CN104157120B - 工业装备及环境监控的wsn信息感知***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于工业装备和农业、交通、仓储、居住等环境监控的WSN信息感知***及方法，所述方法包括：无线采集器通过对应传感器接口获取工业装备或环境中的传感数据，经过处理后通过自组网发送到无线网关；无线控制器按照接收到的控制指令对执行设备进行控制并将状态信息反馈给无线网关；无线网关将接收到的传感数据及状态信息上传到基站，并将基站发送的控制指令下传到无线控制器；基站将接收的传感数据及状态信息处理后发送到本地监控终端并将本地监控终端的控制指令发送到无线网关；本地监控终端可以存储、显示采集到的传感数据，并发出控制指令，从而解决了在工业现场中对工业装备及环境状态信息的采集、无线传输和控制。
Description
技术领域
本发明涉及工业装备和农业、交通、仓储、居住等环境监控方法，尤其是一种用于如工业装备物联网管控、工业环境监控等场合的WSN信息感知***及方法。
背景技术
目前，对工业装备状态进行监测主要采用以下三种方法：(1)离线的人工巡检，这是许多中小型企业通常采用的办法；(2)有条件的大中型企业采用有线的办法；(3)2G或3G公共无线网方法。分析以上三种方法，发现存在下述问题：
1.离线的人工巡检方法尽管有一定的效果，但缺乏实时性、及时性、准确性、远程化、网络化和低成本，而且漏报率较高。
2.采用有线办法的数据传输的可靠性是容易保证的，但从更广泛的应用实际意义和未来发展的角度看，主要存在下述几个方面的问题：①对移动的工业装备不适用。②***投资大、成本高、性能价格比低。③***的电缆复用率低、复杂性高，因而***的故障率高、不便于维护。④***的扩展性差，使得监测容量相对较小，特别是在其监测***己安装好后需要增加监测区域的情况下，需要对软件及硬件作较大的改动，甚至需要重新设计制作。
3.采用2G或3G等公共无线网监测和预警，对于大范围区域移动工业装备确是一个值得考虑的解决方案，但对于工业现场和小范围区域移动的工业装备却不尽合理，因为它的运行成本高，普及推广价值不大。更为重要的是，无线收发模块由于天线等元件的表面静电电荷、高频辐射等因素在收发功率较大时可能产生高频电火花，特别在环境恶劣时发生的可能性更大。而且，根据2G或3G***的无线数据传输的固有机理，无线收发功率常常会由于需要监控的区域范围大而较大。因此，在将其用于不可避免地存在易燃、易爆气体、粉尘和流体的石油、化工企业的环境中时，常常很难达到防爆的安全要求。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术的缺点，本发明提供一种用于工业装备及环境监控的WSN感知***和方法，解决了在工业现场中对工业装备及环境状态信息的采集与无线传输，并实现传感信息的显示以及对执行设备的控制，有利于准确诊断并防范故障。
技术方案：一种用于工业装备及环境监控的WSN信息感知***，包括：
无线采集器，分布在监测现场环境中，由干电池或工业现场基础供电设施供电，用于存储工业装备的信息、获取工业装备或工业环境的参数信息；无线采集器将采集到的传感器数据通过该感知***自组网络发送到无线网关；
无线控制器，由工业现场基础供电设施供电，用于接收无线网关传来的控制指令，按照控制指令对诸如驱动电机、电磁阀、声光报警器等开关型执行设备进行控制，并反馈执行设备的状态信息给无线网关；同时，其作为***自组织网络的一部分，可以转发无线采集器的传感器数据到无线网关；
无线网关，由工业现场基础供电设施供电，用于进行网络中的数据交换与路由选择，将基站传来的控制指令发送给无线控制器，同时作为***中底层无线传感器网络的汇聚节点，负责接收无线采集器通过自组网传来的传感数据以及无线控制器反馈回来的状态信息，将其无线发送到基站；
基站，设置在工业现场的监控室内，通过串口与监控室内的本地监控终端相连，作为无线传感器网络和本地监控终端的连接点；基站下行通过无线通信模块接收无线网关传来的工业装备或环境的传感数据和状态信息，将其经过分析、处理、配置后，上行通过串口发往本地监控终端，并将本地监控终端下达的控制指令通过无线通信模块发送到无线网关。
本地监控终端，接收基站上传的传感数据和状态信息，存储、显示采集到的传感数据，工作人员根据本地监控终端显示的传感数据决定相应执行设备的开/关操作，并由本地监控终端发送控制指令到基站。
为了增强便捷性监控和适应于大数据存储和管理的需要，优选地，还可以增设移动监控终端和远程监控中心，均可以都过移动互联网/互联网接收基站发送的传感数据包和状态消息包，实现移动式监控，同时可达到对数据的存储和后续分析、以及对工业装备和环境的远程诊断。
一种用于工业装备及环境监控的WSN信息感知方法，基于上述的信息感知***，并包括如下步骤：
2.1.无线采集器、无线控制器、无线网关、基站上电初始化；
2.1.1.基站发出***预启动数据包给无线网关，保持侦听状态；
2.1.2.无线网关保持侦听状态，将自身到汇聚节点(即无线网关自身)的跳数hs0设置为0；
2.1.3.无线采集器保持侦听状态，将自身到汇聚节点(无线网关)的跳数hs初始化为0；
2.1.4.无线控制器采集执行设备的状态信息，发送至无线网关；
