CN105530664B - 无线传感监测网络中数据连续实时采集和传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了无线传感监测网络中数据连续实时采集和传输方法，属于无线传感网的技术领域。所述方法将每一采集周期的最后一个采样时间预留给叶子节点接收管理节点发送的同步包，叶子接点在采集周期的第一采样时间将上一采集周期采集的数据发给基站；采用双定时器机制实现采集时钟和发送时钟的同步调节；叶子节点不定周期发送数据包避免了节点在调节同步时发生发包冲突，保证了一个信道内的节点有序无冲突地将数据包发送出去；管理节点不定周期地在每个采集周期最后一个采样时间向各信道叶子节点发送同步包，既可以改善晶振温度漂移带来的同步误差问题又可以保证每一次同步包到达每个节点时不落在该节点的发送时间从而降低同步包的丢包率。

Description

无线传感监测网络中数据连续实时采集和传输方法

技术领域

本发明公开了无线传感监测网络中数据连续实时采集和传输方法，属于无线传感网的技术领域。

背景技术

无线传感器网络是近十年逐步发展起来的新兴技术，它综合了传感器技术、嵌入式计算机技术、通信技术、电源技术等多项技术，可以使人们在任何时间、地点和环境下获得较为详细、可靠的信息。

无线监测领域中需要传感器节点具有一定的采样频率，但是采样频率一般要求也不是很高；如果需要动态的获得监测对象的响应，则必须保证监测对象的所有采集通道都需要同步采集；如果需要在线的观察对象的响应，则必须保证所有采集通道的数据可以实时的传输给监控中心。分布式数据采集系统广泛应用于船舶、飞机、桥梁等采集数据多、实时性要求高的地方。连续实时数据采集发送的无线传感器网络提供了很好的智能化分布式监测网络，为实现高效率、低重量、智能化的分布式数据采集系统提供了手段。

无线传感监测网络一共有三种数据采集传输机制：本地数据先采集存储完再发送方式、本地数据先采集存储并分析再发送分析结果方式、本地数据实时采集并实时发送方式。连续实时采集传输无线传感组网由于是一种在线连续监测，因此需要保证数据的生产和消费平衡，要保证每个节点在形成一个包后要尽快发送，而且要实现数据生产和消费的循环，因此要精确设计节点AD采样周期和数据发包的时间间隔和时刻。网络设计要保证AD采样周期的时间至少要大于一次数据发包的时间，否则数据的生产和消费将会失衡。同时保证一个信道内的节点有序无冲突地将数据包发送出去。每个节点之间发包过程中需要留有一定的时间安全距离，否则在调节同步的tick时极易发生节点之间的发包冲突。最后，由于网络中的每个节点晶振受到温度、环境的影响会发生漂移，长时间工作下节点之间的数据采集同步会发生偏差，因此每个信道上的每个节点能够每次都必须能接收到同步包。如果节点处于数据发送状态时是无法收到同步包的，这样就导致整个网络紊乱。同时还需要保证每一次同步包到达每个节点时不能落在该节点的发送时间，否则会导致同步包的丢失。

目前关于国内外没有涉及无线传感监测网络连续实时采集和传输方法的相关专利。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了无线传感监测网络中数据连续实时采集和传输方法，实现了无线传感网络长时间在线监测，解决了长时间无线传感网络连续监测下丢包率增大以及晶振漂移带来网络时间同步误差的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

无线传感监测网络中数据连续实时采集和传输方法，

第一采集周期：各信道上的叶子节点收到管理节点发送的启动命令包后延时触发采集时钟开始采样，初始化第一次发送数据包时刻以及数据包发送周期，管理节点在该采集周期的最后一次采样时间内向各信道上的叶子节点发送同步包以触发第二采集周期；

第二采集周期：各信道上的叶子节点在该采集周期的第一次采样时间将上一采集周期内采集的数据封装为数据包待发送时钟触发后发送给网关节点，各信道上的叶子节点不定周期发送数据包，网关节点上报接收到的数据至监控中心，管理节点在该采集周期的最后一次采样时间内向各信道上的叶子节点发送同步包以触发第三次采集周期，管理节点不定周期发送同步包；

