CN103501524A - 一种稀疏自组织监控网络 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种稀疏自组织监控网络，属于无线通信技术领域。所述监控网络通过移动节点采集目标设备的设备信息，采用扩散方式将信息转发至后台服务器；并由数据服务终端接受后台监控命令，下发命令到系统节点设备中，再扩散至其它节点设备；移动节点之间的路由由基于信息素的稀疏自组织网络路由算法实现。本发明监控网络能监控动态范围目标设备，实现信息快速上传与反馈，同时抑制数据无限制传输带来的数据泛滥，具有良好的推广应用前景。

Description

一种稀疏自组织监控网络

技术领域

本发明属于网络通信技术领域，具体指的是一种稀疏自组织监控网络。

背景技术

无线自组网（Adhoc Network）是指基于无线通讯技术形成的无中心控制节点与路由设备的通讯网络。无线自组网中节点可以自由移动，节点与节点之间利用无线通讯技术，形成无线链路，接收与转发数据。除此之外，基于无线自组织网络的路由协议，网络各设备节点自行维护其所属的无线自组织网络的路由表，兼任自组网的路由器，实现自组网的数据中转与路由任务。

由于无线自组织网的路由与管理由各网络节点来承担，因此，无线自组织网络是基于分布式实现的，具有网络设备冗余、组网迅速、网络抗灾性好等特点。

无线自组织网络有不同的种类，本技术实现的自组织网络属于稀疏自组织网。与一般的自组织网不同，稀疏自组织网络覆盖地理范围广，但单位区域内节点分布数量少，且节点随时处于移动之中。这样的特性使得稀疏自组织网的数据传输与路由面临着一些问题，其中最重要的是：网络拓扑结构的动态性给网络数据传输带来了严重的影响。稀疏自组织网络一方面节点密度低，另一方面其节点的地理空间位置处于动态变化之中，数据链接频繁的动态更新，因此稀疏自组织网难以与普通自组织网一样使用固定的路由表实现数据跳传的数据传输与交互。

监控系统主要用于对重要物品/人的监控，监控手段包括图形图像/标识/感应等手段，且大多局限于某一单位或某一组织机构内部对上述目标进行监控，因此亟需布控节点少，硬件投入小，对具有重要价值的移动目标实施监控的方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是为了克服现有技术的不足，提供一种稀疏自组织监控网络。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种稀疏自组织监控网络，包括目标设备、移动节点、数据服务终端和后台服务器；

所述目标设备是稀疏自组织监控网络的监控目标，目标设备以目标设备信息进行识别；所述目标设备信息包含四个部分，分别是：设备安全等级、设备编号、设备类型和设备名称，其中设备安全等级从高到低分为四个等级；

所述移动节点通过无线链路采集目标设备信息，并将目标设备信息与读取目标设备信息的时间组合为目标设备事件信息；移动节点采用基于信息素的稀疏自组织网络路由算法，将信息发送给其无线通信范围内的其它移动节点；如果移动节点在数据服务终端的通信范围内，则直接发送目标设备事件信息给数据服务终端，并接收数据服务终端传递的监控命令，转发给其无线通信范围内的其它移动节点；

所述数据服务终端通过无线链路与其无线通信范围内的移动节点进行通信，并通过有线网络与后台服务器相连；数据服务终端将其无线通信范围内的移动节点传送的目标设备事件信息传递给后台服务器，并将后台服务器发布的监控命令发送给其无线通信范围内的移动节点；

所述后台服务器对移动节点的注册与无线链路的接入进行认证管理，处理数据服务终端传递的目标设备事件信息，根据目标设备事件信息发布监控命令，并对目标设备事件信息进行清理、组织与查询。

所述基于信息素的稀疏自组织网络路由算法，其步骤如下：

步骤A，移动节点按预置周期搜索与其邻近的其它移动节点；

步骤B，移动节点发现其它移动节点后，交换彼此的设备信息，获取相邻移动节点的名称以及信息素值；所述信息素值的表达式为：

$\mathrm{\Ω}=\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Ω}}_0=I\\ {\mathrm{\Ω}}_i=\mathrm{\θ}{\mathrm{\Ω}}_{i-1}+\mathrm{\α\Σ}{T}_i+\mathrm{\β\Σ}{T}_g\end{array}\right.$

