CN104684100A - 一种应急环境下无线传感器网络系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应急环境下的无线传感器网络监测系统，由监测中心（又称上位机）及配套的服务器、无线传感器网络组成，并从总体上设计了网络的结构，提出节点的各模块选型要求，并选择、设计合适的MAC协议和路由协议，提出一种移动节点的接入机制和路由过程中的“兴趣有效传播路径判定规则”，从而可以在灾难发生区域快速部署无线传感器网络监测系统实时地监测各种环境指标，把握灾难的动向，有效提高应急救援的效率和质量。
Description
技术领域
本发明涉及无线传感器环境监测领域，具体是一种在应急环境下的无线传感器网络监测系统。
背景技术
在一些灾难环境中安置传感器可以实现有效地监控和处置，但灾难发生时传统的监控系统无法满足应急救援的要求，主要表现在两个方面：首先，当灾难发生时，传统的监控系统极容易因为线路损坏而失去效用；其次，传统的监控系统中探测器分布有限，无法对灾难环境进行系统和全面地覆盖，直接导致监测的可靠性差，容易出现误报的情况。因此，当灾难发生时，如何在灾难环境区域快速、合理地构建有效的监测和通讯网络就显得极为重要。无线传感器网络作为一种特殊的自组织网络，不需要固定基础网络的支持并能实现自主自治控制，具有价格低廉、快速展开、抗毁坏性强等特点。基于无线传感器网络构建的灾难环境应急监测与通讯系统，能有效弥补传统监控系统的固有缺陷，完成许多传统监控系统在灾难救援中无法完成的任务。
无线传感器网络是由大量低成本、低功耗的传感器节点通过自组网协议自动组成一个多跳自组织的网络，不需要固定基础设施的支持，具有很好的容错性，这些优势使得其在复杂恶劣的环境中具有很好的应用前景。目前，无线传感器网络在灾难环境中的应用还处于起步的阶段，还需要进行大量的研究工作。作为一种面向应用的网络，由于灾难发生的不可预知性、现场环境的复杂恶劣以及救援系统的急迫性等因素也对网络的结构、传感器节点的设计以及一些技术的实现等提出了许多特殊的需求，因此开展对应急环境下构建无线传感器网络的相关研究是十分重要和必要的。
发明内容
1、本发明的目的。
针对以上技术缺陷，本发明旨在提供一种应急环境下的无线传感器网络监测系统，能在灾难发生区域进行快速部署和稳定高效地监测各种环境因素，有效提高应急救援的效率和质量。
2、本发明所采用的技术方案。
应急环境下无线传感器网络系统，包括监测中心、服务器无线传感器网络；
无线传感网络包括1个或多个网关节点，传感器节点和移动节点：
传感器节点分布在监测区域内，用于采集并上传其感知半径范围内的环境信息，
移动节点用于在监控区域自主移动，同时与传感器节点进行通信，
网关节点汇集传感器采集的信息数据，通过以太网或者卫星网络上传至监测中心，同时接收来自监测中心的命令并转达给网络中的传感器节点；
监控中心通过上位机即计算机进行监控，处理网关上传的数据信息，根据具体的应用需要选择性存储传感器节点采集的信息数据。
基于竞争的X-MAC协议作为网络的MAC协议，包括移动节点的接入过程和移动链路的维护两部分，移动节点的接入步骤如下：
移动节点的接入过程如下：
5a、移动节点在发起接入请求之前，侦听时间预先设置，判断侦听信道是否空闲，若确认信道空闲，则转为步骤1b；
5b、广播接入请求消息，接入请求消息也是以频闪前导码的方式发送，频闪间隔为 ，一次接入请求的最长持续时间为，若在最长持续时间时间内移动节点未收到接入应答信息，则重新侦听信道是否空闲，转回步骤1a，从而避免移动节点长期占用信道资源影响其它节点的正常通信，若在最长持续时间时间内移动节点收到其它节点的接入应答信息，则执行5c；
5c、向源节点发送接入应答确认消息，从而建立连接，可以进行数据的通信，静止节点收到移动节点的接入请求消息后，利用移动节点频闪前导之间的间隔向移动节点发送移动接入应答消息，并等待接收移动节点发送的接入应答确认消息，防止多个静止节点收到接入请求消息后同时发送接入应答消息而发生碰撞，采用一种冲突避免机制；
