CN108924786B - 面向环境突发事件的无线传感器网络数据采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向环境突发事件的无线传感器网络数据采集方法，包括下述步骤：将无线传感器网络中的节点按照事件关联性进行分类，包括事件关联节点、事件边缘节点和休眠节点；当环境突发事件发生时，选取任意事件关联节点为起始点，完成初始化，并通知邻居节点进行环境事件感知；当邻居节点完成感知后进行模糊域的判定，当关联系数超过设定阈值时，将该节点存入事件关联节点集合；对于新入选事件关联节点的集合，以同样的方法通知邻居节点进行环境事件感知；重复上述步骤直到该事件关联节点集合中的节点不再增加；将采集的数据传输到远端服务器。通过本发明提高了进行数据感知节点与事件关联性，提高感知策略的准确性与数据质量。

Description

面向环境突发事件的无线传感器网络数据采集方法

技术领域

本发明属于环境监测的技术领域，涉及一种面向环境突发事件的无线传感器网络数据采集方法。

背景技术

无线网络化、智能化、微型化、集成化是环境监测***的发展重要趋势，其可以实现环境监测的自动化、远程化。于是随着半导体、无线通信技术、微电子机械***等学科的飞速发展而产生的无线传感器网络就成为环境监测领域研究的热点之一。无线传感器网络综合运用了多项技术，它是多种技术的集合体，主要包括无线通信技术、嵌入式计算机技术、传感器技术以及分布式信息处理技术。它可以对监控对象进行实时监测，采集监控区域内的相关数据，并加以处理后得到准确详实信息，最终将这些信息发给有需要的人。无线传感器网络由大量静止或移动的节点以自组织和多跳的方式构成，集传感与驱动控制、计算、通信能力于一身，协作地实时监测、感知、采集、处理和传输网络覆盖区域内感知对象的监测信息并报告给用户。由于它成本低，采用无线通信，不需要固定网络协助，所以其研究成果应用十分广泛。多参数无线传感器网络凭借其成本低、部署灵活、自组网等特点，被广泛的应用于环境监测等领域，近年在突发环境监测应用引起了社会各个层面的广泛关注，成为的当前的研究热点。然而当前的无线传感器网络在数据采集方法设计过程很少考虑环境突发事件；同时，近年为提高无线传感器网络节点的功能、降低成本，随着无线监测网络的发展，普通无线感知节点通常需要配备多种不同类型的传感器，不同传感器意味着在感知方法、时间以及与环境事件的关联性存在较大的差异。因此，面对突发的环境事件，对于单个无线传感器节点选择哪些传感器进行数据采集，是无线传感器网络需要解决的另一个关键性的问题之一。当前无线传感器网络环境监测***在应对突发环境事件进行关键参数数据采集时，存在无线传感器网络参数采集数据质量低、与环境事件关联性差、数据传输量大、网络延时高等不足。

现有的环境监测数据采集***中，无线节点传感器种类单一、采集数据与环境事件相关性较差；通常假定环境事件静态不变、发生区域固定不变。基于上述描述与分析，现有的技术存在以下不足：首先当前环境监测无线传感器网络的数据采集方法是无线网络驱动网络中所有无线传感器节点进行数据采集，单个节点采集所有传感器的数据，然后感知通过一定的路由路径，将数据传输远端服务器；明显当前的无线传感器网络数据采集策略存在采集数据量大、网络传输效率低、能耗大、数据传输时延高等不足。其次，当前数据采集方法是每个节点所有传感器的数据，存在采集数据质量低、采集数据与事件的关联性低等缺点。最后，当前针对环境突发事件的无线传感器网络在进行数据采集时，其以环境事件静态为假设，明显其与实际工程应用存在巨大差异，其不适用实际应用；基于此假设的环境监测数据采集方法明显不能适应动态变化的环境突发事件，在实际应用中存在监测数据不全等缺点。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种面向环境突发事件的无线传感器网络数据采集方法，采用环境突发事件相关节点选取方法，提高了进行数据感知节点与事件关联性，提高感知策略的准确性与数据质量。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明一种面向环境突发事件的无线传感器网络数据采集方法，包括下述步骤：