第三及其以后的采集周期：各信道上的叶子节点与在第二采样周期一样周而复始地发送数据包、接收同步包。

作为所述无线传感监测网络中数据连续实时采集和传输方法的进一步优化方案，采用双定时器运行机制调节来自同一时钟源的采集时钟和发送时钟同步，具体为：

采集时钟在叶子节点收到启动命令包后在采样间隔到来时触发叶子节点采样，同时，

发送时钟在发包间隔到来时触发叶子节点发包，叶子节点在发包过程中收到同步包时比较其当前时间戳和同步包时间戳并在时间戳之差超出同步误差范围时修正采集时钟和发送时钟的tick数。

进一步的，所述无线传感监测网络中数据连续实时采集和传输方法中，各信道上的叶子节点不定周期发送数据包的方法为：经过本次采样周期中每个采样时间内叶子节点开始发包的时刻距离本次采集周期起始时刻的时间差后，触发发送时钟进行第一数据包的发送，此后每经过一个采集周期触发一次发送时钟进行其余数据包的发送。

再进一步的，所述的无线传感监测网络中数据连续实时采集和传输方法中，在第二及其以后的采样周期内所有叶子节点的发包时间与各叶子节点间的发包时隙总和小于一个采样周期时间，其中，

所述各叶子节点间的发包时隙为：一采样时间内第一叶子节点的发包开始时刻距离本次采样结束时刻的时间，或者，

除第一个叶子节点以及最后一个叶子节点以外的其它任意叶子节点的发包结束时刻距离下一叶子节点发包开始时刻的时间，或者，

一采样时间内最后一个叶子节点的发包结束时刻距离下一采样开始时刻的时间，或者，

形成数据包的最后一次采样时间内最后一个叶子节点的发包结束时刻距离下一采集周期开始时刻的时间。

进一步的，所述无线传感监测网络中数据连续实时采集和传输方法，管理节点不定周期发送同步包的方法为：第一同步包发包时刻在第一采样周期的最后一次采样时间内触发发送时钟进行第一同步包的发送，此后在经过整数倍采集周期时触发一次发送时钟进行其余同步包的发送。

再进一步的，所述无线传感监测网络中数据连续实时采集和传输方法中，在各采样周期内管理节点在各信道上发同步包的时间与管理节点向各信道发同步包的时隙总和小于一个采样周期时间，其中，

所述管理节点向各信道发同步包的时隙为：采样时间内的第一信道同步包收包开始时刻距离本次采样结束时刻的时间，或者，

除第一个信道和最后一个信道以外的任意信道同步包收包结束时刻距离下一个信道同步包收包开始时刻的时间，或者，

一个采样时间内的最后一个信道同步包收包结束时刻距离下一次采样开始时刻的时间。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

(1)第一采集周期只采集数据不发送数据同时在最后一个采样时间接收同步包；其余各采集周期内叶子节点在第一采样时间发送上一周期采集封装的数据包并在最后一个采用时间接收同步包，叶子节点在一个采集周期内将所有叶子节点在上一采集周期内采集的数据发送给基站，保证了数据的生产和消费平衡；

(2)采用双定时器机制实现采集时钟和发送时钟的同步调节；

(3)采样周期的时间至少大于一次数据发包的时间，在保证数据生产和消费平衡的同时实现数据生产和消费的循环；

(4)每个节点之间发包过程中留有一定的时间间隙，采样周期内所有叶子节点的发包时间与各叶子节点间的发包间隙总和小于一个采样周期时间，叶子节点不定周期发送数据包避免了节点在调节同步时发生发包冲突，保证了一个信道内的节点有序无冲突地将数据包发送出去；

(5)管理节点不定周期地在每个采集周期最后一个采样时间向各信道叶子节点发送同步包，既可以改善晶振温度漂移带来的同步误差问题又可以保证每一次同步包到达每个节点时不落在该节点的发送时间从而降低同步包的丢包率。

