CN112954727A - 一种隧道无线传感网络通信方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种隧道无线传感网络通信方法及系统，方法包括：为隧道无线传感网络中的网络节点配置梯级信息，构建梯田通信势能模型，其中，具有相同所述梯级信息的所述网络节点数量为至少两个，具有相同所述梯级信息的所述网络节点均能与下一级所述梯级信息对应的所有所述网络节点直接通信；通过所述梯田通信势能模型，对隧道风机的运行工况进行轮询监测。能够提升现有隧道无线传感网络的数据传输效率。

Description

一种隧道无线传感网络通信方法及系统

技术领域

本申请涉及通信技术领域，尤其涉及一种隧道无线传感网络通信方法及系统。

背景技术

在隧道通信应用中，传统分布式测试系统往往采用技术成熟、应用广泛的RS485总线(定义平衡数字多点系统中的驱动器和接收器的电气特性的标准)构建系统内部的通讯，需要布设线缆。对于已经投入运营的隧道，由于布线难度较大且施工成本高、周期长等制约着已运营隧道内机电设备的智能化升级改造。

为解决已运营隧道内机电设备的智能化升级改造受到布线相关的限制，测试系统的通信方式可以选择无线传感网络(WSN，Wireless SensorNetwork)。但是WSN的数据传输效率较低，尤其针对变化很快的信号，对应的采样率较高，WSN的网络节点会产生大量的数据，容易发生数据传递的延时或者网络数据的数据拥塞。

发明内容

本申请实施例提供一种隧道无线传感网络通信方法及系统，能够提升现有隧道无线传感网络的数据传输效率。

第一方面，一种隧道无线传感网络通信方法，包括：

为隧道无线传感网络中的网络节点配置梯级信息，构建梯田通信势能模型，其中，具有相同所述梯级信息的所述网络节点数量为至少两个，具有相同所述梯级信息的所述网络节点均能与下一级所述梯级信息对应的所有所述网络节点直接通信；

通过所述梯田通信势能模型，对隧道风机的运行工况进行轮询监测。

在一种可行的实施方式中，在所述为隧道无线传感网络中的网络节点配置梯级信息，构建梯田通信势能模型的步骤之前，包括：

为所述隧道无线传感网络中的网络节点配置网段号，其中，相同所述网段号对应的所述网络节点能够实现相互通信；

选择任一所述网络节点，将该网络节点的属性设置为协调器节点；

为所述协调器节点配置协调器地址，以及为其他所述网络节点配置网络节点地址，其中，不同所述网络节点的所述网络节点地址不同，所述协调器地址与所述网络节点地址不同；

将具有相同所述网段号的所述网络节点的目标地址设置为所述网段号对应的所述协调器地址。

在一种可行的实施方式中，所述为隧道无线传感网络中的网络节点配置梯级信息，构建梯田通信势能模型的步骤，包括：

所述网络节点向周围的其他所述网络节点广播自身的所述梯级信息，同时接收周围的其他所述网络节点广播的所述梯级信息，若所述网络节点能够接收到所有所述梯级信息为n级的所述网络节点发出的所述梯级信息，则确定所述网络节点的梯级信息为n+1级，其中，所述协调器节点的所述梯级信息为0级。

在一种可行的实施方式中，所述通过所述梯田通信势能模型，对隧道风机的运行工况进行轮询监测的步骤，包括：

通过所述梯田通信势能模型，按照设定间隔时间，依次向所述网络节点发送轮询短命令；

根据所述轮询短命令，所述网络节点应答对应的所述隧道风机的运行工况。

在一种可行的实施方式中，所述通过所述梯田通信势能模型，对隧道风机的运行工况进行轮询监测的步骤，还包括：

根据所述网络节点应答的所述隧道风机的运行工况，向所述网络节点发送数据传输指令，以调取所述网络节点对应的传感器上存储的所述隧道风机的运行工况数据。

在一种可行的实施方式中，所述根据所述网络节点应答的所述隧道风机的运行工况，向所述网络节点发送数据传输指令，以调取所述网络节点对应的传感器上存储的所述隧道风机的运行工况数据的步骤，包括：

