CN102612123A

CN102612123A - 无线光纤传感器网络分层嵌套数据采集和传输方法

Info

Publication number: CN102612123A
Application number: CN2012100594369A
Authority: CN
Inventors: 王廷云; 朱姗
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2012-03-08
Filing date: 2012-03-08
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2032-03-08
Also published as: CN102612123B

Abstract

本发明涉及一种无线光纤传感器网络分层嵌套实时数据采集和传输方法，在无线光纤传感器网络中，由中心控制节点、路由节点、控制节点组成的上层网络，在上层轮询时段中，采用多跳轮询机制，由路由节点和部分管理节点承担路由功能，实现控制信息和传感数据的远程多跳传输；由控制节点和无线光纤传感器节点组成的底层网络，在底层数据采集传输时段中，采用双同步动态时分复用机制，实现对同一热点区域监测量的分布式同步采集和传输；底层数据采集传输时段嵌套在上层轮询时段中。该无线光纤传感器网络具有功耗低、分布广、实时性好等特点，适用于油库罐群、电力系统、矿井隧道、温室粮仓等多种应用环境已知的监测领域。

Description

无线光纤传感器网络分层嵌套数据采集和传输方法

技术领域

本发明述及一种无线光纤传感器网络分层嵌套数据的采集与传输技术，属于无线传感器网络技术。

背景技术

无线光纤传感器网络由大量部署的光纤传感器节点组成，协作地传感、采集、处理监测区域的信息，并以无线多跳的方式传输给控制中心。无线光纤传感器网络融合了光纤传感器抗电磁干扰、防燃防爆等优点，和无线组网灵活、扩展性强、成本低、分布式计算等优点，适用于普通传感器不能胜任的易燃易爆、强腐蚀性、高电磁干扰等高危环境，具有非常重要的理论和实践意义。在无线光纤传感器网络中，由于所搭载传感器为光纤传感器，光源在每次开启时要经过一段时间才能稳定，这段时间远大于电子传感器节点数据采集时间，因此给网络带来两个问题：第一，在数据采集的时间内，定时器发生漂移，网络再次不同步，增加了数据碰撞的机率；第二，这段时间内无线收发器处于空闲状态，产生不必要的能耗。以上两个问题是无线光纤传感器网络所存在的特有的问题。另一方面，由于传感器节点失效或者新传感器节点的临时加入，导致网络拓扑变化，因此无线光纤传感器网络需要具有动态自组织性。现有的针对无线传感器网络的数据采集传输方案和通信协议并不能解决无线光纤传感器网络所存在的问题。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题，提供一种适用于无线光纤传感器网络的分层嵌套数据采集和传输方法，能有效解决节点间同步的问题，并具有低能耗的特性，且支持所有无线光纤传感器节点动态加入网络，具有自组织性，克服了现有无线传感器网络通信协议的不足，满足无线光纤传感器网络的应用需求，实现对热点监测单元监测量的分布式同步采集和远程多跳实时传输。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种无线光纤传感器网络分层嵌套数据采集和传输方法，无线光纤传感器网络由两层网络组成：上层网络由中心控制节点、路由节点、管理节点组成，在上层轮询时段中，采用多跳轮询机制实现控制信号和传感数据的多跳传输；底层网络由管理节点和无线光纤传感器节点组成，在底层数据采集传输时段中，采用双同步动态时分复用机制实现传感数据的分布式采集和传输；底层数据采集传输时段嵌套在上层轮询时段中。

所述中心控制节点与控制中心的计算机相连，用于向各热点监测单元的管理节点发送控制信号，并且从无线光纤传感器网络中收集传感数据，发送给计算机进行数据存储、处理和实时显示。

所述路由节点，位于中心控制节点和管理节点之间，若干个路由节点与控制节点、管理节点、无线光纤传感器节点组成多跳网络，用于控制信号和传感数据的远程传输。

所述管理节点，控制相应热点监测单元内所有无线光纤传感器节点，并收集这些无线光纤传感器节点的传感数据，通过多跳网络传送到控制中心的计算机进行处理。

所述无线光纤传感器节点，根据接收到的来自管理节点的控制信号，加入某个管理节点控制的热点监测单元，将自己采集到的传感数据发送给该管理节点。

所述多跳轮询机制进一步包含以下内容：

1）将时间帧分为周期性的调度访问，由多个控制时槽和数据时槽交错组成；

2）中心控制节点周期性对所有管理节点进行逐次调度访问，每个轮询周期对各管理节点轮询一次，实现向管理节点发送控制数据，以及接收管理节点汇集的传感数据；

3）中心控制节点与待轮询管理节点之间若存在路由节点或担任路由功能的管理节点，各路由节点和担任路由功能的管理节点通过查找路由表方式，实现对控制数据和传感数据的多跳传输。