附图说明

图1为连续实时采集传输无线传感网络组网典型示意图；

图2为连续实时采集传输无线传感网络传输机制运行流程图；

图3为时间同步机制流程图；

图4为双定时器机制图；

图5为叶子节点的总体发送和接收数据时隙图；

图6为叶子节点数据包发送的时间分布图；

图7为管理节点同步包接收的时间分布图；

图8为叶子节点和管理节点发包不定长周期图；

图9(a)和图9(b)分别为叶子节点发数据包和接收同步包流程图；

图10为管理节点发送同步包流程图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

本实施设计了一种无线传感监测网络中数据连续实时采集和传输方法。

1、该网络是一个由多个叶子节点簇、一个无线网关、一个管理节点组成的多信道网络，每个不同的叶子节点簇运行在不同的信道。管理节点负责发送网络启动包、同步包给所有簇的叶子节点。叶子节点将不同信道簇的数据发送给无线网关。无线网关最后将数据发送给监控中心，如图1所示。

2、如图2所示，连续实时采集传输无线传感网络传输机制运行流程图。流程步骤如下：

1)网络启动时，管理节点和所有叶子节点处于同一个公共信道。当管理节点发出启动命令包，在命令包内加入时间标签T₀₁，命令包发送给所有的叶子节点。

2)叶子节点收到来自管理节点的启动命令包后切换到自身的信道，同时记录下当前自己的时间标签T₁₁,T₂₁,...,T_m1，并设置各自相应的时间延时触发第一次采集、第一次发包时刻、发包周期。

3)管理节点经过一个采集周期减去一个采样时间的时间后，不断切换信道，并将含有时间标签T₀₂的第二个同步包发送出去，刚好落在每个叶子节点第一个采集周期的最后一个采样时间内。此时，所有叶子节点中断程序中当收到来自管理节点的第二个同步包后也立即记录下当前自己的时间标签T₁₂,T₂₂,...,T_m2，并根据采集周期设置第二次触发发送时刻，如图3所示。

4)完成上述1)、2)、3)后，一个信道内的叶子节点启动TDMA发送机制，在一个采集周期内必须要将所有叶子节点的数据发送给多信道基站，否则数据采集将会溢出。同时还要预留这个采集周期的最后一次采样时间给叶子节点的同步包接收用。

5)以此类推，此后所有叶子节点不断周期性执行发送数据。

6)当管理节点运行达到一个同步周期后，此时进行第三次同步包发送，所有叶子节点刚好处于第N个周期的最后一次采样时间内，因此所有叶子节点重复3、4。

7)以此类推，管理节点根据同步周期按照步骤6进行同步所有的叶子节点。

3、目前节点数据发送采用TDMA分时机制，保证节点与节点之间发送数据不发生碰撞。具体的实现方式有两种，一种是采集时钟与发送时钟相同的方式，另一种是采集时钟和发送时钟不同的方式。

(1)采集时钟与发送时钟相同：此方法是在每次采集结束后立刻发送的方法；在节点程序中共用一个定时器中断来触发采集和发送的指令，例如一次采集结束后，所有节点将此次采集的数据包依次延时发送，但是任何节点在所有节点发包期间都不能进行采集行为，这种方式下网络处于非实时采集状态，

(2)采集时钟与发送时钟不同：本申请专利采用此方法，采用不同的定时器中断来触发采集和发送的指令，如图4所示。其中，timerB用于采集，timerA用于节点定时发送，两个timer来自于一个时钟源，便于同步采集时钟和发送时钟的调节。当第a次采集周期结束后进入新一轮采集周期，节点开始按照规定的发送时钟来发送上一轮采集周期采集到的由第a次采集的数据封装成的一个数据包，这种方法是目前我们采用的，在一个采集周期内必须要将所有节点的数据包发送出去。

叶子节点的TimerA和TimerB分别是发送时钟和采样时钟。叶子节点的TimerA和TimerB必须来自同一个时钟源，只有这样才能将将两个Timer都进行同步。其中，TimerA设置了节点的发包间隔，触发节点发包。而TimerB设置了节点的采样间隔，触发节点采样。叶子节点捕捉对比模块对管理节点的同步包中的t_BCN和叶子节点中的t_TMR进行对比，并对TimerA和TimerB进行同步调节。

