CN106413088A - 一种具有混合定位功能的监测无线传感器网络系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种具有混合定位功能的监测无线传感器网络系统及方法，由无线传感器节点、汇聚节点、基准站、上位机四部分组成；由基准站、无线传感器节点及汇聚节点组成的GPS定位网络实现各节点的粗略定位，再利用无线传感器节点发送给相关汇聚节点的接收信号强度值，通过数学模型，确定无线传感器节点与汇聚节点之间的距离以实现精确定位；无线传感器节点与相关汇聚节点通过特定网络拓扑结构进行数据传输，并由汇聚节点的GPRS模块将自身及无线传感器节点的数据发送给上位机，再依次进行数据存储和处理操作。用于结构监测无线数据传输的同时，实现了各节点的精确定位，有效降低了结构监测数据后期处理的难度并减少了人员、资金的浪费。

Description

一种具有混合定位功能的监测无线传感器网络系统及方法

技术领域

本发明属于结构监测领域，特别涉及一种具有混合定位功能的监测无线传感器网络系统及方法。

背景技术

随着互联网时代的到来，伴随着传感器技术的层出不穷及其迅猛的发展，以及无线通信技术的迅速普及、交替更新。现如今，基于传感测量技术的无线数据输传网络的研究与应用早已趋于白热化的境地，无线232/433/485等数据输传模块早已实现了微型化、低功耗、远距离传输的功能，与此同时，2.4G无线模块、ZigBee、WiFi、GPRS、GPS等无线通信技术也因其各自特有的技术优势，早已广泛的应用到人类活动与生产的各个分支之中，并出现了大量的优化与改进方案。例如，将ZigBee技术应用于矿井环境及井下人员监测中，将GPS技术应用于工程控制测量中，以及将WiFi技术用于室内人员、设备定位等等。

而结构监测领域，通过无线传感网络，采集温度、位移、倾角、加速度、应变等信息，实现对桥梁、建筑、地铁、隧道及港口、码头等土木结构健康监测、施工监控及特殊监测。保证工程质量的同时，也保护和挽回了大量的群众财产和国家资源。

现如今，针对无线传感网络设计与使用的主流思想也早已不再局限于仅仅进行数据的无线传输，如何更加有效地利用传感器采集的数据，以及对数据进行无线输传的无线模块自身潜在信息的进一步挖掘与充分利用，后续处理过程中对信息的分析、融合以及深度挖掘，是当今无线传感网络的主题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种具有混合定位功能的监测无线传感器网络系统及方法，弥补了传统的用于结构监测的无线传感网络，只关注传感器信息采集和无线数据传输，而没有注意到无线节点自身包含大量可利用信息的不足以及忽略信号采集处的位置信息，对后续传感器采集到的信息作进一步处理和存储所带来的严重影响等缺点。

本发明采用的技术方案是：

一种具有混合定位功能的监测无线传感器网络系统，由无线传感器节点、汇聚节点、基准站、上位机四部分组成，各无线传感器节点任意布置在需要监测的位置，相互之间进行无线通信，最终将所有需要传输的数据发送给汇聚节点，汇聚节点将无线传感器节点传输来的数据进行分类打包，并将自身的可利用信息同时打包，之后再次以无线传输的形式将所有打包好的数据通过GPRS无线模块发送出去，连接在网络上的上位机获得这些数据之后，通过定位算法，对所有采集回来的信息作进一步处理并实现对无线传感器节点以及汇聚节点的数据采集及定位。

上述技术方案中，无线传感器节点由数据采集模块、数据处理模块、射频模块、GPS定位模块及电源模块组成。

上述技术方案中，汇聚节点由数据采集模块、数据处理模块、射频模块、GPS定位模块、GPRS模块及电源模块组成。

上述技术方案中，基准站用于GPS定位的辅助，由GPS天线(双频接收机天线)、GPS接收机、数据处理控制器、无线电发射系统及发射天线、电源模块组成。

上述技术方案中，上位机部分包含了数据解包，分类存储；传感器数据存储、提取、分析；GPS定位，依次包括了节点方位信息确定的粗定位以及通过相应数学模型进行节点距离计算、位置确定的精确定位功能。

基于上述的一种具有混合定位功能的监测无线传感器网络系统的监测无线传感器网络方法，其具体是：

(1)将一定数量的汇聚节点，根据实际的监测环境部署在有效的监测位置。

(2)将一定数目的无线传感器节点，部署在这些无线传感器节点与相关汇聚节点可进行有效无线通信的范围内，并将这些无线传感器节点放置在需要获取监测信息的位置，这些已经部署在监测区域内的无线传感器节点与汇聚节点，按照一定的路由协议自组织成为一个网络拓扑结构。

(3)汇聚节点位置确定后，再部署无线传感器节点，打开上位机并接入网络。

(4)进行结构监测时，首先，进行系统初始化，汇聚节点开机，汇聚节点唤醒自身所有模块，并将连接测试数据通过串口发送给GPRS模块，GPRS模块向上位机发送该连接测试数据，上位机接收到该连接测试数据后发送命令帧，要求汇聚节点向监控区域内所有无线传感器节点发送控制信号，唤醒所有无线传感器节点，并返回链接确认信息，GPRS模块接收到该命令帧后，通过串口将该命令帧发送给汇聚节点的处理器模块，接着汇聚节点通过射频模块向监控区域内所有无线传感器节点发送控制信号，唤醒所有无线传感器节点，并要求返回链接确认信息；当所有汇聚节点接收到所属网络内的无线传感器节点的链接确认信息后，再通过GPRS模块将该链接确认信息发送给上位机，上位机接收之后，系统初始化过程结束。

