，由于需要知道节点的地理位置信息，需要额外的设备，如GPS全球定位系统，因而不适合于低成本、电池供电的无线传感器网络系统。以数据为中心的数据收集和传输方法包括DD(Directed Diffusion)、GBR(GradientBased Routing)等，在该类方法中，网关节点向全网广播查询兴趣消息，中间节点记录并建立到网关节点的兴趣梯度，并通过路径加强修复机制提高数据传输的可靠性，该类方法采用周期性的洪泛机制，能量和时间开销大，同时节点需要维护兴趣消息列表，代价大。

同时，目前用于环境监测的数据收集、传输设备一般可分为两大类。第一类采用GSM或GPRS无线通信模块，在一跳范围内通过无线的方式采集数据，最后借助基站通过GSM或GPRS网络将数据传输到中心服务器，此类采集设备成本高，需要有线基础设施的支持；第二类数据收集、传输设备均采用有线的方式，如通过USB接口、串口或专用的工业标准接口收集数据，通过有线局域网或无线局域网将数据传输到中心服务器，此类设备成本高、不方便部署，并且部署维护困难、成本高。

综上所述，当前迫切需要一种部署方便、成本低廉、能够自组织形成多跳且可靠的用于环境监测的传感器网络及数据传输方法。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种部署方便、成本低廉、能够自组织形成多跳且可靠的用于环境监测的传感器网络及数据传输方法。

为实现上述发明目的，本发明提供了一个或多个传感节点、多个路由节点和一个中心节点；

所述传感节点用于采集传感数据并将传感数据包发送到多个路由节点；

所述路由节点用于接收传感数据包，并为所收到的传感数据包设定延迟转发时间，在该延迟转发时间到达且当前时刻该传感数据包还未被其它路由节点转发的情况下，该路由节点将该传感数据包转发至该路由节点的父节点，所述父节点是中心节点或者其它路由节点；所述延迟转发时间随机选择；

所述中心节点用于接收由所述路由节点转发的传感数据包并汇总所述传感数据包。

其中，所述延迟转发时间在延迟转发时间区间内随机选择，所述延迟转发时间区间根据路由节点至中心节点的路由成本得出，使得路由成本越大的路由节点的延迟转发时间区间的中心值也越大。

其中，所述传感节点和路由节点在物理上是分离的。

其中，所述传感器网络还包括同步节点，用于对传感器网络中各节点进行时间同步。

本发明还提供了一种用于环境监测的传感器网络的数据传输方法，包括下列步骤：

1)每个传感节点采集传感数据并将传感数据包发送到多个路由节点；

2)各个路由节点根据延迟转发时间路由转发所收到的传感数据包，所述延迟转发时间在延迟转发时间区间内随机确定，所述延迟转发时间区间根据路由节点至中心节点的路由成本得出，以使路由成本越大时延迟转发时间区间的中心值也越大；

