CN107295545B - 一种无线传感器网络运行状态监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无线传感器网络运行状态监测方法，其中根节点、复杂功能节点和普通功能节点之间采用相同的无线通讯体制进行无线自组网通信，监测节点在无线传感器网络的布放现场不参与组网，通过在各个频点或频段监听其他无线节点发送的无线通讯信息，并向无线传感器网络节点发送查询信息，获取当前网络拓扑或网络状态信息，分析网络构建的合理性，为无线传感器网络的测试和规划提供依据。本发明便于在布放设备时就能获取当前的网络环境，以及掌握某些特定设备在网络中的情况。

Description

一种无线传感器网络运行状态监测方法
技术领域
本发明涉及无线传感器网络技术领域，特别是涉及一种无线传感器网络运行状态监测方法。
背景技术
在无线传感器网络应用中，设备的布放具有移动性和不确定性，网络中各设备的布放位置不集中，散布在不同的物理环境空间。在布放时，或者网络运行过程中，需要知道网络当前的运行状态以及拓扑结构，这可以通过后端运行的服务器和客户端控制程序来获取。但是在实际布放中，前端的实际布放地点离后台服务器可能比较远，不便于在布放时就获取当前的网络环境，以及掌握某些特定设备在网络中的情况。
申请号为201710047973.4的发明专利，传感器网络异常数据检测方法与系统，公开了一种传感器网络异常数据检测方法，该方法通过对无线传感器网络本身传输的数据进行时间和空间相关检验，用于判断网络中传输的异常数据，其是从业务层出发对业务数据本身进行检测，而非网络自身的运行状态。
申请号为201110003287.X的发明专利，无线传感器网络数据监测，通过以部分无线传感器网络节点为中心，向一定距离范围内的节点发送广播信息，对本区域内的传感器监测信息进行判别，是否出现异常，其也是从业务层出发对监测数据本身进行监测。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种无线传感器网络运行状态监测方法，便于在布放设备时就能获取当前的网络环境，以及掌握某些特定设备在网络中的情况。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种无线传感器网络运行状态监测方法，所述网络中包括四种无线节点，分别为：用于负责网络管理与信息汇聚的根节点、具有路由和网络管理能力的复杂功能节点、普通功能节点和用于监测网络运行状态的监测节点，所述根节点、复杂功能节点和普通功能节点之间采用相同的无线通讯体制进行无线自组网通信，所述监测节点在无线传感器网络的布放现场不参与组网，通过在各个频点或频段监听其他无线节点发送的无线通讯信息，并向无线传感器网络节点发送查询信息，获取当前网络拓扑或网络状态信息，分析网络构建的合理性，为无线传感器网络的测试和规划提供依据。
所述无线通讯信息包括源设备编号、目的设备编号、源设备的网络级别、目的设备的网络级别、源设备发射功率、源设备的子设备数量、数据包重复发送次数以及监测节点接收到的信号强度。
所述监测节点布放到固定的监测位置后，将多个可用的通信频点或频段进行固定顺序排序或者随机排序，依次在各个频点或频段进行监听，每个频点或频段的监听时间为T；在T时间内，若能够收到有效的数据信息，则表明该频点或频段被当前的无线传感器网络使用；若无法解析出有用信息，则根据预设的噪声信号平均值门限、噪声容忍门限值和噪声容忍门限最大持续时间对当前位置噪声信号强度进行评估。
所述监测节点对当前位置噪声信号强度进行评估具体包括以下子步骤：
(A)统计在T时间内的噪声信号强度，并计算噪声信号强度平均值；
(B)统计在T时间内噪声信号强度大于噪声容忍门限值的持续时间；
(C)若噪声信号强度平均值小于预设的噪声信号平均值门限，且噪声信号强度大于噪声容忍门限值的持续时间小于噪声容忍门限最大持续时间，则判定该频点或频段属于待评估频点或频段；否则判定为受干扰频点或频段。
