CN103347294A - 无线传感器系统及数据收集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线传感器系统及应用于该系统中的数据收集方法。所述系统包括：包括一个以上检测节点的检测层，包括一个以上中继节点和汇聚节点的中继层，其中，检测节点，用于采集传感器数据并发送给中继层中的中继节点；中继节点，用于将接收到的所述传感器数据发送给汇聚节点；汇聚节点，用于将接收到的所述传感器数据发送给外部网关。本发明的技术方案将无线传感器系统划分为检测层和中继层，由检测层中的检测节点完成传感器数据的采集，由中继层中的中继节点完成传感器数据的中继，一个节点仅需要完成检测或中继中的一种功能，从而降低了单个传感器节点的功耗。

Description

无线传感器系统及数据收集方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络技术领域，特别涉及一种无线传感器系统及应用于该系统中的数据收集方法。

背景技术

随着通信、传感器制造、嵌入式计算的日益成熟，大规模无线传感器网络技术迅速发展并被广泛应用到人们生活的方方面面，如环境监控、国防、健康检查、交通控制、救灾抢险、城市管理等。一个典型的无线传感器网络由大量廉价的传感器节点组成，它们能够在不同的环境中迅速被部署，并通过无线自组织的形式组网，不会受到现有有线网络基础设施的限制。无线传感器网络使人们可以不受时间、地点的限制，实时获取大量详实而可靠的环境信息，使得“计算”可以无处不在。

在目前部署的无线传感器网络中，传感器节点的感知数据通过无线通信以多跳中继方式汇集到数据处理中心。某一节点采集到传感器数据后，需要通过其它节点完成数据中继，最后数据统一传输到汇聚节点，并由汇聚节点统一发送给数据处理中心。网络协议是无线传感器自组织网络的核心，任何无线自组织网络都离不开具有路由转发功能的网络协议。而对于无线传感器网络中的一个节点来说，其一方面需要完成自身的数据采集，另一方面需要为其它节点完成数据中继，即，一个节点必须同时具备检测以及中继两种功能，这就会导致对传感器节点的性能和功耗要求较高。

由此可见，在目前的无线传感器网络中，所有节点的功能相同，也就是说，每一个节点都要同时具备诸如检测、中继等功能。因为传感器网络节点资源极其有限，可供消耗的能源非常少，所以为了让节点在自然环境下可以获得较长的生存期而不需要经常人为更换电源，传感器网络对低功耗的要求就显得极为迫切。尤其是在地磁停车位检测和森林防火等应用场景下，传感器节点只能靠干电池供电，因而更需要通过降低节点功耗来延长网络的实际寿命。

发明内容

（一）所要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种无线传感器系统及数据收集方法，以解决现有无线传感器网络中节点功耗较高的问题。

（二）技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种无线传感器系统，所述系统包括：

包括一个以上检测节点的检测层，包括一个以上中继节点和汇聚节点的中继层，其中，

检测节点，用于采集传感器数据并发送给中继层中的中继节点；

中继节点，用于将接收到的所述传感器数据发送给汇聚节点；

汇聚节点，用于将接收到的所述传感器数据发送给外部网关。

可选的，所述中继节点还用于建立并保存第一路由表，所述第一路由表包括所述中继节点到所述汇聚节点的所有路径；

所述中继节点根据所述第一路由表计算出最短路径A₀，并通过最短路径A₀将所述传感器数据发送给所述汇聚节点。

可选的，所述检测节点还用于建立并保存第二路由表，所述第二路由表包括所述检测节点到中继层中每一个与其相连的中继节点的所有路径；

所述检测节点根据所述第二路由表计算出最短路径B₀，并通过最短路径B₀将所述传感器数据发送给中继层中相应的中继节点。

可选的，所述中继节点根据所述第一路由表计算出最短路径A₀具体包括：

所述中继节点获取自身到所述汇聚节点的所有路径的ETX值，其中ETX值最小的路径即为最短路径A₀。

可选的，所述检测节点根据所述第二路由表计算出最短路径B₀具体包括：

所述检测节点获取自身到中继层中每一个与其相连的中继节点的最短路径的ETX值，并获取每一个与其相连的中继节点到所述汇聚节点的最短路径的ETX值，将两者相加得到ETX_i，1≤i≤N，N为与所述检测节点相连的中继节点的个数，ETX_i中的最小值对应的路径即为最短路径B₀。