2.2.无线网关若未收到***预启动数据包则继续保持侦听状态；若收到***预启动数据包，则广播路由更新消息包(该消息包包含Hs字段，其值等于该节点的hs值)，并启动路由更新定时器Timer1，转至2.3；
2.3.若无线网关的路由更新定时器Timer1时间到，则进行新一轮的路由更新过程，广播路由更新消息包，转至2.4；若路由更新定时器Timer1时间未到，则无线网关继续保持侦听状态；
2.4.无线控制器若收到来自无线网关的路由更新消息包，则将路由更新消息包中的Hs加1后广播该消息；无线采集器若收到路由更新消息包，首先检查消息包内的传输控制字段TControl，若是首次收到该TControl的消息包，则将无线采集器自身的hs更新为Hs+1，记录该邻居节点的ID号并将其分类为H-(比自己到汇聚节点跳数少1的节点)，将路由更新消息包中的Hs加1后广播该消息；若不是首次收到该TControl的消息包，则不需要广播该消息包并按如下规则进一步处理：
2.4.1.若无线采集器自身的hs等于Hs+1，记录该邻居节点的ID号并将其分类为H-；
2.4.2.若无线采集器自身的hs等于Hs，记录该邻居节点的ID号并将其分类为H0(与自己到汇聚节点跳数相同的节点)；
2.4.3.若无线采集器自身的hs等于Hs-1，记录该邻居节点的ID号并将其分类为H+(比自己到汇聚节点跳数多1的节点)；
2.4.4.若无线采集器收到的Hs为其他值，则不作处理；
2.5.路由更新过程结束后，网络中的每个无线采集器获得自己到汇聚节点的跳数以及其邻居节点到汇聚节点的跳数，无线采集器的无线通信模块保持侦听状态，转至2.6；
2.6.无线采集器开启数据采集定时器Timer2，周期性地采集传感器数据；
2.7.若无线采集器的数据采集定时器Timer2时间到，采集相应的传感器数据，将数据包通过自组网算法发送到无线网关；若无线采集器的数据采集定时器Timer2时间未到，则继续保持侦听状态；
2.8.若无线采集器接收到其他采集器发来的数据包，则采用自组网算法转发该数据包到无线网关，转至2.9；
2.9.无线网关若接收到其他节点传来的信息：
2.9.1.无线网关接收到无线采集器或无线控制器发送来的传感数据包，则将其发送到基站，转至2.13；
2.9.2.无线网关接收到无线控制器发送来的执行设备状态信息包，则将其发送到基站，转至2.13；
2.9.3.无线网关接收到基站发送来的控制指令，则将其发送到无线控制器，转至2.10；
2.10.无线控制器若收到无线网关发送来的控制指令，则按照指令中的要求对相应的执行设备进行开关控制，开启等待定时器Timer3；
2.11.无线控制器的等待定时器Timer3时间到，采集执行设备的状态，将其封装进状态信息包发送到无线网关；
2.12.无线控制器若收到无线采集器发来的传感数据包，则将其转发到无线网关；
2.13.若基站的无线通信模块接收到无线网关发送来的传感器数据包或执行设备状态消息包，则将其进行一定处理后发送到监控终端；若基站接收到监控终端传来的控制指令，则将其通过无线通信模块发送到无线网关；
2.14.若监控终端接收到基站的传感器数据包，则存储数据包中的监测数据并显示该实时数据，工作人员可以根据显示的各组数据决定如何对相关的执行设备进行控制，发送控制指令；若监控终端收到的是执行设备状态消息包，则更新页面上显示的执行设备状态。
有益效果：本发明用于工业装备及环境监控的信息感知方法解决了在工业现场中对工业装备及环境状态信息的采集与无线传输，并配合监控终端软件实现传感信息的显示以及对执行设备的控制，有利于准确诊断并防范故障、降低运行成本、提高生产效率，而且对及时发现并排除事故隐患都具有重要意义。
整个***投资小、成本低、易于维护，根据现场情况的不同，可对硬件进行相应扩展，而无需对软件重装制作，适合在多种场合推广应用。
通过广播路由更新消息包的数据传输方式，在每个要广播的消息包中设置传输控制字段TControl，传输控制字段保证每个数据包只被广播一次，若节点再次收到相同的传输控制字段的数据包，就不会继续广播，这样可以避免引起广播风暴，浪费***的能量。
本发明采用的自组网算法利用多路径传输的办法，无线采集器将采集的传感器数据通过无线方式发送至无线网关，自组网算法可以计算有效传输路径，保证了数据无线传输的可靠性。通过无线传输方式，利用现场装备的合理布局，信息收发安全，提高了整个***运行安全性。
附图说明
图1是工业装备及环境监控***框图。
图2是无线采集器结构图。
图3是无线网关结构图。
图4是无线控制器结构图。
图5是基站结构图。
图6是本发明监控方法的主程序流程图。
图7是无线采集器的程序流程图。
图8是无线网关的程序流程图。
图9是无线控制器的程序流程图。
图10是基站的程序流程图。
图11是自组网算法流程图。
具体实施方式
下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
实施例1：如图1所示的用于工业装备及环境监控***，包括无线采集器1、无线网关2、无线控制器3、基站4以及本地监控终端5、移动监控终端6和远程监控中心7。移动监控终端6和远程监控中心7为更好地提高监控效果，移动监控终端6和远程监控中心7可通过移动互联网/互联网接收基站4发送的传感数据包和状态消息包，达到便携性监控的效果，同时可将收到的数据进行存储和后续分析。