所述动态通信协议进一步包含以下内容：

1）将调度访问中某一数据时槽的一段，划分为采样时段、传输时段和邀请时段；

2）每个采样时段划分为唤醒、第一次同步、采样时隙，入网成功的无线光纤传感器节点在采样时段打开光源并进行传感信号采集；

3）每个传输阶段划分为唤醒、第二次同步、传输时隙，入网成功的传感器节点在传输阶段按照时分复用机制向本地管理节点传输数据；

4）每个邀请阶段划分为多个竞争时隙，没有入网的节点在竞争时隙申请入网；

5）任一热点监测单元内所有入网成功的无线光纤传感器节点与其本地管理节点同步的步骤：本地管理节点发送第一次同步信号后，计算发送包时延，同时，本地入网成功的无线光纤传感器节点收到第一次同步信号后，调整时钟，并计算接收包时延。本地管理节点将发送包时延写入第二次同步信号中，同时，无线光纤传感器节点在收到第二次同步信号后，根据第二次同步信号中本地管理节点发送包时延，精确修正本地时钟，实现与本地管理节点的同步。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

提出了一种无线光纤传感器网络分层嵌套实时数据的采集与传输方法，上层网络采用多跳轮询机制实现了传感数据的多跳传输，底层网络采用双同步动态时分复用机制，实现数据的分布式采集，并且支持所有无线光纤传感器节点动态加入网络，使网络具有自组织性。无线光纤传感器节点按照休眠－工作－休眠的模式运行，同时在两次同步信号之间，仅进行数据采集，其余模块均处于休眠状态，有效节省了能耗，延长节点寿命；采用两次同步方法，纠正了由于长时间数据采集带来的定时器漂移，实现了管理节点与无线光纤传感器节点之间的精确同步，避免数据碰撞和丢失。

附图说明

图1是本发明所述无线光纤传感器网络分层嵌套数据采集和传输方法示意图。

图2是本发明所采用的无线光纤传感器网络拓扑图。

图3是本发明所述数据请求帧结构示意图。

图4是本发明所述数据应答帧结构示意图。

图5 是本发明所述唤醒帧结构示意图。

图6 是本发明所述第一次同步帧结构示意图。

图7 是本发明所述第二次同步帧结构示意图。

图8是本发明所述发送数据帧结构示意图。

图9是本发明所述中心控制节点工作示意图。

图10是本发明所述路由节点工作示意图。

图11是本发明所述管理节点工作示意图。

图12是本发明所述无线光纤传感器节点工作示意图。

图13是本发明所述无线光纤传感器网络一个轮询周期工作时序图。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图说明如下：

如图1所示，本发明所提供的无线光纤传感器网络，是将无线光纤传感器网络中的节点分为四类：中心控制节点、路由节点、管理节点和无线光纤传感器节点。其中中心控制节点与控制中心的计算机相连接，用于向各热点监测单元的管理节点发送控制信号，并且从无线光纤传感器网络中收集传感数据，发送给计算机进行数据存储、处理和实时显示；路由节点位于中心控制节点和管理节点之间，若干个路由节点与控制节点、管理节点、无线光纤传感器节点组成多跳网络，用于控制信号和传感数据的远程传输；管理节点控制相应热点内所有无线光纤传感器节点，并收集这些无线光纤传感器节点的传感数据，通过多跳网络传送到控制中心的计算机进行处理；无线光纤传感器节点，根据接收到的来自管理节点的信息，加入某个管理节点控制的热点监测单元，将自己采集到的传感数据发送给该管理节点。该无线光纤传感器网络采用分层嵌套的数据采集和传输方法：上层网络由中心控制节点、路由节点、管理节点组成，在上层轮询时段中，采用多跳轮询机制实现控制信号和传感数据的多跳传输；底层网络由管理节点和无线光纤传感器节点组成，在底层数据采集传输时段中，采用双同步动态时分复用机制实现传感数据的分布式采集和传输；底层数据采集传输时段嵌套在上层轮询时段中。

