CN102802126A - 面向移动信号源的大规模无线传感网数据采集***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及针对移动信号源的数据实时采集，具体实现了一种面向大规模动态节点的自适应无线传感网络及基于该网络技术的数据采集和传输的***及方法，包括：汇聚节点、中继节点、末端节点，所述的汇聚节点为单网内的唯一数据出口点，汇聚节点将信标帧以泛洪方式广播给末端节点，末端节点通过中继节点将信号源数据发送给汇聚节点。本发明的有益效果在于：该方法综合了移动代理模型、移动数据采集模型和MS-MAC模型的优点，强化了移动节点入网数据传输的实时性，尽可能减少节点因移动而脱离网络覆盖范围时带来的网络整体开销，降低了网络实现的复杂度。

Description

面向移动信号源的大规模无线传感网数据采集***及方法

技术领域

本发明涉及针对移动信号源的数据实时采集，具体实现了一种面向大规模动态节点的自适应无线传感网络及基于该网络技术的数据采集和传输的***及方法。

背景资料

目前，国内外主要针对无线传感网络能量受限的特点，提出了很多节能的MAC协议和路由协议等。然而多数的研究局限于所有传感器节点都是静止的情况，不满足某些需要移动节点的应用，比如监测野生动物的生活，追踪病人的心跳情况等等，节点总是处于不断的运动中，同时引进移动节点还可以拓宽网络空间的采样能力，例如在应用移动节点收集其他静止节点的数据，作为一种信息收集槽。

无线传感网络对于移动性的支持目前相关研究主要可以分为：1. 对于用户移动性的支持；2. 对于汇聚节点（sink node）移动性的支持；3. 对于节点移动性的支持三个方面。其中对于用户移动性的支持又提出了移动代理模型和双层网络模型，对于汇聚节点移动性的支持提出了移动汇聚节点分配模型MSA（Mobile Sink Allocation）和移动数据采集模型MDC（Mobile Data Collector），对于节点移动性的支持则相对复杂，从节点和网络类型可大致分为普通节点移动性支持和代理节点（中继节点）移动性支持两个方面，从节点移动性又可以分为强移动（节点自身动力驱动）和弱移动（节点自身故障或者能量耗尽而产生的网络失联）。

目前，业界主要从MAC层协议出发，有基于竞争的MS-MAC模型，有基于调度的MMAC模型等。针对代理节点移动，如Lang Tong提出一种SENMA（Sensor Network with Mobile Agents），美国Nice大学提出了“基于可预测移动中继节点的静态网络实现方法”，UCLA大学提出的EAR（窃听登记，Eavesdrop-And- Register）算法等等。总的来说，这些算法模型在一定程度上能够解决无线传感网络节点移动性的问题，但是在另一方面都存在自己固有的应用局限。如，移动代理模型存在平衡传输时延和网络寿命之间的矛盾，双层模型需要考虑网格大小设置，MS-MAC模型的边界节点能耗下降过快，会导致网络分割，MMAC的虚拟簇之间不能同步等问题。

发明内容

本发明为克服上述的不足之处，目的在于提供面向移动信号源的大规模无线传感网数据采集***及方法，在保留层次结构网络的基本优点的情况之下，通过对节点的MAC层及信道帧听算法的重新设计与拓扑控制算法的调整，使得节点能够快速无缝地接入和脱离网络而不改变整网基本拓扑结构，并实现在网络覆盖范围内的实时数据上传。

本发明是通过以下技术方案达到上述目的：面向大规模移动信号源的无线传感网数据采集***，包括：汇聚节点、中继节点、末端节点。所述的汇聚节点为单网内的唯一数据出口点，所述的汇聚节点将信标帧以泛洪方式广播给末端节点，末端节点通过中继节点将信号源数据发送给汇聚节点。