无线采集器与外部传感器相连，周期性地采集相应工业装备或环境的信息，将传感器数据通过自组网算法发送至无线网关，无线网关将数据发送至基站，基站对无线接收到的数据进行分析、处理、配置后将其通过串口发送至本地监控终端，工作人员根据本地监控终端显示的数据决定相应执行设备的开/关操作，由本地监控终端发送控制指令到基站，基站将控制指令发送到无线网关，无线网关将控制指令发送到无线控制器，无线控制器根据控制指令控制执行设备的开/关，并采集执行设备的状态信息原路发送到基站，由基站将状态信息发送至本地监控终端显示。
如图2所示，无线采集器主要在第1处理器单元控制下，通过传感器单元与外部传感器相连，周期性地采集工业装备或环境信息。通过第1无线收发单元实现数据的异步收发，临时数据存储于第1存储器单元，第1调试及通信接口方便程序的调试，第1电源单元为除传感器单元以外的传感器节点提供电源。
如图3所示，无线网关主要在第2处理器单元控制下，通过第2无线收发单元实现数据的异步收发，临时数据存储于第2存储器单元，第2调试及通信接口方便程序的调试，第2电源单元为无线网关提供电源。
如图4所示，无线控制器主要在第3处理器单元控制下，通过控制单元实现对执行设备的控制与状态采集，通过第3无线收发单元实现数据的异步收发，临时数据存储于第3存储器单元，第3调试及通信接口方便程序的调试，第3电源单元为无线控制器提供电源。
如图5所示，基站主要在第4处理器单元控制下，通过第4无线收发单元实现数据的异步收发，临时数据存储于第4存储器单元，第4调试及通信接口方便程序的调试，第4电源单元为基站提供电源，PC接口单元为与本地监控终端通信的接口单元。
实施例1
如图1所示的工业装备及环境监控***的所有节点(包括无线采集器、无线网关、无线控制器、基站)上电并进行初始化。无线采集器初始化其第1无线收发单元，使其处于信息接收状态；初始化传感器单元，准备采集数据。无线网关初始化其第2无线收发单元，使其处于信息收发状态。无线控制器初始化其第3无线收发单元，使其处于信息接收状态；无线控制器初始化控制单元，准备采集执行设备状态。基站初始化其第4无线收发单元，准备启动***。
如图6所示，本工业装备及环境信息感知方法包括下列步骤：
2.1.无线采集器、无线控制器、无线网关、基站上电初始化；
2.1.1.基站发出***预启动数据包给无线网关，保持侦听状态；
2.1.2.无线网关保持侦听状态，将自身到汇聚节点(即无线网关自身)的跳数hs0设置为0；
2.1.3.无线采集器保持侦听状态，将自身到汇聚节点(无线网关)的跳数hs初始化为0；
2.1.4.无线控制器采集执行设备的状态信息，发送至无线网关；
2.2.无线网关若未收到***预启动数据包则继续保持侦听状态；若收到***预启动数据包，则广播路由更新消息包(该消息包包含Hs字段，其值等于该节点的hs值)，并启动路由更新定时器Timer1，转至2.3；
2.3.若无线网关的路由更新定时器Timer1时间到，则进行新一轮的路由更新过程，广播路由更新消息包，转至2.4；若路由更新定时器Timer1时间未到，则无线网关继续保持侦听状态；
2.4.无线控制器若收到来自无线网关的路由更新消息包，则将路由更新消息包中的Hs加1后广播该消息；无线采集器若收到路由更新消息包，首先检查消息包内的传输控制字段TControl，若是首次收到该TControl的消息包，则将无线采集器自身的hs更新为Hs+1，记录该邻居节点的ID号并将其分类为H-(比自己到汇聚节点跳数少1的节点)，将路由更新消息包中的Hs加1后广播该消息；若不是首次收到该TControl的消息包，则不需要广播该消息包并按如下规则进一步处理：
2.4.1.若无线采集器自身的hs等于Hs+1，记录该邻居节点的ID号并将其分类为H-；
2.4.2.若无线采集器自身的hs等于Hs，记录该邻居节点的ID号并将其分类为H0(与自己到汇聚节点跳数相同的节点)；
2.4.3.若无线采集器自身的hs等于Hs-1，记录该邻居节点的ID号并将其分类为H+(比自己到汇聚节点跳数多1的节点)；
2.4.4.若无线采集器收到的Hs为其他值，则不作处理；
2.5.路由更新过程结束后，网络中的每个无线采集器获得自己到汇聚节点的跳数以及其邻居节点到汇聚节点的跳数，无线采集器的无线通信模块保持侦听状态，转至2.6；
2.6.无线采集器开启数据采集定时器Timer2，周期性地采集传感器数据；
2.7.若无线采集器的数据采集定时器Timer2时间到，采集相应的传感器数据，将数据包通过自组网算法发送到无线网关；若无线采集器的数据采集定时器Timer2时间未到，则继续保持侦听状态；
2.8.若无线采集器接收到其他采集器发来的数据包，则采用自组网算法转发该数据包到无线网关，转至2.9；
2.9.无线网关若接收到其他节点传来的信息：
2.9.1.无线网关接收到无线采集器或无线控制器发送来的传感数据包，则将其发送到基站，转至2.13；
2.9.2.无线网关接收到无线控制器发送来的执行设备状态信息包，则将其发送到基站，转至2.13；
2.9.3.无线网关接收到基站发送来的控制指令，则将其发送到无线控制器，转至2.10；
2.10.无线控制器若收到无线网关发送来的控制指令，则按照指令中的要求对相应的执行设备进行开关控制，开启等待定时器Timer3；
2.11.无线控制器的等待定时器Timer3时间到，采集执行设备的状态，将其封装进状态信息包发送到无线网关；
2.12.无线控制器若收到无线采集器发来的传感数据包，则将其转发到无线网关；