(5)初始化完成后，进行包括所有汇聚节点和所有无线传感器节点在内的系统GPS定位，由上位机发送命令帧，要求监测区域内所有汇聚节点控制自身GPS定位模块进行节点定位，并将采集到的定位信息通过GPRS模块实时返回给上位机；与此同时，要求监测区域内所有汇聚节点发送控制信号，要求所有与汇聚节点链接的无线传感器节点控制自身GPS定位模块进行节点定位，并将采集到的定位信息实时返回给汇聚节点，之后再由汇聚节点通过GPRS模块实时返回给上位机。

(6)系统GPS定位持续一段时间之后，上位机发送命令帧，要求监控区域内的所有无线传感器节点开始数据采集；无线传感器节点则将采集到的数据传输给汇聚节点后再由汇聚节点通过GPRS模块发送给上位机；此时，GPS定位不停止，且与无线传感器节点的传感器数据采集同时进行，对该数据进行打包处理时，将GPS当前时刻的定位信息与从上一秒GPS定位结束到当前时刻这个时间段内传感器所采集的数据打包在一起，即由GPS定位时间作为传感器数据采集基准时间，并以此类推。

(7)上位机接收到这些数据后，对数据进行分类存储，并借用上位机实现GPS粗略定位、传感器数据采集以及定位算法精确定位。

上述具体方法中，汇聚节点可以与上位机之间的无线通信采用的是GPRS无线通信技术。

上述具体方法中，无线传感器节点与相关汇聚节点可进行有效无线通信，该无线通信采用的是ZigBee无线通信技术。

上述具体方法中，本发明的设计初衷强调混合定位功能，除使用GPS定位模块进行各节点的定位外，需要利用无线传感器节点与汇聚节点之间的接收信号强度信息，结合上位机的算法建立数学模型，分析计算出网络拓扑结构中无线传感器节点与汇聚节点之间的距离，并由此实现各节点的精确定位。

上述具体方法中，GPRS模块与上位机之间的数据传输，由GPRS模块通过基站将数据传送到Internet网络中，向指定IP地址和开放端口的上位机发送该数据，即要求该上位机具有分网的IP地址和开放的端口；上位机通过Internet网络和基站向GPRS模块发送命令帧。

本发明提供的一种具有混合定位功能的监测无线传感器网络系统及方法，包括汇聚节点以及无线传感器节点，采用局部数据传输结构，局部范围内这些节点不仅可以利用自身传感器模块进行数据采集；与此同时，由于节点内带有GPS定位模块，借助基准站以及特定的定位技术，实现系统内各节点的定位；此外，借助低功耗的ZigBee无线模块以及基于此的利用接收信号强度的定位方法，再次实现对系统内各节点的精确定位；实现实时数据采集的同时也实现了对各采集点的精确定位，为后续的结构监测数据分析提供了大量的便利，有效节省了人力物力。

本发明使用的网络拓扑结构，实现简单且系统稳定，与此同时，使用GPS的定位时间作为传感器数据采集的基准时间，较好地实现了系统定位以及数据采集的实时性、同步性，对结构监测分析具有极其重要的意义；使用GPRS模块实现各汇聚节点与上位机的数据传输，不仅网络稳定而且可以进行远程控制，同时实现整个监测区域的整体监测，系统整体性能优越。

本发明融合了传感器技术、GPS定位技术、ZigBee无线通信技术、GPRS无线通信技术以及计算机处理技术，具有智能、实时、高效、同步等特性，应用于结构监测领域意义重大。

