CN102833852A - 一种无线传感器网络定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线传感器网络定位系统，该系统包括感知层，信息汇聚层，数据中心，还包括通信支持半层；通信支持半层，将来自于感知层的信息发送至信息汇聚层，执行中继通信任务。实施本发明具有以下有益效果：在感知层和信息汇聚层之间增加通信支持半层，通过专用的通信支持半层执行通信中继任务，对整个网络起到通信支持的作用，减少感知层的传感器因为执行通信中继任务而耗费的电能，从而延长感知层传感器的使用寿命，进而延长整个无线传感器网络的寿命，并且还可以加强网络的稳定性。为了保证成本低，方案简单，通信支持半层的通信支持节点可采用通过通信能力强化的普通锚节点，通信能力强化包括采用容量更大的电池等。

Description

一种无线传感器网络定位系统

技术领域

本发明涉及无线通信领域，更具体地说，涉及一种无线传感器网络定位系统。

背景技术

无线传感器网络的生命周期：即从网络启动到不能为观察者提供需要的信息为止所持续的时间。

无线传感器网络是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中感知对象的信息，并发送给观察者。

传感器网络通常包括传感器节点和汇聚节点。传感器节点体积微小，通过携带能量有限的电池供电。每个传感器节点兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能，除了进行本地信息感知和数据处理之外，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，这样距离汇聚节点近的一些传感器节点将承担大量的数据传输中继的任务。汇聚节点周围的传感器节点除了要感知信息之外，还要帮助远端节点进行信息中继传输，其业务量和能耗明显大于远端节点。汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对比较强，它连接传感器网络与Internet等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，同时发布传感器节点的监测任务，并把收集的数据转发到外部网络上。汇聚节点由于结构复杂、功能强大，其价格明显高于传感器节点。

传感器网络中由于传感器节点数量多、成本要求低廉、分布区域广，而且部署区域环境复杂，有些区域人员无法到达，所以传感器节点无法进行更换电池或对电池进行充电。所以如何合理、高效的分配传感器节点的功能、节约能量从而延长网络的生存寿命是无线传感器网络面临的首要且重要挑战。传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四个部分组成，其中：传感器模块负责监测区域中信息的感知和数据转换；处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身感知的数据以及其他节点发来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制消息和收发感知数据；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池。这四个模块中的能量消耗比如图1所示，无线通信模块执行中继任务，进行通信所耗费的能量几乎为传感器模块执行任务时所耗费能量的14倍，为处理器模块执行任务时所耗费能量的7倍，由此可以看出，无线传感器节点中通信能耗所占比例最大，若要延长网络的生存寿命，则应在实现网络功能的前提下尽可能的降低网络的通信能耗。而在传统无线传感器网络中，距离汇聚节点近的传感器节点承担大量中继节点的功能。为了实现其他传感器节点感知数据的中继传输功能，这些传感器节点更加长时间的处于数据的发送/接收状态，即通信状态。距离汇聚节点越近的传感器节点，承担的中继任务越重，其处于发送/接收状态的时间越长，这会大大的消耗这些传感器节点的能量。又由于无线传感器网络中传感器节点通常采取电池供电，很难或无法对电池进行充电，当这些传感器节点的电池耗费完后就处于失效状态，这不仅会造成传感器节点无法感知其本身所在区域的信息，同时还造成无法实现对其他节点与汇聚节点数据传输的中继功能，从而造成网络瘫痪。传感器节点距离汇聚节点越近，其失效对网络造成的影响越大。

目前，无线传感器网络中通常采用三层体系架构。无线传感器网络三层体系架构如图2所示。无线传感器网络三层体系架构，包括分布式感知和传输、信息协同处理与融合的底层、中层、顶层，其中：底层也称为感知层，为随机布设末梢感知微传感器网络节点组成的网络；中层也称为信息汇聚层，由汇聚节点组成，可实现感知数据的协同处理、融合和回传；顶层为选择连接中层节点的接入网络及顶层应用系统的数据中心。该系统中，由底层信息完成信息感知，单节点多传感器数据融合、多节点数据融合、分布式协同数据处理；中层与底层节点通信，完成层间协同处理、融合和信息回传；顶层的接入网络通过选择连接的中层节点，为中层提供更大的冗余机制和通信负载平衡能力。提供的能量由底层至中层到顶层逐层提高。