3)当一个路由节点监听到所收到的一个传感数据包已被其它路由节点转发时，则该路由节点停止在本地转发所述传感数据包。

其中，所述步骤1)还包括：每个传感节点以组播的方式向多个路由节点发送传感数据包。

其中，所述步骤2)中，所述延迟转发时间区间的下限值、上限值或者中心值与所述路由成本成正比。

其中，所述步骤2)中，所述路由成本是所述路由节点到中心节点的跳数，所述路由节点到中心节点的传输时间或者上述二者的加权组合。

其中，对于每个路由节点，所述步骤2)包括下列子步骤：

21)建立发送消息队列；

22)监听由传感节点发送的传感数据包，将监听到的传感数据包加入所述发送消息队列，发送消息队列中记录该传感数据包的入队时间和延迟转发时间；

23)周期性遍历所述发送消息队列，对当前数据包执行下列步骤：

231)如果当前时间＞当前数据包的入队时间+当前数据包延迟发送时间，则发送当前数据包；

232)如果当前时间＜＝当前数据包的入队时间+当前数据包的延迟发送时间，则跳过该数据包，继续处理下一个数据包。

其中，所述步骤21)还包括建立等待确认队列；对于等待确认队列，设定超时阈值并根据该超时阈值记录每个对象的超时次数；

所述步骤231)还包括：

如果当前数据包需要确认，则发送之后将当前数据包从发送消息队列转入等待确认队列；

如果当前数据包不需要确认，则发送之后直接将该数据包从发送消息队列中删除；

对于每个路由节点，所述步骤2)还包括：

24)周期性遍历所述等待确认队列，对于当前数据包执行下列子步骤：

241)如果超时次数＜4，同时当前时间＞上一次超时时刻+超时阈值，则超时次数+1，并且将当前对象(即当前数据包)重新转入发送消息队列；

242)如果超时次数＜4，同时当前时间＜＝上一次超时+超时阈值，则跳过该对象，继续处理下一个对象；

243)如果超时次数＞4，则广播该数据包，然后将数据包从等待确认队列中删除。

其中，所述步骤3)还包括：每个路由节点实时监听网络中其它路由节点所发送的数据包，当监听到一个数据包时，该路由节点遍历本地的发送消息队列和等待确认队列；在遍历过程中，如果在发送消息队列中找到与监听到的包相同的数据包，则将该数据包所对应的对象从发送消息队列中删除；如果在等待确认队列中找到与监听到的包相同的数据包，则将该数据包所对应的对象从等待确认队列中删除。

其中，所述用于环境监测的传感器网络的数据传输方法还包括：步骤4)每个路由节点周期性地根据链路质量实时更新该路由节点的父节点并进而更新所述传感器网络的拓扑；

所述步骤2)中，根据实时更新的所述传感器网络的拓扑计算路由成本。

其中，所述传感节点和路由节点都周期性的同步休眠和唤醒，所述用于环境监测的传感器网络的数据传输方法还包括步骤5)：周期性地对各个传感节点和路由节点进行同步时间的修正。

与现有技术相比，本发明具有下列技术效果：

1、本发明采用机会主义路由机制，有效地解决了网络中“热点”能量消耗过快的问题，使网络节点能量能够均匀消耗，从而延长网络寿命。

2、本发明采用传感节点和路由节点相分离的设计，方便了节点的部署和更换，并且增加了网络的可扩展性和鲁棒性。

3、本发明中，每个传感节点的出度都远大于1，使得网络可靠性增强，能够杜绝数据丢失。

4、本发明可动态更新网络拓扑，更加适应于无线链路质量易波动的网络环境。

5、本发明使用了全局同步休眠的系统级能量优化策略，可以实现全网同步休眠，减少节点的能量消耗，有效地延长网络寿命。

附图说明

图1示出了本发明一个实施例的系统结构图；

图2示出了本发明一个实施例的路由节点的功能模块示意图；

图3示出了本发明一个实施例的传感器网络休眠与工作时序图；

图4示出了本发明一个实施例中一个传感数据包在到达某个路由节点后的路由转发流程图；

图5示出了本发明一个实施例的路由节点在选择转发父节点时的算法流程图；

图6示出了本发明一个实施例的路由节点同步过程的状态转换图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步地详细说明。

根据本发明的一个实施例，提供了一种用于文物展陈环境监测的传感器网络。

文物展陈环境的监测与一般的室内环境监测相比具有其特殊性。首先文物展陈环境因为参观人群的遮挡，空调设备和安保设备的电磁噪声等，无线通信环境比较恶劣，表现为丢包率较高且有波动，其次出于安保和保持温湿度的需要，展出的文物放置大多在密闭玻璃橱当中，需要传感器网络的节点有较长的生存时间，使得整个展出期间，不需要因为节点能量耗尽而打开展柜。与此同时，绝大多数文物展陈是在室内静止环境中，传感器网路的拓扑设计较为方便。针对文物展陈环境的以上特点，本实施例提供了一种有较长的工作寿命，抗干扰能力强，能在低信号质量环境下实现数据的可靠收集和传输的传感器网络。

