CN104640156B

CN104640156B - 一种基于有线无线混合网络的数据分布式采集存储方法

Info

Publication number: CN104640156B
Application number: CN201510031528.XA
Authority: CN
Inventors: 冯浩然; 苗毅
Original assignee: Research Institute Of Machinery Industry Economic&management; Peking University
Current assignee: Research Institute Of Machinery Industry Economic&management; Peking University
Priority date: 2015-01-22
Filing date: 2015-01-22
Publication date: 2018-03-09
Anticipated expiration: 2035-01-22
Also published as: CN104640156A

Abstract

本发明公布了一种基于有线无线混合网络的数据分布式采集存储方法，该混合网络由控制器、有线网络节点与无线网络节点组合构成有线和无线两层数据传输通道，有线网络节点作为控制器的从站，无线网络节点作为有线网络节点的从站；通过无线网络节点采集数据进行广播；有线网络节点通过数据动态分配方法确定是否接收该数据包；并按节点缓冲区内数据的优先级覆盖方法进行缓存存储；控制器定期扫描有线网络节点提取数据，来实现数据分布式采集存储。本发明充分利用有线无线混合网络的组合优势和网络节点内置缓冲区，可实现数据的高效传递和采集存储，以较小的代价实现缓存的高效使用，并降低数据丢失率。

Description

一种基于有线无线混合网络的数据分布式采集存储方法

技术领域

本发明属于网络通信技术领域，涉及网络通信中数据收发与缓存分配处理方法，尤其涉及一种基于有线无线混合网络的数据分布式采集存储方法。

背景技术

随着物联网技术的不断发展，无线网络的应用大幅普及，无线网络具有自组织成网、移动性强、布置灵活等特点，正逐渐应用于建筑、工业、农业、交通、医疗等各个领域。但是，无线网络面临如信号衰减快、覆盖面窄、通信可靠性不高等问题也制约了无线网络的应用范围。

作为工业中成熟应用的有线网络技术，如工业总线、以太网等，因为其稳定、可靠以及历史沿袭的原因，在已有工业领域已占据极大的市场份额，形成了成熟的应用模式。但是，有线网络适用于一次建成的系统，在当前诸多应用领域中，随着用户需求变化和功能的扩展，用户对基础数据采集网络的结构和范围不断改动和提升性能，有线网络的弱点如施工成本高、后期改动代价大的问题凸显出来。

有线与无线网络构成的混合网络可以有效结合两者的优势，主干网络或易于施工的网络环节采用有线网络形式，难以施工和灵活性需求强的环节采用无线网络。有线网络与无线网络的数据接口则成为影响整体网络性能的关键因素之一。

当前此类混合网络的设计主要在协议的统一性，互联互通的可靠性方面，针对混合网络中有线节点与无线节点数据传送的缓存机制、应答机制方面，目前还没有技术方案能够充分利用两类网络的特点和节点内置缓冲区，以较小的代价实现缓存的高效使用，并降低数据丢失率。

发明内容

本发明提供一种基于有线无线混合网络的数据分布式采集存储方法，目的是充分利用有线网络与无线网络的组合优势，充分利用网络节点的内置缓存，实现数据的高效传递和采集存储，最大限度地降低数据丢失率。

本发明中，有线无线混合网络主要指的是以有线网为主干，以无线网为补充的数据采集网络。有线网和无线网构成有线和无线两层数据传输通道。无线网络节点采集数据进行广播，有线网络节点接收到之后进行缓存，控制器定期扫描有线网络节点提取数据。

本发明的技术方案是：

一种基于有线无线混合网络的数据分布式采集存储方法，该混合网络由控制器、有线网络节点与无线网络节点组合构成有线和无线两层数据传输通道，有线网络节点作为控制器的从站，无线网络节点作为有线网络节点的从站；通过无线网络节点定时采集数据进行广播，有线网络节点接收后缓存，控制器定期扫描有线网络节点提取数据，来实现数据分布式采集存储，具体包括如下过程：

A)无线节点j通过广播发送数据包，设置等待时间T，等待该数据包的接收确认帧；

B)有线节点i接收到无线节点j发送的数据包，通过数据动态分配方法来确定是否接收该数据包，具体包括如下处理步骤：

B1)有线节点i在收到数据包后，根据该节点缓冲区B_b的剩余情况，随机生成延迟时间t1。在本发明实施例中，采用倍数延迟方法生成延迟时间t1，t1小于T，即有线节点i的随机延迟时间为t1＝100*(B_b-B_c，i)+random(0,100)，单位为ms，本发明实施例设置B_b＝10，即最多存放10个数据包，延迟时间t1最大为1100ms；