S1、将配备有多个不同种类传感器的无线节点部署在需要监控的区域；

S2、在无线节点部署完成后，无线节点通过无线模块与内置的无线通信协议网络完成网络自组网，形成环境监测无线传感器网络；

S3、将无线传感器网络中的节点按照事件关联性进行分类，包括事件关联节点、事件边缘节点和休眠节点，并实时更新对应节点的组成的集合，所述关联节点实行数据感知，事件边缘节点进行感知准备，休眠节点进行休眠；

S4、通常情况下，无线传感器网络处于休眠状态，当环境突发事件发生时，选取环境突发事件区域任意事件关联节点为起始点，完成节点的初始化，进入突发环境监测模式，并通知邻居节点进行环境事件感知；

S5、当邻居节点完成对突发环境事件的感知后，对数据进行模糊域的判定，当无线节点感知的数据与事件的关联系数超过设定阈值时，将该节点存入事件关联节点集合；

S6、对于新入选事件关联节点的集合，以同样的方法通知邻居节点进行环境事件感知，对感知数据进行模糊域的事件关联性判定，并将与事件相关的数据存在事件关联节点集合；

S7、在设定的时间内，重复上述步骤直到该事件关联节点集合中的节点不再增加；

S8、事件关联节点集合所有无线节点进入周期性的数据采集，并将相关感知数据通过快速数据传输路由路径，传输到远端服务器，进而为环境突发事件的应急决策提供必要的数据基础。

作为优选的技术方案，步骤S2中，无线节点通过无线模块与内置的无线通信协议网络完成网络自组网，形成环境监测无线传感器网络，具体为：

随机一个网络节点发起组件邀请，周围的网络节点顺序加入该网络，然后转入休眠状态，等待突发事件触发。

作为优选的技术方案，步骤S4中，在事件关联节点组成的集合中，事件关联节点进行数据采集的同时，该集合的事件边缘节点周期性地感知环境突发事件的相关数据，然后判定环境突发事件是否进入该事件边缘节点的感知区域，并将可以感知环境事件的事件边缘节点存入事件关联节点集合，并对重复事件关联性步骤，实时更新事件关联节点集合与之对应的事件边缘节点集合。

作为优选的技术方案，当事件关联节点无法感知环境突发事件时，根据邻居节点的感知参数，进行动态修正，即邻居节点仍能感知事件时，该邻居节点存入事件边缘节点集合；当邻居节点无法感知事件时，该节点存入休眠节点集合。

作为优选的技术方案，判定环境突发事件是否进入该事件边缘节点的感知区域，具体为：

事件边缘节点周期性的采集与事件相关传感器数据，如果采集的数据通过模糊域判定，超过阈值，则说明环境事件已经进入该边缘节点的感知区域。

作为优选的技术方案，步骤S4中，并通知邻居节点进行环境事件感知，具体为：

事件中的传感器节点，以广播形式发送突发事件监测数据包，给其对应的邻居节点，邻居节点则进入数据采集工作状态。

作为优选的技术方案，步骤S5中，对数据进行模糊域的判定的具体方法为：

首先将感知的各类型的数据进行权重加权，进而得到一个感知评价函数值；然后根据该感知评价函数进行对事件程度进行模糊评分，当模糊评分超过一定阈值，则说明该环境事件已经进入该节点监测区域，则加入环境监测传感器节点集合。

作为优选的技术方案，步骤S8中，所述快速数据传输路由路径具体为：

事件监测传感器节点集合内的节点，随机形成多个分簇，然后分簇中的簇首节点增大发射功率与远端汇聚节点或是基站建立单跳传输路径进行数据传输。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1)采用环境突发事件相关节点选取方法，采用事件关联节点选取原则，选取进行数据感知的无线网络感知节点集合。即通过事件关联的判定，完成无线传感器节点的选取，减小无线节点环境感知的个数，提高了进行数据感知节点与事件关联性，提高感知策略的准确性与数据质量。

2)发明通过更新事件关联节点集合，事件边缘节点集合，实现依照事件动态调整监测节点的目的。具体来讲，整个网络周期性的感知与事件相关的参数，实时对时间关联节点集合与其对应的邻居集合进行更新，完成对环境事件动态性的监测。

3)本发明中无线感知节点基于事件相关度，采用不同优先级的策略完成对事件关联参数的感知，并采用模糊分级对数据进行压缩预处理，进而提高节点感知数据质量，降低传输数据量、提高感知数据的实时性。