图1示出了本实施例的系统结构图，如图所示，该传感器网络包括传感处理功能层101、路由转发功能层102和收集接入功能层103。其中，传感处理功能层101由多个传感节点SN组成，路由转发功能层102由多个路由节点RT组成，收集接入功能层103包括同步节点Sink和网关节点Gateway。传感节点SN布置在文物展柜内部，并以一跳的方式把数据传回路由节点RT，并以多跳的方式把数据传回网关节点。本实施例中，同步节点Sink布置在网关节点Gateway与路由节点RT之间。网关节点Gateway接入互联网。路由节点RT先将传感数据汇聚到同步节点Sink，再由同步节点Sink将传感数据转发给网关节点Gateway。传感处理功能层101构成本实施例的传感器网络的第一层，由装备有温、湿、光传感器的节点组成，放置在密闭展柜的内部，负责采集文物展柜内的温度、湿度和光照度三种环境参数(易于理解，本发明并不限于这三种环境参数)，并通过无线信道以组播的方式将所采集到的环境参数发送到路由转发功能层102。路由转发功能层102构成本实施例的传感器网络的第二层，由只具有通信功能，不具有传感功能的路由节点组成，负责监听组播无线信道，收集由传感节点发送来的传感数据，将其用多跳的方式发送回网关节点(本实施例中，先将传感数据发送到同步节点Sink，再由同步节点Sink所述传感数据转发给网关节点Gateway)。

采用这种分层的网络拓扑可达到下列技术效果：1、延长网络寿命：传感节点需要封闭在文物展柜当中，电池无法更换，所以传感节点的寿命直接决定了整个网络的寿命，本实施例提出的分层的网络拓扑，传感节点无需关系具体的数据传输体系，仅仅完成传感和发送这两项基本任务即可，因此大大减少了能量的消耗，在实际工程当中，采用这种工作方式的传感节点工作寿命能达到180天以上。2、增加网络的可靠性：在本实施例中，传感节点所采集的传感数据都发送到组播地址，而路由节点则持续监听这个地址，并对所有发送到这个地址的数据包进行转发，这样使得传感节点的出度远远大于1，基本杜绝了因为丢包而导致的传感数据的丢失。3、在本实施例所提出的网络拓扑结构中，传感节点和路由节点功能完全独立，可任意增加和减少传感节点的数量和种类而不需对路由节点作任何改变，并且，即使有部分处于密闭展柜内部的传感节点出现问题无法更换，也不影响网络其它部分的功能。

图2示出了本实施例的路由节点的功能模块示意图，一个路由节点包括：(1)时间同步与命令模块201，负责解析由网关节点广播出来的时间命令和休眠控制命令，并控制路由节点的休眠与工作；(2)广播模块202，负责对接收到的广播包进行转发，此处有转发包历史记录，防止广播环路的发生；(3)路由模块203，该路由模块203包含链路质量评估模块204，路由选择模块205和可靠传输模块206，路由模块203用于完成拓扑的产生和维护以及数据包的转发和捎带确认机制，其详细内容将在下文中描述。路由选择模块205包括机会主义路由算法模块(OR模块)和最短路径路由算法模块(SP模块)。需指出的是，本实施例基于物理层和MAC层的协议来进行数据传输，因此路由节点还应包括物理层和MAC层协议处理模块。