所述的中继节点采用移动数据采集模式，从而与末端节点之间形成动态数据上行通道。

面向大规模移动信号源的无线传感网数据采集的方法，包括以下步骤：

1）汇聚节点和中继节点静态布设，根据AODVjr算法组成树状分层网络；

2）汇聚节点周期性发起全网络泛洪方式广播信标帧；

3)末端节点进入网络覆盖范围后接收信标帧并连续两次发送请求发送帧给中继节点，若中继节点未成功接收请求发送帧，则末端节点重发请求发送帧；

4）中继节点比较连续两次收到的末端节点的请求发送帧，根据移动估计算法得出末端节点的移动信息，移动估计算法：

P (d2) [dBm] =P (d1) [dBm]-10nlog (d2/d1)-C*WAF （1）

式中，P（d1）表示末端节点第一次发送请求发送帧到中继节点的信号强度值，P（d2）表示末端节点第二次发送请求发送帧到中继节点的信号强度值，n表示路径长度与路径损耗之间的比例因子，d1表示末端节点第一次发送请求发送帧到中继节点时与该中继节点的距离，d2表示末端节点第二次发送请求发送帧到中继节点时与该中继节点的距离，C表示末端节点与中继节点之间的障碍物个数，WAF表示信号穿过末端节点与中继节点之间障碍物的衰减因子。根据上述函数得出d2与d1的比值，中继节点发送d2与d1的比值到末端节点；

5)末端节点比较所有接收到的中断节点发送的d2与d1的比值，选择d2与d1比值最小的中继节点作为其直接代理节点；

6）直接代理节点回复发送允许帧；

7）末端节点收到该发送允许帧后，发送数据至直接代理节点；

8）直接代理节点收到数据后发送ACK包；

9）末端节点收到ACK包后即停止发送数据一段时间，如果接收ACK包超时则重发数据；

10)该直接代理节点将收到的末端节点数据沿组网时形成的路由路径上传至汇聚节点。

本发明的有益效果在于：该方法综合了移动代理模型、移动数据采集模型和MS-MAC模型的优点，强化了移动节点入网数据传输的实时性，尽可能减少节点因移动而脱离网络覆盖范围时带来的网络整体开销，降低了网络实现的复杂度。

附图说明

图1是本发明的应用示意图；

图2是本发明的步骤流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：

实施例1：如图1所示，在可视范围内的面向大规模移动信号源的无线传感网数据采集***，包括：一个汇聚节点T、簇内中继节点D1~D5、边沿中继节点E1~E5、末端节点m，圆圈表示信号覆盖范围。其中，汇聚节点T处于信号覆盖范围外，末端节点m不能直接将信息传输给汇聚节点T；末端节点m与簇内中继节点D1~D5连接，簇内中继节点D1与边沿中继节点E1连接，簇内中继节点D2与边沿中继节点E2连接，簇内中继节点D3与边沿中继节点E3连接，簇内中继节点D4与簇内中继节点D4连接，簇内中继节点D5与边沿中继节点E5连接。簇内中继节点D1~D5既能接收信标帧也能发送信标帧，边沿中继节点只能接收信标帧而不能发送信标帧，信标帧的生命周期为1，该信标帧每中转一次，生命周期减1，当生命周期为0时，该信标帧不能再被中转。

已知末端节点m第一次发送请求发送帧时记为末端节点m1,发送请求发送帧到簇内中继节点D1~D5及边沿中继节点E1~E5的信号强度记为P(d1)；末端节点m第二次发送请求发送帧时记为末端节点m2,发送请求发送帧到簇内中继节点D1~D5及边沿中继节点E1~E5的信号强度记为P(d2)；路径长度与路径损耗之间的比例因子n=2.76，在可视范围内，C*WAF=0。

根据公式：

P (d2) [dBm] =P (d1) [dBm]-10nlog (d2/d1)-C*WAF （1）

得到d2/d1的值：

	D1	D2	D3	D4	D5	E1	E2	E3	E4	E5
											d2/d1	15.3	14.7	0.3	0.6	0.8	16.2	3.5	0.4	0.9	0.7

经比较得到簇内中继节点D3-D5以及边沿中继节点E3-E5的（d2/d1）值均小于1，则认为末端节点m在靠近簇内中继节点D3-D5以及边沿中继节点E3-E5，簇内中继节点D1-D2以及边沿中继节点E1-E2的（d2/d1）值均大于1，则认为末端节点m在远离簇内中继节点D1-D2以及边沿中继节点E1-E2。在末端节点m靠近的中继节点当中，簇内中继节点D3的（d2/d1）的值最小，选择簇内中继节点D3为直接代理节点K。直接代理节点K通过P-CSMA随机退避方式确认汇聚节点T的通信信道是否空闲：