当监测节点判定频点或频段为待评估频点或频段后，主动在该频点或频段发送携带验证特征信息的网络查询指令；若监测节点收到在该频点或频段中保持静默的基站或中心基站回复的自身节点相关的网络状态信息，则判定该频点或频段被有效占用；若监测节点未收到有效数据，则判定该频点或频段在本位置区域为空闲状态。
所述网络状态信息包括设备编号、网络级别、设备发射功率、子设备数量、上行链路质量、下行链路质量以及收到监测节点发来的信号强度。
所述监测节点收集出无线传感器网络布设区域不同地点的网络拓扑连接情况，分析出各无线网络节点的相互依存关系，分析网络拥塞程度和网络的有效覆盖范围。
所述无线节点能够发现可选通信频段或频点内的干扰噪声或信号，并给出接收到的噪声或信号强度。
各无线节点支持基于设备互相认证的查询，只有通过认证的节点才能注册、入网或相互访问。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明通过监测节点依次在各个频点或频段监听无线节点发送的无线通讯信息，并向无线传感器网络节点发送查询信息，获取当前网络拓扑或网络状态信息，分析网络构建的合理性，本发明便于在布放设备时就能获取当前的网络环境，以及掌握某些特定设备在网络中的情况，有利于无线传感器网络的测试与规划。
附图说明
图1是本发明实施方式中的无线传感器网络布设组网示意图；
图2是本发明实施方式中利用监测节点监测网络运行状态示意图；
图3是本发明实施方式中利用监测信息重新规划网络布设示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种无线传感器网络运行状态监测方法，所述网络中包括四种无线节点，分别为：用于负责网络管理与信息汇聚的根节点、具有路由和网络管理能力的复杂功能节点、普通功能节点和用于监测网络运行状态的监测节点，所述根节点、复杂功能节点和普通功能节点之间采用相同的无线通讯体制进行无线自组网通信，所述监测节点在无线传感器网络的布放现场不参与组网，通过在各个频点或频段监听其他无线节点发送的无线通讯信息，并向无线传感器网络节点发送查询信息，获取当前网络拓扑或网络状态信息，分析网络构建的合理性，为无线传感器网络的测试和规划提供依据。
如图1所示，在无线传感器网络中包含了多个具有不同功能的无线节点，包括：具有网络管理与信息汇聚的根节点(中心基站1)；具有路由和网络管理能力的复杂功能节点(基站2)，在图1中分别是2_1，2_2和2_3；普通功能节点(端机3)。各无线节点支持基于设备互相认证的查询，只有通过认证的节点才能注册、入网或相互访问。
中心基站1选择合适的通信频点或频段F1后，允许基站和端机作为子设备注册组网。基站注册组网后，也可选择合适的通信频点或频段，允许其他基站和端机作为子设备注册组网。端机选择合适的中心基站或基站注册组网。
图1实例中，中心基站1选择了基站2_1和2_3，以及一个端机作为自己的子设备，这些子设备的网络级别为1，中心基站的网络级别为0。
基站2_3选择的通信频段或频点是F3，并挂载了1个端机作为子设备，该端机的网络级别为2；基站2_1选择的通信频段或频点是F2，并挂载了7个端机和1个基站2_2作为子设备，这7个端机和1个基站的的网络级别为2。
基站2_2选择的通信频段或频点是F0，并挂载了3个端机作为子设备，这3个端机的网络级别为3。
同时，在无线传感器网络布设现场，可能存在干扰，在图1中，干扰源4在频点或频段F4施放无线干扰信号。
如图2所示，说明利用监测节点监测无线传感器网络运行状态的方法。监测节点5不参与组网，在无线传感器网络的布放现场，监测节点5在各个频点或频段监听无线节点发送的无线通讯信息，并向无线传感器网络节点发送查询信息，获取当前网络拓扑或网络状态信息，分析网络构建的合理性，为无线传感器网络的测试和规划提供依据。
无线传感器网络中的中心基站1，基站2_1，2_2和2_3，端机3以及监测节点5的通信频段或频点可调，能够发现可选通信频段或频点内的干扰噪声或信号，并给出接收到的噪声或信号强度。
选择固定的监测位置后，监测节点5将多个通信频点或频段F0，F1，F2……Fn(n为可用的频点或频段数量)进行固定顺序排序或者随机排序，依次在上述频点或频段进行监听，每个频点或频段的监听时间为T。