可选的，所述检测节点在未工作时处于休眠模式，当其采集传感器数据时执行唤醒操作。

本发明同时提出了一种数据收集方法，将无线传感器系统划分为包括一个以上检测节点的检测层，以及包括一个以上中继节点和汇聚节点的中继层，所述方法包括步骤：

S1、检测节点采集传感器数据并发送给中继层中的中继节点；

S2、中继节点将接收到的所述传感器数据发送给汇聚节点；

S3、汇聚节点将接收到的所述传感器数据发送给外部网关。

可选的，步骤S1之前还包括步骤：

S0、所述中继节点建立并保存第一路由表，所述第一路由表包括所述中继节点到所述汇聚节点的所有路径；

步骤S2具体包括：

所述中继节点根据所述第一路由表计算出最短路径A₀，并通过最短路径A₀将所述传感器数据发送给所述汇聚节点。

可选的，步骤S0还包括：

所述检测节点建立并保存第二路由表，所述第二路由表包括所述检测节点到中继层中每一个与其相连的中继节点的所有路径；

步骤S1具体包括：

所述检测节点根据所述第二路由表计算出最短路径B₀，并通过最短路径B₀将所述传感器数据发送给中继层中相应的中继节点。

可选的，步骤S1还包括：

当所述检测节点发现最短路径B₀失效时，从所述第二路由表中选择其余路径发送所述传感器数据，若其余路径全部失效，则所述检测节点向中继层中的所有中继节点广播路由包，并根据中继节点返回的应答信息更新所述第二路由表。

（三）有益效果

在本发明提出的技术方案中，将无线传感器系统划分为检测层和中继层，由检测层中的检测节点完成传感器数据的采集，由中继层中的中继节点完成传感器数据的中继，即，一个节点仅需要完成检测或中继中的一种功能，从而降低了单个传感器节点的功耗。

附图说明

图1是本发明一种具体实施方式中无线传感器系统的结构示意图。

图2是本发明一种具体实施方式中各节点间的数据流程图。

图3是本发明一种具体实施方式中数据收集方法的流程图。

图4是本发明一种具体实施方式中新节点加入的过程示意图。

图5是本发明一种具体实施方式中检测节点更新第二路由表的过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明提出了一种无线传感器系统，如图1所示，所述系统包括：

包括一个以上检测节点的检测层，包括一个以上中继节点和汇聚节点的中继层，其中，

检测节点，用于采集传感器数据并发送给中继层中的中继节点；

中继节点，用于将接收到的所述传感器数据发送给汇聚节点；

汇聚节点，用于将接收到的所述传感器数据发送给外部网关。

在本发明提出的技术方案中，将无线传感器系统划分为检测层和中继层，由检测层中的检测节点完成传感器数据的采集，由中继层中的中继节点完成传感器数据的中继，即，一个节点仅需要完成检测或中继中的一种功能，从而降低了单个传感器节点的功耗。

如图1所示，本发明提出的无线传感器系统包括三种角色节点，其中黑色节点为检测节点，白色节点为中继节点，环状节点为汇聚节点。一个无线传感器系统通常包括多个检测节点和多个中继节点，但汇聚节点仅有一个。一个无线传感器系统即对应于一个检测网络。如图1所示，整个数据收集网络支持局部两层汇聚树型和上层网状拓扑结构，即：每个检测网络由三种角色节点组成，所有节点按分工可以分为检测层和中继层，每个检测网络采用两层汇聚树型结构；多个检测网络可汇聚到一个外部网关设备，进而可以通过因特网将数据传输至主控计算机，外部网关与主控计算机采用网状结构。

在一个检测网络中，汇聚节点相当于簇首，负责汇聚本检测网络内所有检测节点的数据；中继节点为一级簇成员，负责维持数据包转发网络，构成网络的核心部分；检测节点为二级簇成员，负责实际数据采集并交给一级簇成员转发，最终汇聚至簇首。