B2)有线节点i在延迟时间t1到时，检查是否收到该数据包的接收确认帧，通过分析帧头信息即可确认是哪个数据包的确认帧；

B3)如果有线节点i收到了该数据包的接收确认帧，表明该数据包已被其它有线节点接收，则该数据包的接收过程结束；

B4)如果未收到该数据包的确认帧，则本有线节点i发送该数据包的接收确认帧：若该数据包来自于无线网络节点，则同时通过有线网络和无线网络发送该数据包的确认帧；若该数据包来自于有线网络，则仅通过有线网络发送该数据包的确认帧；

B5)所述有线节点i检查自身缓冲区，若缓冲区未满，则顺序存储所述数据包的数据，该数据包的接收过程结束；

B6)如果B5)中的有线节点i缓冲区满，则通过有线网络广播该数据包，并按步骤B1)重新随机生成延迟等待时间t2，重新延时等待；t2小于T；

B7)在B6)中有线节点i在延迟等待时间t2未到时收到该数据包的接收确认帧，则该数据包的接收过程结束；

B8)若6)中有线节点i在延时等待时间t2到后未收到该数据包的接收确认帧，则通过有线网络发送该数据包的接收确认帧，并且按节点缓冲区内数据的优先级覆盖方法进行缓存存储处理。

C)在过程A)等待时间T内，无线节点j若收到有线节点发送的数据接收确认帧，该数据发送结束；若未收到数据接收确认帧，则检查本无线节点缓冲区是否满：若缓冲区满，则按节点缓冲区内数据的优先级覆盖方法进行缓存存储处理；本发明实施例中设置B_w＝10，表示最多缓存10个数据包；若缓冲区未满，则按顺序存储此数据包。

上述基于有线无线混合网络的数据分布式采集存储方法，进一步地，

无线节点j为一个或多个。有线节点i为一个或多个。

无线节点j具体是通过定时或设置触发条件来广播发送数据包。数据包设有优先级，优先级为多个，用于表示数据包的优先级别。

控制器(Controller)通过有线网络节点读取数据；具体是：控制器可通过轮询方式读取有线网络的数据；有线网络节点可根据控制器的指令上报多个数据包给控制器。

上述基于有线无线混合网络的数据分布式采集存储方法，进一步地，B)中的数据动态分配方法具体指的是：有线节点i在其缓冲区满时，收到一个数据包且倒计时结束时未接收到该数据包的接收确认帧的情况下(该情况表明，其它接收到的节点也近乎于缓冲区满)，通过采用有线广播的模式转移该数据包，网络中其它有线节点可根据自身缓冲区情况，通过数据延迟应答方法确认是否接收此数据包；如果超过预设时间无其它有线节点应答，则表明其它有线节点缓冲区满。有线节点i按照节点缓冲区内数据的优先级覆盖方法进行缓存存储处理此数据包。数据动态分配方法可充分利用其它节点的缓存，避免因个别接收节点缓冲区满导致丢失数据包的情况发生。

上述A)中无线节点广播数据，具体可以是定时广播或者由于其它触发条件(如收到最高优先级的数据包，最高优先级需要立刻发送)触发广播。本发明实施例中，按照1Hz的频率定时发送数据包。

上述数据延迟应答方法指的是：无线节点广播数据，可能会被多个有线节点接收，接收到该数据包的有线节点根据自身缓存余量大小设定时间(余量越大，时间越短)，并加上随机数以避免碰撞，延迟时间倒计时结束的有线节点在有线和无线通道上发送数据接收确认帧，缓存余量大的有线节点可以首先发出数据接收确认帧。其它接收到同样数据包的节点收到该数据接收确认帧后，自动丢弃接收此数据。而广播该数据的无线节点则通过接收到该数据接收确认帧获知数据被正确接收。若无线节点在一定时间内未获取到该数据接收确认帧，则无线节点利用自身缓存按照节点缓冲区内数据的优先级覆盖方法进行缓存存储此数据包。数据延迟应答方法使得缓存余量大的接收节点取得数据存储优先权，避免了多个节点重复应答，导致无线节点确认广播产生的通讯和存储浪费。

上述B8)和C)中所述节点缓冲区内数据的优先级覆盖方法具体是：若有线节点或无线节点的缓冲区内最低优先级数据包的优先级不高于当前需要存储的数据包的优先级，则当前数据包覆盖掉缓冲区内最先收到的最低优先级的数据包；反之，则丢弃当前需要存储的数据包。节点监测采集的数据可分为多种优先级，可用L₁>L₂>…>L_n来表示数据的优先级别，例如，设置报警信号数据为高优先级，普通的数据为低优先级。当节点i的缓冲区满且需要处理接收到的数据包时，根据数据的优先级排序，高优先级数据占用最低优先级数据存储位。该方法优先保障高优先级数据的存储，避免重要数据丢失。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供一种基于有线无线混合网络的数据分布式采集存储方法，充分利用有线无线混合网络的组合优势和网络节点内置缓冲区，实现数据的高效传递和采集存储，以较小的代价实现缓存的高效使用，并降低数据丢失率。