如图2－图13所示，在一个已部署好的无线光纤传感器网络中，采用分层嵌套的数据采集和传输方法进行工作。

首先为全网每个节点分配一个唯一的地址，位于上层网络的中心控制节点、路由节点和管理节点均静止，即上层网络拓扑结构不变，且每个节点均知道自己的邻居信息。位于底层网络的无线光纤传感器节点，可以动态地加入网络。

在上层轮询时段中，当一个轮询周期到来时，中心控制节点按次序对上层网络中所有管理节点通过多跳轮询通信机制依次进行轮询：中心控制节点向待轮询管理节点发送数据请求包（如图2：数据请求帧一共有4个字节，第一个字节是本网数据属性，第二个字节是待轮询管理节点的地址，第三个字节是中心控制节点的地址，第四个字节是上一跳节点的地址），第一跳路由节点或管理节点收到数据请求包后，开包检测，如果数据包的源地址为中心控制节点地址，且目的地址为本地路由表中下行地址之一，接收该包后将路由地址改为本地地址后转发；如果数据包的目的地址是本地地址且路由地址为下行上一跳节点地址，则确认本节点为某一监测热点监测单元内管理节点；否则丢弃该数据请求包。若存在下行第二跳路由节点或管理节点，则下行第二跳路由节点重复下行第一跳路由节点的工作过程，以此类推。管理节点收到数据请求包后，通知下层网络中相应热点监测单元中的无线光纤传感器开始工作，接收完本地无线光纤传感器节点采集的数据后，向中心控制节点发送应答数据包（如图3：数据应答帧一共有4+2n个字节，其中n是相应热点监测单元中节点总数，第一个字节是本网数据属性，第二个字节是中心控制节点的地址，第三个字节是待轮询管理节点的地址，第四个字节是上一跳节点的地址，从第五个字节开始为传感数据，每个传感数据占两个字节），目的地址为中心控制节点地址，源地址为本地地址，路由地址初始化为本地地址。上行第一跳路由节点或管理节点收到应答数据包后，开包检测，如果数据包的目的地址是中心控制节点地址，且路由地址为上行上一跳，则接收该包后将路由地址改为本地地址后转发；否则丢弃该数据应答包。若存在上行第二跳路由节点或管理节点，则上行第二跳路由节点或管理节点重复上行第一跳路由节点或管理节点的工作过程，以此类推。中心控制节点接收到数据应答包，开包检测，如果数据包目的地址是中心控制节点地址，且路由地址为上行上一跳节点地址，接收数据应答包后，将传感数据发送至控制中心计算机，由计算机对数据进行存储、处理和显示。

在轮询周期中，若中心控制节点向某一目的管理节点发送数据请求包一段时间后，没有收到该管理节点的数据应答包，则中心控制节点开启重传机制，向该管理节点发送数据请求包。重传一定次数后，如果仍然没有收到该管理节点的数据应答包，中心控制节点在本轮轮询周期中放弃对该管理节点的询问，等到下次轮询周期再对该管理节点进行询问。

底层数据采集传输时段开始时，管理节点发起汇聚，进入采样时段，首先第一次发出1秒唤醒信号（如图4：唤醒帧只有2字节，第二个字节是唤醒信号标识），唤醒相应热点监测单元内所有无线光纤传感器节点。然后发送第一次同步信号（如图5：第一次同步帧一共有2+2m字节，其中 m是相应热点监测单元中无线光纤传感器节点总数，第二个字节是第一次同步信号标识，从第三字节开始是已经入网的无线光纤传感器节点地址信息和所分配的时隙，各占一个字节，传感器节点通过查找自己的地址就可以获得相应的通信时隙），一方面用于实现相应热点监测单元内已经入网的无线光纤传感器节点与管理节点的粗同步，另一方面向相应热点监测单元内已经入网的无线光纤传感器节点发送时隙分配表。本地无线光纤传感器节点被第一次唤醒后等待第一次同步信号。当无线光纤传感器节点收到第一次同步信号后，如果在该信号中找到本地地址和相应的分配时隙，表示该无线光纤传感器节点已入网，则第一次调整时钟，使射频模块进入休眠侦听状态，然后打开光源，等待光源稳定后进行数据采集，直到采样时隙结束，关闭光源。否则，转入休眠，并在邀请阶段到来时采用随机避让方式申请入网。