根据所述网络节点应答的所述隧道风机的运行工况，向所述网络节点发送预备传输指令；

所述网络节点根据所述预备传输指令，判断所述隧道无线传感网络的当前网络状态；

根据所述隧道无线传感网络的当前网络状态，调整需要上传的数据包长度。

在一种可行的实施方式中，所述根据所述隧道无线传感网络的当前网络状态，调整需要上传的数据包长度的步骤，包括：

根据所述隧道无线传感网络的当前网络状态，确定首包数据的长度；

上传所述首包数据；

根据所述首包数据传输到达的响应时间，判断所述隧道无线传感网络的当前网络状态；

根据所述隧道无线传感网络的当前网络状态，确定下一个数据包的长度，直至所有所述数据包上传完成。

在一种可行的实施方式中，所述隧道无线传感网络的当前网络状态包括标准可用、良好和优秀；

所述根据所述隧道无线传感网络的当前网络状态，调整需要上传的数据包长度的步骤，包括：

如果所述隧道无线传感网络的当前网络状态为良好或者优秀，增加需要上传的数据包长度。

在一种可行的实施方式中，所述通过所述梯田通信势能模型，对隧道风机的运行工况进行轮询监测的步骤，还包括：

通过所述梯田通信势能模型，按照设定频率，向所述网络节点发出数据采集指令；

根据所述数据采集指令，所述网络节点通知对应的传感器采集所述隧道风机的当前运行工况数据；

所述网络节点上传所述传感器采集到的所述隧道风机的所述当前运行工况数据。

第二方面，一种隧道无线传感网络通信系统，包括：上位机和和隧道无线传感网络，所述隧道无线传感网络包括多个网络节点；

所述上位机用于为所述隧道无线传感网络中的所述网络节点配置梯级信息，以构建梯田通信势能模型，以及通过所述梯田通信势能模型，对隧道内风机的运行工况进行轮询监测。

本申请实施例提供的隧道无线传感网络通信方法及系统，利用网络节点的长条形分布，构建一种梯田通信势能模型，在梯田通信势能模型中，每个梯级上的网络节点的数量为至少两个，每个梯级上的所有网络节点具有相同的通信势能，每个梯级上的所有网络节点均能与下一级梯级上的网络节点直接通信，因此，能够实现通信指令或者传输数据的逐级传递或传输。针对目前WSN网络的星型网络拓扑结构，即由于WSN网络会受到通信距离的限制，通信指令或传输数据需要经过多个网络节点的转发，通常是逐个网络节点的转发，网络节点将通信指令或传输数据转发给下一个临近的网络节点，该种网络拓扑结构则是星型分布的，容易造成通信指令或传输数据转发次数较多，当转发变化很快的信号时，对应的采样率较高，WSN的网络节点会产生大量的数据，现有的网络通信结构容易发生数据传递的延时或者网络数据的数据拥塞，导致数据传输的效率较低。本申请实施例提供的隧道无线传感网络通信方法，采用梯田通信势能模型，将隧道中的所有网络节点配置为不同梯级，能够实现通信指令或者传输数据的逐级传递或传输，每个梯级包括至少两个网络节点，每个梯级上只要有一个网络节点进行通信指令或者传输数据的转发即可，可以避免通信指令或者传输数据按照逐个网络节点转发的情况发生，能够较大程度减少通信指令或者传输数据的转发次数，进而提高隧道无线传感网络的数据传输效率。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种隧道无线传感网络通信方法的示意性流程图；

图2为本申请实施例提供的一种网络节点的分布示意图；

图3为本申请实施例提供的一种梯田通信势能模型的示意图；

图4为本申请实施例提供的一种梯田通信势能模型的通信模式示意图；

图5为本申请实施例提供的一种数据包传输流程示意图；

图6为本申请实施例提供的一种隧道无线传感网络通信系统的示意性结构框图；

图7为本申请实施例提供的一种测试环境无线传感网络拓扑示意图；

图8为本申请实施例提供的一种能量均衡路由算法的通信拓扑、路径树统计、节点转发直方图和跳数统计直方图；

图9为本申请实施例提供的一种梯田通信势能模型的拓扑示意图；

图10为本申请实施例提供的一种梯田通信路由算法的通信拓扑、路径树统计、节点转发直方图、跳数统计直方图；

图11为本申请实施例提供的一种最简测试模型的示意图；

图12为本申请实施例提供的一种数据包为400字节的传输时间测试界面。

具体实施方式

为了更好的理解本说明书实施例提供的技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本说明书实施例的技术方案做详细的说明，应当理解本说明书实施例以及实施例中的具体特征是对本说明书实施例技术方案的详细的说明，而不是对本说明书技术方案的限定，在不冲突的情况下，本说明书实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。术语“两个以上”包括两个或大于两个的情况。

目前，为解决已运营隧道内机电设备的智能化升级改造受到布线相关的限制，测试系统的通信方式可以选择无线传感网络。但是WSN的数据传输效率较低，尤其针对变化很快的信号，对应的采样率较高，WSN的网络节点会产生大量的数据，容易发生数据传递的延时或者网络数据的数据拥塞。

有鉴于此，本申请实施例提供一种隧道无线传感网络通信方法及系统。第一方面，图1为本申请实施例提供的一种隧道无线传感网络通信方法的示意性流程图。如图1所示，本申请实施例提供的隧道无线传感网络通信方法，包括：

S100：为隧道无线传感网络中的网络节点配置梯级信息，构建梯田通信势能模型，其中，具有相同梯级信息的网络节点数量为至少两个，具有相同梯级信息的网络节点均能与下一级梯级信息对应的所有网络节点直接通信。具有相同梯级信息的网络节点的网络势能相等，不同梯级的网络节点的网络势能不同，各个梯级的网络节点最后构成一种梯田状的通信势能网络架构，即梯田通信势能模型。

S200：通过梯田通信势能模型，对隧道风机的运行工况进行轮询监测。

容易理解的是，隧道内通常安装有多个隧道风机(也称隧道射流风机、射流风机等)，隧道风机主要是用来把隧道中车的废气置换出来，隧道风机一般悬挂在隧道顶部或两侧。隧道风机的运行工况关系着整个隧道的使用安全，因此需要对隧道风机的运行工况进行轮询监测。示例性的，如果每两个隧道风机为一组隧道风机，每个隧道风机上的不同位置部署有多个传感器，传感器能够感测到隧道风机的运行情况，传感器可以采用三轴加速度传感器，每个三轴加速度传感器具有三个维度的感应数据，即具有三个数据采集通道。每组隧道风机可以设置一个网络节点，网络节点可以用于向上位机传输三轴加速度传感器采集到的数据，或者用于根据上位机的指令向三轴加速度传感器下发数据采集指令等。通常隧道风机的运行状态有四个，分别是：运行状态、关机状态、开机过程状态和关机过程状态。示例性的，如果每个隧道风机上安装有5个三轴加速度传感器，则每个隧道风机结构体共有15个数据采集通道可以进行数据的同步采集，则每个网络节点具有30个数据采集通道。示例性的，如果数据采样率是5KHz/s，则单次1s时长将产生300KBytes的数据。另外，由于隧道的长条形，设置在隧道内隧道风机也是长条形分布，因此，网络节点也随之设置为长条形分布。步骤S100和步骤S200的执行主体可以是上位机中的设定程序，关于设定程序本申请不作具体限定。