附图说明

图1是本发明环境突发事件无线传感器网络数据采集示意图；

图2是本发明环境突发事件无线传感器网络数据采集流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1、图2所示，本发明面向环境突发事件的无线传感器网络数据采集方法，包括下述步骤：

S2、首先配备有多个种类不同的传感器(多个类型传感器节点用于监测不同的环境突发事件)的无线节点被部署在需要监控区域。

S2、在无线节点部署完成后，无线节点通过无线模块与内置的无线通信协议网络完成网络自组网，形成环境监测无线传感器网络(采用通信协议如Zigbee,Wi-Fi,蓝牙等，随机一个网络节点发起组件邀请，周围的节点顺序加入该网络。然后转入休眠状态，等待突发事件触发)。

S3、将无线传感器网络中节点分为，事件关联节点、事件边缘节点和其余节点，并实时更新对应节点的集合。在事件相关节点集合无线节点进行数据采集的同时，该集合的事件边缘节点周期性地感知环境突发事件的相关数据，然后判定环境突发事件是否进入该节点的感知区域，并将可以感知环境事件的节点存入事件关联节点集合，并对重复事件关联性步骤，实时更新事件关联节点集合与之对应的事件边缘集合。

判定环境突发事件是否进入该事件边缘节点的感知区域，具体为：

事件边缘节点周期性的采集与事件相关传感器数据，如果采集的数据通过模糊域判定，超过阈值，则说明环境事件已经进入该边缘节点的感知区域。

S4、通常情况下，网络处于休眠状态。当环境突发事件发生时，选取环境突发事件区域任意网络节点为起始点，完成节点的初始化、进入突发环境监测模式；并通知邻居节点进行环境事件感知，具体通知方式是：事件中的传感器节点，以广播形式发送突发事件监测数据包，给其对应的邻居节点，邻居节点则进入数据采集工作状态。

S5、当邻居节点对突发环境事件进行感知完成，对数据进行模糊域的判定。当无线节点感知的数据与事件的关联系数超过一定阈值时，将该节点存入事件关联节点集合。

对数据进行模糊域的判定的具体方法为：

首先将感知的各类型的数据进行权重加权，进而得到一个感知评价函数值；然后根据该函数进行对事件程度进行模糊评分，(例如函数值100～120，对应的分数是3分，120～150对应的分数为4分，以此类推)当模糊评分超过一定阈值，(如5分)则说明该环境事件已经进入该节点监测区域，则加入环境监测传感器节点集合。

S6、新入选事件关键节点的集合，以同样的方法通知邻居节点进行环境事件感知，对感知数据进行模糊域的事件关联性判决，并将与事件相关的数据存在事件关联节点集合。

S7、在一段时间内，重复上述步骤直到该集合(事件关联节点集合)元素不在增加。

S8、然后事件关联节点集合所有无线节点进入周期性的数据采集，并将相关感知数据通过快速数据传输路由路径，传输到远端服务器，进而为环境突发事件的应急决策提供必要的数据基础。

所述快速数据传输路由路径具体为：

事件监测传感器节点集合内的节点，随机形成多个分簇(簇内的成员个数满足一定要求，例如10个)，然后分簇中的簇首节点增大发射功率与远端汇聚节点或是基站建立单跳传输路径进行数据传输。(汇聚节点或是基站可以视为远端服务器)。

在本发明中，事件关联节点无法感知环境突发事件时，根据邻居节点的感知参数，进行动态修正。即邻居节点仍能感知事件时，该节点存入事件边缘节点集合；当邻居节点无法感知事件时，该节点存入其余节点。可以看出，将网络中无线节点按照事件关联性进行分类，关联节点实行数据感知、事件边缘节点进行感知准备、其余节点进行休眠。上述策略，可以极大提高感知数据的质量、降低数据传输量。而且通过周期性地更新三种分类节点集合可以实现对环境突发事件的动态监控。

与之同时，事件关联节无线节点在进行数据感知时，可以根据传感器与环境事件相关度和事件种类，驱动相关的传感器进行数据感知。即与事件相关度高的传感器，节点进行优先数据采集；相关度低的传感器后进行数据采集；并关闭或休眠无相关度的传感器。同时关联节点，为了减小数据传输的量，通过模糊算法对环境事件进行分级，只需要传输事件分级标识以降低数据传输的数据量，提升数据传输的效率。最后当环境事件监测结束后，节点初始休眠状态，进而延长整个网络的使用寿命。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.面向环境突发事件的无线传感器网络数据采集方法，其特征在于，包括下述步骤：