其中，Ω为移动节点的当前信息素值，Ω₀是该移动节点的初始信息素值，取值为I，I是取值范围为5到10的整数，Ω_i-1为上一时间段的信息素值，θ为衰减率，T_i为当前时间段内移动节点与其它节点之间信息交换的数据量，T_g为当前时间段内移动节点与数据服务终端交换的数据量，α、β是正实数权重值；

步骤C，将其相邻移动节点的信息素排序，并按序列表；

步骤D，所述列表中对于任一信息素大于移动节点自身信息素的相邻移动节点，移动节点向其发送握手请求，如果该握手请求被所述相邻移动节点确认，则移动节点与该相邻移动节点建立无线链接，且移动节点为主设备，所述相邻移动节点为从设备；若所述列表中不存在信息素大于移动节点自身信息素的相邻移动节点，则移动节点处于静默，执行相邻移动节点发出的握手请求；

步骤E，主设备与从设备间通信，采用信息防重复与泛滥机制，直至完成所有的信息交互，中断主设备与从设备间的无线链接。

步骤E中，所述防重复与泛滥机制，其步骤如下：

步骤E-1，主设备检查与从设备交互数据的信息头，该信息头中包括信息编号、信息跳数、信息时间，对于信息跳数大于约定值的事件信息则不予传输；

步骤E-2，对于信息跳数小于约定值的事件信息，主设备则先向从设备发送数据的信息头；

步骤E-3，从设备接收到信息头后，检索本设备中是否有对应编号的信息，若有，进一步比对事件的时间是否一致，若时间一致，则从设备查看本设备中存储的信息跳数；

步骤E-4，若从设备中存储的信息跳数大于主设备发送过来的信息跳数，则通知主设备拒绝接收该数据，并通知主设备修改该数据信息的跳数；

步骤E-5，若从设备中存储的信息跳数小于主设备发送过来的信息跳数，则修改本设备中存储的对应信息的信息跳数，通知主设备拒绝该数据的接收；

步骤E-6，若从设备中不存在与主设备发送的数据信息头一致的数据信息，则通知从设备继续发送数据，完成数据传输。

有益效果：本发明提出了一种稀疏自组织监控网络，所述监控网络通过移动节点采集目标设备的设备信息，采用扩散方式将信息转发至后台服务器；并由数据服务终端接受后台监控命令，下发命令到系统节点设备中，再扩散至其它节点设备；移动节点之间的路由由基于信息素的稀疏自组织网络路由算法实现。本发明监控网络能监控动态范围目标设备，实现信息快速上传与反馈，同时抑制数据无限制传输带来的数据泛滥，具有良好的推广应用前景。

附图说明

图1是基于信息素路由算法的稀疏自组织监控网络示意图。

图2是移动节点工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明提出的一种稀疏自组织监控网络的技术方案进行详细说明。本发明属于软硬结合的系统，其实施主要分为二个部分，一是硬件设备，主要包括移动节点、数据服务终端以及后台服务器，另一部分是软件的设计与实现。

本技术硬件设备的实现以及系统部署架构如图1所示，其中硬件设备的实现技术方案如下述所述：

1.目标设备：装备有远距离可读组件的重要目标，如人、物品、设备等；

目标设备的实现是在被监控的重要目标上绑定可感应的电子组件，该组件采用嵌入式架构开发，具有独立电源，使用一次性写入的芯片存储被绑定设备对应的设备信息，包括设备的重要级别，设备编号，设备类型，设备名称。同时该组件内嵌RFID、蓝牙或ZIGBEE等无线通讯模块，实现无线数据感应或通讯能力。该组件与目标绑定之后，伴随目标的移动，在外部的读取信息触发下实现远距离的设备信息发送。

2.移动节点，主要是带有一定计算能力的智能移动终端，例如智能手机、手持式智能终端、或智能车载终端等移动设备。在硬件的实现上，移动节点需要内置或附接有无线通讯模块，能实现对被监控的目标设备的设备信息读取。通过在移动节点上安装移动节点设备软件，实现对被监控的目标设备的信息采集以及信息传送。