本发明通过数据延迟应答方法，避免了多个节点应答，导致无线确认广播导致的通讯、存储浪费，缓存余量大的接收节点取得数据存储优先权。本发明通过数据动态分配方法，充分利用其它节点的缓存，避免因个别接收节点缓冲区满导致丢失数据包的情况发生。本发明通过缓存数据优先级处理方法，优先保障高优先级数据的存储，避免重要数据丢失。

本发明提供方法是一种高效处理数据收发与缓存分配的数据分布式存储方法，可用于将低功耗无线局域网(WLAN)、无线个域网(WPAN)、现场总线技术组合使用进行通讯、传感、控制的应用场景，尤其适用于IEEE 802.11,Zigbee等无线方式与CANBus，RS485，Ethernet等有线传输技术结合使用的场景。

附图说明

图1为本发明实施例中采用的有线无线混合网络的结构示意图；

其中，1～6—有线网络节点；11～13—无线网络节点。

图2为本方法实施例中无线节点的数据发送及确认和存储的流程框图。

图3为本方法实施例中有线节点的数据接收及确认和存储的流程框图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。

图1为本发明实施例中采用的有线无线混合网络的结构示意图。该混合网络由有线网络与无线网络组合构成两层数据传输通道，其中，控制器和有线节点(附图1中的1-6号节点)组成第一层(有线网络或总线)数据传输通道，有线节点作为控制器的从站；有线节点(附图1中的1-6号节点)和无线节点(附图1中的11，12，13号节点)组成第二层数据传输通道，无线节点作为有线节点的从站；通过无线网络节点定时采集数据进行广播，有线网络节点接收后缓存，控制器定期扫描有线网络节点提取数据，实现数据分布式采集存储。

上述有线无线混合网络的结构中，因为无线网络节点的随机布置特性，其数据发送的目标无线网络节点是随机选取的，发送数据只要被其中任何一个有线网络节点接收到，则整个网络是连通的。控制器一般跟公网或局域网连接，其缓冲区尺寸和带宽与采样节点相比，可认为不受限制。

上述有线无线混合网络的结构中，有线节点与无线节点均具备无线收发功能；无线节点和有线节点的缓冲区存储量分别设为B_w及B_b，下标w代表无线节点，b代表有线节点，单位为Byte。设有线节点i的存储区余量的初始值设为B_b，无线节点j的存储区余量的初始值设为B_w。

本发明提出的基于有线无线混合网络的数据分布式采集存储方法，包括无线节点数据发送、确认、存储过程和有线节点的数据接收、确认、存储过程的工作流程，具体如下：

一、节点缓冲区内数据的优先级覆盖方法：

若有线节点或无线节点的缓冲区内最低优先级数据包的优先级不高于当前需要存储的数据包的优先级，则当前数据包覆盖掉缓冲区内最先收到的最低优先级的数据包；反之，则丢弃当前需要存储的数据包。

二、无线节点的工作流程

如图2所示，本实施例中无线节点的数据发送及确认和存储流程步骤如下：

1)无线节点j在定时时间到，或者其它触发条件(如收到最高优先级的数据包，最高优先级需要立刻发送)到的情况下准备发送数据包；本实施例按照1Hz的频率定时发送数据包；

2)无线节点j发送数据包后，等待接收数据的有线节点发来数据确认帧，并设定等待超时时间T，本实施例中设置T为1500ms，此数值要大于本实施例中后续的有线节点的最大确认延迟时间t；

3)如果无线节点j在等待超时时间T到达前，收到上述的数据确认帧，则发送过程结束；

4)如果无线节点j在等待超时时间T到达后，未收到上述的数据确认帧，则检查本无线节点缓冲区是否满：若缓冲区满，则按节点缓冲区内数据的优先级覆盖方法进行缓存处理，本实施例中设置B_w＝10，表示最多缓存10个数据包；若缓冲区未满，则存储步骤1)中的数据包。

三、有线节点的数据接收、确认、存储过程的工作流程如图3所示，步骤如下：

B1)有线节点i在收到数据包后，根据该节点缓冲区的剩余情况，随机生成延迟时间t。本实施例采用倍数延迟方式生成延迟时间t，即有线节点i的随机延迟时间为t＝100*(B_b-B_c，i)+random(0,100)，单位为ms，本实施例B_b＝10，即最多存放10个数据包，延迟时间t最大为1100ms；