本申请实施例提供的隧道无线传感网络通信方法，利用网络节点的长条形分布，构建一种梯田通信势能模型，在梯田通信势能模型中，每个梯级上的网络节点的数量为至少两个，每个梯级上的所有网络节点具有相同的通信势能，每个梯级上的所有网络节点均能与下一级梯级上的网络节点直接通信，因此，能够实现通信指令或者传输数据的逐级传递或传输。针对目前WSN网络的星型网络拓扑结构，即由于WSN网络会受到通信距离的限制，通信指令或传输数据需要经过多个网络节点的转发，通常是逐个网络节点的转发，网络节点将通信指令或传输数据转发给下一个临近的网络节点，该种网络拓扑结构则是星型分布的，容易造成通信指令或传输数据转发次数较多，当转发变化很快的信号时，对应的采样率较高，WSN的网络节点会产生大量的数据，现有的网络通信结构容易发生数据传递的延时或者网络数据的数据拥塞，导致数据传输的效率较低。本申请实施例提供的隧道无线传感网络通信方法，采用梯田通信势能模型，将隧道中的所有网络节点配置为不同梯级，能够实现通信指令或者传输数据的逐级传递或传输，每个梯级包括至少两个网络节点，每个梯级上只要有一个网络节点进行通信指令或者传输数据的转发即可，可以避免通信指令或者传输数据按照逐个网络节点转发的情况发生，能够较大程度减少通信指令或者传输数据的转发次数，进而提高隧道无线传感网络的数据传输效率。

在一种可行的实施方式中，具有相同梯级信息的网络节点的数量可以是4个、6个或更多，具体数量由隧道无线传感网络的通信距离能力决定，本申请不作具体限定。隧道无线传感网络的通信距离能力越强，具有相同梯级信息的网络节点的数量也越多，能够进一步减少通信指令或者传输数据的转发次数，更好的提高隧道无线传感网络的数据传输效率，进一步避免发生数据传递的延时或者网络数据的数据拥塞。

在一种可行的实施方式中，在步骤S100之前，可以包括：

为隧道无线传感网络中的网络节点配置网段号，其中，相同网段号对应的网络节点能够实现相互通信。不同网段号下的网络节点不能通信，一个隧道可以根据具体长度或者宽度设置适配数量的网段号。

选择任一网络节点，将该网络节点的属性设置为协调器节点。图2为本申请实施例提供的一种网络节点的分布示意图。如图2所示，可以选择位于隧道一端的网络节点作为协调器节点，其他所有网络节点呈矩形条分布，本申请不作具体限定。

为协调器节点配置协调器地址(例如，FFFE)，以及为其他网络节点配置网络节点地址，其中，不同网络节点的网络节点地址不同，协调器地址与网络节点地址不同。

将具有相同网段号的网络节点的目标地址设置为网段号对应的协调器地址。同一个网段号下的协调器节点是该网段号下所有网络节点应答信息的最终目标，也是下发指令或请求的源头。协调器节点通常可以用于通信连接各个网络节点和上位机。

本申请实施例提供的隧道无线传感网络通信方法，通过网络地址的配置，建立各个网络节点以及网路节点与协调器节点的通信连接。

在一种可行的实施方式中，步骤S100，可以包括如下步骤：

网络节点向周围的其他网络节点广播自身的梯级信息，同时接收周围的其他网络节点广播的梯级信息，若网络节点能够接收到所有梯级信息为n级的网络节点发出的梯级信息，则确定网络节点的梯级信息为n+1级，其中，协调器节点的梯级信息为0级。n可以是大于等于1的任意自然数，同一个协调器节点下可以有n个或大于n个的梯级。

示例性的，图3为本申请实施例提供的一种梯田通信势能模型的示意图。如图3所示，协调器节点的梯级信息为0级，协调器节点可以最先向周围的网络节点广播初始化信息，初始化信息包括协调器节点的自身梯级信息(0级)。受到通信距离的限制，只有满足一定通信距离的网络节点能够接收到此初始化信息，能够接收到初始化信息的网络节点首先将自己的梯级信息设定为1级，如图3所示的，网络节点1、网络节点2、网络节点3和网络节点4的梯级信息为1级。任意完成梯级信息配置为1级的网络节点，例如网络节点3可以向周围广播自己的初始化信息(包括自己的梯级信息)，示例性的，网络节点1、网络节点2、网络节点4、网络节点5、网络节点6、网络节点7、网络节点8和网络节点9收到该初始化信息，其中，网络节点1、网络节点2和网络节点4发现自己的梯级信息与网络节点3的梯级信息相同，则放弃该初始化信息；而网络节点5、网络节点6、网络节点7、网络节点8和网络节点9则将自己的梯级信息设置为2级。同理，如果网络节点4向周围广播自己的初始化信息(包括自己的梯级信息)，示例性的，网络节点1、网络节点2、网络节点3、网络节点5、网络节点6、网络节点7、网络节点8和网络节点10收到该初始化信息，其中，网络节点1、网络节点2和网络节点3发现自己的梯级信息与网络节点4的梯级信息相同，则放弃该初始化信息；而网络节点5、网络节点6、网络节点7、网络节点8和网络节点10则将自己的梯级信息设置为2级。当所有的梯级信息为1级的网络节点初始化完成后，由于网络节点3添加上了网络节点9，网络节点4添加上了网络节点10，由于距离限制，网络节点1和网络节点2并不能直接联系上网络节点9和网络节点10，此时，所有梯级信息为1级的网络节点将各自发现的梯级信息为2级的网络节点地址上报给协调器节点，由于网络节点9只与网络节点3直接连接，网络节点10只与网络节点4直接连接，网络节点9和网络节点10不能同时与所有梯级信息为1级的网络节点直接连接，此时，协调器节点裁决网络节点9和网络节点10的梯级信息为3级，且协调器节点通过网络节点3将裁决结果发给网络节点9，通过网络节点4将协调结果发给网络节点10。以此类推，直至所有网络节点的梯级信息配置完成，则构建出一个梯田通信势能模型。