移动链路维护过程：移动节点通过移动接入过程与静止节点建立连接后，便可以进行互相通信，当移动节点持续移动，导致其与静止节点连接的信噪比下降到一定水平后，移动节点向静止节点发出连接断开消息，断开与静止节点的连接，然后移动节点再次发起移动接入过程与其它静止节点建立连接。
冲突避免机制如下：
6a、每个静止节点随机产生一个0-1的数，并与一个预先设定的固定值比较，如果小于固定值，则节点在当前的间隙时刻发送接入应答消息，否则等待下一个间隙时刻重新判断；
6b、若静止节点等待下一个间隙时刻过程中在超时时间内没有再次收到移动节点的接入请求消息，则转入睡眠以防止过度侦听；
6c、若静止节点收到其它节点的接入应答消息，则立刻退出竞争转入睡眠状态，如果在一个间隙时刻移动节点收到多个静止节点的接入应答消息，则丢弃这些消息，继续发送请求接入消息。
3、本发明的有益效果。
（1）、可以在灾难发生区域快速部署无线传感器网络监测系统实时地监测各种环境指标，把握灾难的动向，有效提高应急救援的效率和质量；
（2）、利用移动接入机制使得移动机器人和救援人员携带的个体传感设备或PDA设备等能够作为移动节点加入无线传感器网络，不仅可以灵活、高效地获取指定区域的现场信息，而且可以填补网络中的监测盲点，扩大网络的覆盖范围；
（3）、“兴趣有效传播路径判定规则”使得定向扩散路由协议中兴趣的扩散具有明确的方向性，避免了向全网络广播兴趣，从而大幅减少网络中转发的兴趣报文数目，减少消息回路，节约网络能量。
附图说明
图1为本发明的监测系统总体结构图。
图2为本发明中移动节点接入过程示意图。
图3为本发明中定向扩散协议原理示意图。
图4为本发明中使用“兴趣有效传播路径判定规则”后兴趣扩散示意图。
具体实施方式
如图1所示，应急环境下的无线传感器网络监测系统由监测中心（又称上位机）及配套的服务器、无线传感器网络两部分组成。
（1）、无线传感器网络部分由1个或多个的Sink节点（网关节点）、大量的传感器节点和少量的移动节点组成。传感器节点分布在监测区域内，负责采集并上传其感知半径范围内的环境信息，一般情况下每个传感器节点可同时配置多种传感器。另外，普通传感器节点不具备自主移动的能力，且会随着能量的耗尽而消亡；移动节点可以在监控区域自主移动，同时可以与普通传感器节点进行通信；Sink节点作为无线传感器网络与监测中心的协调者，实现上传下达的功能，既负责汇集传感器采集的信息数据然后通过以太网或者卫星网络上传至监测中心，同时负责接收来自监测中心的查询、管理等各种命令并转达给网络中的传感器节点；监测中心处理Sink节点上传的数据，可以根据具体的应用需要选择是否存储传感器节点采集的信息数据。
（2）、传感器节点的设计要求：选用低成本、低功耗、集成度高、处理速度较快的处理器芯片，如Atmel公司的ATmega128L和德州仪器的MSP430F1** MCU系列微控制器等；无线通信模块选择用户自定义通信协议的普通射频芯片，如Chipcon公司的CC1000和RFM公司的TR1000；节点根据灾难类型配置相关的传感器；节点增加防爆、隔热、防腐蚀、防水等保护措施。
（3）、从应用需求、能耗、吞吐量和通信延时等方面综合考虑，本发明选择基于竞争的X-MAC协议作为网络的MAC协议，并实现移动节点的接入（具体接入过程见“五 具体实施方式”）。
（4）、从应用需求、算法的健壮性和高效性等方面综合考虑，本发明选择以数据为中心、基于查询驱动的定向扩散路由（DD）协议作为应急环境下无线传感器网络监测系统的路由协议。同时，对于传统的DD协议默认向全网广播兴趣而导致网络中大量的数据传输和能量消耗严重问题，本发明利用节点的位置信息使兴趣的扩散具有明确的方向性，提出一个“兴趣有效传播路径判定规则” （规则的具体内容见“五 具体实施方式”），避免了向全网广播兴趣。
（5）、监测中心负责封装和发起各种命令进行网络管理和发起查询请求，提供相应的应用服务便于网络中的其他用户查询实时现场环境信息、查询和统计历史记录等。