图2a示出了本实施例的传感节点的功能模块示意图，一个传感节点包括感知采样模块、数据发送模块以及时间同步模块。

图3示出了本实施例的传感器网络休眠与工作时序图。本实施例中，传感节点和路由节点均按照统一的周期同步工作和休眠。一个周期包括工作窗口和休眠窗口，在优选实施例中，工作窗口长度为15分钟，休眠窗口的长度一般是工作窗口的数倍，当然本领域技术人员也可以根据实际需要灵活调整工作窗口和休眠窗口的长度。如图3所示，t1-t5是工作窗口，在此期间节点开启无线通讯模块(无信通信模块是指实际的无线通信芯片，这个芯片在工作时的能耗是节点的主要能耗，本发明的无线通信模块包括但不限于射频模块)，进行数据收集和转发工作。t5-t1′是休眠周期(其中t1′为下一个工作周期的开始时刻)，在此期间，节点关闭无线通讯模块，进入休眠状态。在工作窗口中，t1-t2是保护带301，在此期间所有的节点都开启无线通讯模块，但是不进行收发包操作，设置保护带的目的是防止由于时钟漂移导致某些节点从休眠中唤醒的时间比较晚，网络拓扑还不完整，如果此时发包，则可能会有丢包发生。t2-t3是传感节点采集环境参数的时间，即采样窗口302，t2-t4是路由节点转发传感数据的时间，即转发窗口303。需要说明的是，在t3时刻，传感节点完成了本周期的工作进入休眠，也就是说，t3-t4之间的时间段303中，传感节点处于休眠状态，路由节点则继续完成数据转发的工作。t4-t5是全网同步时间，即同步窗口304，在这个时间段内，同步节点以广播的方式向全网发布时间同步包，所有收到的该同步包的节点都把这个时间作为自己的本地时间，在进入休眠前进行系统同步工作可以减少由于时钟漂移导致的“起的晚”现象。在休眠过程中，所有的节点都关闭无线通讯模块，但仍然保持计时器的运行以便进行同步唤醒。另外，传感节点在监听到有路由节点转发数据包之后，能够根据该包中的时间信息同步自身时间，因此，传感节点可在t3-t4阶段即进入休眠。

本实施例中，传感节点所采集的传感数据都发送到预先设定的组播地址(即组播信道的地址)，而路由节点则持续监听这个组播地址，并对所有发送到这个地址的数据包进行路由转发。本实施例中，当多个节点收听到来自传感节点的数据包时，每个节点根据自己记录的树状拓扑判断自己距离网关节点的距离(这个距离指的是距离网关节点的路由成本，路由成本的概念将在下文中介绍)，然后根据距离网关节点的距离计算出一个随机的延迟发送时间，延迟发送时间的计算方法将在下文中详细介绍。如果节点在延迟期间听到该数据包被已经被其他节点转发，则取消延迟转发任务，这样从传感节点传递上来的数据包会从距离网关节点尽可能近的位置开始转发，同时有多个这样的路由节点时，因为随机延迟的存在，传感数据包的上传路径并不固定，这样就防止了固定使用某条链路造成的局部热点问题。

本实施例使用的路由方法采用了消息池技术。对于每个路由节点，在该节点上建立消息池、发送消息队列和等待确认队列，当该节点产生一个需要发送出去的包或者收到一个需要转发的包时，都从这个消息池中申请包空间，填写包内容之后进入发送消息队列，发送消息队列中每个对象的内容包括：数据包、是否需要确认、入队时间和延迟发送时间。

本实施例中，路由节点实时监听网络中其它路由节点所发送的数据包，当监听到一个数据包时，该路由节点遍历本地的发送消息队列和等待确认队列。在遍历过程中，如果在发送消息队列中找到与监听到的包相同的数据包，说明该包已经被距离网关节点更近的节点转发，则将该数据包所对应的对象从发送消息队列中删除；如果在等待确认队列中找到与监听到的包相同的数据包，说明该包已经被(下一跳路由节点)转发，即说明该数据包已经被下一跳的路由节点正常接收，此时将该数据包所对应的对象从等待确认队列中删除。需要说明的是，本实施例中，不需要下一跳路由节点单独返回确认消息(如ack)，而是把所监听到的由下一跳路由节点再次转发的相同数据包当作确认消息，从而形成一种捎带确认机制。这样可以在不增加额外通信开销的前提下实现以数据包为单位的确认机制，进而提高数据包上传的可靠性。