S1、将配备有多个不同种类传感器的无线节点部署在需要监控的区域；

S2、在无线节点部署完成后，无线节点通过无线模块与内置的无线通信协议网络完成网络自组网，形成环境监测无线传感器网络；

S3、将无线传感器网络中的节点按照事件关联性进行分类，包括事件关联节点、事件边缘节点和休眠节点，并实时更新对应节点的组成的集合，所述关联节点实行数据感知，事件边缘节点进行感知准备，休眠节点进行休眠；

S4、通常情况下，无线传感器网络处于休眠状态，当环境突发事件发生时，选取环境突发事件区域任意事件关联节点为起始点，完成节点的初始化，进入突发环境监测模式，并通知邻居节点进行环境事件感知；

S5、当邻居节点完成对突发环境事件的感知后，对数据进行模糊域的判定，当无线节点感知的数据与事件的关联系数超过设定阈值时，将该节点存入事件关联节点集合；

S6、对于新入选事件关联节点的集合，以同样的方法通知邻居节点进行环境事件感知，对感知数据进行模糊域的事件关联性判定，并将与事件相关的数据存在事件关联节点集合；

S7、在设定的时间内，重复上述步骤直到该事件关联节点集合中的节点不再增加；

S8、事件关联节点集合所有无线节点进入周期性的数据采集，并将相关感知数据通过快速数据传输路由路径，传输到远端服务器，进而为环境突发事件的应急决策提供必要的数据基础。

2.根据权利要求1所述面向环境突发事件的无线传感器网络数据采集方法，其特征在于，步骤S2中，无线节点通过无线模块与内置的无线通信协议网络完成网络自组网，形成环境监测无线传感器网络，具体为：

随机一个网络节点发起组件邀请，周围的网络节点顺序加入该网络，然后转入休眠状态，等待突发事件触发。

3.根据权利要求1所述面向环境突发事件的无线传感器网络数据采集方法，其特征在于，步骤S4中，在事件关联节点组成的集合中，事件关联节点进行数据采集的同时，所述事件关联节点组成集合的事件边缘节点周期性地感知环境突发事件的相关数据，然后判定环境突发事件是否进入该事件边缘节点的感知区域，并将可以感知环境事件的事件边缘节点存入事件关联节点集合，并对重复事件关联性步骤，实时更新事件关联节点集合与之对应的事件边缘节点集合。

4.根据权利要求3所述面向环境突发事件的无线传感器网络数据采集方法，其特征在于，当事件关联节点无法感知环境突发事件时，根据邻居节点的感知参数，进行动态修正，即邻居节点仍能感知事件时，该邻居节点存入事件边缘节点集合；当邻居节点无法感知事件时，该节点存入休眠节点集合。

5.根据权利要求3所述面向环境突发事件的无线传感器网络数据采集方法，其特征在于，判定环境突发事件是否进入该事件边缘节点的感知区域，具体为：

事件边缘节点周期性的采集与事件相关传感器数据，如果采集的数据通过模糊域判定，超过阈值，则说明环境事件已经进入该边缘节点的感知区域。

6.根据权利要求1所述面向环境突发事件的无线传感器网络数据采集方法，其特征在于，步骤S4中，并通知邻居节点进行环境事件感知，具体为：

事件中的传感器节点，以广播形式发送突发事件监测数据包，给其对应的邻居节点，邻居节点则进入数据采集工作状态。

7.根据权利要求1所述面向环境突发事件的无线传感器网络数据采集方法，其特征在于，步骤S5中，对数据进行模糊域的判定的具体方法为：

首先将感知的各类型的数据进行权重加权，进而得到一个感知评价函数值；然后根据该感知评价函数进行对事件程度进行模糊评分，当模糊评分超过一定阈值，则说明该环境事件已经进入该节点监测区域，则加入环境监测传感器节点集合。

8.根据权利要求1所述面向环境突发事件的无线传感器网络数据采集方法，其特征在于，步骤S8中，所述快速数据传输路由路径具体为：

事件监测传感器节点集合内的节点，随机形成多个分簇，然后分簇中的簇首节点增大发射功率与远端汇聚节点或是基站建立单跳传输路径进行数据传输。

Images