示例性的，图4为本申请实施例提供的一种梯田通信势能模型的通信模式示意图。结合图3和图4，当上位机下发一个数据采集指令给网络节点16时，通过协调器节点，将此数据采集指令依次经过梯级信息为1级的网络节点3、梯级信息为2级的网络节点8和梯级信息为3级的网络节点11的转发，最后到达网络节点16。其中，转发过程中的梯级信息为1级的网络节点3、梯级信息为2级的网络节点8和梯级信息为3级的网络节点11均是随机抽取选择出来的，也可以依次是网络节点4、网络节点7和网络节点12，最后网络节点12将数据采集指令发送给网络节点16，本申请不作具体限定。

当梯田通信势能模型构建完成后，所有网络节点的路由表仅需要维护其上一梯级和下一梯级的网络节点，相同梯级的网络节点不进入自身的路由表内。由于各网络节点均为在线供电且具有后备电池，可以不考虑WSN通信能耗均衡。每个网路节点均下设有传感器，上位机可以通过巡检的方式及时发现网路节点失效。同时，所有网络节点固定安装，路由算法可以不考虑网络节点失效和拓扑动态重建问题，只考虑数据传输效率的因素即可。示例性的，继续参考图3和图4，当上位机通过协调器节点发布采集指令时，目标为网络节点16，协调器节点发起针对网络节点16的定向请求，随机选择1级梯级信息的某个网络节点(例如是网络节点3)，网络节点3发现网络节点16不在其下一梯级的路由表中，因此需要在下一梯级的路由表中随机选择一个网络节点(例如是网络节点8)，同理，网络节点8随机转发给网络节点11，网络节点11转发给网络节点16。网络节点16回复该请求的响应时，过程相反，凡是不在相邻梯级上的网络节点均为随机抽取的非竞争关系，可以保证同一势能梯级内各个网络节点的通信均衡。

本申请实施例提供的隧道无线传感网络通信方法，示例性的设置每个梯级上的网络节点数量为4个，从协调器节点开始逐级配置网络节点的梯级信息，能够实现通信指令或者传输数据的逐级传递或传输，每个梯级上只要有一个网络节点进行通信指令或者传输数据的转发即可，可以避免通信指令或者传输数据按照逐个网络节点转发的情况发生，能够较大程度减少通信指令或者传输数据的转发次数，进而提高隧道无线传感网络的数据传输效率。另外还可以实现同一梯级上各个网络节点的通信均衡性，达到耗能均衡，可以使得各个网络节点的剩余寿命比较均衡，避免某个网络节点的寿命率先耗尽，其余网络节点剩余生命较多的情况发生，从而导致整个隧道无线传感网络的缺陷问题。

在一种可行的实施方式中，步骤S200，可以包括：

通过梯田通信势能模型，按照设定间隔时间，依次向网络节点发送轮询短命令。该步骤执行主体可以是上位机，设定间隔时间可以是2min，即每间隔两分钟发出一个轮询短命令至一个网络节点。

根据轮询短命令，网络节点应答对应的隧道风机的运行工况。上位机发出轮询短命令，网络节点应答对应隧道风机的运行工况的过程，可以看作是测试公网以及隧道无线传感网络的通信状态，可以避免发生断网。

在一种可行的实施方式中，通过所述梯田通信势能模型，对隧道风机的运行工况进行轮询监测的步骤，还包括：

根据网络节点应答的所述隧道风机的运行工况，向网络节点发送数据传输指令，以调取网络节点对应的传感器上存储的隧道风机的运行工况数据。数据传输指令可以是上位机发出的。

示例性的，隧道风机的运行状态有四个，分别是：运行状态、关机状态、开机过程状态和关机过程状态。如果网络节点上报隧道风机发生有开机过程事件、关机过程事件，又或者隧道风机处于运行状态、关机状态，上位机可以根据网络节点的应答可以向网络节点发送数据传输指令，以调取隧道风机发生的开机过程事件数据或者关机过程事件数据，又或者隧道风机处于运行状态的运行数据、处于关机状态的关机数据。在对隧道风机的运行工况进行轮询检测的过程中，每个网络节点会上报各自对应的隧道风机的运行状态，当发现任意网络节点上报有隧道风机发生有开机过程事件、关机过程事件、处于运行状态或者关机状态，说明对应的隧道风机有发生过开机或者关机的过程、正在运行或者正处于关机状态，上位机需要对该隧道风机发生的开机、关机过程的数据、运行数据或者关机数据进行分析，判断该隧道风机是否发生异常情况等。此时，上位机会通过协调器节点向对应的网络节点定向发送数据传输指令，以调取隧道风机运行工况的数据。传感器对于隧道风机运行情况的数据采集，每次采集时长可以是1s，每次采集可以获得隧道风机转动的25个周期的数据，能够满足后台数据处理和故障识别的要求。