如图2所示，本发明实现的移动节点的接入机制为：（1）、移动节点的接入过程：移动节点在发起接入请求之前，首先侦听信道是否空闲（侦听时间长度为）；若确认信道空闲，则广播接入请求消息，接入请求消息也是以频闪前导码的方式发送，频闪间隔为，一次接入请求的最长持续时间为，若在时间内移动节点未收到接入应答信息，则重新侦听信道是否空闲，进入下一个“侦听—广播接入请求”周期，从而避免移动节点长期占用信道资源影响其它节点的正常通信。若在时间内移动节点收到其它节点的接入应答信息，则向源节点发送接入应答确认消息，从而建立连接，可以进行数据的通信。静止节点收到移动节点的接入请求消息后，利用移动节点频闪前导之间的间隔向移动节点发送移动接入应答消息，并等待接收移动节点发送的接入应答确认消息。为了防止多个静止节点收到接入请求消息后同时发送接入应答消息而发生碰撞，需要采用一种冲突避免机制。退避方式可任意选择，为了简单起见，本发明选择每个静止节点随机产生一个0~1的数R，并与一个预先设定的固定值比较，如果则节点在当前的间隙时刻发送接入应答消息，否则等待下一个间隙时刻重新判断。若静止节点等待下一个间隙时刻过程中在超时时间内没有再次收到移动节点的接入请求消息，则转入睡眠以防止过度侦听。若静止节点收到其它节点的接入应答消息，则立刻退出竞争转入睡眠状态。如果在一个间隙时刻移动节点收到多个静止节点的接入应答消息，则丢弃这些消息，继续发送请求接入消息。在上述提到的一些时间值中，一次接入请求的最长持续时间必须大于静止节点的“侦听—睡眠”周期，而且频闪间隔必须小于静止节点的侦听时间，以保证能够唤醒静止节点。移动节点的侦听持续时间同样必须大于以确保信道是空闲的。静止节点侦听的超时时间必须大于移动节点发送前导码的频闪间隔以确保静止节点不会过早转入睡眠。（2）、移动链路维护：移动节点通过移动接入过程与静止节点建立连接后，便可以进行互相通信。当移动节点持续移动，导致其与静止节点连接的信噪比下降到一定水平后，移动节点向静止节点发出连接断开消息，断开与静止节点的连接。然后移动节点再次发起移动接入过程与其它静止节点建立连接。
如图3所示，定向扩散路由协议的路由过程分为周期性的兴趣扩散、数据传播和路径加强三个阶段，本发明在兴趣扩散阶段使用“兴趣有效传播路径判定规则”，利用节点的位置信息使兴趣的扩散具有明确的方向性，从而避免了向全网广播兴趣。节点A第一次收到其邻居节点B 广播的一个兴趣分组P，A使用“兴趣有效传播路径判定规则”判断原来的兴趣有效传播路径添加了节点A后（即）是否仍然为有效传播路径。判定规则如下：A首先获取P中Sink节点的位置信息（sinkLocation字段）、目标矩形区域（rect字段，如图4中的矩形CDEF）以及B节点的位置信息（preNodeLocation字段），然后做如下判断。（1）、如果A位于rect内（可通过A的坐标和rect中对角顶点的坐标判断），则判定A位于兴趣有效传播路径上，本次判定结束。否则，转（2）执行；（2）、利用A、B节点的位置信息以及rect中对角顶点的坐标分别计算A、B节点与矩形四个角（以图4中的矩形CDEF为例）的最近和最远距离，即：
然后分别比较与、与的大小关系，如果，则转（3）执行。否则，判定A不是在兴趣有效传播路径上，本次判定结束；（3）、计算Sink节点到rect四个角的最大值以及Sink节点与A节点之间的距离，如果则判定A位于兴趣有效传播路径，否则判定A不是在兴趣有效传播路径上，本次判定结束。
如图4所示，DD协议中的兴趣扩散阶段使用了“兴趣有效传播路径判定规则”后兴趣的扩散具有明确的方向性，从而避免了向整个网络的扩散。
上述实施例不以任何方式限制本发明，凡是采用等同替换或等效变换的方式获得的技术方案均落在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种应急环境下无线传感器网络系统，其特征在于：包括监测中心、服务器无线传感器网络；
无线传感网络包括1个或多个网关节点，传感器节点和移动节点：
传感器节点分布在监测区域内，用于采集并上传其感知半径范围内的环境信息，
移动节点用于在监控区域自主移动，同时与传感器节点通过网络进行通信，
网关节点汇集传感器采集的信息数据，通过以太网或者卫星网络上传至监测中心，同时接收来自监测中心的命令并转达给网络中的传感器节点；
监控中心通过上位机即计算机进行监控，处理网关上传的数据信息，根据具体的应用需要选择性存储传感器节点采集的信息数据。
2.根据权利要求1所述的应急环境下无线传感器网络系统，其特征在于：传感器采用ATmega128L或MSP430F1** MCU系列微控制器。