所述路由节点还需要分别周期性地遍历发送消息队列和等待确认队列。

遍历发送消息队列时，对于当前对象(即当前数据包)：

1)如果当前时间＞当前数据包的入队时间+当前数据包延迟发送时间，则发送当前数据包；

如果当前数据包需要确认，则发送之后将当前数据包从发送消息队列转入等待确认队列；

如果当前数据包不需要确认，则发送之后直接将该数据包从发送消息队列中删除；

2)如果当前时间＜＝当前数据包的入队时间+当前数据包的延迟发送时间，则跳过该数据包，继续处理下一个数据包。

对于等待确认队列，设定超时阈值并根据该超时阈值记录每个对象的超时次数。

在遍历等待确认队列时，对于当前对象(即当前数据包)：

1)如果超时次数＜4，同时当前时间＞上一次超时时刻+超时阈值，则超时次数+1，并且将当前对象(即当前数据包)重新转入发送消息队列；

2)如果超时次数＜4，同时当前时间＜＝上一次超时+超时阈值，则跳过该对象，继续处理下一个对象；

3)如果超时次数＞4，则广播该数据包，然后将数据包从等待确认队列中删除。

本发明中，每个路由节点的数据包的延迟发送时间根据本地到网关节点的路由成本确定。具体规则如下：对于每个数据包，可以先由路由成本得出一个延迟发送时间区间，并且路由成本越大的路由节点的延迟发送时间区间的中心值也越大。延迟发送时间在所述延迟发送时间区间中随机选择(如使用一个随机函数运算得出)。为方便描述，下文中将按照上述规则确定延迟发送时间的路由策略称为机会主义路由策略。机会主义路由策略既可以保证路由成本较低的链路有较高的利用率，又能够避免网络中的某些“热点”能量消耗过快，使网络节点能量均匀消耗，从而延长网络寿命。在优选实施例中，延迟发送时间区间的中心值(或者下限值、上限值)可以与路由成本成正比。本发明所涉及的路由成本包括但不限于本地到网关节点的跳数，本地到网关节点的传输时间，上述二者的加权组合。路由成本的具体概念可参考：A.S.Tanebaum，Computer Networks 4 Edition，2002，Indianapolis，USA：Pretice Hall PTR。本实施例中，采用本地到网关节点的跳数作为路由成本，根据本地记录的树状拓扑，可以直接计算出本地路由节点的路由成本值。

另外，由于采用了捎带式确认机制，因此本实施例可以在不增加额外通信开销的前提下实现了以数据包为单位的确认机制，进一步减小了丢包发生的概率。但需要指出的是，当所有数据都不需要确认时，路由节点也可以不建立等待确认队列，此时也自然不需要再对等待确认队列进行遍历了，这是本领域普通技术人员易于理解的。

图4示出了本实施例中一个传感数据包在到达某个路由节点后的路由转发流程图，包括下列步骤：

步骤401：开始。

步骤402：路由节点收到传感数据包，记录收到该传感数据包的时间。

步骤403：路由节点根据自身到网关节点的路由成本，设置延迟转发时间区间，路由成本越大的路由节点的延迟转发时间区间的中心值也越大。在所述延迟转发时间区间内随机获取一个数值作为该传感数据包的延迟转发时间。在该路由节点处，该传感数据包需要等待所述延迟转发时间结束才能转发。

步骤404：在等待过程中进行监听，判断该传感数据包是否已被其它节点转发，如果是，终止本节点对该传感数据包的转发，进入步骤409，如果否，进入步骤405。

步骤405：在所述延迟转发时间结束后，该路由节点转发该传感数据包。

步骤406：判断是否监听到下一跳节点的回应，如果是，本节点对该传感数据包的转发完成，进入步骤409。如果否，进入步骤407。

步骤407：判断该传感数据包是否到达最大重发次数，如果是，进入步骤408，如果否，回到步骤405进行重发。

步骤408：通过广播地址转发该传感数据包。

步骤409：结束。

可以看出，本实施例的路由转发方案能够可靠地将该数据包上传至网关节点，同时能够避免同一传感数据包重复上传，从而节省开销，减少节点能耗。本实施例中，上述步骤401至409由前文中所述的OR模块执行。

进一步地，路由节点在转发数据包的同时，还根据所维护的数据链路，选择下一跳的目的节点，候选的依据是该路由节点的邻居节点中距离网关最近的节点，当存在多个这样的节点时，用随机的方式从中选择一个，这样可以通过机会主义路由的策略防止了网络中热点的出现，延长了网络寿命。