本申请实施例提供的隧道无线传感网络通信方法，通过按照设定间隔时间向网络节点发送轮询短命令，对隧道风机的运行工况进行轮询检测，可以代替心跳测试，从而避免产生大量冗余数据并可以减少后期数据清洗的工作，还可以降低能耗。

在一种可行的实施方式中，根据网络节点应答的隧道风机的运行工况，向网络节点发送数据传输指令，以调取网络节点对应的传感器上存储的隧道风机的运行工况数据的步骤，包括：

根据网络节点应答的隧道风机的运行工况，向网络节点发送预备传输指令。预备传输指令可以是上位机发送的。

网络节点根据预备传输指令，判断隧道无线传感网络的当前网络状态。

根据隧道无线传感网络的当前网络状态，调整需要上传的数据包长度。

在一种可行的实施方式中，隧道无线传感网络的当前网络状态可以包括标准可用、良好和优秀；

如果隧道无线传感网络的当前网络状态为良好或者优秀，增加需要上传的数据包长度。

本申请实施例提供的隧道无线传感网络通信方法，当总数据量固定时，发送数据包的个数越少，则数据的传输效率越高，根据隧道无线传感网络的当前网络状态，适应性调整需要上传的数据包长度，具体的，如果隧道无线传感网络的当前网络状态为良好或者优秀，增加需要上传的数据包长度。通过调整数据包长度来调整需要上传数据包的个数，能够根据隧道无线传感网络的当前网络状态，有效提高数据传输效率。

在一种可行的实施方式中，根据隧道无线传感网络的当前网络状态，调整需要上传的数据包长度的步骤，可以包括：

根据隧道无线传感网络的当前网络状态，确定首包数据的长度。

上传首包数据。

根据首包数据传输到达的响应时间，判断隧道无线传感网络的当前网络状态。

根据隧道无线传感网络的当前网络状态，确定下一个数据包的长度，直至所有数据包上传完成。

本申请实施例提供的隧道无线传感网络通信方法，可以先根据隧道无线传感网络的当前网络状态，确定首包数据的长度，再根据上一个数据包传输到达的响应时间，调整下一个数据包的长度，即每个需要上传的数据包的长度均根据隧道无线传感网络的当前网络状态进行适应性调整，能够最大限度的提高数据传输效率。

在一种可行的实施方式中，步骤S200，还可以包括：

通过梯田通信势能模型，按照设定频率，向网络节点发出数据采集指令。向网络节点发出数据采集指令的执行主体可以是上位机，设定频率可以是1-4次/天，本申请不作具体限定。

根据数据采集指令，网络节点通知对应的传感器采集隧道风机的当前运行工况数据。

网络节点上传传感器采集到的隧道风机的当前运行工况数据。

本申请实施例提供的隧道无线传感网络通信方法，按照设定频率，采集隧道风机的运行工况数据，可以收集到一天时间内隧道风机的不同工况下的数据，即四个运行工况的数据，可以更好的监控隧道风机的运行情况。

示例性的，上位机通过协调器节点、各个网络节点以及传感器对隧道内的隧道风机运行工况进行监控的过程可以包括如下几个方面：

首先，隧道风机的运行状态有四个，分别是：运行状态、关机状态、开机过程状态和关机过程状态。当传感器感应到隧道风机发生开机过程状态或关机过程状态时，传感器会自动对对应的隧道风机发生的开机过程状态或关机过程状态进行数据采集，以记录开机过程状态或关机过程状态的数据，并进行自动存储，采样时长通常为1s。

上位机可以按照设定间隔时间，对隧道风机的运行工况进行轮询检测。上位机会按照设定间隔时间发送轮询短命令至各个网络节点，巡查每个网络节点下风机的运行情况。在该轮询场景下，各个网络节点会向上位机反馈网络节点下的传感器是否记录有对应隧道风机的开机过程状态或关机过程状态的数据，如果有，则上位机发出数据传输指令，将传感器记录的开机过程状态或关机过程状态的数据读取走，此时，被读取数据的传感器将采样数据清零并等待下一次采样命令。如果在巡查每个网络节点下风机的运行情况的当时，某个隧道风机正在发生开机过程状态(发生开机过程事件)、关机过程状态(发生关机过程事件)、正处于运行状态或者正处于关机状态，采样和数据传输动作与前述相同。

上位机还可以按照设定频率或者固定时间点对隧道风机的运行情况进行数据采集，即在固定时间点(例如中午12点)发出数据采集指令，传感器通过网络节点接收到数据采集指令，则对对应的隧道风机进行数据采样，采样时长可以为1s，采样结束后将数据上传至上位机。也可以按照设定频率，发出数据采集指令。

示例性的，上述实施例提到的隧道无线传感网络的需求可以分为两类。一类是控制指令，可以包括轮询短命令，还可以包括校时、自检、采样率设定、实时查询隧道风机状态、发布采样命令(数据采集指令)或者数据传输指令等。这一类命令数据量不大，每次发送固定大小的数据，适合ModBus(一种串行通信协议)目前已定义的功能码；另一类是现场传感器采集到的振动加速度信号，这类信号数据量很大，需要尽量提高传输效率，通过两种方式实现：减少数据包在无线网络内部的转发次数；以及在数据量固定的情况下，加大每次发送数据包的长度。