2.13.若基站的无线通信模块接收到无线网关发送来的传感器数据包或执行设备状态消息包，则将其进行一定处理后发送到本地监控终端；若基站接收到本地监控终端传来的控制指令，则将其通过无线通信模块发送到无线网关；
2.14.若本地监控终端接收到基站的传感数据包，则存储数据包中的监测数据并显示该实时数据，工作人员可以根据显示的各组数据决定如何对相关的执行设备进行控制，发送控制指令；若本地监控终端收到的是执行设备状态消息包，则更新页面上显示的执行设备状态。
***中各节点上电初始化后，首先基站发送***预启动数据包给无线网关。表1为***预启动数据包格式：其中数据包类型为0x01表示***预启动数据包；源地址为基站地址；目的地址为无线网关的地址。
表1 ***预启动数据包的格式
| 序号 | 字段名称 | 字段长度 | 说明 |
| 1 | 包类型 | 1byte | 标识包类型(0x01) |
| 2 | 源地址 | 2byte | 基站ID |
| 3 | 目的地址 | 2byte | 无线网关ID |
| 4 | CRC校验 | 2byte | 1、2、3字段数据校验 |
无线网关接收到***预启动数据包后广播路由更新消息包，并启动路由更新定时器Timer1，定时器时间到则开始新一轮路由更新。表1为路由更新消息包格式：其中跳数Hs为到汇聚节点(无线网关)的跳数。在整个***中，凡是要广播的数据包，都有一个字段，就是传输控制字段TControl。传输控制字段保证每个数据包只被广播一次，若节点再次收到相同的传输控制字段的数据包，就不会继续广播。这样就不会引起广播风暴，浪费***的能量。
表2 路由更新消息包的格式
| 序号 | 字段名称 | 字段长度 | 说明 |
| 1 | 包类型 | 1byte | 0x02 |
| 2 | 源地址 | 2byte | 标识数据发送节点ID |
| 3 | 目的地址 | 2byte | 0xFFFF表示广播地址 |
| 4 | 跳数Hs | 1byte | 到汇聚节点的跳数 |
| 5 | 传输控制 | 1byte | 产生一随机数 |
| 6 | CRC校验 | 2byte | 1、2、3、4、5字段数据校验 |
无线控制器收到来自无线网关的路由更新消息包后，将路由更新消息包中的Hs加1后广播该消息；无线采集器接收到路由更新消息包后，则根据消息包中的传输控制字段TControl决定是否将跳数Hs加1后继续广播消息包，并按照路由协议规则更新自己的跳数hs及邻居表信息。路由更新过程结束后，无线采集器通过数据采集定时器Timer2周期性地采集传感数据。
实施例2：
***中的无线采集器，分布在监测现场环境中，由干电池或工业现场基础供电设施供电。无线采集器上电初始化后，第1无线收发单元进入侦听状态。若无线采集器接收到路由更新消息包，首先检查消息包内的传输控制字段TControl，若是首次收到该TControl的消息包，则将无线采集器自身的hs更新为Hs+1，记录该邻居节点的ID号并将其分类为H-(比自己到汇聚节点跳数少1的节点)，将路由更新消息包中的Hs加1后广播该消息；若不是首次收到该TControl的消息包，则不需要再次广播该消息包，但也要更新邻居表信息。
路由更新过程结束后，无线采集器通过数据采集定时器Timer2周期性地采集传感器数据。若数据采集定时器Timer2时间到，则采集传感器信息并通过自组网算法将传感数据包发送到无线网关。若接收到其他无线采集器发送来的传感数据包，则根据传感数据包中的路由字段决定转发概率；则采用自组网算法转发该数据包到无线网关。
传感数据包：主要包括路由字段、工业装备编号及工业装备的传感参数等，其中路由字段由信道差错率、到汇聚节点的跳数、分配路径数以及目的地址等字段组成。待发送的传感数据包具体格式由表3所示：
表3 无线采集器传感数据包格式
如图7所示，无线采集器的工作流程如下：
3.1.无线采集器上电初始化，将自身到汇聚节点(无线网关)的跳数hs初始化为0，无线采集器的第1无线收发单元保持侦听状态，；
3.2.若无线采集器收到路由更新消息包，则根据消息包中的Hs和TControl字段决定是否更新自己的hs及是否继续广播Hs加1后的路由更新消息包；同时根据收到的消息包记录邻居节点并分类；
3.3.路由更新过程结束后，网络中的每个无线采集器获得自己到汇聚节点的跳数以及其邻居节点到汇聚节点的跳数；
3.4.无线采集器开启数据采集定时器Timer2，周期性地采集传感器数据；
3.5.若无线采集器的数据采集定时器Timer2时间到，则采集传感器数据，作为源节点将传感数据包通过自组网算法发送到汇聚节点；若数据采集定时器Timer2时间未到，则保持侦听状态；
3.6.若无线采集器收到邻居节点传来的传感数据包，则作为转发节点将该数据包通过自组网算法发送到汇聚节点；
实施例3：
无线网关上电初始化后，第3无线收发模块处于侦听状态，等待基站的***启动消息。收到基站预启动消息包后，则开始广播路由更新消息包，启动路由更新定时器Timer1，周期性进行路由更新工作。无线网关在网络中有数据交换与路由选择的功能：若无线网关接收到无线采集器或无线控制器发送的传感数据包，则将其转发到基站；若无线网关接收到无线控制器发送的状态信息包，也将其转发到基站；若无线网关接收到基站发送的控制指令数据包，则将其转发到无线控制器。
如图8所示，所述无线网关的工作流程如下：