图5示出了本实施例的路由节点在选择转发父节点时的算法流程图，包括下列步骤(本实施例中，下列步骤由SP模块执行)：

步骤501：初始化路由矢量；设置并启动路由维护定时器，设置初始滑动时间窗口，设置链路质量门限。

步骤502：空闲，等待路由维护定时器到时。

步骤503：路由维护定时器到时后，触发路由维护事件；同时路由维护定时器重置。

步骤504：根据当前滑动时间窗口内的收发报文数目，更新链路质量，具体包括子步骤505至511。

步骤505：遍历邻居表查看是否存在链路质量超过门限的邻居节点，如果有则进入步骤507；如果没有则进入步骤506。

这里的链路质量计算公式如下：

$L_{a,j}=\mathrm{\κ}\×\frac{\underset{i=0}{\overset{\mathrm{sWinSize}-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{NUM}}_{\mathrm{rev}(a,j)}^{(i+\mathrm{curWin})\%\mathrm{sWinSize}}}{\underset{0}{\overset{\mathrm{sWinSize}-1}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{NUM}}_{\mathrm{rev}(a,j)}^{(i+\mathrm{curWin})\%\mathrm{sWinSize}}+{\mathrm{NUM}}_{\mathrm{loss}(a,j)}^{(i+\mathrm{curWin})\%\mathrm{sWinSize}})}$

$\×\frac{\underset{i=0}{\overset{\mathrm{sWinSize}-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{NUM}}_{\mathrm{rev}(j,a)}^{(i+\mathrm{curWin})\%\mathrm{sWinSize}}}{\underset{i=0}{\overset{\mathrm{sWinSize}-1}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{NUM}}_{\mathrm{rev}(j,a)}^{(i+\mathrm{curWin})\%\mathrm{sWinSize}}+{\mathrm{NUM}}_{\mathrm{loss}(j,a)}^{(i+\mathrm{curWin})\%\mathrm{sWinSize}})}$

其中La，j表示节点na和nj之间链路的通信质量，κ为常量，sWinSize表示滑动时间窗口的大小，curWin表示当前窗口的位置，

表示节点na在第i滑动时间窗口的时间内接收到节点nj报文的数目，表示节点na在第i滑动窗口时间内未接收到节点nj发出报文的数目，式子中“％”表示取余计算。

步骤506：判断是否有接收到至少三个数据包且丢包率高于阈值的邻居节点，如果有，则进入步骤509，如果没有则进入步骤508。

步骤507：在链路质量超过门限的邻居节点中，选择至网关节点的跳数最少的邻居节点作为父节点。如果有多个候选对象，则随机选取，这样可以防止网络热点的出现。

步骤508：判断最近两个时间窗口是否有接收到至少一个数据包的邻居节点，如果有则进入步骤511，如果没有，则进入步骤510。

步骤509：选择至网关节点的跳数最少，丢包率最低的邻居节点作为父节点。

步骤510：设置父节点为NULL。

步骤511：在接收到至少一个数据包的邻居节点中，选择其中丢包率最小的邻居节点作为父节点，当存在至少两个丢包率相同的丢包率最小的邻居节点时，选择其中至网关节点的跳数最小的邻居节点作为父节点，如果至网关节点的跳数也相同，则随机选择其中一个邻居节点作为父节点。

步骤512：广播路由包，路由包中记录该路由节点本周期更新后的父节点，以同步更新网络中其它节点的拓扑信息，同时，移动所述滑动时间窗口，回到步骤502。

在优选实施例中，还可以使用节点密度感知的链路选择与维护方法来选择父节点：路由节点根据其所在区域节点密度情况对所有相邻链路按照通信质量进行适当分级以便在数据传输时选择通信质量等级最高的链路(父节点)而不是链路质量最好的链路(父节点)。这样能避免由于个别节点能耗过快失效而使得网络路由状态震荡和使用过多数量的路由状态更新报文，可以在一定程度上实现局部负载平衡。