附图说明

图1系统结构示意图。

图2硬件平台构架图。

图3汇聚节点与传感器节点部署方案示意图。

图4 GPS定位单元原理图。

图5 GPS差分动态定位系统结构示意图。

图6 ZigBee无线模块原理图。

图7 ZigBee数据传输结构示意图。

图8 GPRS单元原理图。

图9 GPRS数据传输结构示意图。

图10无线传感器节点结构示意图。

图11汇聚节点结构示意图。

图12汇聚节点电源模块结构示意图

图13上位机数据处理流程图。

图14精确定位方法图。

具体实施方式

下面结合附图说明做进一步说明，参见附图，本发明的一种具有混合定位功能的监测无线传感器网络系统及方法，由无线传感器节点2、汇聚节点1、基准站3、上位机4四部分组成，由附图2，无线传感器节点包含GPS定位和ZigBee无线数据传输功能，汇聚节点包含GPS定位、ZigBee无线数据传输功能及GPRS无线数据传输功能，基准站主要为GPS定位并为整个系统的所有GPS定位单元提供载波相位差分以及其他数据，具体的无线传感器节点结构示意图如附图10所示，具体的汇聚节点结构示意图如附图11所示；人为地将一定数量的汇聚节点，根据实际的监测环境部署在有效的监测位置，再将一定数目的无线传感器节点，部署在相关汇集节点周围，按照一定的路由协议自组织成为一个本发明设计的网络拓扑结构，一种汇聚节点与无线传感器节点部署方案如附图3所示，本发明设计的网络拓扑结构如附图7所示，传感器进行数据采集后，按照附图6所示，将采集到的数据传送给数据处理模块并由主控芯片传输给射频模块；与此同时，如附图11、附图10、附图4以及附图5所示，基准站GPS单元提供的载波相位差分以及其他数据由基准站无线电发射系统发射，并由移动站无线电接收系统接收，即位于各汇聚节点与各无线传感器节点内部的无线电接收系统接收，各移动站经过如附图4所示的数据处理控制器处理后，将定位信息发送给附图10及附图11中所示的数据处理模块；而以上两个步骤同时进行时，由于GPS定位系统具有高度的时间一致性，因此，定位信息的拾取以及传感器对数据的采集与处理过程均由GPS定位系统的时钟进行控制，即以GPS的定位时间作为传感器数据采集的时间基准，由附图10及附图11所示的数据处理控制器与数据处理模块协同控制，GPS每进行一次定位，则传感器将上一次GPS定位结束到本次GPS定位开始之间的数据进行一次拾取，无线传感器节点通过附图10所示的数据处理模块进行数据打包存储，再由射频模块发出，并由附图11所示的射频模块接收，而附图11的汇聚节点也将进行和附图10一样的数据打包过程，并将自身的数据包与接收来的数据包存放在一起，最终由GPRS模块天线端发送出去；上位机接收到数据包之后，将这些数据根据无线传感器节点与汇聚节点不同的ID号，以GPS定位时间为基准，将GPS定位信息以及不同的传感器数据采集信息分别存储起来，并利用上位机及定位算法实现对应汇聚节点或无线传感器节点的数据采集以及各节点位置的计算与精确定位。

一种由无线传感器节点、汇聚节点、基准站、上位机四部分组成的用于结构监测的具有混合定位功能的监测无线传感器网络系统及方法，以桥梁结构监测为例，其具体方法及详细的数据传输过程是：

(1)如附图3所示，将一定数量的汇聚节点，根据实际的监测环境部署在有效的监测位置。

(2)将一定数目的无线传感器节点，部署在这些无线传感器节点与相关汇聚节点可进行有效无线通信的范围内，并将这些无线传感器节点放置在需要获取监测信息的位置，这些已经部署在监测区域内的一定数目的无线传感器节点与汇聚节点，按照一定的路由协议自组织成本发明的网络拓扑结构。

(3)汇聚节点位置确定后，再部署无线传感器节点，打开上位机并接入网络。

(4)进行桥梁结构监测时，首先，进行系统初始化，汇聚节点开机，如附图11所示，汇聚节点自身的数据处理器模块唤醒自身所有模块，并将连接测试数据发送给GPRS模块，GPRS模块向上位机发送该连接测试数据，上位机接收到该连接测试数据后发送命令帧，要求汇聚节点向监控区域内所有无线传感器节点发送控制信号，唤醒所有无线传感器节点，并返回链接确认信息，GPRS模块接收到该命令帧后，通过串口将该命令帧发送给汇聚节点的处理器模块，接着汇聚节点通过射频模块向监控区域内所有无线传感器节点发送控制信号，唤醒所有无线传感器节点，并要求返回链接确认信息；当所有汇聚节点接收到所有网络拓扑结构内的无线传感器节点的链接确认信息后，再通过GPRS模块将该链接确认信息发送给上位机，上位机接收之后，系统初始化过程结束。

(5)初始化完成后，进行包括所有汇聚节点和所有无线传感器节点在内的系统GPS定位，由上位机发送命令帧，要求监测区域内所有汇聚节点控制自身GPS定位模块进行节点定位，并将采集到的定位信息通过GPRS模块实时返回给上位机；与此同时，要求监测区域内所有汇聚节点发送控制信号，要求所有与汇聚节点链接的无线传感器节点控制自身GPS定位模块进行节点定位，并将采集到的定位信息实时返回给汇聚节点，之后再由汇聚节点通过GPRS模块实时返回给上位机，为了保证本发明的整体GPS定位效果，GPS定位过程中包含了附图1中所示的GPS基准站，整个GPS定位过程采用载波相位差分技术以保证定位精度。

(6)系统GPS定位持续一段时间之后，上位机发送命令帧，要求监控区域内的所有汇聚节点以及所有与汇聚节点链接的无线传感器节点开始数据采集；汇聚节点将自身数据采集模块采集到的数据与GPS定位信息打包并存储在自身数据处理模块中，与之链接的无线传感器节点则将采集到的数据以及GPS定位信息打包通过射频模块传输给汇聚节点，之后再由汇聚节点将自身打包数据与无线传感器节点发送过来的打包数据一起通过GPRS模块发送给上位机。

(7)上位机接收到这些数据后，对数据进行分类存储，利用上位机实现GPS粗略定位、传感器数据采集以及定位算法精确定位。

上述具体方法中，汇聚节点的部署如附图3所示，汇聚节点是成对的提前安放并固定在桥梁面板两侧的特定监测位置的，一旦部署之后不会移动位置且不会被撤走，而其除由自身与太阳能单晶硅电池板相连的蓄电池供电外，大部分供电过程由市电，通过电压转换单元转换后提供。