一级簇成员的中继节点实现完整的数据汇聚协议，即实现完整的路由维护和数据汇聚功能，从而构成网络的核心部分；二级簇成员的检测节点实现部分路由协议，维护有效的网络接入端口表（即第二路由表），该网络接入端口表可由一级簇成员地址构成，包括该检测节点到中继层中每一个与其相连的中继节点的所有路径。

本发明提出的无线传感器系统将传统的传感器数据采集协议分为两层，两层中的节点各司其职，位于底层（检测层）的检测节点只需要完成检测功能，即采集传感器数据并发送给中继节点；位于上层（中继层）的中继节点只需要完成中继功能，即负责维护网络可靠性并为下层检测节点转发数据。这样能够使整个系统保持低功耗、可靠、生命周期长的优点。

另外，用于系统管理的网络管理者和安全管理者的角色可以在网关设备中实现。网络管理者（NM）角色负责管理和检测全网，安全管理者（SM）角色负责网关设备、节点设备的密匙管理和安全认证。

对于系统中的某一个检测节点来说，网络中存在冗余的中继节点。这些冗余中继节点参与系统的正常运行，为检测节点发送的数据包提供较优的汇聚路径。一般的，最优路径的选择和维护基于路由协议中的ETX参数，该参数在每段链路上进行计算，并将每个路径所经过的每段链路的ETX值相加得到该节点到汇聚节点的总ETX值，总ETX值最小的路径即为最优路径。也就是说，所谓冗余中继节点是与最优路径上的中继节点相比较而存在的，检测节点总是选择较优的下一跳发送数据包，剩余的中继节点即为冗余中继节点。同时，为了保证网络的可靠性，如图1所示，网络中还可以有冗余的网关设备作为所述外部网关的热备份。

如上所述，检测节点和中继节点在传输数据时，需要进行最优路径的选择，因此需要各自维护有效的路由表。优选的，所述中继节点建立并保存第一路由表，所述第一路由表包括该中继节点到所述汇聚节点的所有路径；所述中继节点根据所述第一路由表计算出最短路径A₀，并通过最短路径A₀将所述传感器数据发送给所述汇聚节点。其中，所述中继节点根据所述第一路由表计算出最短路径A₀具体包括：所述中继节点获取自身到所述汇聚节点的所有路径的ETX值，其中ETX值最小的路径即为最短路径A₀。

所述检测节点建立并保存第二路由表，所述第二路由表包括该检测节点到中继层中每一个与其相连的中继节点的所有路径；所述检测节点根据所述第二路由表计算出最短路径B₀，并通过最短路径B₀将所述传感器数据发送给中继层中相应的中继节点。其中，所述检测节点根据所述第二路由表计算出最短路径B₀具体包括：所述检测节点获取自身到中继层中每一个与其相连的中继节点的最短路径的ETX值，并获取每一个与其相连的中继节点到所述汇聚节点的最短路径的ETX值，将两者相加得到ETX_i，1≤i≤N，N为与所述检测节点相连的中继节点的个数，ETX_i中的最小值对应的路径即为最短路径B₀。

为了进一步降低检测节点的功耗，可以让检测节点在正常情况下处于休眠模式，只有自己需要活动时才自我唤醒。具体来说，就是检测节点只在采集、发送数据，以及网络更新时醒来，其余时间休眠，从而最大限度地减少功耗。此处所指唤醒、休眠即无线发射模块的打开和关闭。当检测节点需要发送数据包或者需要请求路由信息而广播路由包的时候，自行打开无线发射模块，即唤醒操作。完成数据发送后，若为数据包，则自行关闭无线发射模块；若为路由包，则等待收到周围中继节点反馈的路由信息后自行关闭无线发射模块，即休眠操作。

在部署无线传感器网络前，首先分别完成检测节点、中继节点及汇聚节点的程序代码，并烧录进预先准备好的传感器节点。将各节点供电后，即进入组网状态。网络中的节点设备地址均为在烧录程序时唯一指定，这里优选采用16位无符号地址，且将检测层节点的地址与中继层节点的地址区分开来。