设链路质量划分级别数目与链路评估节点的候选转发节点数目之间的函数关系为χ＝f(Upρ)，χ为对链路质量的划分级别数目，Upρ为链路评估节点的候选转发节点数目(候选转发节点指的是评估节点的邻节点集合中到汇聚节点的距离小于评估节点到汇聚节点距离的节点)。假设每个级别分布的理想节点数目不少于α，那么理想的链路质量划分级别数目等于χ_ideal＝Upρ/α。但是为了保证数据包传输的可靠性，同一级别的转发节点的链路质量不能差别太大，相应地链路质量的划分级别数目不能低于特定的门限数，假设这个门限值为χ_min。那么节点实际的链路质量划分级别数目为：

$\mathrm{\χ}=f\left(\mathrm{Up\ρ}\right)=\max (\frac{\mathrm{Up\ρ}}{\mathrm{\α}},{\mathrm{\χ}}_{\min }).$

图6示出了本实施例的路由节点同步过程的状态转换图。同步过程包括初始非同步状态、同步工作状态、同步休眠状态和失同步状态这四个状态的转换过程。初始非同步状态是整个流程的起点，全网所有路由节点最初处于非同步状态，每个节点按照自身的时钟以一定频率进行计数。Sink节点时钟负责系统的主控时钟，它按照一定周期向全网发送全局同步数据包，一旦路由节点接收到全局同步数据包后，路由节点会根据全局数据包内的数据信息修改自身时钟的计数数值，以保证路由节点的时钟计数与sink节点的时钟计数达到一致，从而实现节点的计时同步。为了减少硬件设备自身的偏差，在该同步方法的设计上，sink节点采用高频率f_H计数，而路由节点采用低频率f_L计数，当路由节点欲修改自身同步时钟信息时需将同步数据包的数值除以f_H/f_L。根据同步时钟计数值周期地控制节点状态的改变，路由节点分为工作状态(即无线通讯模块开启阶段)和路由节点的休眠状态(即无线通讯模块关闭阶段)，因此，当网络路由节点同步后就从初始的非同步状态转换到节点的工作状态或节点的休眠状态，路由节点按照初始设置的占空比周期地开启和关闭无线通讯模块。由于节点的晶振设备的差异，时钟计数可能会存在一定的时间漂移，在经历一段时间后个别节点可能会产生时钟的偏移从同步状态又转换到失同步状态。当节点进入失同步状态时，节点会适当地延长开启射频模块的时间区间，以确保及时地获取时间同步信息，最终进入到同步状态。

以上详细描述了一个针对文物展陈环境监测的传感器网络。本领域技术人员易于理解，本发明的传感器网络也可以应用于链路质量恶劣且波动较大的其它类型的环境监测。

本发明优选的实施方式中将路由节点和传感节点分离，以方便部署和维护，提高网络寿命，但本领域技术人员易于理解，本发明也可以将路由节点和传感节点的功能集成在一个实体装置中。

本发明优选的实施方式中根据链路质量动态更新每个路由节点所存储的网络拓扑，但本领域技术人员易于理解，本发明也可以一直使用预先存储在各路由节点的网络拓扑。

本发明优选的实施方式中采用网关节点作为数据汇聚的中心节点，但本领域技术人员易于理解，本发明也可以使用其它形式节点的作为数据汇聚的中心节点。

最后，上述的实施例仅用来说明本说明，它不应该理解为是对本说明的保护范围进行任何限制。而且，本领域的技术人员可以明白，在不脱离本实施例精神和原理下，对本实施例所进行的各种等效变化、变型以及在文中没有描述的各种改进均在本专利的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于环境监测的传感器网络，包括：一个或多个传感节点、多个路由节点和一个中心节点；

所述传感节点用于采集传感数据并将传感数据包发送到多个路由节点；

所述路由节点用于接收传感数据包，并为所收到的传感数据包设定延迟转发时间，在该延迟转发时间到达且当前时刻该传感数据包还未被其它路由节点转发的情况下，该路由节点将该传感数据包转发至该路由节点的父节点，所述父节点是中心节点或者其它路由节点；所述延迟转发时间随机选择；