上述具体方法中，汇聚节点可以与上位机进行有效的远程无线通信，该无线通信采用的是GPRS无线通信技术，实际中，GPRS数据的传输过程如附图9所示。

上述具体方法中，无线传感器节点与相关汇聚节点可进行有效无线通信，该无线通信采用的是ZigBee无线通信技术，每一对汇聚节点对应的具体的传输过程如附图7所示。

上述具体方法中，相关汇聚节点具体指，一定数目的无线传感器节点与汇聚节点，按照一定的路由协议自组织成为本发明的网络拓扑结构，这个拓扑结构中的汇聚节点；因为汇聚节点的位置是固定的且在实际应用中，ZigBee无线通信技术的传输距离是有限的，桥梁监测时，过短距离的大密度无线传感器节点监测是没有实际意义的，所以每一个汇聚节点对应的无线传感器节点的数目受到控制。

上述具体方法中，使用本发明设计的网络拓扑结构在于，本发明的设计初衷强调混合定位功能，除使用GPS定位模块进行各节点的定位外，需要利用无线传感器节点与汇聚节点之间的接收信号强度信息，结合上位机的算法建立数学模型，分析计算出网络拓扑结构中无线传感器节点与汇聚节点之间的距离，并由此实现各节点的二次定位；因此，本发明使用的网络拓扑结构可直接获得相关信息且为最优化模型。

上述具体方法中，上位机与汇聚节点以及汇聚节点与无线传感器节点之间采用的均为应答机制的无线通信方式，即由上级节点发出控制信号，下级节点执行，并在执行结束后返回上级节点要求返回的答复信息，上级节点接收并确认后，该次无线通信过程结束。

上述具体方法中，GPRS模块与上位机之间的数据传输，详细情况如附图9所示，由GPRS模块通过基站将数据传送到Internet网络中，向指定IP地址和开放端口的上位机发送该数据，即要求该上位机具有分网的IP地址和开放的端口；反向的，上位机通过Internet网络和基站向GPRS模块发送命令帧。

上述具体方法中，系统GPS定位依据附图5所示的系统结构持续一段时间之后，上位机发送命令帧，要求监控区域内的所有汇聚节点以及所有与汇聚节点以本发明设计的网络拓扑结构链接的无线传感器节点控制相应传感器开始数据采集，此时，GPS定位不停止，且与无线传感器节点和汇聚节点的传感器数据采集同时进行。

该系统中，使用的GPS定位技术为载波相位差分技术，即以载波相位为观测值的实时动态差分GPS定位方法；基本结构如附图5所示，分别由位于各无线传感器节点内部及各汇聚节点内部的移动站和基准站构成。

以上所述，GPS定位方法中，如附图4所示，移动站由GPS天线(双频接收机天线)、GPS接收机、数据处理控制器、无线电接收系统及接收天线、电源模块组成。

以上所述，GPS定位方法中，如附图4所示，基准站由GPS天线(双频接收机天线)、GPS接收机、数据处理控制器、无线电发射系统及发射天线、电源模块组成。

以上所述，GPS定位方法，采用的是如附图5所示的GPS差分动态定位系统，其中只包含有一个基准站以及与无线传感器节点与汇聚节点总数目相同数目的移动站。

以上所述，GPS定位方法为：基准站以及移动站的双频接收机天线同时接收来自空间的相同卫星的信号，进行载波相位观测。设置在坐标精确的已知点上的基准站在跟踪载波相位测量的同时，通过具有调制解调功能的无线电发射系统将测站坐标、观测值、卫星跟踪状态以及接收机工作状态通过带有增益的发射天线发射出去；而移动站自身进行载波相位观测的同时，还通过接收天线及无线电接收系统接收来自基准站的载波相位差分以及其他数据，根据GPS数据处理控制器上烧写的转换参数，实时计算出移动站的GPS坐标。

该系统中，使用的GPRS无线通信技术，主要用于上位机与汇聚节点之间的无线数据传输；分别由位于各汇聚节点内部的GPRS单元和上位机组成。

以上所述，GPRS单元原理图如附图8所示，其中依次包括：可工作于EGSM900M,DCS1800M,PCS1900M三个频段的GPRS模块、电源电路、SIM卡电路、天线。

以上所述，GPRS单元只存在于汇聚节点当中，如附图11所示，汇聚节点使用前，GPRS单元中的SIM卡电路处需要插入已开通GPRS功能的SIM卡，诸多汇聚节点都要使用时则最好使用同一运营商的SIM卡。

以上所述，上位机具有分网的IP地址且具有开放的端口。

以上所述，上位机与汇聚节点之间通过GPRS网络进行远程无线数据传输，如附图1和附图2所示，整体数据传输结构如附图9所示，实际中数据传输的具体过程为：汇聚节点开机后，汇聚节点唤醒自身所有模块时，通过自身数据处理模块器由UART串口的Rx/Tx端口，向GPRS模块写入相应的AT指令，对GPRS模块进行初始化，使GPRS模块成功附着在GPRS网络上，获得网络运营商分配的动态IP地址，通过查询的方式，从而与目的端已经接入Internet的上位机建立连接；由于该GPRS模块内部集成了TCP/IP协议，所以汇聚节点自身处理器直接发送相关的AT指令并将连接测试数据发送给GPRS模块，如附图9中所示，GPRS远程终端模块获得数据后，由内置嵌入式处理器即附图8所示的数据处理模块对数据进行集中处理，协议封装后转换为GPRS分组，通过基站发送到GPRS服务支持节点(SGSN)，SGSN根据目的端上位机的IP地址，通过GPRS隧道协议(GTP)即附图9中SGSN与GGSN之间的数据链路上的传输协议，发送分组到相应的GPRS网关支持点(GGSN)，GGSN对分组数据进行处理后发送到Internet上的通信路由器，并下载到目的端上位机，之后通过上位机作进一步处理；而来自目的端上位机的命令帧，则首先被分装成了IP包，由GGSN接收，再通过GTP转发到SGSN，由基站收发台传送到GPRS远程终端模块，再以中断的方式通过UART串口将命令帧发送给汇聚节点自身的数据处理模块，再由汇聚节点自身的数据处理模块根据命令帧的具体要求执行相应的操作。