根据上述分析，将通信协议分为控制指令协议和数据传输协议两类，其中控制指令是短命令，传送比较频繁，每分钟或者每两分钟轮询一个网络节点，实现对隧道风机的运行工况遍历；数据传输协议需要对modbus协议进行优化扩充，使之能够依据即时网络质量传送可变长数据包。

示例性的，控制指令可以采用WSN AT定向命令封装ModBus请求。网络节点下挂的RS485总线以及加速度传感器均遵循ModBus标准开发。本文中的WSN是ModBus现场总线的上一级通信网络，其作用是沟通网络节点下挂传感器与上位机的桥梁，为了提高传输效率，采用WSN AT定向发送命令封装ModBus协议。表1为定向控制指令请求帧封装，其中，表中首行：A代表网络节点目标地址，B代表传感器ID，C代表功能码；表中ModBus PDU和ModBus ADU分别为两个协议数据单元。如表1所示，网络节点目标地址：xxxx是指网络节点的本网段内标号，例如0003为号网络节点3；传感器ID：xx，是指本网络节点下的传感器编号，例如02为本网段0003网络节点的第2个传感器；一个网段只能有一个协调器节点，地址编号为FFFE，网段内所有网络节点发送的最终目的地均为协调器节点地址FFFE。

表1

示例性的，控制指令响应可以采用WSN AT定向命令封装ModBus响应，表2为定向控制指令响应帧封装，其中，表中首行的A代表网络节点目标地址，B代表传感器ID，C代表功能or异常码。

表2

示例性的，数据包传输指令是为了获取网络节点现场传感器瞬态并发采样的大数据，为了达到WSN网络节点的通信负载均衡，所有网络节点实时监测隧道风机运行工况，只有出现隧道风机开机和关机工况时传感器才自动采样振动加速度数据，上位机轮询发现该节点有开机过程和关机过程事件时，发起传输指令，将数据读走；其它时刻所有网络节点只有在获取上位机的采样指令后才进行高速并发采样，所有的采样时长均为一秒钟，采样完成后由上位机上的软件直接定向读取，读取成功后传感器将采样数据清零并等待下一次采样命令。图5为本申请实施例提供的一种数据包传输流程示意图。参考图5，通常，数据传输指令整体由预备、传输、结束三个子状态构成。通过预备传输指令除了可以获取采样的基本信息如采样率、采样时刻、数据包总长度，另一个目标是获取这个短指令的空中延迟时间，在保证数据包CRC校验正确的前提下，请求发出时刻减去响应到达时刻的时间段可以表达WSN空中通信网的即时状态，对空中通信网状态评估分为标准可用、良好、优秀等级，依据不同的状态等级进行本次传输数据包长度自适应装定，例如标准可用状态对应200字节，良好状态对应400字节，优秀状态对应800字节，当采样率为5khz/s，WSN网络节点下挂10个三轴加速度传感器时，每通道A/D为16位，数据量为300K字节，若数据包长度为200字节，所有数据包传完WSN转发需要1500次；若数据包长度为800字节，WSN仅需375次传输，效率提升4倍。示例性的，表3为预备请求指令。如表3所示，表中首行A代表网络节点目标地址，B代表传感器ID，C代表功能码，D代表传输子功能。

表3

示例性的，表4为预备响应指令。如表4所示，表中首行A代表网络节点目标地址，B代表传感器ID，C代表功能码，D代表传输子功能码，E带包类型子功能码，F代表数据准备情况，G代表风机状态，H代表单轴数据长度，I代表采样记录时间。

表4

示例性的，表5为传输请求指令。如表5所示，表中首行A代表网络节点目标地址，B代表传感器ID，C代表功能码，D代表传输子功能码，E代表通道及轴名称，F代表本次传输数据长度，G代表数据块组名指针。表5中本次数据传输长度由上位机软件判断当前网络状态后动态装定，传感器收到该参数后依据该参数对待发数据重新组包并分配动态指针。

表5

示例性的，表6为传输响应指令。如表6所示，表中首行A代表网络节点目标地址，B代表传感器ID，C代表功能码，D代表传输子功能码，E代表通道及轴名称，F代表本次传输数据长度，G代表数据块组名指针，H代表本数据块。

表6

示例性的，结束请求指令同预备请求，仅需更换其传输子功能码即可。限于篇幅限制，结束请求、结束响应、结束异常响应、预备异常响应、传输异常响应、功能码、子功能码、异常码等本文不再赘述。

第二方面，图6为本申请实施例提供的一种隧道无线传感网络通信系统的示意性结构框图。如图6所示，本申请实施例提供的隧道无线传感网络通信系统，包括：上位机100和隧道无线传感网络500，隧道无线传感网络500可以包括多个网络节点200；上位机100用于为隧道无线传感网络500中的网络节点200配置梯级信息，以构建梯田通信势能模型，以及用于通过梯田通信势能模型，对隧道内风机的运行工况进行轮询监测。任意网络节点200可以作为协调器节点210。示例性的，继续参考图6，隧道无线传感网络通信系统还可以包括网关300，网关300可以采用4G模块，网关300与上位机100可以通过公网400通信连接，公网400可以采用互联网。协调器节点210与其他网络节点200之间通过隧道无线传感网络500通信连接，示例性的，可以是1号隧道无线传感网络500。网关300与协调器节点210可以通过串口通信连接，各网络节点200和协调器节点210可以通过RS485(又名TIA-485-A,ANSI/TIA/EIA-485或TIA/EIA-485，是一种通信接口)总线与三轴加速度传感器600电连接，三轴加速度传感器600设置在隧道风机700上。图6所示，隧道可以编号为1-m，m为任意正整数，所有隧道都可以使用公网400。