4、叶子节点的总体发送和接收数据时隙如图5所示，在第一个采集周期内节点只进行采集不进行数据发送，同时在第一个采集周期内的第j次采样到最后一次采样(假设为第k次采样)进行网络中所有信道上节点的时间同步操作。从第k+1次采集开始在后续的每个采集周期内，时间分为数据发送区和同步包接收区，采集周期的前j次采样是数据发送区，该时间内所有叶子节点将上一采集周期封装的数据包发送出去，采集周期的后k-j次采样是同步包接收区，所有信道的叶子节点都会陆续收到各自信道上的同步包。

5、对于叶子节点而言，保证在一个采样周期t₀内，所有在该采样周期内发包叶子 节点的发包时间与叶子节点之间的发包间隙时间总和小于一个采样周期时间，即t₂N_Ts+(N_Ts +1)t₃≤t₀，如图6所示。其中，t₁是叶子节点的采样触发到采样结束的时间，为2-3个tick，在 这个时间内采样不能被叶子节点的发包或者收包中断打断。t₂为第i个信道上任意一个叶 子节点发包时间，设射频模块的包帧头为F_h(bit)，射频发包速率为S_r(Kbit/s)，叶子节点射 频模块的有效载荷包长为P_l(bit)，可得到一次数据包发送时间为t₂＝(P_l+F_h)×8/S_r。t_3(i) 为一个采集周期内的第i个信道上任意一个叶子节点的发包开始时刻距离本次采样结束时 刻的时间，或者是叶子节点(非第一个节点和最后一个节点)发包结束时刻距离下一个节点 的发包开始时刻的时间，或者是一个采样时间内的最后一个叶子节点发包结束时刻距离下 一次采样开始的时间，或者是形成数据包的最后一次采样时间内的最后一个叶子节点的发 包结束时刻距离下一次采集周期开始时刻的时间。t₃＝λ_Tst₀，其中，λ_Ts(i)其物理意义是第i 个信道上所有的采集节点之间发包时隙，以及采集节点发包与采集中断的时隙，取值为 0.1-0.2之间。N_Ts为一个采集周期内叶子节点的个数。t₀为采样周期，若叶子节点的采样频 率为f(HZ)，那么t₀＝1/f。因此，综合上述有Max{t₂N_Ts+(N_Ts+1)t₃}≤t₀，其中，i＝1, 2,......,m。将t₂,t₃,t₀计算公式代入t₂N_Ts+(N_Ts+1)t₃≤t₀中，可得其中，i＝1,2,......,m。由模型可知，叶子节点之 间发送时隙与一个采样时间内可容纳的节点个数N_Ts、采集通道N_c、采样频率f、发送速率S_r、 以及λ_Ts有关。

6、管理节点同步包发送机制为保证在一个采样周期t₀内，所有在该采样周期内管 理节点在所有信道上发同步包时间和与理节点发给各信道同步包的间隙时间的总和小于 一个采样周期时间，即t₅N_Cs+(N_Cs+1)t₄≤t₀。其中，t₅为管理节点在每一个信道上的发包时 间，如图7所示。射频模块的包帧头为F_h，有效载荷包长为4bit是管理节点发来的时间标签 包，在第i个信道上发送一次同步包的发送时间为t₅＝(4+F_h)×8/S_r。t₄为采样周期内的第 一个信道同步包收包开始时刻距离本次采样结束时刻的时间，或者是信道同步包(非第一 个信道和最后一个信道)收包结束时刻距离下一个信道的收包开始时刻的时间，或者一个 采样时间内的最后一个信道同步包收包结束时刻距离下一次采样开始时刻的时间。t₄＝λ_Cst₀，λ_Cs其物理意义是信道同步包收包时隙，以及同步包收包与采集中断的时隙。取值为 0.01-0.02之间。N_Cs为在第i个信道上一个采样周期内同步包的个数或者信道个数。同样，t₀ 为采样周期。将t₅,t₄,t₀代入t₅N_Cs+(N_Cs+1)t₄≤t₀中，可得由模型可知管理节点信道之间发送时隙与信 道个数N_Cs、叶子节点采样频率f、管理节点发送速率S_r、以及λ_Cs有关。