以上所述，上位机与汇聚节点之间的无线数据传输主要包括：命令帧和数据帧。

以上所述，上位机与汇聚节点之间的无线数据的传输主要通过命令帧和数据帧实现的，各汇聚节点和上位机根据传输协议，即命令帧和数据帧的格式来判断收到的数据是否有效，从而根据正确的信息来选通相应的通道进行数据的传输。

以上所述，上位机与汇聚节点之间的无线数据传输，为远距离异步数据传输，数据的传输以多个字节构成的数据帧为单位。

以上所述，上位机的主要功能是管理数据，开启GPRS服务，利用GPRS网络和Internet网络发布命令帧和接收数据帧，关闭GPRS服务；除此之外，通过网络端口通信控件Winsoock，不断地侦听和扫描上位机开放的端口状态，一旦发现端口中有数据包接收，则开始把数据放入数据接收缓冲区，然后接收数据，并调用相应的中断处理程序处理相应的数据。

该系统中，无线传感器节点以及汇聚节点内所包含的射频模块为ZigBee无线模块，如附图10、附图11所示，主要用于各汇聚节点与链接的无线传感器节点的信息传递。

以上所述，ZigBee无线模块包括：数据采集模块、数据处理模块、射频模块以及电源模块组成，如附图6所示，数据采集模块包含传感器以及模数转换，数据处理模块包含主控芯片以及存储器，射频模块则包含了射频芯片及功放电路以及射频天线。

以上所述，本发明设计的网络拓扑结构为汇聚节点内的ZigBee无线模块与无线传感器节点内的ZigBee模块按照一定的路由协议自组织而成，其具体建立及数据传输过程为：汇聚节点内的ZigBee无线模块以及无线传感器节点内的ZigBee无线模块，分别上电之后，各自的数据处理模块先对片上外设进行初始化，包括：使能看门狗、波特率设定、终端设定等。当数据处理模块将自身外设都设置好并检查到射频芯片正常工作后，程序流程将调用ZigBee协议栈的各个层的初始化函数模块，使协议栈开始工作；此时，汇聚节点ZigBee无线模块调用相关函数对自身及无线信道进行初始化配置，选择并建立网络，完成网络建立后，调用相关函数以允许无线传感器节点加入该网络；与此同时，无线传感器节点ZigBee无线模块也调用相关函数对自身及无线信道进行初始化配置，存储相应的信息并加入该网络；之后，汇聚节点和无线传感器节点进入一个循环过程，调用相关函数保持MAC层、NWK层、APS层、ZDO各功能模块以及接收器都处于活动状态，接着运行主状态机，通过相应的数据帧对汇聚节点及无线传感器节点进行绑定设置，并配置绑定表，为后续整个网络的数据发送/接收处理等功能做好准备。

以上所述，信息传递的内容主要包括：以网络拓扑结构与汇聚节点链接的无线传感器节点的相应传感器所采集的数据，无线传感器节点处GPS定位模块的实时定位信息，以及由无线传感器节点发送给汇聚节点的接收信号的功率强度信息。

以上所述，接收信号的功率强度信息用于射频信道能量检测，主要测量目标信道中接收信号的功率强度，其中包括有效信号功率及噪声信号功率，根据如附图7所示的ZigBee数据传输结构，处于不同位置的无线传感器节点将自身位置处接收到的来自于相关汇聚节点的功率强度信息发送给汇聚节点并最终传送给上位机，上位机根据相关的转换模型将该信号的功率强度信息转换为距离量，最终通过相应的定位算法实现定位。

以上所述，如附图7所示的，包含在虚线方框内的ZigBee数据传输结构为局部数据传输结构，其有效目的在于在保证局部有效监测及数据采集的同时，可以使用相同局部数据传输结构进行大面积扩展而实现对整个桥梁的监测；与此同时，各局部数据传输结构覆盖范围较小，区域内的噪声和其他影响因素基本一致，则利用接收功率强度信息进行局部范围内的所有无线传感器节点精确定位的方法可行，以此为基础，扩展到整个桥梁的无线传感器节点的精确定位过程中。

本系统总体硬件平台构架如附图2所示，其中涉及到的具体硬件设备及其具体技术方法详述如下：

无线传感器节点由数据采集模块、数据处理模块、射频模块、GPS定位模块及电源模块组成。该系统中，射频模块即ZigBee无线模块，其射频芯片使用的是集成射频、IEEE802.15.4协议、和程序的CC2420射频芯片，数据处理模块使用超低功耗的MSP430F5438MCU，以及用于增大天线传输距离的外接鞭状天线。