3.根据权利要求1或2所述的应急环境下无线传感器网络系统，其特征在于：无线通信器件采用CC1000或TR1000。
4.根据权利要求1所述的应急环境下无线传感器网络系统，其特征在于：基于竞争的X-MAC协议作为网络的MAC协议，包括移动节点的接入过程和移动链路的维护两部分。
5.根据权利要求4所述的应急环境下无线传感器网络系统，其特征在于：移动节点的接入步骤如下：
移动节点的接入过程如下：
5a、移动节点在发起接入请求之前，侦听时间预先设置，判断侦听信道是否空闲，若确认信道空闲，则转为步骤1b；
5b、广播接入请求消息，接入请求消息也是以频闪前导码的方式发送，频闪间隔为 ，一次接入请求的最长持续时间为，若在最长持续时间时间内移动节点未收到接入应答信息，则重新侦听信道是否空闲，转回步骤1a，从而避免移动节点长期占用信道资源影响其它节点的正常通信，若在最长持续时间时间内移动节点收到其它节点的接入应答信息，则执行5c；
5c、向源节点发送接入应答确认消息，从而建立连接，可以进行数据的通信，静止节点收到移动节点的接入请求消息后，利用移动节点频闪前导之间的间隔向移动节点发送移动接入应答消息，并等待接收移动节点发送的接入应答确认消息，防止多个静止节点收到接入请求消息后同时发送接入应答消息而发生碰撞，采用一种冲突避免机制；
移动链路维护过程：移动节点通过移动接入过程与静止节点建立连接后，便可以进行互相通信，当移动节点持续移动，导致其与静止节点连接的信噪比下降到一定水平后，移动节点向静止节点发出连接断开消息，断开与静止节点的连接，然后移动节点再次发起移动接入过程与其它静止节点建立连接。
6.根据权利要求5所述的应急环境下无线传感器网络系统，其特征在于：冲突避免机制如下：
6a、每个静止节点随机产生一个0-1的数，并与一个预先设定的固定值比较，如果小于固定值，则节点在当前的间隙时刻发送接入应答消息，否则等待下一个间隙时刻重新判断；
6b、若静止节点等待下一个间隙时刻过程中在超时时间内没有再次收到移动节点的接入请求消息，则转入睡眠以防止过度侦听；
6c、若静止节点收到其它节点的接入应答消息，则立刻退出竞争转入睡眠状态，如果在一个间隙时刻移动节点收到多个静止节点的接入应答消息，则丢弃这些消息，继续发送请求接入消息。
7.根据权利要求5所述的应急环境下无线传感器网络系统，其特征在于：在上述提到的一次接入请求的最长持续时间必须大于静止节点的侦听至睡眠周期，而且频闪间隔必须小于静止节点的侦听时间，以保证能够唤醒静止节点；移动节点的侦听持续时间同样必须大于侦听至睡眠周期以确保信道是空闲的；静止节点侦听的超时时间必须大于移动节点发送前导码的频闪间隔以确保静止节点不会过早转入睡眠。
8.根据权利要求1所述的应急环境下无线传感器网络系统，其特征在于：在定向扩散路由协议兴趣扩散阶段使用的“兴趣有效传播路径判定规则”，利用节点的位置信息使兴趣的扩散具有明确的方向性
定向扩散路由协议的路由过程分为周期性的兴趣扩散、数据传播和路径加强三个阶段，
节点A第一次收到其邻居节点B 广播的一个兴趣分组P，A使用“兴趣有效传播路径判定规则”判断原来的兴趣有效传播路径后端添加了节点A后是否仍然为有效传播路径；
判定规则如下：
步骤1、A节点首先获取P中网关节点的位置信息、目标矩形区域以及B节点的位置信息，然后做如下判断：（1）、如果A位于目标矩形区域内，通过A的坐标和rect中对角顶点的坐标判断，则判定A位于兴趣有效传播路径上，本次判定结束，否则，转步骤2执行；
步骤2、利用A、B节点的位置信息以及目标矩形区域中对角顶点的坐标分别计算A、B节点与矩形四个角的最近和最远距离，具体计算方式如下：
然后分别比较与、与的大小关系，如果，则转步骤3执行，否则，判定A不是在兴趣有效传播路径上，本次判定结束；
步骤3、计算网关节点到目标矩形区域四个角的最大值以及网关节点与A节点之间的距离，如果网关节点与A节点之间的距离小于网关节点到目标矩形区域四个角，则判定A位于兴趣有效传播路径，否则判定A不是在兴趣有效传播路径上，本次判定结束。
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