B2)有线节点i在延迟时间t到时，检查是否收到该数据包的确认帧，通过分析帧头信息即可确认是哪个数据包的确认帧；

B3)如果有线节点i收到了该数据包的确认帧，则有线节点的接收过程结束；

B4)如果未收到该数据包的确认帧，则本有线节点发送该数据包的确认帧，若该数据包来自于无线网络节点，则同时通过有线网络和无线网络发送该数据包的确认帧；若该数据包来自于有线网络，则仅通过有线网络发送该数据包的确认帧；

B5)所述有线节点i检查自身缓冲区，若缓冲区未满，则顺序存储所述数据包的数据，此接收过程结束；

B6)如果5)中有线节点i缓冲区满，则通过总线广播该数据包，并按步骤1)重新随机生成延迟等待时间t，重新延时等待；

B7)在6)中有线节点i在延迟等待时间t未到时收到该数据包的确认帧，则此接收过程结束；

B8)若6)中有线节点i在延时等待时间到后未收到该数据包的确认帧，则通过总线发送该数据包的确认帧，并且按节点缓冲区内数据的优先级覆盖方法进行缓存存储处理。

需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims

1.一种基于有线无线混合网络的数据分布式采集存储方法，所述混合网络由控制器、有线网络节点与无线网络节点组合构成有线网络和无线网络两层数据传输通道；通过无线网络节点采集数据进行广播，有线网络节点接收后缓存，来实现数据分布式采集存储，具体包括如下过程：

A)无线节点j通过广播发送数据包，设置等待时间T，等待所述数据包的接收确认帧；

B)有线节点i接收到无线节点j发送的数据包，通过数据动态分配方法来确定是否接收所述数据包，具体包括如下处理步骤：

B1)节点i在收到数据包后，根据该有线节点缓冲区B_b的剩余情况，根据余量越大时间越短原则生成延迟时间t1，t1小于T；

B2)有线节点i在延迟时间t1到时，检查是否收到该数据包的接收确认帧；

B3)如果有线节点i收到了该数据包的接收确认帧，则该数据包的接收过程结束；

B4)如果未收到该数据包的确认帧，则有线节点i发送该数据包的接收确认帧：若该数据包来自于无线网络节点，则同时通过有线网络和无线网络发送该数据包的接收确认帧；若该数据包来自于有线网络，则仅通过有线网络发送该数据包的接收确认帧；

B5)所述有线节点i检查自身缓冲区，若缓冲区未满，则存储所述数据包的数据，该数据包的接收过程结束；

B6)如果B5)中的有线节点i缓冲区满，则通过总线广播该数据包，并按步骤B1)重新随机生成延迟等待时间t2，重新延时等待，t2小于T；

B8)若B6)中有线节点i在延时等待时间t2到后未收到该数据包的接收确认帧，则通过总线发送该数据包的接收确认帧，并且按节点缓冲区内数据的优先级覆盖方法进行缓存存储处理；

C)在过程A)等待时间T内，无线节点j若收到有线节点发送的数据接收确认帧，该数据发送结束；若未收到数据接收确认帧，则检查本无线节点缓冲区是否满：若缓冲区满，则按节点缓冲区内数据的优先级覆盖方法进行缓存存储处理。

2.如权利要求1所述数据分布式采集存储方法，其特征是，所述无线节点j为一个或多个。

3.如权利要求1所述数据分布式采集存储方法，其特征是，所述有线节点i为一个或多个。

4.如权利要求1所述数据分布式采集存储方法，其特征是，所述控制器通过有线网络节点读取数据。

5.如权利要求1所述数据分布式采集存储方法，其特征是，过程A)所述无线节点j具体是通过定时或设置触发条件来广播发送数据包。

6.如权利要求1所述数据分布式采集存储方法，其特征是，步骤B1)具体是通过倍数延迟方法生成延迟时间t1，所述延迟时间t1最大为1100ms。

7.如权利要求1所述数据分布式采集存储方法，其特征是，步骤B1)所述有线节点缓冲区B_b设置为10。

8.如权利要求1所述数据分布式采集存储方法，其特征是，过程C)所述无线节点缓冲区B_w设置为10。

9.如权利要求1所述数据分布式采集存储方法，其特征是，步骤B8)和过程C)中所述节点缓冲区内数据的优先级覆盖方法具体是：若有线网络节点或无线网络节点的缓冲区内最低优先级数据包的优先级不高于当前需要存储的数据包的优先级，则当前数据包覆盖掉缓冲区内最先收到的最低优先级的数据包；反之，则丢弃当前需要存储的数据包。

10.如权利要求9所述数据分布式采集存储方法，其特征是，所述采集存储的数据包设有优先级，所述优先级为多个。