汇聚节点由数据采集模块、数据处理模块、射频模块、GPS定位模块、GPRS模块及电源模块组成。该系统中，射频模块使用的是与无线传感器节点相同的集成射频、IEEE802.15.4协议、和程序的CC2420射频芯片，数据处理模块也使用超低功耗的MSP430F5438MCU，以及用于增大天线传输距离的外接鞭状天线，之外，使用SIM300型GPRS模块，并根据需要对数据的输出接口以及功能做了相应的改进，以适应本发明的使用要求。电源模块如附图12所示，既可以使用与太阳能单晶硅电池板相连的蓄电池，又可以通过电压转换单元转换，使用市电，以确保本发明的长期使用需求。

基准站用于GPS定位的辅助，由GPS天线(双频接收机天线)、GPS接收机、数据处理控制器、无线电发射系统及发射天线、电源模块组成。该系统中，包括无线传感器节点、汇聚节点、以及基准站的GPS定位模块，使用的是较早时期的南方NGK-500型实时动态GPS测量系统，无线电收发装置，即无线电发射系统与无线电接收系统使用的时MOTOROLA公司60MHz的SM120UHF电台，并根据需要对数据的输出接口以及功能做了相应的改进，以适应本发明的使用要求。

此处，所描述的上位机即有存储功能的服务器或计算机，主要用于对GPRS模块回传数据的存储、管理以及处理。

上位机一般采用固定IP地址的台式电脑，本发明使用的是自助装机的台式机，CPU为Intel Core i5-4600，主频3.2GHz，内存8GB，硬盘500GB，操作系统使用WindowsXP。

无线传感器节点与汇聚节点部署方案

无线传感器节点与汇聚节点使用ZigBee无线模块进行数据传输，理论上具有较远的室外传输距离，实际工程应用中的通信范围却十分有限，因此，桥梁监测时，采用如附图3所示的汇聚节点与传感器节点部署方案时，为了保证无线传感器节点与汇聚节点之间的有效通信，以及保证无线传感器节点与汇聚节点能够实现附图7所示的数据传输结构，即之前所述的局部数据传输结构，桥梁监测过程中，位于同一侧的汇聚节点及距离该汇聚节点距离最远的无线传感器节点,它们之间的距离应≤60m，同时，汇聚节点与无线传感器节点的射频天线均采用了具有增大天线传输距离的外接鞭状天线，起到一定的辅助作用；如此，在考虑桥面宽度的情况下，也尽可能的保证了该无线传感器节点与对面一测汇聚节点之间的有效通信，即如附图7中的无线数据传输链路所示。

为了保证对桥梁长期有效的监测，如前所述，汇聚节点与无线传感器节点的部署如附图3所示，汇聚节点是成对的提前安放并固定在桥梁面板两侧的特定监测位置的，安装固定时，应尽可能使位于桥面两侧的汇聚节点之间的连线垂直于该处桥面的中轴线，但无线传感器节点可以按照之前的无线传感器节点与汇聚节点部署方案部分所叙述的，以同一侧汇聚节点为圆心，以60m为半径在桥面任意需要监测的位置进行布置，但较为理想的是使用附图3以及附图7中的部署结构；显然，对于整个桥梁的监测则需要将这种局部部署方案扩展到整个桥梁监测区域。

而各汇聚节点按照以上原则，一旦部署之后不会移动位置且不会被撤走，而其除由自身与太阳能单晶硅电池板相连的蓄电池供电外，大部分供电过程由市电，通过电压转换单元转换后提供。一般情况下，即使在不引入无线传感器节点进行组网的情况下，依靠已经部署的汇聚节点自身各功能模块也能够实现对桥梁的整体监测。

同时，需要考虑的基准站，由于采用60MHz的无线电发射装置，向整个GPS定位系统提供载波相位差分以及其他数据，虽然该频率下传播距离较远，但为了传输稳定起见，应该将将该基准站尽可能的靠近监测区域。

本系统的平台架构即上位机数据处理流程如附图13所示，主要包括：数据存储和数据处理两个过程；下面结合附图和具体实施办法，依然以桥梁监测为例，对各过程作进一步分析与说明。

本发明所使用的上位机是接入网络的，具有指定的IP地址和开放的端口，系统正常工作时，上位机网络端口接收来自通过GPRS网络与上位机相连接并进行远程无线数据传输的各汇聚节点的数据帧，上位机通过端口通信控件Winsoock，不断地侦听和扫描上位机开放的端口状态，一旦发现该端口中有数据帧接收，则开始把数据放入数据接收缓冲区，然后接收数据，并调用相应的中断处理程序处理相应的数据，以上过程均由上位机自行完成；接着通过上位机将这些已经打包的数据帧进行解包，并进行分类存储，之后根据需要对分类好的数据进行分类处理。

上述上位机处理包括解数据帧解包处理和数据库存储处理。

上述进行解压分解的已经打包的数据帧括了：各无线传感器节点与各汇聚节点的数据采集模块所采集到的传感器数据；各无线传感器节点与各汇聚节点的GPS定位模块的定位数据；以及由各无线传感器节点反馈给相应汇聚节点的接收信号强度信息。