管理节点的定时器溢出后，进入传输时段，首先第二次发出1秒唤醒信号，唤醒相应热点监测单元内所有已经入网的无线光纤传感器节点。然后发送第二次同步信号（如图6：第一次同步帧一共有3字节，第二个字节是第二次同步信号标识，第三字节是管理节点发送包的延时，占一个字节），接着进入接收模式。已经入网的无线光纤传感器节点被第二次唤醒后，当收到第二次同步信号时，精确修正本地时钟，实现与本地管理节点的同步，然后根据分配的时隙，将采集到的数据发送到本地管理节点。

邀请阶段被划分为一系列长度为5毫秒的竞争时隙。新的无线光纤传感器节点和在上一个传输时段发过入网申请，但由于信道冲突而没有入网成功的无线光纤传感器节点，可以在邀请阶段内随机选择一个竞争时隙，如果检测到信道为空，则发送自己的入网申请，如果被占用则再进行一次随机延时。如此反复，直到连续3次节点都检测出信道被占用，节点就退出加入网络状态，等下一个邀请时段再加入。

在邀请阶段，入网成功的无线光纤传感器节点的地址将被管理节点记录在网络列表中，在下一个传输模式写入第一次同步信号内，并分配相应的传输时隙。如果管理节点超过3次没有收到本地某一无线光纤传感器节点上传的数据，认为该无线光纤传感器节点退出网络，将该无线光纤传感器节点的地址从网络列表中删除，并重新分配各节点传输时隙。

本发明提出的同步方法是由管理节点担任协调节点，通过发送两次同步信号，进行精确的时隙同步。在第一次同步信号时实现粗同步。管理节点启动定时器，开始计时，发送第一次同步信号，结束后记下定时器计数，可以得到发送包时延D₁。本地无线光纤传感器节点收到第一次同步信号时产生中断启动本地定时器，开始计时，信号接收完成后，记下定时器计数，可以得到接收包时延D₂。在第二次同步信号时实现精同步。管理节点发送第二次同步信号，将D₁发送到本地已经入网的无线光纤传感器3，得到总时延为D₁+ D₂，由于电磁波传输速率为光速，因此当传播距离在300米以内时传播时延忽略不计，无线光纤传感器节点修改本地时钟与管理节点同步。

Claims

1.一种无线光纤传感器网络分层嵌套数据采集和传输方法，其特征在于，无线光纤传感器网络由两层网络组成：上层网络由中心控制节点、路由节点、管理节点组成，在上层轮询时段中，采用多跳轮询机制实现控制信号和传感数据的多跳传输；底层网络由管理节点和无线光纤传感器节点组成，在底层数据采集传输时段中，采用双同步动态时分复用机制实现传感数据的分布式采集和传输；底层数据采集传输时段嵌套在上层轮询时段中；

所述中心控制节点与控制中心的计算机相连，用于向各热点监测单元的管理节点发送控制信号，并且从无线光纤传感器网络中收集传感数据，发送给计算机进行数据存储、处理和实时显示；

所述路由节点，位于中心控制节点和管理节点之间，若干个路由节点与控制节点、管理节点、无线光纤传感器节点组成多跳网络，用于控制信号和传感数据的远程传输；

所述管理节点，控制相应热点监测单元内所有无线光纤传感器节点，并收集这些无线光纤传感器节点的传感数据，通过多跳网络传送到控制中心的计算机进行处理；

2.根据权利要求1所述的无线光纤传感器网络分层嵌套数据采集和传输方法，其特征在于，所述多跳轮询机制进一步包含以下内容：

3.根据权利要求1所述的无线光纤传感器网络分层嵌套数据采集和传输方法，其特征在于，所述双同步动态时分复用机制进一步包含以下内容：

3）每个传输阶段划分为唤醒、第二次同步、传输时隙，入网成功的传感器节点在传输阶段按照TDMA机制向本地管理节点传输数据；

5）任一热点监测单元内所有入网成功的无线光纤传感器节点与其本地管理节点同步的步骤：本地管理节点广播第一次同步信号后，计算发送包时延，同时，本地入网成功的无线光纤传感器节点收到第一次同步信号后，调整时钟，并计算接收包时延；本地管理节点将发送包时延写入第二次同步信号中并广播，同时，无线光纤传感器节点在收到第二次同步信号后，根据第二次同步信号中本地管理节点发送包时延，精确修正本地时钟，实现与本地管理节点的同步。