4.1.无线网关上电初始化，将自身到汇聚节点(即无线网关自己)的跳数hs0设置为0，保持侦听状态；
4.2.若无线网关收到基站发来的***预启动数据包，则广播路由更新消息包(该消息包包含Hs字段，其值等于该节点的hs值)，并启动路由更新定时器Timer1，周期性地广播路由更新消息包；
4.3.若无线网关的路由更新定时器Timer1时间到，则广播新的路由更新消息包，开始新一轮的路由更新过程；若路由更新定时器Timer1时间未到，则继续保持侦听状态；
4.4.无线网关若接收到其他节点传来的信息：
4.4.1.无线网关接收到无线采集器或无线控制器发送来的传感器数据包，则将其发送到基站；
4.4.2.无线网关接收到无线控制器发送来的执行设备状态信息包，则将其发送到基站；
4.4.3.无线网关接收到基站发送来的控制指令，则将其发送到无线控制器；
以无线网关为汇聚节点，无线采集器自组网将信号发送至无线网关的自组网算法如图11所示，自组网步骤如下：
7.1.无线网关将自身到汇聚节点(即无线网关自己)的跳数hs设置为0，广播路由更新消息包(该消息包包含Hs字段，其值等于该节点的hs值)，并启动路由更新定时器Timer1，周期性地广播路由更新消息包；
7.2.无线控制器若收到来自无线网关的路由更新消息包，则将路由更新消息包中的Hs加1后广播该消息；无线采集器若收到路由更新消息包，首先检查消息包内的传输控制字段TControl，若是首次收到该TControl的消息包，则将无线采集器自身的hs更新为Hs+1，记录该邻居节点的ID号并将其分类为H-(比自己到汇聚节点跳数少1的节点)，将路由更新消息包中的Hs加1后广播该消息；若不是首次收到该TControl的消息包，则不需要广播该消息包并按如下规则进一步处理：
7.2.1.若无线采集器自身的hs等于Hs+1，记录该邻居节点的ID号并将其分类为H-；
7.2.2.若无线采集器自身的hs等于Hs，记录该邻居节点的ID号并将其分类为H0(与自己到汇聚节点跳数相同的节点)；
7.2.3.若无线采集器自身的hs等于Hs-1，记录该邻居节点的ID号并将其分类为H+(比自己到汇聚节点跳数多1的节点)；
7.2.4.若无线采集器收到的Hs为其他值，则不作处理；
7.3.路由更新过程结束后，网络中的每个无线采集器获得自己到汇聚节点的跳数以及其邻居节点到汇聚节点的跳数，；
7.4.若无线采集器的数据采集定时器Timer2时间到，则采集传感器数据，作为源节点将传感器数据包通过自组网算法发送到汇聚节点：
7.4.1.计算源节点需要的成功传输路径数Ps：P(rs，es，hs)＝(log(1-rs))/(log(1-(1-es)hs))；其中，rs是可靠性参数，是小于1的正数，表示***要求的数据源发送数据分组到汇聚节点的成功概率；es是信道差错率，也是小于1的正数，表示每个节点到自己的邻居节点的信道质量，假设在整个网络中该值是相同的；hs是该节点到汇聚节点的跳数；
7.4.2.源节点首先从H-类邻居节点中选取一个作为默认的下一跳节点，默认的下一跳节点转发数据概率设为1；当(1-es)大于或等于路径数Ps时，表明源节点只需默认下一跳节点就可满足***可靠性要求，转至7.4.5；否则，还需计算额外的路径数，转至7.4.3；
7.4.3.计算额外路径数P＝(log(1-rs))/(log(1-(1-es)hs))-(1-es)；额外路径下一跳节点的选取原则是：首先优先从H-中选取下一跳节点：当路径数P值大于H-中的节点数时，才需要从H0中选取；如P值大于H0和H-中节点数之和，才从H+中选取节点；
7.4.4.每类邻居节点中被选取的节点都需为源节点创建一定数目的路径数，才能确保所有选中节点提供的路径数总和为P；用PH -，PH 0，PH +表示H-，H0，H+中被选中作为下一跳的节点需要为源节点创建的路径数，设H-，H0，H+中选择的节点数依次为NH -，NH 0，NH +，则有：PH -NH -+PH 0NH 0+PH +NH +＝P；PH -，PH 0，PH +的分配比例为：PH -＝PH 0/(1-es)＝PH +/(1-es)2；
7.4.5.源节点在发送的数据包的路由字段添加三个参数：es、hs和PH，其中PH表示在集合H(集合H包括H-，H0，H+中的全部节点)中选中作为下一跳的节点需要为源节点创建的路径数目；将数据包发送到选中的下一跳节点；
7.5.若无线采集器收到邻居节点发送来的数据包，则按照与数据包中路由字段的路径数PH相同的概率确定是否转发数据包，如确定要转发，转至7.6；否则丢弃该数据包；
7.6.无线采集器重新计算可靠性值：ri＝1-(1-(1-es)hs-1)P H；ri是该节点i为了保证上一跳节点s指定的可靠性而重新计算出的可靠性值；无线采集器将自己作为源节点，利用自己的参数ri、es和hs重新计算所需的传输路径数，转至7.4.1；
7.7.无线控制器若收到无线采集器发来的传感数据包，则将其转发到无线网关；
7.8.这个路由选择过程持续下去，一直到达汇聚节点(无线网关)为止。
所使用的自组网算法利用多路径传输的办法，保证了数据无线传输的可靠性。
无线控制器上电初始化后，首次采集执行设备的状态，发送状态信息包到无线网关；第4无线收发模块处于侦听状态。无线控制器若收到来自无线网关的路由更新消息包，则将路由更新消息包中的Hs加1后广播该消息；若收到无线采集器发来的传感数据包，则将其转发到无线网关；若收到无线网关发来的控制指令，则按照指令控制相关执行设备的开/关，开启等待定时器Timer3，Timer3时间到则采集执行设备的状态，发送状态信息包到无线网关。状态信息包格式如表4所示。