在T时间内，对频点或频段Fi(i＝0,1,2….n)监听，若能够收到有效的数据信息，表明频点或频段Fn被当前的无线传感器网络使用。
在图2中，监测节点5在基站2_2附近，在F0频点或频段监听到基站2_2和3个子设备以及上级设备基站2_1的通信信息，获取到每次通信的源设备编号IDsrc，目的设备编号IDdst，源设备的网络级别Rsrc，目的设备的网络级别Rdst，源设备发射功率Psrc，源设备的子设备数量CH，数据包重复发送次数DSnum以及监测节点接收到的信号强度RSSIdata等。根据以上信息，判断基站2_2的网络级别为2，携带3个子设备均为端机，上级设备是基站2_1，根据并根据数据包重复发送次数DSnum判断通信链路质量，根据源设备发射功率Psrc与接收到的信号强度RSSIdata的差值(Psrc-RSSIdata)，得到各发射源设备到监测节点的无线链路损耗等网络布设现场信息。
同理，监测节点5在基站2_1附近监听，判断基站2_1的网络级别为1，携带的子设备包括1个基站2_2和7个端机，上级设备是中心基站1，根据并根据数据包重复发送次数DSnum判断通信链路质量，根据源设备发射功率Psrc与接收到的信号强度RSSIdata的差值(Psrc-RSSIdata)得到各发射源设备到监测节点的无线链路损耗。
在T时间内，对频点或频段Fi(i＝0,1,2….n)监听，若无法解析出有用信息，则根据预设的噪声信号平均值门限RSSInoise_avr_lmt，噪声容忍门限值RSSInoise_Acc_lmt，噪声容忍门限最大持续时间Tnoise_Acc_lmt对当前位置噪声信号强度进行评估，具体评估方法如下：
1)统计在T时间内的噪声信号强度，并计算噪声信号强度平均值RSSInoise_avr；
2)统计在T时间内噪声信号强度大于噪声容忍门限值RSSInoise_Acc_lmt的持续时间Tabove_noise_Acc；
3)若RSSInoise_avr＜RSSInoise_avr_lmt，且Tabove_noise_Acc＜Tnoise_Acc_lmt，则判定该频点或频段Fi属于待评估频点或频段；否则判定为受干扰频点或频段。
例如在图2中，监测节点5在干扰源4附近，在频点或频段F4监测到噪声信号平均值大于平均值门限RSSInoise_avr_lmt，或者，在T时间内噪声信号大于噪声容忍门限值RSSInoise_Acc_lmt的持续时间超过了噪声容忍门限最大持续时间Tnoise_Acc_lmt，所以判断在该区域频点或频段F4存在干扰。
当监测节点判定频点或频段Fi为待评估频点或频段Fi后，主动在该频点或频段Fi发送携带验证特征信息的网络查询指令：
1)若在本频点或频段Fi存在保持静默的基站或中心基站，对监测节点发送的信息进行验证，验证通过后，回复给监测节点和本节点相关的网络状态信息，包括设备编号ID，网络级别R，设备发射功率Psrc，子设备数量CH，上行链路质量Quplink，下行链路质量Qdwnlink以及收到监测节点发来的信号强度RSSIsurvey等；监测节点判定频点或频段Fi被有效占用；
2)若监测节点未收到有效数据，则判定本频点或频段Fi在本位置区域为空闲状态。
例如在图2中，监测节点5在基站2_3附近，在频点或频段F3监测时，因为基站2_3处于静默态，监测节点5监测到噪声信号平均值小于平均值门限RSSInoise_avr_lmt，并且在T时间内噪声信号大于RSSInoise_Acc_lmt的持续时间Tabove_noise_Acc小于噪声容忍门限最大持续时间Tnoise_Acc_lmt，所以监测节点5判定频点或频段F3为待评估评点，于是监测节点5在频点或频段F3以功率Psurvey发送查询指令。基站2_3对收到的查询指令进行验证后，回复自身的网络状态信息，包括设备编号ID，网络级别R，设备发射功率Psrc，子设备数量CH，上行链路质量Quplink，下行链路质量Qdwnlink以及收到监测节点发来的信号强度RSSIsurvey等。监测节点5收到基站2_3回复的网络状态信息，接收到该信息的信号强度为RSSIack，并根据该信息判断基站2_3的网络级别为1，携带了1个端机子设备，上级设备是中心基站1；监测节点根据上述参数，利用(Psrc-RSSIack)的差值和(Psurvey-RSSIsurve)的差值，得到基站2_3到监测节点的双向无线链路损耗。