值得注意的是，上位机接收到的数据都是来由汇聚节点的GPRS模块发送，所以上位机接收到的数据帧的帧头，应该是系统中发送该数据帧的GPRS模块的编码，而该数据帧里包含有该GPRS模块所在的汇聚节点的自身数据采集模块所采集到的传感器数据，自身GPS模块的定位数据，局部数据传输结构中相关无线传感器节点的数据采集模块所采集到的传感器数据，GPS模块定位数据，以及相关无线传感器节点对应该汇聚节点的接收信号强度信息；直接进行以上所述数据的分类存储时，上位机所接收到的已经打包的数据是由GPS定位时间作为基准时间的，因此，分类存储时，依然依照该基准时间对所有数据进行分类存储。

本发明提供一种具有混合定位功能的监测无线传感器网络系统及方法，各汇聚节点通过GPRS网络远程无线传输给上位机的数据不仅包括各无线传感器节点及各汇聚节点的传感器数据，同时还包括了具有时间高度一致性的各无线传感器节点及各汇聚节点的GPS定位信息以及如前所述的局部数据传输结构中各无线传感器节点反馈给相应汇聚节点的接收信号强度信息。

上述各无线传感器节点及各汇聚节点的传感器数据，虽然信息量较为巨大，但各无线传感器节点及各汇聚节点在本发明所示的网络拓扑结构中具有不同的ID编号，编号方式类似于附图7所示，以此为基础，各局部数据传输结构的编号也不会重复，除此之外，上位机接收的每包传感器数据均已不同时刻的GPS定位时间作为基准时间，因此，以不同ID编号为主导，通过不同的GPS定位时间，对各无线传感器节点及各汇聚节点的传感器数据使用数据库分类存储。

上述各无线传感器节点及各汇聚节点的GPS定位信息，由于引入了GPS基准站同时使用了以载波相位为观测值的实时动态差分GPS定位方法，此外，由于所有的无线传感器节点以及所有的汇聚节点，是在同一个系统中，小区域范围内高密度部署，所以，从本发明的系统结构考虑，存在的定位误差为系统整体误差，单个GPS定位模块的定位精度较高。因此，除使用类似于存储传感器数据的方法，将GPS定位信息与对应的不同ID编号的传感器数据通过不同的GPS定位时间，使用数据库分类存储外，还可以使用GPS定位系统提供商配套的GPS定位，获取GPS定位信息以及使用如Google Earth的GPS定位进行实时图形化显示，即实现如前所示的，各无线传感器节点以及各汇聚节点的粗略定位。

因为本发明中，所有的无线传感器节点以及所有的汇聚节点都可以依靠自身所携带的GPS定位模块，在GPS基准站的辅助作用下，使用实时动态差分GPS定位方法实现GPS粗略定位，又因为，如之前所述，位于同一侧的汇聚节点及距离该汇聚节点距离最远的无线传感器节点,它们之间的距离应≤60m；与此同时，桥梁监测时，过短距离的大密度无线传感器节点监测是没有实际意义的；以及依据实际中实时动态差分GPS定位技术的定位误差，可以判定，各节点之间的间距是远远大于GPS定位误差的，也正是因此，本发明的各节点相对于其他节点的方位是已知的，即整个粗略定位方法是成立的；又由于，本发明的GPS定位过程是持续的，得到的GPS定位信息也是稳定的，在此基础上，进行精确定位时，只需要计算如附图7中所示的，各无线传感器节点与相关汇聚节点之间的距离即可。

上述局部数据传输结构中各无线传感器节点反馈给相应汇聚节点的接收信号强度信息，主要用于对各无线传感器节点以及各汇聚节点的精确定位，下面结合集体实施方法对其做进一步分析与说明。

由前所述，各无线传感器节点及各汇聚节点通过GPS定位后，其各自坐标都是已知的，且由于各汇聚节点一旦部署之后不会移动位置且不会被撤走，所以依然以桥梁监测为例，以附图7所示的局部数据传输结构为模型，认为在精确定位过程中，如附图3所示，成对的提前安放并固定在桥梁面板两侧的两个汇聚节点的坐标是已知的且是固定不变的，以此为前提，建立无线传感器节点与汇聚节点之间接收信号强度信息与距离信息的数学模型，且由于之前所述，通过GPS模块进行粗略定位后，本发明的各节点相对于其他节点的方位是已知的，由此实现精确定位过程。

建立无线传感器节点与汇聚节点之间接收信号强度信息与距离信息的数学模型，其数学表达式为：其中表示t时刻链接j的接收信号强度，表示t时刻链接j的传输功率，表示t时刻链接j的接收端的放大增益，表示t时刻链接j的1m距离的信号衰减功率，β_t为路径损耗指数，d_j为链接j的发送端与接收端得距离，V_t ^j表示t时刻链接j的测量噪声。

以上所述，表示t时刻链接j的接收信号强度，即汇聚节点接收到的来自于相关无线传感器节点发送的接收信号强度信息。

以上所述，P_t ^j表示t时刻链接j的传输功率，即相关无线传感器节点的传输功率，该功率在本发明建立之初就已经确定，是不随时间改变的。

以上所述，表示t时刻链接j的接收端的放大增益，即汇聚节点的接收放大增益，该增益也是在本发明建立之初就已经确定，是不随时间改变的。

以上所述，表示t时刻链接j的1m距离的信号衰减功率，β_t为路径损耗指数，一般情况下，这两个参量都是时不变的，也是已知的；当本发明工作在复杂环境下时，β_t会随温度和湿度发生变化，但依然是已知的，这种情况下，需要进行大量ZigBee无线模块的长时间测量与训练，建立相关环境、相关无线模块的数据库信息以保证以上数学模型的普遍可用性。