在当前架构下，网络中通信业务分布不均匀，部分传感器节点通信任务重，能量消耗过快：在基于无线传感器网络技术的定位系统中，感知层负责定位信息的接收，汇聚层负责将各传感器节点采集的定位信标信息的回传。经过多跳后，汇聚节点周围的传感器节点，由于需要帮助远端节点进行信息中继传输，业务量和能耗明显大于远端节点。中继任务较多的节点往往会出现拥塞和能量消耗过快等问题，导致网络性能下降，寿命减少。

目前的无线传感器网络存在如下缺陷：每个传感器节点兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能，除了进行本地信息感知和数据处理之外，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，这样距离汇聚节点近的一些传感器节点将承担大量的数据传输中继的任务。在传感器正常工作时，完成中继传输所耗费的电池能量最大，而传感器网络中的传感器节点一般部署区域环境复杂，有些区域人员甚至无法到达，无法更换电池或对电池进行充电，当距离汇聚节点近的一些传感器因为大量执行中继传输任务而将电池耗费完后就处于失效状态，这不仅会造成传感器节点无法感知其本身所在区域的信息，同时还造成无法实现对其他节点与汇聚节点数据传输的中继功能，从而造成网络瘫痪。传感器节点距离汇聚节点越近，其失效对网络造成的影响越大。

发明内容

本发明针对以上无线传感器网络中靠近汇聚节点的传感器节点因为执行中继传输通信任务而耗费大量电能至电池能量耗尽，传感器节点失效，造成传感器节点无法感知本身所长区域的信息，同时无法实现其他节点与汇聚节点的数据传输的问题，而研制一种无线传感器网络定位系统。

一种无线传感器网络定位系统，其特征在于，包括感知层，信息汇聚层，数据中心，还包括通信支持半层；

感知层，进行本地信息感知和数据处理，并将处理后的信息发送至通信支持半层；

通信支持半层，将来自于感知层的信息转发至信息汇聚层，执行感知层与信息汇聚层间的中继通信任务；

信息汇聚层，对来自通信支持半层的信息进行协同处理、融合后发送至数据中心，并将来自数据中心的控制、查询等信息下发给通信支持半层；

数据中心，对来自信息汇聚层的信息进行处理、存储和发布，并根据用户和网络需求，将相应命令发送至信息汇聚层。

优选地，通信支持半层包括至少一个通信支持节点，通信支持节点的结构与感知层中的传感器节点的结构相同，但通信支持节点的电源模块和通信模块的性能优于普通传感器节点。

优选地，通信支持半层包括至少一个通信支持节点；通信支持节点包括：

对本通信支持节点的操作进行控制，负责对来自于感知层的数据进行中继转发，存储和处理本通信支持节点需要进行中继转发的分组的处理器模块；

与处理器模块连接，负责与网络中其他节点或通信支持节点间的分组传输和控制信息交换的通信模块；

与处理器模块和通信模块连接，为本通信支持节点提供正常运行所需能量的电源模块。

优选地，通信支持节点还包括：可连接不同感知模块，增加通信支持节点感知功能的感知模块接口，感知模块接口与处理器模块连接。

优选地，通信支持节点还包括用于通信传输的天线。

实施本发明的无线传感器网络定位系统，具有以下有益效果：在感知层和信息汇聚层之间增加通信支持半层，通过专用的通信支持半层执行通信中继任务，对整个网络起到通信支持的作用，减少感知层的传感器因为执行通信中继任务而耗费的电能，从而延长感知层传感器的使用寿命，进而延长整个无线传感器网络的寿命，并且还可以加强网络的稳定性。为了保证成本低，方案简单，通信支持半层的通信支持节点直接采用传感器，但该传感器的电池量比普通传感器的电池量大。

附图说明

图1是传感器节点的传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块在执行任务过程中能量耗费量的统计图；