7、叶子节点数据包不定周期发送机制是第一次发包时刻T_sendfirst是在第二个发送包形成的第一次采样时间内。由于一个采集周期时间后不同的叶子节点在第二个采集周期内的偏移时间不同，这与所有节点在一个周期内的部署顺序有关，因此不同的叶子发包时间T_sendfirst是不同的。T_sendfirst等于一个采集周期时间T_Pkt与T_s(i)之和，如图8所示。

设任意一个信道的叶子节点t₂集合的集合分别为

因此，又有T_sendfirst＝T_Pkt+T_s(i,j),其中，i＝1,2,...,m。由于一个采样时间内一共有N_Ts(i)个节点，一共有N_cj次采样次数，因此网络上一共有N_Ts(i)N_cj个节点，因此，T_s(i,j)对于在一个采集周期内中不同采样周期时间内的节点为：

(j：0到N_cN_Ts(i)，表示节点序号；i为常数，表示某个信道)

因此，多个信道上的所有叶子节点的T_sendfirst是不同的，每个信道上所有节点的T_sendfirst形成的集合为：

……

其余发包时刻是以T_sendperiod为发送周期进行的，T_sendperiod是叶子节点第一次发包后周期发包的时间，其值为采集周期T_Pkt，即T_sendperiod＝T_Pkt。

因此，对于叶子节点的发包时间是一个分段函数，对于第i个信道而言，该信道上的所有叶子节点发送时间为分段函数为：

6、管理节点同步包不定周期发送机制是第一次发包时刻T_syncfirst是在第二个发送包形成的最后一次采样时间内，该值设置为2T_Pkt-t₀+t₁+t₄。第N次(N>1)同步标签与第N+1次同步标签发送时隙T_syncperiod，该时隙为采集周期T_Pkt的整数倍，即CT_Pkt，C的取值与同步精度有关。如果同步精度是Kus,那么需要K/10秒进行同步一次。因此C的取值为K/10T_Pkt，如图8所示。

因此，管理节点不定长发包分段函数为：

7、叶子节点收到网络启动命令后，初始化定时器和AD，并根据节点自身的分配的序列号来设置第一次发送时间T_sendfirst和对应的周期触发数据包的发送间隔T_sendperiod，然后启动AD和定时器。当定时触发时间到达后，节点将发送数据包。在发送过程的间隙中节点收到同步命令后记录下同步包里面的管理节点的时间标签，同时记录下当前自己的时间标签，然后不断修正发送时间tick和采集时间tick,从而达到修正节点自身的同步误差，如图9(a)和图9(b)所示。

8、管理节点初始化系统和定时器后，设置第一次同步间隔时间T_syncfirst和周期同步间隔时间T_syncperiod，然后启动定时器。当以间隔时间T_syncfirst为基准的第一次同步触发来临时，管理节点不断切换信道并在每个信道上记录下时间戳并发送给叶子节点。当第一次同步完成后，进入以间隔时间T_syncperiod为基准的周期同步触发中，同理，管理节点不断切换信道并在每个信道上记录下时间戳并发送给叶子节点，如图10所示。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

(1)第一采集周期只采集数据不发送数据同时在最后一个采样时间接收同步包；其余各采集周期内叶子节点在第一采样时间发送上一周期采集封装的数据包并在最后一个采用时间接收同步包，叶子节点在一个采集周期内将所有叶子节点在上一采集周期内采集的数据发送给基站，保证了数据的生产和消费平衡；

