CN102802212A - 面向移动信号源的小规模无线传感网数据采集系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及针对移动信号源的数据实时采集，具体实现了一种面向小规模动态节点的自适应无线传感网络及基于该网络技术的数据采集和传输的系统及方法，包括：汇聚节点、末端节点和移动信号源，末端节点通过无线方式将采集到的移动信号源的数据传输至汇聚节点。本发明的有益效果在于：该方法综合了移动代理模型、移动数据采集模型和MS-MAC模型的优点，强化了移动节点入网数据传输的实时性，尽可能减少节点因移动而脱离网络覆盖范围时带来的网络整体开销，降低了网络实现的复杂度。

Description

面向移动信号源的小规模无线传感网数据采集系统及方法

技术领域

本发明涉及针对移动信号源的数据实时采集，具体实现了一种面向小规模动态节点的自适应无线传感网络及基于该网络技术的数据采集和传输的系统及方法。

背景资料

目前，国内外主要针对无线传感网络能量受限的特点，提出了很多节能的MAC协议和路由协议等解决方案，然而多数的研究是在所有传感器节点都是静止的前提下，不能满足某些需要用到移动节点的应用情况，比如监测野生动物的生活，追踪病人的心跳情况等等，这些节点总是处于不断的运动中。

无线传感网络对于移动性的支持，在目前的相关研究中主要可以分为：1. 对于用户移动性的支持；2. 对于汇聚节点（sink node）移动性的支持；3. 对于节点移动性的支持。其中对于用户移动性的支持又提出了移动代理模型和双层网络模型；对于汇聚节点移动性的支持提出了移动汇聚节点分配模型MSA（Mobile Sink Allocation）和移动数据采集模型MDC（Mobile Data Collector）；对于节点移动性的支持则相对复杂：从节点和网络类型可大致分为普通节点移动性支持和代理节点（中继节点）移动性支持两个方面，从节点移动性又可以分为强移动（节点自身动力驱动）和弱移动（节点自身故障或者能量耗尽而产生的网络失联）。

目前，业界主要从MAC层协议出发，有基于竞争的MS-MAC模型，有基于调度的MMAC模型等。针对代理节点移动，如Lang Tong提出一种SENMA（SensorNetwork with Mobile Agents），美国Nice大学提出了“基于可预测移动中继节点的静态网络实现方法”，UCLA大学提出的EAR（窃听登记，Eavesdrop-And- Register）算法等等。总的来说，这些算法模型在一定程度上能够解决无线传感网络节点移动性的问题，但是在另一方面都存在自己固有的应用局限。如，移动代理模型存在平衡传输时延和网络寿命之间的矛盾，双层模型需要考虑网格大小设置，MS-MAC模型的边界节点能耗下降过快，会导致网络分割，MMAC的虚拟簇之间不能同步等问题。

发明内容

本发明为克服上述的不足之处，目的在于提供了一种面向小规模移动信息源的无线传感网络的数据采集和传输的系统及方法，在保留层次结构网络的基本优点的情况之下，通过对节点的MAC层及信道帧听算法的重新设计与拓扑控制算法的调整，使得节点能够快速无缝地接入和脱离网络而不改变整网基本拓扑结构，并实现在网络覆盖范围内的实时数据上传。

本发明是通过以下技术方案达到上述目的：面向小规模移动信号源的无线传感网数据采集的方法，包括以下步骤：

1）汇聚节点设置为静态节点，初始化后以无线方式周期性广播发送信标帧；

2）末端节点与移动信号源相连，处于移动状态，周期性读取信号源数据；

3）末端节点周期性或者非周期性接收空中汇聚节点发送的信标帧；

4）末端节点收到信标帧后，广播发送请求发送帧，如此时信道繁忙，则随机退避一段时间后再次发送请求发送帧；

5）汇聚节点在收到末端节点的请求发送帧之后回复允许发送帧；

6）若末端节点超时后未收到允许发送帧，则转入步骤4），重复次数上限为可设置；

7）汇聚节点收到末端节点上传数据后回复ACK包确认；

8）末端节点收到ACK包后即停止发送数据一段时间，如果接收ACK包超时则重发数据。

面向小规模移动信号源的无线传感网数据采集系统，包括：汇聚节点、末端节点和移动信号源。所述的末端节点与移动信号源相连，处于移动状态，所述汇聚节点与末端节点通过无线方式进行数据传输。