表4 执行设备状态信息包格式
| 序号 | 字段名称 | 字段长度 | 说明 |
| 1 | 包类型 | 1byte | 0x04 |
| 2 | 源地址 | 2byte | 无线控制器ID |
| 3 | 目的地址 | 2byte | 无线网关ID |
| 4 | 状态信息 | X byte | 标识执行设备的状态 |
| 5 | CRC校验 | 2byte | 1、2、3、4字段数据校验 |
如图9所示，无线控制器进一步包括下列步骤：
5.1.无线控制器上电初始化，采集执行设备的状态信息，发送至无线网关；无线控制器保持侦听状态；
5.2.无线控制器若收到来自无线网关的路由更新消息包，则将路由更新消息包中的Hs加1后广播该消息；
5.3.无线控制器若收到无线采集器发来的传感数据包，则将其转发到无线网关；
5.4.无线控制器若收到无线网关发送来的控制指令，则按照指令中的要求对相应的执行设备进行开关控制，开启等待定时器Timer3；
5.5.无线控制器的等待定时器Timer3时间到，采集执行设备的状态，将其封装进状态信息包发送到无线网关；
基站上电初始化后，发送***预启动信息包到无线网关，第4无线收发模块处于侦听状态。基站具有对数据进行分析、处理、配置的功能，若接收到无线网关发来的传感数据包或执行设备状态信息包，则将其经过一定处理后通过PC接口单元发送到本地监控终端；若由PC接口单元接收到本地监控终端传来的控制指令，则将其封装进控制指令数据包发送给无线网关。控制指令数据包格式如表5所示，发送至本地监控终端的传感数据包如表6所示，状态信息包如表7所示。
表5 控制指令数据包格式
| 序号 | 字段名称 | 字段长度 | 说明 |
| 1 | 包类型 | 1byte | 0x05 |
| 2 | 源地址 | 2byte | 基站ID |
| 3 | 目的地址 | 2byte | 无线网关ID |
| 4 | 控制指令 | X byte | 执行设备的控制指令 |
| 5 | CRC校验 | 2byte | 1、2、3、4字段数据校验 |
表6 发送至本地监控终端的传感数据包格式
| 序号 | 字段名称 | 字段长度 | 说明 |
| 1 | 起始标识符 | 1byte | 0x6F |
| 2 | 包类型 | 1byte | 0x06 |
| 3 | 工业装备ID | 1byte | 无线采集器ID |
| 4 | 传感信息 | 2byte | 传感数据 |
| 5 | 结束标识符 | 1byte | 0x6F |
表7 发送至本地监控终端的状态信息包格式
| 序号 | 字段名称 | 字段长度 | 说明 |
| 1 | 起始标识符 | 1byte | 0x7F |
| 2 | 包类型 | 1byte | 0x07 |
| 3 | 状态信息 | X byte | 执行设备的状态 |
| 4 | 结束标识符 | 1byte | 0x7F |
如图10所示，基站进一步包括下列步骤：
6.1.基站上电初始化，发出***预启动数据包给无线网关，保持侦听状态；
6.2.若基站的第4无线收发单元接收到无线网关发送来的传感数据包或执行设备状态消息包，则将其进行一定处理后发送到监控终端；
6.3.若基站接收到本地监控终端传来的控制指令，则将其通过无线通信模块发送到无线网关；
本地监控终端显示采集到的工业装备及环境中温度、压力、流量等数据，工作人员可以根据显示的各组数据决定如何对相关的执行设备进行控制，下达控制指令；本地监控终端根据反馈的状态信息更新页面上显示的执行设备状态，从而实现工业装备及环境参数的检测和对相关执行设备的控制。
本发明的信息感知方法应用于工业装备或环境监控WSN***的信息感知层，主要通过获取工业装备或环境中的温度、压力、流量等信息，并将信息通过网络内各无线采集器节点以无线自组网的方式传输至本地监控终端。本地监控终端安装监控软件根据接收到的数据对工业装备及环境进行监控。
由上述实施例可知，本发明可以实时了解工业装备和农业、交通、仓储、居住等环境的相关参数信息，能够随时根据实时数据对相关执行设备进行开关控制，防止异常情况的发生，对安全的工业生产活动等具有极其重要的意义。
Claims (8)
1.一种用于工业装备及环境监控的WSN信息感知方法，其特征在于，基于工业装备及环境监控的WSN信息感知***，该***包括无线采集器，分布在监测现场环境中，用于获取和存储工业装备或环境的传感数据，并将获取的传感数据通过自组网发送到无线网关；无线控制器，用于接收无线网关传来的控制指令、按照控制指令对开关型执行设备进行控制、并反馈执行设备的状态信息给无线网关，同时转发无线采集器的传感数据到无线网关；无线网关，用于***自组网中的数据交换和路由选择、将基站传来的控制指令发送给无线控制器，同时作为底层无线传感器网络的汇聚节点、负责接收无线采集器通过自组网传来的传感数据以及无线控制器反馈回来的状态信息无线发送到基站；基站，设置在工业现场的监控室内，通过串口与本地监控终端相连，作为无线传感器网络和本地监控终端的连接点，基站下行接收无线网关传来的工业装备或环境的传感数据和状态信息，将其经过分析、处理、配置后，上行通过串口发往本地监控终端，并将本地监控终端下达的控制指令发送到无线网关；本地监控终端，接收基站上传的传感数据和状态信息，存储、显示采集到的传感数据，工作人员根据本地监控终端显示的传感数据决定相应执行设备的开/关操作，并由本地监控终端发送控制指令到基站；