通过监测节点5监测出无线传感器网络布设区域的频点或频段的占用情况和受干扰情况；收集出无线传感器网络布设区域不同地点的网络拓扑连接情况，分析出各无线网络节点的相互依存关系，分析网络拥塞程度，网络的有效覆盖范围等，并对无线传感器网络进行重新规划。如图3所示，根据监测节点获取的监测信息，调整网络部署，减小基站2_1周围的设备数量，增加基站2_3周围布设的设备数量，同时划定干扰区A的范围，在该区域内频点或频段F4存在干扰。

Claims (8)

1.一种无线传感器网络运行状态监测方法，所述网络中包括四种无线节点，分别为：用于负责网络管理与信息汇聚的根节点、具有路由和网络管理能力的复杂功能节点、普通功能节点和用于监测网络运行状态的监测节点，所述根节点、复杂功能节点和普通功能节点之间采用相同的无线通讯体制进行无线自组网通信，其特征在于，所述监测节点在无线传感器网络的布放现场不参与组网，通过在各个频点或频段监听其他无线节点发送的无线通讯信息，并向监听的其他无线节点发送查询信息，获取当前网络拓扑或网络状态信息，分析出各无线网络节点的相互依存关系，分析网络拥塞程度和网络的有效覆盖范围，为无线传感器网络的测试和规划提供依据。
2.根据权利要求1所述的无线传感器网络运行状态监测方法，其特征在于，所述无线通讯信息包括源设备编号、目的设备编号、源设备的网络级别、目的设备的网络级别、源设备发射功率、源设备的子设备数量、数据包重复发送次数以及监测节点接收到的信号强度。
3.根据权利要求1所述的无线传感器网络运行状态监测方法，其特征在于，所述监测节点布放到固定的监测位置后，将多个可用的通信频点或频段进行固定顺序排序或者随机排序，依次在各个频点或频段进行监听，每个频点或频段的监听时间为T；在T时间内，若能够收到有效的数据信息，则表明该频点或频段被当前的无线传感器网络使用；若无法解析出有用信息，则根据预设的噪声信号平均值门限、噪声容忍门限值和噪声容忍门限最大持续时间对当前位置噪声信号强度进行评估。
4.根据权利要求3所述的无线传感器网络运行状态监测方法，其特征在于，所述监测节点对当前位置噪声信号强度进行评估具体包括以下子步骤：
(A)统计在T时间内的噪声信号强度，并计算噪声信号强度平均值；
(B)统计在T时间内噪声信号强度大于噪声容忍门限值的持续时间；
(C)若噪声信号强度平均值小于预设的噪声信号平均值门限，且噪声信号强度大于噪声容忍门限值的持续时间小于噪声容忍门限最大持续时间，则判定该频点或频段属于待评估频点或频段；否则判定为受干扰频点或频段。
5.根据权利要求3所述的无线传感器网络运行状态监测方法，其特征在于，当监测节点判定频点或频段为待评估频点或频段后，主动在该频点或频段发送携带验证特征信息的网络查询指令；若监测节点收到在该频点或频段中保持静默的基站或中心基站回复的自身节点相关的网络状态信息，则判定该频点或频段被有效占用；若监测节点未收到有效数据，则判定该频点或频段在本位置区域为空闲状态。
6.根据权利要求5所述的无线传感器网络运行状态监测方法，其特征在于，所述网络状态信息包括设备编号、网络级别、设备发射功率、子设备数量、上行链路质量、下行链路质量以及收到监测节点发来的信号强度。
7.根据权利要求1所述的无线传感器网络运行状态监测方法，其特征在于，所述无线节点能够发现可选通信频段或频点内的干扰噪声或信号，并给出接收到的噪声或信号强度。
8.根据权利要求1所述的无线传感器网络运行状态监测方法，其特征在于，各无线节点支持基于设备互相认证的查询，只有通过认证的节点才能注册、入网或相互访问。
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