1、假如信道是空闲的，则以P=1/2的概率发送；而以(1-P)=1/2的概率延迟一个时间单位，其中，时间单位等于最大的传播延迟时间；

2、假如信道是繁忙的，继续监听，直到信道空闲，并重复步骤1；

3、假如发送被延迟一个时间单位，则重复步骤1；

4、已经发生多次冲突，则自动减小P值，否则增大P值。

若汇聚节点T的通信信道空闲，则汇聚节点T发送允许发送帧给直接代理节点K，直接代理节点K接收到允许发送帧后，通过D3->T的树形路径将数据上传给汇聚节点T。

若汇聚节点T的通信信道忙碌，则等待下个发送时间发送数据，发送时间由***设计要求参量如：汇聚节点T最大同时接收中继节点数据的个数、中继节点树形路径长度、汇聚节点T单网覆盖范围等决定。

其中，若在确认汇聚节点T的通信信道空闲后，汇聚节点T发送的允许发送帧未被直接代理节点K接收到，则重新确认汇聚节点T的通信信道状态后，再次发送允许发送帧，重复发送的最高次数为8次。

汇聚节点T成功接收直接代理节点K发送的数据后，回复ACK包，直接代理节点K接收ACK包后停止发送数据一段时间。

当直接代理节点K接收ACK包超时时，末端节点重新接收信标帧并重新选择直接代理节点K用于重发数据。

以上的所述乃是本发明的具体实施例及所运用的技术原理，若依本发明的构想所作的改变，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，仍应属本发明的保护范围。

Claims (3)

1.面向大规模移动信号源的无线传感网数据采集***，其特征在于包括：汇聚节点、中继节点、末端节点；所述的汇聚节点为单网内的唯一数据出口点；所述的汇聚节点将信标帧以泛洪方式广播给末端节点，末端节点通过中继节点将信号源数据发送给汇聚节点。

2.根据权利要求1所述的面向大规模移动信号源的无线传感网数据采集***，其特征在于所述的中继节点采用移动数据采集模式，从而与未端节点之间形成动态数据上行通道。

3.面向大规模移动信号源的无线传感网数据采集的方法，其特征在于包括以下步骤：

1）汇聚节点和中继节点静态布设，根据AODVjr算法组成树状分层网络；

2）汇聚节点周期性发起全网络泛洪方式广播信标帧；

3)末端节点进入网络覆盖范围后接收信标帧并连续两次发送请求发送帧给中继节点，若中继节点未成功接收请求发送帧，则末端节点重发请求发送帧；

4）中继节点比较连续两次收到的末端节点的请求发送帧，根据移动估计算法得出末端节点的移动信息，移动估计算法：

P (d2) [dBm] =P (d1) [dBm]-10nlog (d2/d1)-C*WAF （1）

式中，P（d1）表示末端节点第一次发送请求发送帧到中继节点的信号强度值，P（d2）表示末端节点第二次发送请求发送帧到中继节点的信号强度值，n表示路径长度与路径损耗之间的比例因子，d1表示末端节点第一次发送请求发送帧到中继节点时与该中继节点的距离，d2表示末端节点第二次发送请求发送帧到中继节点时与该中继节点的距离，C表示末端节点与中继节点之间的障碍物个数，WAF表示信号穿过末端节点与中继节点之间障碍物的衰减因子。根据上述函数得出d2与d1的比值，中继节点发送d2与d1的比值到末端节点；

5)末端节点比较所有接收到的中断节点发送的d2与d1的比值，选择d2与d1比值最小的中继节点作为其直接代理节点；

6）直接代理节点回复发送允许帧；

7）末端节点收到该发送允许帧后，发送数据至直接代理节点；

8）直接代理节点收到数据后发送ACK包；

9）末端节点收到ACK包后即停止发送数据一段时间，如果接收ACK包超时则重发数据；

10)该直接代理节点将收到的末端节点数据沿组网时形成的路由路径上传至汇聚节点。

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