3.数据服务终端，其主要的功能是提供移动节点的接入，实现节点设备采集的目标设备事件信息数据上传给后台服务器，以及后台服务器监控命令的下发。由于数据服务终端主要实现移动节点与后台服务器之间的数据中转作用，与移动节点相比，数据服务终端在电源，通讯能力、数据处理能力上对硬件组件的参数要求更高。

在硬件方面，数据服务终端需要具备有移动节点同类型的无线通讯模块，以及互联网络通讯模块。数据服务终端需要接入互联网，配备稳定的电源，部署在固定的位置，执行数据中转任务。然后在满足硬件需求的设备上安装数据服务终端软件模块，并在后台服务器中予以注册，以准许其接入后台服务器。

4.后台服务器，提供系统管理功能，并提供目标设备事件信息的图形化查询与分析功能，提供用户命令的配置与下发功能。后台服务器在硬件上由多台服务器组成，这些服务器主要包括数据库服务器，系统管理服务器以及管理终端等设备。后台服务器的实现，在硬件上，主要有服务器安装与配置的机房，可满足当前稀疏自组织监控网络的数据与处理需求的服务器。

系统所需的软件实现技术方案如下述所述：

1.移动节点的软件组件，该组件由一系列相互协作的软件功能模块组成，采用嵌入式平台开发，其中主要的功能模块包括：

●底层通讯模块：该模块主要为移动节点的其它功能模块提供无线通讯的软件管理与软件服务功能，如实现对监控目标设备的设备信息读取，以及稀疏自组织监控网络的无线数据通讯管理等，

●设备参数设置与初始化模块，该模块主要用于节点设备的初始化过程，包括设置参数，如设备内置签名，设备的信息素初始值，以及参数的存储等功能；

●稀疏自组织监控网协议栈模块，该模块主要是通过底层通讯模块提供的功能，基于信息素的路由算法，实现对邻接节点的扫描发现，以及与网络中其它节点的数据交互等功能；

●目标设备事件信息与监控命令数据存储模块，该模块实现的功能主要是提供数据存储与数据支持功能，包括各类事件信息存储，信息防重复与泛滥机制的实现等功能；

●总控模块，主要在以上各软件模块提供的功能基础之上，按稀疏自组织监控网的协议，执行网络的数据交换以及对目标设备的监控功能。

移动节点的软件组件在总控模块的控制下，其控制的工作流程如附图2所示，主要核心步骤有：

移动节点的总控软件模块按周期对其无线覆盖范围内进行扫描，如果发现有数据服务终端，则使用底层的通讯模块与终端进行数据交互，并按照本发明的信息素路由选择算法的信息素表达式计算并更新本设备的信息素值；

若扫描发现有可感应的目标设备，则读取可感应目标设备的设备信息，组织目标设备事件信息，并予以存储。

若发现有其它移动节点，则执行本发明的基于信息素路由选择算法部分，针对扫描到的移动节点按各节点的信息素排序，检查排序后的节点序列，如果序列中有移动节点的信息素值大于本移动节点的信息素值，则将该移动节点设置为从设备，本移动节点设置为主设备；若序列中找不到信息素值大于本移动节点的移动节点，则将本移动节点设置为从设备，其它移动节点设置为主设备。完成主从设备设置之后，执行底层通讯协议模块，完成主从设备的数据交互，并按信息素计算表达式各自更新设备的信息素。

2.数据服务终端的软件组件，主要包括：底层通讯模块，设备参数设置与初始化模块，稀疏自组织网协议栈模块，数据管理模块，总控模块。

其中设备参数与移动节点略有不同，不需要信息素值，但仍具有设备签名，以便移动节点接入前的身份认证；总控模块主要实现数据中转任务。

3.后台服务的软件组件，主要包括：数据库系统，用于存储稀疏自组织网络中各类事件与命令信息，并提供各类信息在时间与空间维度上的查询功能；系统管理软件，包括：数据分析与查询功能，以及监控命令的配置与下达功能，各移动节点设备和数据服务终端的注册与配置功能等。以及系统管理软件。在各类服务器安装上述软件之后，执行各节点设备与数据服务终端的注册与配置功能，实现稀疏自组织监控网的后台管理。

Claims (3)