示例性的，本申请可以通过WSN配置软件和针对隧道无线传感网络通信系统开发的上位机软件进行仿真和分析。

首先可以搭建一个仿真平台，结合隧道风机分布情况，在室外道路自由空间搭建无线传感网，衰减各网络节点通信距离为100米(100m)(便于实验观测)，图7为本申请实施例提供的一种测试环境无线传感网络拓扑示意图。如图7所示，隧道两侧设置的网络节点的直线距离为10米(10m)，设置最远端网络节点7下挂传感器，网络节点7为信源节点，传感器通过SR485总线连接节点7，SR485总线通信波特率设置为115.2kbps，WSN空中波特率为200kbps，协调器节点通过串口与串口服务器相连，协调器与串口服务器串口波特率设为115.2kbps，串口服务器通过交换机以tcp协议连接上位机软件；测试方法采用控制变量法，整体测试分为两步，第一步验证梯田通信势能模型对传输效率的改善情况，第二步验证自适应可变数据包长度对系统传输效率的改善情况。

示例性的，传统的通信模型通常采用能量均衡路由算法，由配置软件通过协调器向网络节点7的传感器发送定时巡检短命令请求，该传感器的应答经过WSN返回协调器节点，记录应答命令经过所有传递路径的节点信息，配置软件每5s发送一次巡检命令，共计发送5000次。表7为协调器向节点7发送短命令的路由跳数统计数据，测试结果统计如表7。表中所述跳数是指从源端到达目的端所经的路由器的个数，结合本申请实施例，这里的跳数代表经过网络节点转发的次数。

表7

图8为本申请实施例提供的一种能量均衡路由算法的通信拓扑、路径树统计、节点转发直方图和跳数统计直方图。跳数分布、各节点通信转发次数(贡献度)如图8所示。作为信源的网络节点7和作为目的地的协调器贡献度最高，在无电池供电的情况下，假定网络节点死亡的次数为5000次，当网络节点7率先死亡时，网络节点3、网络节点4剩余寿命约为16.67％，网络节点1、2、5、6剩余寿命约为20.83％。整个WSN网络能量损耗均匀，网络节点7率先死亡的原因是因为本次测试将其作为唯一信源的原因，实际工程中可以由上位机软件对目标节点的非竞争巡检实现信源节点的网络能耗均衡。

本申请实施例的提供的梯田通信势能模型采用梯田传信路由算法，图9为本申请实施例提供的一种梯田通信势能模型的拓扑示意图。测试方法同上，表8为协调器向节点7发送短命令的路由跳数统计数据。图9所示梯田通信势能模型的测试结果如表8所示。信源网络节点7和协调器的贡献度最高，在无电池供电的情况下，假定网络节点死亡的次数为5000次，当节点7率先死亡时，其余节点剩余寿命均为50％，能耗分布更佳均匀，而且剩余寿命高于原算法。

表8

图10为本申请实施例提供的一种梯田通信路由算法的通信拓扑、路径树统计、节点转发直方图、跳数统计直方图。结合图8和图10，以及表7和表8。对能量均衡路由算法与梯田传信路由算法进行比较。梯田通信势能模型与网络能耗均衡路由算法相比，首先，在传输效率上，梯田通信势能模型将原来的5000次传输累计跳数由29167次降为20000次，减少转发率约为32％，节约数据传输总体时间32％，传输效率提高47％。在网络鲁棒性上，梯田通信势能模型将路径由96种降为8种，网络鲁棒性降低。在能耗均匀度上，梯田通信势能模型能耗均匀度略优。在寿命残值上，梯田通信势能模型的各节点寿命残值提升2.4-3倍。

示例性的，对可变数据包长度传输效率测试，首先，搭建最简测试模型，图11为本申请实施例提供的一种最简测试模型的示意图。如图11所示，传感器每通道采样率5khz，传感器的5个通道并发采集，每通道AD(数模转换)分辨率16位，采样时长1s。整体测试分为三步，第一步验证每数据包长度为100字节对传输效率的改善情况，第二步验证每数据包长度为200字节对系统传输效率的改善情况，第三步验证每数据包长度为400字节对系统传输效率的改善情况。本测试模型数据传输时长由以下内容决定：传感器打包响应时长、传感器与网络节点1的通信时长、网络节点1的2次打包时长、协调器与网络节点1的通信时长、协调器解包时长、协调器与串口服务器的通信时长、串口服务器的3次打包时长、PC(私人电脑)与串口服务器的通信时长等因素构成。当网络状态稳定时，通过增加数据包长度，可以减少请求与响应的往复次数，通过这个措施，可以成倍的提高传输效率，但是数据包长度受到ModBus协议的限制，因此本文首先优化了传输协议；同时数据包长度还受到网络节点以及串口服务器计算能力的影响，发现800字节以下的数据包传输性能比较稳定；超过该长度时，会出现数据丢失现象。

图12为本申请实施例提供的一种数据包为400字节的传输时间测试界面。测试软件采用隧道射流风机结构体安全预警系统软件V2.3版。测试过程如图12所示，表9为不同长度数据包传输效率测试数据，测试结果如表9所示。

表9

表9中所述数据块与实施例中所述的数据包是相同的概念。

测试结果显示：通过增加数据包长度，可以有效减少信源响应的通信次数。虽然增加了各环节的单次通信计算量，但一次完整的数据传输过程，各环节的计算总量不变。在数据量固定时，增大数据包n倍，传输效率提升接近n倍。