所述中心节点用于接收由所述路由节点转发的传感数据包并汇总所述传感数据包。

2.根据权利要求1所述的用于环境监测的传感器网络，其特征在于，所述延迟转发时间在延迟转发时间区间内随机选择，所述延迟转发时间区间根据路由节点至中心节点的路由成本得出，使得路由成本越大的路由节点的延迟转发时间区间的中心值也越大。

3.根据权利要求1所述的用于环境监测的传感器网络，其特征在于，所述传感节点和路由节点在物理上是分离的。

4.根据权利要求1所述的用于环境监测的传感器网络，其特征在于，所述传感节点和路由节点还包括同步模块，用于在传感器网络中进行时间同步。

5.一种基于权利要求1所述的用于环境监测的传感器网络的数据传输方法，包括下列步骤：

1)每个传感节点采集传感数据并将传感数据包发送到多个路由节点；

2)各个路由节点根据延迟转发时间路由转发所收到的传感数据包，所述延迟转发时间在延迟转发时间区间内随机确定，所述延迟转发时间区间根据路由节点至中心节点的路由成本得出，以使路由成本越大时延迟转发时间区间的中心值也越大；

3)当一个路由节点监听到所收到的一个传感数据包已被其它路由节点转发时，则该路由节点停止在本地转发所述传感数据包。

6.根据权利要求5所述的用于环境监测的传感器网络的数据传输方法，其特征在于，所述步骤1)还包括：每个传感节点以组播的方式向多个路由节点发送传感数据包。

7.根据权利要求5所述的用于环境监测的传感器网络的数据传输方法，其特征在于，所述步骤2)中，所述延迟转发时间区间的下限值、上限值或者中心值与所述路由成本成正比。

8.根据权利要求5所述的用于环境监测的传感器网络的数据传输方法，其特征在于，对于每个路由节点，所述步骤2)包括下列子步骤：

21)建立发送消息队列；

22)监听由传感节点发送的传感数据包，将监听到的传感数据包加入所述发送消息队列，发送消息队列中记录该传感数据包的入队时间和延迟转发时间；

23)周期性遍历所述发送消息队列，对当前数据包执行下列步骤：

231)如果当前时间＞当前数据包的入队时间+当前数据包延迟发送时间，则发送当前数据包；

232)如果当前时间＜＝当前数据包的入队时间+当前数据包的延迟发送时间，则跳过该数据包，继续处理下一个数据包。

9.根据权利要求8所述的用于环境监测的传感器网络的数据传输方法，其特征在于，所述步骤21)还包括建立等待确认队列；对于等待确认队列，设定超时阈值并根据该超时阈值记录每个对象的超时次数；

所述步骤231)还包括：

如果当前数据包需要确认，则发送之后将当前数据包从发送消息队列转入等待确认队列；

如果当前数据包不需要确认，则发送之后直接将该数据包从发送消息队列中删除；

对于每个路由节点，所述步骤2)还包括：

24)周期性遍历所述等待确认队列，对于当前数据包执行下列子步骤：

241)如果超时次数＜4，同时当前时间＞上一次超时时刻+超时阈值，则超时次数+1，并且将当前对象(即当前数据包)重新转入发送消息队列；

242)如果超时次数＜4，同时当前时间＜＝上一次超时+超时阈值，则跳过该对象，继续处理下一个对象；

243)如果超时次数＞4，则广播该数据包，然后将数据包从等待确认队列中删除。

10.根据权利要求9所述的用于环境监测的传感器网络的数据传输方法，其特征在于，所述步骤3)还包括：每个路由节点实时监听网络中其它路由节点所发送的数据包，当监听到一个数据包时，该路由节点遍历本地的发送消息队列和等待确认队列；在遍历过程中，如果在发送消息队列中找到与监听到的包相同的数据包，则将该数据包所对应的对象从发送消息队列中删除；如果在等待确认队列中找到与监听到的包相同的数据包，则将该数据包所对应的对象从等待确认队列中删除；

所述传感节点和路由节点都周期性的同步休眠和唤醒，所述用于环境监测的传感器网络的数据传输方法还包括步骤5)：周期性地对各个传感节点和路由节点进行同步时间的修正。

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