1.一种稀疏自组织监控网络，其特征在于，包括目标设备、移动节点、数据服务终端和后台服务器；

所述目标设备是稀疏自组织监控网络的监控目标，目标设备以目标设备信息进行识别；所述目标设备信息包含四个部分，分别是：设备安全等级、设备编号、设备类型和设备名称，其中设备安全等级从高到低分为四个等级；

所述移动节点通过无线链路采集目标设备信息，并将目标设备信息与读取目标设备信息的时间组合为目标设备事件信息；移动节点采用基于信息素的稀疏自组织网络路由算法，将信息发送给其无线通信范围内的其它移动节点；如果移动节点在数据服务终端的通信范围内，则直接发送目标设备事件信息给数据服务终端，并接收数据服务终端传递的监控命令，转发给其无线通信范围内的其它移动节点；

所述数据服务终端通过无线链路与其无线通信范围内的移动节点进行通信，并通过有线网络与后台服务器相连；数据服务终端将其无线通信范围内的移动节点传送的目标设备事件信息传递给后台服务器，并将后台服务器发布的监控命令发送给其无线通信范围内的移动节点；

所述后台服务器对移动节点的注册与无线链路的接入进行认证管理，处理数据服务终端传递的目标设备事件信息，根据目标设备事件信息发布监控命令，并对目标设备事件信息进行清理、组织与查询。

2.根据权利要求1所述的一种稀疏自组织监控网络，其特征在于，所述基于信息素的稀疏自组织网络路由算法，其步骤如下：

步骤A，移动节点按预置周期搜索与其邻近的其它移动节点；

步骤B，移动节点发现其它移动节点后，交换彼此的设备信息，获取相邻移动节点的名称以及信息素值；所述信息素值的表达式为：

$\mathrm{\Ω}=\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Ω}}_0=I\\ {\mathrm{\Ω}}_i=\mathrm{\θ}{\mathrm{\Ω}}_{i-1}+\mathrm{\α\Σ}{T}_i+\mathrm{\β\Σ}{T}_g\end{array}\right.$

其中，Ω为移动节点的当前信息素值，Ω₀是该移动节点的初始信息素值，取值为I，I是取值范围为5到10的整数，Ω_i-1为上一时间段的信息素值，θ为衰减率，T_i为当前时间段内移动节点与其它节点之间信息交换的数据量，T_g为当前时间段内移动节点与数据服务终端交换的数据量，α、β是正实数权重值；

步骤C，将其相邻移动节点的信息素排序，并按序列表；

步骤D，所述列表中对于任一信息素大于移动节点自身信息素的相邻移动节点，移动节点向其发送握手请求，如果该握手请求被所述相邻移动节点确认，则移动节点与该相邻移动节点建立无线链接，且移动节点为主设备，所述相邻移动节点为从设备；若所述列表中不存在信息素大于移动节点自身信息素的相邻移动节点，则移动节点处于静默，执行相邻移动节点发出的握手请求；

步骤E，主设备与从设备间通信，采用信息防重复与泛滥机制，直至完成所有的信息交互，中断主设备与从设备间的无线链接。

3.根据权利要求2所述的一种稀疏自组织监控网络，其特征在于，步骤E中，所述防重复与泛滥机制，其步骤如下：

步骤E-1，主设备检查与从设备交互数据的信息头，该信息头中包括信息编号、信息跳数、信息时间，对于信息跳数大于约定值的事件信息则不予传输；

步骤E-2，对于信息跳数小于约定值的事件信息，主设备则先向从设备发送数据的信息头；

步骤E-3，从设备接收到信息头后，检索本设备中是否有对应编号的信息，若有，进一步比对事件的时间是否一致，若时间一致，则从设备查看本设备中存储的信息跳数；

步骤E-4，若从设备中存储的信息跳数大于主设备发送过来的信息跳数，则通知主设备拒绝接收该数据，并通知主设备修改该数据信息的跳数；

步骤E-5，若从设备中存储的信息跳数小于主设备发送过来的信息跳数，则修改本设备中存储的对应信息的信息跳数，通知主设备拒绝该数据的接收；

步骤E-6，若从设备中不存在与主设备发送的数据信息头一致的数据信息，则通知从设备继续发送数据，完成数据传输。

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