包括如下步骤：
第1步：无线采集器、无线控制器、无线网关和基站上电初始化；将无线网关设置为底层无线传感器网络的汇聚节点，基站发出***预启动数据包给无线网关、基站保持侦听状态，无线网关保持侦听状态、将自身到汇聚节点的跳数hs0设置为0，无线采集器保持侦听状态、将自身到汇聚节点的跳数hs设置为0，无线控制器采集执行设备的状态信息，发送至无线网关、保持侦听状态；
第2步：无线网关若未收到***预启动数据包则继续保持侦听状态；若收到***预启动数据包，则广播路由更新消息包，并开启路由更新定时器Timer1，路由更新定时器Timer1时间到后，无线网关广播路由更新消息包；无线控制器收到来自无线网关的更新消息包后，将跳数Hs加1后广播该消息包；无线采集器接收到更新消息包后，则根据消息包中的传输控制字段TControl决定是否将跳数Hs加1后继续广播消息包，并按照路由协议规则更新自己的跳数hs及邻居表信息；若路由更新定时器Timer1时间未到，则无线网关继续保持侦听状态；
第3步：路由更新过程结束后，无线采集器开启数据采集定时器Timer2，周期性地采集传感数据，数据采集定时器Timer2时间到后将传感数据包通过自组网算法发送至无线网关；若数据采集定时器Timer2时间未到，则无线采集器继续保持侦听状态； 若无线采集器接收到其他无线采集器发来的传感数据包，则采用自组网算法转发该传感数据包到无线网关；
第4步：若无线网关收到无线采集器或无线控制器发送来的传感数据包或者无线控制器发送的状态信息包、则发送至基站，若无线网关收到基站发来的控制指令、则将控制指令发送到无线控制器；
第5步：若无线控制器收到无线网关发送来的控制指令，则按照控制指令中的要求对相应的执行设备进行开关控制，开启定时器Timer3，无线控制器的定时器Timer3时间到后，采集执行设备的状态并将其封装进状态信息包发送到无线网关；无线控制器若收到无线采集器发来的传感数据包，则将其转发到无线网关；
第6步：若基站接收到无线网关发送来的传感数据包或状态信息包，则将其进行一定处理后发送到本地监控终端；若基站接收到本地监控终端传来的控制指令，则将其发送到无线网关；
第7步：若本地监控终端接收到基站的传感数据包，则存储传感数据包中的监测数据并显示该监测数据，工作人员根据显示的各组数据决定如何对相关的执行设备进行控制，发送控制指令；若本地监控终端收到的是状态消息包，则更新页面上显示的执行设备状态。
2.根据权利要求1所述的信息感知方法，其特征在于，无线采集器的工作流程包括下列步骤：
3.1.无线采集器上电初始化，将自身到汇聚节点无线网关的跳数hs初始化为0，无线采集器的通信模块保持侦听状态；
3.2.若无线采集器收到路由更新消息包，则根据消息包中的Hs和TControl字段决定是否更新自己的hs及是否继续广播Hs加1后的路由更新消息包；同时根据收到的消息包记录邻居节点并分类；
3.3.路由更新过程结束后，网络中的每个无线采集器获得自己到汇聚节点的跳数以及其邻居节点到汇聚节点的跳数；
3.4.无线采集器开启数据采集定时器Timer2，周期性地采集传感器数据；
3.5.若无线采集器的数据采集定时器Timer2时间到，则采集传感器数据，作为源节点将传感器数据包通过自组网算法发送到汇聚节点；若数据采集定时器Timer2时间未到，则保持侦听状态；
3.6.若无线采集器收到邻居节点传来的传感器数据包，则作为转发节点将该数据 包通过自组网算法发送到汇聚节点。
3.根据权利要求1所述的信息感知方法，其特征在于，无线网关的工作流程包括下列步骤：
4.1.无线网关上电初始化，将自身到汇聚节点的跳数hs0设置为0，保持侦听状态；
4.2.若无线网关收到基站发来的***预启动数据包，则广播路由更新消息包，并启动路由更新定时器Timer1，周期性地广播路由更新消息包；
4.3.若无线网关的路由更新定时器Timer1时间到，则广播新的路由更新消息包，开始新一轮的路由更新过程；若路由更新定时器Timer1时间未到，则继续保持侦听状态；
4.4.无线网关若接收到其他节点传来的信息：
4.4.1.无线网关接收到无线采集器或无线控制器发送来的传感器数据包，则将其发送到基站；
4.4.2.无线网关接收到无线控制器发送来的执行设备状态信息包，则将其发送到基站；
4.4.3.无线网关接收到基站发送来的控制指令，则将其发送到无线控制器。
4.根据权利要求1所述的信息感知方法，其特征在于，无线控制器的工作流程包括下列步骤：
5.1.无线控制器上电初始化，采集执行设备的状态信息，发送至无线网关，无线控制器保持侦听状态；
5.2.无线控制器若收到来自无线网关的路由更新消息包，则将路由更新消息包中的Hs加1后广播该消息包；
5.3.无线控制器若收到无线采集器发来的传感数据包，则将其转发到无线网关；
5.4.无线控制器若收到无线网关发送来的控制指令，则按照指令中的要求对相应的执行设备进行开关控制，开启等待定时器Timer3；
5.5.无线控制器的等待定时器Timer3时间到，采集执行设备的状态，将其封装进状态信息包发送到无线网关。
5.根据权利要求1所述的信息感知方法，其特征在于，基站的工作流程包括下列步骤：