图2是现有无线传感器网络的三层体系结构图；

图3是传统无线传感器网络的结构图；

图4是本发明无线传感器网络定位系统的结构图；

图5是本发明的通信支持节点的一实施例的结构示意图；

图6是本发明无线传感器网络定位系统的一实施例的结构示意图。

具体实施方式

传统的无线传感器网络为三层体系结构，如图3所示，包括感知层、信息汇聚层和数据中心。感知层包括至少一个传感器节点，具体数量根据环境需要确定，传感器节点兼顾感知信息和中继传输双重功能，距离信息汇聚层越近的传感器执行中继传输的任务越重，将感知信息发送至信息汇聚层。信息汇聚层包括至少一个汇聚节点，具体数量根据需要确定，汇聚节点实现感知数据的协同处理、融合和回传。数据中心接收来自信息汇聚层的数据信息，并对该数据信息作出相应处理后通过信息汇聚层回传给感知层的传感器节点。

本发明提供一种无线传感器网络定位系统，新型网络架构主要应用于基于无线传感器网络技术的定位系统，但不限于定位系统，也可用于其它类型的无线传感器网络。

图4是本发明无线传感器网络定位系统的结构图，如图所示，包括感知层、信息汇聚层、数据中心，还包括位于感知层和信息汇聚层中间的通信支持半层。感知层、数据汇聚层和通信支持半层中节点均采用网状网结构，各节点间具有自组织通信能力。感知层由普通锚节点组成，感知层、信息汇聚层和数据中心的设置可以相同于传统的无线传感器网络。感知层，主要进行本地信息感知和数据处理，并将处理后的信息发送至通信支持半层，其也可为其它锚节点进行信息中继，但在该无线定位系统中，中继传输任务主要由通信支持半层承担。通信支持半层，将来自于感知层的信息发送至信息汇聚层。通信支持半层由经过通信能力强化的通信支持节点组成。这些节点通常只负责普通锚节点采集信息的通信中继，必要时也可集成感知模块，完成定位信息的采集。信息汇聚层，对来自通信支持半层的信息进行协同处理、融合后发送至数据中心，并将来自数据中心的数据回传给通信支持半层。信息汇聚层的汇聚节点负责接收通信支持半层的通信支持节点发送的定位信息，必要时，还接收感知层普通锚节点发送的定位信息，并可对定位信息进行数据融合处理，汇聚节点将接收的定位信息通过无线或有线的方式传输给数据中心。数据中心，对来自信息汇聚层的信息进行处理、存储和发布，并根据用户和网络需求，将相应命令（控制、查询等命令）发送至信息汇聚层。普通锚节点、通信支持节点和汇聚节点间通过无线方式连接。其通信协议栈可采用802.15.4等标准无线传感器网络通信协议栈进行传输，也可采用自行设计的私有协议栈完成通信任务。

通信支持半层包括至少一个通信支持节点，通信支持节点的个数根据具体需要确定。图5是本发明的通信支持节点的一实施例的结构示意图，如图所示，包括处理器模块、通信模块和电源模块，处理器模块对本通信支持节点的操作进行控制，负责对来自于感知层的数据进行中继转发，负责本通信支持节点需要进行中继转发的分组；通信模块与处理器模块连接，负责与网络中其他节点或通信支持节点间的分组传输和控制信息交换；电源模块与处理器模块和通信模块连接，为本通信支持节点提供正常运行所需能量。通信支持节点还包括感知模块接口，感知模块接口与处理器模块连接，必要时可为通信支持节点扩展感知功能。因为执行信息传输任务时耗费的电能比起执行其他任务时耗费的电能大，为了通信支持节点能够更好的工作，为了使各通信支持节点的使用寿命更长，各通信支持节点的电源模块的性能应明显好于普通传感器节点。为了更好的支持信息的接收和发送，各通信支持节点的通信模块的性能应明显好于普通传感器节点。网络中的通信量以汇聚节点为中心，呈现正态分布的特性，即距离汇聚节点越近，由于中继业务的增加，网络中的通信量也将明显增加。随着与汇聚节点距离的增加，网络通信量逐渐递减。根据网络业务量的这一分布特性，网络中通信支持节点的布设密度也应适应这一特性。

为了保证成本低，方案简单，通信支持半层的通信支持节点直接采用通过通信能力强化的普通锚节点，对这些节点进行的通信能力强化包括采用容量更大的电池，射频模块采用更高的通信功率和更宽的传输带宽等。