另外，实际部署中，底层检测节点部署在检测位置，仅负责数据采集，上层中继节点部署在遮挡物少、视野良好的位置，仅负责数据转发，两种节点封装的外观应有所区别。

三种节点采用的协议栈遵循ISO/IEC7489OSI的基本参考模型，但只需定义应用层（AL）、网络层（NL）及数据链路层（DLSL）；其物理层（PHY）和介质访问控制子层（MAC）基于IEEE802.15.4:2006标准。该协议栈与OSI参考模型的映射关系如表1所示：

表1 协议栈结构

其中，网络层的数据包格式如表2所示，封装上层数据，附加控制位、链路质量标识、源节点、序列号、对应上层应用ID：

表2 网络层数据包格式

网络层的路由包格式如表3所示，用于维护网络，包括控制位、下一跳地址、链路质量标识：

表3 网络层路由包格式

数据链路层支持IEEE802.15.4帧格式，T-Frame，封装上层数据包，附加IEEE802.15.4 Header和帧校验序列，如表4所示：

表4 数据链路层帧格式

802.15.4 Header

AM type

Data

802.15.4 CRC

数据在检测节点、中继节点、汇聚节点和外部网关间的传输路径如图2所示。数据在检测节点中需要经过物理层、数据链路层、网络层和应用层的处理，并通过物理层将数据发送给中继节点；数据在中继节点和汇聚节点中需要经过物理层、数据链路层和网络层的处理，因为这两种节点只负责转发数据，因而不需要经过应用层；数据在网关设备中需要经过物理层、数据链路层、网络层和应用层的处理，同时，还需要经过上层网络协议栈的处理，从而利用因特网与主控计算机进行通信。

下面以部署地磁停车位检测网络为例，对所述无线传感器系统的实现方式做进一步说明。

在cc430平台上基于tinyos系统使用nesC语言实现该系统的配置。cc430平台将msp430单片机和cc1101射频芯片整合到一起，本身便具有低功耗的优势。搭载地磁传感器后可做为检测节点。分别完成检测节点、中继节点和汇聚节点的程序代码，并烧录进预先准备好的节点。将各节点供电后，即进入组网状态。通过sniffer节点可以监听系统中各种数据包和路由包的传输。将汇聚节点通过串口连接到PC端，即可通过tinyos系统提供的python工具收集到检测节点传输回来的传感器数据。

本发明同时提出了一种数据收集方法，将无线传感器系统划分为包括一个以上检测节点的检测层，以及包括一个以上中继节点和汇聚节点的中继层，如图3所示，所述方法包括步骤：

S1、检测节点采集传感器数据并发送给中继层中的中继节点；

S2、中继节点将接收到的所述传感器数据发送给汇聚节点；

S3、汇聚节点将接收到的所述传感器数据发送给外部网关。

优选的，步骤S1之前还包括步骤：

S0、所述中继节点建立并保存第一路由表，所述第一路由表包括所述中继节点到所述汇聚节点的所有路径；

步骤S2具体包括：

所述中继节点根据所述第一路由表计算出最短路径A₀，并通过最短路径A₀将所述传感器数据发送给所述汇聚节点。

优选的，步骤S0还包括：

所述检测节点建立并保存第二路由表，所述第二路由表包括所述检测节点到中继层中每一个与其相连的中继节点的所有路径；

步骤S1具体包括：

所述检测节点根据所述第二路由表计算出最短路径B₀，并通过最短路径B₀将所述传感器数据发送给中继层中相应的中继节点。

优选的，步骤S1还包括：

当所述检测节点发现最短路径B₀失效时，从所述第二路由表中选择其余路径发送所述传感器数据，若其余路径全部失效，则所述检测节点向中继层中的所有中继节点广播路由包，并根据中继节点返回的应答信息更新所述第二路由表。

由于底层检测节点和上层中继节点并不定期交换信息，因而检测节点不能保证其所维护的路由表的有效性，这就需要提供有效的路由表更新机制。

无线传感器网络需要考虑节点的加入和离开问题。新节点加入网络的过程如图4所示。待加入节点广播Beacon包，将其中的P位置位，收到该包的网络成员节点广播Beacon包，其中附带自己的下一跳及到汇聚节点的链路质量。该待加入节点根据这些信息就可以构建自己的路由表，这样该待加入节点就可以参与该网络的运行。