所述的汇聚节点为单网内唯一的数据出口点。

所述的末端节点通过不断侦听汇聚节点发送的信标帧来即时形成动态数据上行通道。

本发明的有益效果在于：该方法综合了移动代理模型、移动数据采集模型和MS-MAC模型的优点，强化了移动节点入网数据传输的实时性，尽可能减少节点因移动而脱离网络覆盖范围时带来的网络整体开销，降低了网络实现的复杂度。

附图说明

图1是本发明的应用示意图；

图2是本发明的信息流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：

实施例1：如图1所示，面向小规模移动信号源的无线传感网数据采集系统，包括：一个汇聚节点A、三个末端节点B~D，圆圈表示单网范围。汇聚节点A与末端节点B~D进行数据传输。所述的汇聚节点A为单网内唯一的数据出口点，所述的末端节点B~D通过不断侦听汇聚节点A发送的信标来即时形成动态数据上行通道。末端节点B~D与移动信息源连接，用于发送移动信息源的数据。

汇聚节点A每秒发送信标帧一次，末端节点B~D则每隔1秒接收信标帧，末端节点B~D接收到信标帧后发送请求广播帧给汇聚节点A，通过P-CSMA随机退避方式确认汇聚节点A的通信信道是否空闲：

1、假如信道是空闲的，则以P=1/2的概率发送；而以(1-P)=1/2的概率延迟一个时间单位，其中，时间单位等于最大的传播延迟时间；

2、假如信道是繁忙的，继续监听，直到信道空闲，并重复步骤1；

3、假如发送被延迟一个时间单位，则重复步骤1；

4、已经发生多次冲突，则自动减小P值，否则增大P值。

若汇聚节点A的通信信道空闲，则汇聚节点A发送允许发送帧给末端节点B~D，末端节点B~D收到允许发送帧后发送数据给汇聚节点A。

若汇聚节点A的通信信道忙碌，则等待下个发送时间发送数据，发送时间由系统设计要求参量如：汇聚节点A最大同时接受移动信息源数据个数、移动信息源移动速度、汇聚节点A单网覆盖范围等决定。

其中，若在确认汇聚节点A的通信信道空闲后，汇聚节点A发送的允许发送帧未被末端节点B~D接收到，则重新确认汇聚节点A的通信信道状态后，再次发送允许发送帧，重复发送的最高次数为8次。

汇聚节点A成功接收末端节点B~D发送的数据后，回复ACK包，末端节点B~D接收ACK包后停止发送数据一段时间。

当末端节点B~D接收ACK包超时时，末端节点B~D重新接收信标帧，重发数据。

在网络覆盖范围不连续的情况下，即将数据放入缓存直到进入网络覆盖范围后发出。

以上的所述乃是本发明的具体实施例及所运用的技术原理，若依本发明的构想所作的改变，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，仍应属本发明的保护范围。

Claims (4)

1.面向小规模移动信号源的无线传感网数据采集的方法，其特征在于包括以下步骤：

1）汇聚节点设置为静态节点，初始化后以无线方式周期性广播发送信标帧；

2）末端节点与移动信号源相连，处于移动状态，周期性读取信号源数据；

3）末端节点周期性或者非周期性接收空中汇聚节点发送的信标帧；

4）末端节点收到信标帧后，广播发送请求发送帧，如此时信道繁忙，则随机退避一段时间后再次发送请求发送帧；

5）汇聚节点在收到末端节点的请求发送帧之后回复允许发送帧；

6）若末端节点超时后未收到允许发送帧，则转入步骤4），重复次数上限为可设置；

7）汇聚节点收到末端节点上传数据后回复ACK包确认；

8）末端节点收到ACK包后即停止发送数据一段时间，如果接收ACK包超时则重发数据。

2.面向小规模移动信号源的无线传感网数据采集系统，其特征在于包括：汇聚节点、末端节点和移动信号源；所述的末端节点与移动信号源相连，处于移动状态，所述汇聚节点与末端节点通过无线方式进行数据传输。

3.根据权利要求２所述的面向小规模移动信号源的无线传感网数据采集系统，其特征在于所述的汇聚节点为单网内唯一的数据出口点。

4.根据权利要求３所述的面向小规模移动信号源的无线传感网数据采集系统，其特征在于所述的末端节点通过不断侦听汇聚节点发送的信标帧来即时形成动态数据上行通道。