基于时序分析、相关性分析和回归预测分析等方法，利用统计推理和贝叶斯网络等工具，可建立网络业务分布预测模型，基于该模型可预测网络不同位置上的业务量。根据网络不同位置上业务量的大小及通信支持节点的通信能力，可计算网络不同位置需要通信支持节点的最小数量，基于此可设计通信支持节点布设方案。

根据网络业务量以汇聚节点为中心正态分布特性，通信支持节点布设方案中，越靠近汇聚节点，通信支持节点的布设密度越大。随着与汇聚节点距离的增加，通信支持节点的布设密度逐渐递减，在网络边缘位置，可不布设通信支持节点。

本发明的技术方案具有以下优点：通信支持节点与普通传感器节点的结构类似，但电源模块的性能更好。由于传感器节点价格低廉，所以在网络中加入和普通传感器节点具有相同结构的通信支持节点，不会明显增加网络的建设和维护成本。从网络使用寿命和成本方面综合考虑，在系统全寿命期内，网络的使用成本甚至将会降低。

通信支持节点代替了普通传感器节点的中继传输任务。传统的无线传感器网络中，汇聚节点周围的传感器节点除了要感知信息之外，还要帮助远端节点进行信息中继传输，其业务量和能耗明显大于远端节点，当这些传感器节点能量消耗完毕之后就会失效，这不仅会造成网络无法对这些传感器节点所处位置周围信息的感知，并且在远端节点到汇聚节点的距离大于节点的通信距离的情况下，会使远端节点无法将感知到的数据传输给汇聚节点，从而严重影响网络性能。通过布设通信支持节点可明显降低普通传感器节点通信业务量，从而延长普通传感器节点的寿命。同时，通信支持节点仅承担中继通信任务，通过增加电池容量，通信支持节点可获得更多的能量支持，更长时间的执行中继任务，从而延长网络寿命。

图6是本发明无线传感器网络定位系统的一实施例的结构示意图，如图所示。在本实施例中，感知层普通锚节点S1、S2、S3和S4接收被定位节点m1发送的定位信标，S1、S2、S3和S4对信标进行处理，获取m1与本锚节点之间的距离信息。S1、S2、S3和S4分别通过无线方式将各自测得的距离信息发送给通信支持半层的通信支持节点C3，由C3负责将S1、S2、S3和S4发送的距离信息转发给信息汇聚层的汇聚节点D2，并回传给数据中心，由数据中心利用定位算法对这里距离信息进行处理，以获取m1节点的实际位置信息。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种无线传感器网络定位系统，其特征在于，包括感知层，信息汇聚层，数据中心，还包括通信支持半层；

感知层，进行本地信息感知和数据处理，并将处理后的信息发送至通信支持半层；

通信支持半层，将来自于感知层的信息转发至信息汇聚层，执行感知层与信息汇聚层间的中继通信任务；

信息汇聚层，对来自通信支持半层的信息进行协同处理、融合后发送至数据中心，并将来自数据中心的控制、查询等信息下发给通信支持半层；

数据中心，对来自信息汇聚层的信息进行处理、存储和发布，并根据用户和网络需求，将相应命令发送至信息汇聚层。

2.根据权利要求1所述的无线传感器网络定位系统，其特征在于，通信支持半层包括至少一个通信支持节点，通信支持节点的结构与感知层中的传感器节点的结构相同，但通信支持节点的电源模块和通信模块的性能优于普通传感器节点。

3.根据权利要求1所述的无线传感器网络定位系统，其特征在于，通信支持半层包括至少一个通信支持节点；通信支持节点包括：

对本通信支持节点的操作进行控制，负责对来自于感知层的数据进行中继转发，存储和处理本通信支持节点需要进行中继转发的分组的处理器模块；

与处理器模块连接，负责与网络中其他节点或通信支持节点间的分组传输和控制信息交换的通信模块；

与处理器模块和通信模块连接，为本通信支持节点提供正常运行所需能量的电源模块。

4.根据权利要求3所述的无线传感器网络定位系统，其特征在于，通信支持节点还包括：可连接不同感知模块，增加通信支持节点感知功能的感知模块接口，感知模块接口与处理器模块连接。

5.根据权利要求3所述的无线传感器网络定位系统，其特征在于，通信支持节点还包括用于通信传输的天线。

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