由此，通过以上数学模型及汇聚节点接收到的来自于相关无线传感器节点的接收信号强度信息就可以准确的确定无线传感器节点与相关汇聚节点之间的距离；又因为，在GPS定位阶段已经实现了粗略定位且各无线传感器节点与汇聚节点的方位确定，以相关汇聚节点为圆心，以计算出的无线传感器节点与相关汇聚节点之间的距离为半径画圆，如附图14所示(t时刻同一个无线传感器节点与两个相关汇聚节点之间的距离分别为d₁,d₂)，两个圆的交点便为无线传感器节点的精确定位位置，将这种方法延伸到整个系统，通过计算出d_j＝{d_j|j＝1,…,J}，就可以实现对所有无线传感器节点的精确定位。

Claims (2)

1.一种具有混合定位功能的监测无线传感器网络系统，其特征在于，由无线传感器节点、汇聚节点、基准站、上位机四部分组成，各无线传感器节点任意布置在需要监测的位置，相互之间进行无线通信，最终将所有需要传输的数据发送给汇聚节点，汇聚节点将无线传感器节点传输来的数据进行分类打包，并将自身的可利用信息同时打包，之后再次以无线传输的形式将所有打包好的数据通过GPRS无线模块发送出去，连接在网络上的上位机获得这些数据之后，通过定位算法，对所有采集回来的信息作进一步处理并实现对无线传感器节点以及汇聚节点的数据采集及定位；

无线传感器节点由数据采集模块、数据处理模块、射频模块、GPS定位模块及电源模块组成；

汇聚节点由数据采集模块、数据处理模块、射频模块、GPS定位模块、GPRS模块及电源模块组成；

基准站用于GPS定位的辅助，由GPS天线、GPS接收机、数据处理控制器、无线电发射系统及发射天线、电源模块组成；

上位机部分包含了数据解包，分类存储；传感器数据存储、提取、分析；GPS定位，依次包括节点方位信息确定的粗定位以及通过相应数学模型进行节点距离计算、位置确定的精确定位功能。

2.用权利要求1所述一种具有混合定位功能的监测无线传感器网络系统监测无线传感器的方法，其特征在于以下步骤，

(1)将汇聚节点根据实际的监测环境部署在有效的监测位置；

(2)将无线传感器节点部署在这些无线传感器节点与相关汇聚节点进行有效无线通信的范围内，并将这些无线传感器节点放置在需要获取监测信息的位置，这些已经部署在监测区域内的无线传感器节点与汇聚节点，按照路由协议自组织成为一个网络拓扑结构；

(3)汇聚节点位置确定后，再部署无线传感器节点，打开上位机并接入网络；

(4)进行结构监测时，先进行系统初始化，汇聚节点开机，汇聚节点唤醒自身所有模块，并将连接测试数据通过串口发送给GPRS模块，GPRS模块向上位机发送该连接测试数据，上位机接收到该连接测试数据后发送命令帧，要求汇聚节点向监控区域内所有无线传感器节点发送控制信号，唤醒所有无线传感器节点，并返回链接确认信息，GPRS模块接收到该命令帧后，通过串口将该命令帧发送给汇聚节点的处理器模块，接着汇聚节点通过射频模块向监控区域内所有无线传感器节点发送控制信号，唤醒所有无线传感器节点，并要求返回链接确认信息；当所有汇聚节点接收到所属网络内的无线传感器节点的链接确认信息后，再通过GPRS模块将该链接确认信息发送给上位机，上位机接收之后，系统初始化过程结束；

(5)初始化完成后，进行包括所有汇聚节点和所有无线传感器节点在内的系统GPS定位，由上位机发送命令帧，要求监测区域内所有汇聚节点控制自身GPS定位模块进行节点定位，并将采集到的定位信息通过GPRS模块实时返回给上位机；与此同时，要求监测区域内所有汇聚节点发送控制信号，要求所有与汇聚节点链接的无线传感器节点控制自身GPS定位模块进行节点定位，并将采集到的定位信息实时返回给汇聚节点，之后再由汇聚节点通过GPRS模块实时返回给上位机；

(6)系统GPS定位持续一段时间之后，上位机发送命令帧，要求监控区域内的所有无线传感器节点开始数据采集；无线传感器节点则将采集到的数据传输给汇聚节点后再由汇聚节点通过GPRS模块发送给上位机；此时，GPS定位不停止，且与无线传感器节点的传感器数据采集同时进行，对该数据进行打包处理时，将GPS当前时刻的定位信息与从上一秒GPS定位结束到当前时刻这个时间段内传感器所采集的数据打包在一起，即由GPS定位时间作为传感器数据采集基准时间，并以此类推；

(7)上位机接收到这些数据后，对数据进行分类存储，并借用上位机，实现GPS粗定位、传感器数据采集以及定位算法精确定位；

上述汇聚节点与上位机之间的无线通信采用的是GPRS无线通信技术；

上述无线传感器节点与相关汇聚节点进行有效无线通信，该无线通信采用的是ZigBee无线通信技术；

上述GPRS模块与上位机之间的数据传输，由GPRS模块通过基站将数据传送到Internet网络中，向指定IP地址和开放端口的上位机发送该数据，即要求该上位机具有分网的IP地址和开放的端口；上位机通过Internet网络和基站向GPRS模块发送命令帧。