(2)采用双定时器机制实现采集时钟和发送时钟的同步调节；

(3)采样周期的时间至少大于一次数据发包的时间，在保证数据生产和消费平衡的同时实现数据生产和消费的循环；

(4)每个节点之间发包过程中留有一定的时间间隙，采样周期内所有叶子节点的发包时间与各叶子节点间的发包间隙总和小于一个采样周期时间，叶子节点不定周期发送数据包避免了节点在调节同步时发生发包冲突，保证了一个信道内的节点有序无冲突地将数据包发送出去；

(5)管理节点不定周期地在每个采集周期最后一个采样时间向各信道叶子节点发送同步包，既可以改善晶振温度漂移带来的同步误差问题又可以保证每一次同步包到达每个节点时不落在该节点的发送时间从而降低同步包的丢包率。

Claims (4)

1.无线传感监测网络中数据连续实时采集和传输方法，其特征在于，

第一采集周期：各信道上的叶子节点收到管理节点发送的启动命令包后延时触发采集时钟开始采样，初始化第一次发送数据包时刻以及数据包发送周期，管理节点在该采集周期的最后一次采样时间内向各信道上的叶子节点发送同步包以触发第二采集周期；

第二采集周期：各信道上的叶子节点在该采集周期的第一次采样时间将上一采集周期内采集的数据封装为数据包待发送时钟触发后发送给网关节点，各信道上的叶子节点不定周期发送数据包，网关节点上报接收到的数据至监控中心，管理节点在该采集周期的最后一次采样时间内向各信道上的叶子节点发送同步包以触发第三次采集周期，管理节点不定周期发送同步包，其中，

各信道上的叶子节点不定周期发送数据包的方法为：经过本次采样周期中每个采样时间内叶子节点开始发包的时刻距离本次采集周期起始时刻的时间差后，触发发送时钟进行第一数据包的发送，此后每经过一个采集周期触发一次发送时钟进行其余数据包的发送，

管理节点不定周期发送同步包的方法为：第一同步包发包时刻在第一采样周期的最后一次采样时间内触发发送时钟进行第一同步包的发送，此后在经过整数倍采集周期时触发一次发送时钟进行其余同步包的发送；

第三及其以后的采集周期：各信道上的叶子节点与在第二采样周期一样周而复始地发送数据包、接收同步包。

2.根据权利要求1所述的无线传感监测网络中数据连续实时采集和传输方法，其特征在于，采用双定时器运行机制调节来自同一时钟源的采集时钟和发送时钟同步，具体为：

采集时钟在叶子节点收到启动命令包后在采样间隔到来时触发叶子节点采样，同时，

发送时钟在发包间隔到来时触发叶子节点发包，叶子节点在发包过程中收到同步包时比较其当前时间戳和同步包时间戳并在时间戳之差超出同步误差范围时修正采集时钟和发送时钟的tick数。

3.根据权利要求1所述的无线传感监测网络中数据连续实时采集和传输方法，其特征在于，在第二及其以后的采样周期内所有叶子节点的发包时间与各叶子节点间的发包时隙总和小于一个采样周期时间，其中，

所述各叶子节点间的发包时隙为：一采样时间内第一叶子节点的发包开始时刻距离本次采样结束时刻的时间，或者，

除第一个叶子节点以及最后一个叶子节点以外的其它任意叶子节点的发包结束时刻距离下一叶子节点发包开始时刻的时间，或者，

一采样时间内最后一个叶子节点的发包结束时刻距离下一采样开始时刻的时间，或者，

形成数据包的最后一次采样时间内最后一个叶子节点的发包结束时刻距离下一采集周期开始时刻的时间。

4.根据权利要求1所述的无线传感监测网络中数据连续实时采集和传输方法，其特征在于，在各采样周期内管理节点在各信道上发同步包的时间与管理节点向各信道发同步包的时隙总和小于一个采样周期时间，其中，

所述管理节点向各信道发同步包的时隙为：采样时间内的第一信道同步包收包开始时刻距离本次采样结束时刻的时间，或者，

除第一个信道和最后一个信道以外的任意信道同步包收包结束时刻距离下一个信道同步包收包开始时刻的时间，或者，

一个采样时间内的最后一个信道同步包收包结束时刻距离下一次采样开始时刻的时间。