6.1.基站上电初始化，发出***预启动数据包给无线网关，基站保持侦听状态；
6.2.若基站的无线通信模块接收到无线网关发送来的传感器数据包或执行设备状态消息包，则将其进行一定处理后发送到本地终端；
6.3.若基站接收到本地终端传来的控制指令，则将控制指令通过基站的无线通信模块发送到无线网关。
6.根据权利要求1或2所述的信息感知方法，其特征在于，所述自组网算法包括下列步骤：
7.1.无线网关将自身到汇聚节点的跳数hs0设置为0，广播路由更新消息包，该消息包包含Hs字段，其值等于该节点的hs0值，并启动路由更新定时器Timer1，周期性地广播路由更新消息包；
7.2.无线控制器若收到来自无线网关的路由更新消息包，则将路由更新消息包中的Hs加1后广播该消息；无线采集器若收到路由更新消息包，首先检查消息包内的传输控制字段TControl，若是首次收到该TControl的消息包，则将无线采集器自身的hs更新为Hs+1，记录该邻居节点的ID号并将其分类为H-、即比自己到汇聚节点跳数少1的节点，将路由更新消息包中的Hs加1后广播该消息；若不是首次收到该TControl的消息包，则不需要广播该消息包并按如下规则进一步处理：
7.2.1.若无线采集器自身的hs等于Hs+1，记录该邻居节点的ID号并将其分类为H-，即比自己到汇聚节点跳数少1的节点；
7.2.2.若无线采集器自身的hs等于Hs，记录该邻居节点的ID号并将其分类为H0，即与自己到汇聚节点跳数相同的节点；
7.2.3.若无线采集器自身的hs等于Hs-1，记录该邻居节点的ID号并将其分类为H+，即比自己到汇聚节点跳数多1的节点；
7.2.4.若无线采集器收到的Hs为其他值，则不作处理；
7.3.路由更新过程结束后，网络中的每个无线采集器获得自己到汇聚节点的跳数以及其邻居节点到汇聚节点的跳数；
7.4.若无线采集器的数据采集定时器Timer2时间到，则采集传感器数据，作为源节点将传感器数据包通过自组网算法发送到汇聚节点：
7.4.1.计算源节点需要的成功传输路径数Ps：P(rs，es，hs)＝(log(1-rs))/(log(1-(1-es)hs))；其中，rs是可靠性参数，是小于1的正数，表示***要求的数据源发送数据分组到汇聚节点的成功概率；es是信道差错率，也是小于1的正数，表示每个节点到自己的邻居节点的信道质量，假设在整个网络中该值是相同的；hs是该节点 到汇聚节点的跳数；
7.4.2.源节点首先从H-类邻居节点中选取一个作为默认的下一跳节点，默认的下一跳节点转发数据概率设为1；当(1-es)大于或等于路径数Ps时，表明源节点只需默认下一跳节点就可满足***可靠性要求，转至7.4.5；否则，还需计算额外的路径数，转至7.4.3；
7.4.3.计算额外路径数P＝(log(1-rs))/(log(1-(1-es)hs))-(1-es)；额外路径下一跳节点的选取原则是：首先优先从H-类邻居节点中选取下一跳节点：当路径数P值大于H-中的节点数时，才需要从H0中选取；如P值大于H0和H-中节点数之和，才从H+中选取节点；
7.4.4.每类邻居节点中被选取的节点都需为源节点创建一定数目的路径数，才能确保所有选中节点提供的路径数总和为P；用PH -，PH 0，PH +表示H-，H0，H+中被选中作为下一跳的节点需要为源节点创建的路径数，设H-，H0，H+中选择的节点数依次为NH -，NH 0，NH +，则有：PH -NH -+PH 0NH 0+PH +NH +＝P；PH -，PH 0，PH +的分配比例为：PH -＝PH 0/(1-es)＝PH +/(1-es)2；
7.4.5.源节点在发送的数据包的路由字段添加三个参数：es、hs和PH，其中PH表示在集合H选中作为下一跳的节点需要为源节点创建的路径数目，集合H包括H-，H0，H+中的全部节点；将数据包发送到选中的下一跳节点；
7.5.若无线采集器收到邻居节点发送来的数据包，则按照与数据包中路由字段的路径数PH相同的概率确定是否转发数据包，如确定要转发，转至7.6；否则丢弃该数据包；
7.6.无线采集器重新计算可靠性值：ri＝1-(1-(1-es)hs-1)P H；ri是该节点i为了保证上一跳节点s指定的可靠性而重新计算出的可靠性值；无线采集器将自己作为源节点，利用自己的参数ri、es和hs重新计算所需的传输路径数，转至7.4.1；
7.7.无线控制器若收到无线采集器发来的传感数据包，则将其转发到无线网关；
7.8.这个路由选择过程持续下去，一直到达汇聚节点无线网关为止。
7.根据权利要求1所述的信息感知方法，其特征在于：所述***预启动数据包的格式包括包类型、源地址、目的地址和CRC校验，源地址为基站地址、目的地址为无线网关的地址；所述路由更新消息包的格式包括包类型、源地址、目的地址、跳数、传输控制和CRC校验；所述状态信息包的格式包括起始标识符、包类型、状态信息和结束标识符；所述传感数据包的格式包括起始标识符、包类型、工业装备ID、传感信息 和结束标识符。
8.根据权利要求1所述的信息感知方法，其特征在于：所述传感数据包的数据内容包括路由字段、工业装备或环境的编号、工业装备或环境的传感参数，其中路由字段由信道差错率、到汇聚节点的跳数、分配路径数以及目的地址组成。
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