通过上文的仿真测试，本申请实施例提供的隧道无线传感网络通信方法及系统，通过引入“梯田通信势能模型”改善了WSN均衡路由算法导致的传输效率低下的问题；通过基于即时网络状态的自适应长度数据组包算法，进一步提高了WSN系统的数据传输效率。仿真测试表明：“梯田通信势能模型”路由算法在可接受的网络鲁棒性条件下，系统传输效率为均衡路由算法的1.47倍；“即时网络状态的自适应长度数据组包算法”可提升系统传输效率2-8倍。两种算法组合后可提升系统数据传输效率2.94-11.76倍。

尽管已描述了本说明书的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本说明书范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本说明书进行各种改动和变型而不脱离本说明书的精神和范围。这样，倘若本说明书的这些修改和变型属于本说明书权利要求及其等同技术的范围之内，则本说明书也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种隧道无线传感网络通信方法，其特征在于，包括：

为隧道无线传感网络中的网络节点配置梯级信息，构建梯田通信势能模型，其中，具有相同所述梯级信息的所述网络节点数量为至少两个，具有相同所述梯级信息的所述网络节点均能与下一级所述梯级信息对应的所有所述网络节点直接通信；

通过所述梯田通信势能模型，对隧道风机的运行工况进行轮询监测。

2.根据权利要求1所述的隧道无线传感网络通信方法，其特征在于，在所述为隧道无线传感网络中的网络节点配置梯级信息，构建梯田通信势能模型的步骤之前，包括：

为所述隧道无线传感网络中的网络节点配置网段号，其中，相同所述网段号对应的所述网络节点能够实现相互通信；

选择任一所述网络节点，将该网络节点的属性设置为协调器节点；

为所述协调器节点配置协调器地址，以及为其他所述网络节点配置网络节点地址，其中，不同所述网络节点的所述网络节点地址不同，所述协调器地址与所述网络节点地址不同；

将具有相同所述网段号的所述网络节点的目标地址设置为所述网段号对应的所述协调器地址。

3.根据权利要求2所述的隧道无线传感网络通信方法，其特征在于，所述为隧道无线传感网络中的网络节点配置梯级信息，构建梯田通信势能模型的步骤，包括：

所述网络节点向周围的其他所述网络节点广播自身的所述梯级信息，同时接收周围的其他所述网络节点广播的所述梯级信息，若所述网络节点能够接收到所有所述梯级信息为n级的所述网络节点发出的所述梯级信息，则确定所述网络节点的梯级信息为n+1级，其中，所述协调器节点的所述梯级信息为0级。

4.根据权利要求2所述的隧道无线传感网络通信方法，其特征在于，所述通过所述梯田通信势能模型，对隧道风机的运行工况进行轮询监测的步骤，包括：

通过所述梯田通信势能模型，按照设定间隔时间，依次向所述网络节点发送轮询短命令；

根据所述轮询短命令，所述网络节点应答对应的所述隧道风机的运行工况。

5.根据权利要求4所述的隧道无线传感网络通信方法，其特征在于，所述通过所述梯田通信势能模型，对隧道风机的运行工况进行轮询监测的步骤，还包括：

根据所述网络节点应答的所述隧道风机的运行工况，向所述网络节点发送数据传输指令，以调取所述网络节点对应的传感器上存储的所述隧道风机的运行工况数据。

6.根据权利要求5所述的隧道无线传感网络通信方法，其特征在于，所述根据所述网络节点应答的所述隧道风机的运行工况，向所述网络节点发送数据传输指令，以调取所述网络节点对应的传感器上存储的所述隧道风机的运行工况数据的步骤，包括：

根据所述网络节点应答的所述隧道风机的运行工况，向所述网络节点发送预备传输指令；

所述网络节点根据所述预备传输指令，判断所述隧道无线传感网络的当前网络状态；

根据所述隧道无线传感网络的当前网络状态，调整需要上传的数据包长度。

7.根据权利要求6所述的隧道无线传感网络通信方法，其特征在于，所述根据所述隧道无线传感网络的当前网络状态，调整需要上传的数据包长度的步骤，包括：

根据所述隧道无线传感网络的当前网络状态，确定首包数据的长度；

上传所述首包数据；

根据所述首包数据传输到达的响应时间，判断所述隧道无线传感网络的当前网络状态；

根据所述隧道无线传感网络的当前网络状态，确定下一个数据包的长度，直至所有所述数据包上传完成。

8.根据权利要求6所述的隧道无线传感网络通信方法，其特征在于，所述隧道无线传感网络的当前网络状态包括标准可用、良好和优秀；

所述根据所述隧道无线传感网络的当前网络状态，调整需要上传的数据包长度的步骤，包括：

如果所述隧道无线传感网络的当前网络状态为良好或者优秀，增加需要上传的数据包长度。

9.根据权利要求2所述的隧道无线传感网络通信方法，其特征在于，所述通过所述梯田通信势能模型，对隧道风机的运行工况进行轮询监测的步骤，还包括：

通过所述梯田通信势能模型，按照设定频率，向所述网络节点发出数据采集指令；

根据所述数据采集指令，所述网络节点通知对应的传感器采集所述隧道风机的当前运行工况数据；

所述网络节点上传所述传感器采集到的所述隧道风机的所述当前运行工况数据。

10.一种隧道无线传感网络通信系统，其特征在于，包括：上位机和和隧道无线传感网络，所述隧道无线传感网络包括多个网络节点；

所述上位机用于为所述隧道无线传感网络中的所述网络节点配置梯级信息，以构建梯田通信势能模型，以及通过所述梯田通信势能模型，对隧道内风机的运行工况进行轮询监测。

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