中继节点采用动态路由方式，路由配置由网络管理者完成，通过采集数据包和分发、接收信标帧获取当前链路质量，从而选取相对较优的下一跳节点。

检测节点在发现第二路由表中所有下一跳（即全部路径）均失效时，需要广播信标帧，从而收集周围中继节点的链路质量信息，重新构建第二路由表，如图5所示。

若检测节点在某一时刻醒来，向第二路由表中的下一跳地址发送数据，而总是收不到Ack时即更新该条链路的链路质量，当链路质量差到一定阈值时即判定该下一跳无效，并选择其他路径传输数据；若第二路由表中的下一跳均无效，该检测节点重新发送beacon包，并将P位置位，收到该beacon包的中继节点广播beacon包，在其中携带该中继节点的下一跳及到汇聚节点的链路质量，检测节点据此更新第二路由表。

综上，本发明提出的技术方案将无线传感器系统划分为检测层和中继层，由检测层中的检测节点完成传感器数据的采集，由中继层中的中继节点完成传感器数据的中继，即，一个节点仅需要完成检测或中继中的一种功能，从而降低了单个传感器节点的功耗。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种无线传感器系统，其特征在于，所述系统包括：

包括一个以上检测节点的检测层，包括一个以上中继节点和汇聚节点的中继层，其中，

检测节点，用于采集传感器数据并发送给中继层中的中继节点；

中继节点，用于将接收到的所述传感器数据发送给汇聚节点；

汇聚节点，用于将接收到的所述传感器数据发送给外部网关。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述中继节点还用于建立并保存第一路由表，所述第一路由表包括所述中继节点到所述汇聚节点的所有路径；

所述中继节点根据所述第一路由表计算出最短路径A₀，并通过最短路径A₀将所述传感器数据发送给所述汇聚节点。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述检测节点还用于建立并保存第二路由表，所述第二路由表包括所述检测节点到中继层中每一个与其相连的中继节点的所有路径；

所述检测节点根据所述第二路由表计算出最短路径B₀，并通过最短路径B₀将所述传感器数据发送给中继层中相应的中继节点。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述中继节点根据所述第一路由表计算出最短路径A₀具体包括：

所述中继节点获取自身到所述汇聚节点的所有路径的ETX值，其中ETX值最小的路径即为最短路径A₀。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述检测节点根据所述第二路由表计算出最短路径B₀具体包括：

所述检测节点获取自身到中继层中每一个与其相连的中继节点的最短路径的ETX值，并获取每一个与其相连的中继节点到所述汇聚节点的最短路径的ETX值，将两者相加得到ETX_i，1≤i≤N，N为与所述检测节点相连的中继节点的个数，ETX_i中的最小值对应的路径即为最短路径B₀。

6.如权利要求1-5中任一项所述的系统，其特征在于，所述检测节点在未工作时处于休眠模式，当其采集传感器数据时执行唤醒操作。

7.一种数据收集方法，其特征在于，将无线传感器系统划分为包括一个以上检测节点的检测层，以及包括一个以上中继节点和汇聚节点的中继层，所述方法包括步骤：

S1、检测节点采集传感器数据并发送给中继层中的中继节点；

S2、中继节点将接收到的所述传感器数据发送给汇聚节点；

S3、汇聚节点将接收到的所述传感器数据发送给外部网关。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤S1之前还包括步骤：

S0、所述中继节点建立并保存第一路由表，所述第一路由表包括所述中继节点到所述汇聚节点的所有路径；

步骤S2具体包括：

所述中继节点根据所述第一路由表计算出最短路径A₀，并通过最短路径A₀将所述传感器数据发送给所述汇聚节点。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤S0还包括：

所述检测节点建立并保存第二路由表，所述第二路由表包括所述检测节点到中继层中每一个与其相连的中继节点的所有路径；

步骤S1具体包括：

所述检测节点根据所述第二路由表计算出最短路径B₀，并通过最短路径B₀将所述传感器数据发送给中继层中相应的中继节点。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤S1还包括：

当所述检测节点发现最短路径B₀失效时，从所述第二路由表中选择其余路径发送所述传感器数据，若其余路径全部失效，则所述检测节点向中继层中的所有中继节点广播路由包，并根据中继节点返回的应答信息更新所述第二路由表。

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