專(zhuān)利名稱(chēng)：木材干燥過(guò)程無(wú)線數(shù)據(jù)采集的可靠性設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種木材加工過(guò)程監(jiān)測(cè)與控制技術(shù)，尤其是木材干燥過(guò)程中的無(wú) 線數(shù)據(jù)采集的設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
木材干燥過(guò)程是一個(gè)包含有多種不確定因素的復(fù)雜過(guò)程。通常要根據(jù)選定的 干燥基準(zhǔn)，調(diào)控木材干燥窯內(nèi)的溫度和濕度，控制木材內(nèi)部含水率指標(biāo)，以滿(mǎn) 足不同用途木材的干燥質(zhì)量要求。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展 與普及，利用計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)控制木材干燥過(guò)程，能起到保證木材干燥質(zhì) 量、縮短干燥周期、降低能耗、提高生產(chǎn)率的作用。因此，研究開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)自 動(dòng)控制、網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)及其相關(guān)技術(shù)，是木材干燥技術(shù)研究領(lǐng)域里的重要 課題和方向之一。
目前，我國(guó)的木材干燥控制系統(tǒng)，仍然以手工操作或半自動(dòng)化技術(shù)為主，各 種檢測(cè)手段和裝置不夠成熟，導(dǎo)致含水量檢測(cè)精度不高，無(wú)法以臨界參數(shù)作為 干燥過(guò)程的主要參數(shù)。近年來(lái)，盡管自動(dòng)控制技術(shù)在木材干燥行業(yè)有了初步應(yīng) 用，但真正意義上的全自動(dòng)木材干燥系統(tǒng)并未實(shí)現(xiàn)。此外，現(xiàn)有的木材干燥控 制系統(tǒng)基本上是有線的集散控制系統(tǒng)，以有線方式連接各種傳感器和執(zhí)行器， 由干燥窯附近的單片機(jī)系統(tǒng)將溫度、濕度等參數(shù)傳輸?shù)奖O(jiān)控主機(jī)。其主要問(wèn)題 在于安裝與維護(hù)成本高，能耗大，系統(tǒng)重新部署或更新不方便。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服上述背景技術(shù)的不足，提供一種木材干 燥過(guò)程無(wú)線數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)方法的改進(jìn)，該方法應(yīng)具有低成本、低功耗、部署方 便、適于對(duì)無(wú)人值守環(huán)境監(jiān)控的特點(diǎn)，還有利于提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。
本發(fā)明提出了以下技術(shù)方案 木材干燥過(guò)程無(wú)線數(shù)據(jù)采集的可靠性設(shè)計(jì)方法，包括
在單一干燥窯中部署的所有傳感器節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)簇樹(shù)，簇樹(shù) 中包括至少一個(gè)簇，每個(gè)節(jié)點(diǎn)必須且只能屬于一個(gè)簇(不能同時(shí)隸屬于二個(gè)及 二個(gè)以上簇)；其中的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)(較高性能的節(jié)點(diǎn)，即其中處理器的主頻、內(nèi)存、 射頻通信能力等性能指標(biāo)比其它節(jié)點(diǎn)要高)作為兩個(gè)簇頭，其它節(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù) 采集節(jié)點(diǎn)與本簇簇頭直接通信(也稱(chēng)為單跳通信)，簇頭通過(guò)網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?控制中心；
或者，由多座干燥窯組成多層次模式的簇樹(shù)，每一干燥窯中的所有傳感器 節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)組成其中較低層次的一棵子簇樹(shù)，子簇樹(shù)中包括至少一個(gè)簇， 每個(gè)節(jié)點(diǎn)必須且只能屬于一個(gè)簇(不能同時(shí)隸屬于二個(gè)及二個(gè)以上簇)；每個(gè)簇 中設(shè)置兩個(gè)節(jié)點(diǎn)(較高性能的節(jié)點(diǎn))作為兩個(gè)簇頭，其它節(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)采集節(jié) 點(diǎn)與本簇簇頭直接通信，簇頭通過(guò)更高層次的簇頭或網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦?心；
所述的兩個(gè)簇頭分別是一個(gè)工作簇頭和一個(gè)冗余簇頭，兩者互為冗余，以 便當(dāng)工作簇頭發(fā)生故障或者能量過(guò)低時(shí)，工作簇頭與冗余簇頭自動(dòng)進(jìn)行切換。
對(duì)于邊際成員節(jié)點(diǎn)，如果因?yàn)樯漕l環(huán)境干擾或其它原因?qū)е聼o(wú)法與本簇簇 頭通信時(shí)，即自動(dòng)重新分簇，使得該邊際節(jié)點(diǎn)能夠通過(guò)其它簇的簇頭(也稱(chēng)為 備份簇頭)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。
當(dāng)每個(gè)簇中的個(gè)別節(jié)點(diǎn)成為孤立節(jié)點(diǎn)，不能與任何簇的簇頭直接通信時(shí)， 即自動(dòng)采用多跳路由方式進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。
工作簇頭與冗余簇頭性能完全相同(指的是這兩者的軟硬件配置完全相 同)。當(dāng)工作簇頭正常工作時(shí)，冗余簇頭處于輕度睡眠狀態(tài)(采用常規(guī)方法實(shí)現(xiàn))，
并周期性地向工作簇頭發(fā)送冗余測(cè)試數(shù)據(jù)包；當(dāng)工作簇頭能量低于某一閾值時(shí)， 能夠主動(dòng)切換到冗余簇頭；當(dāng)工作簇頭發(fā)生軟硬件故障時(shí)，冗余簇頭通過(guò)冗余 測(cè)試數(shù)據(jù)包的響應(yīng)情況進(jìn)行判斷，并決定是否需要主動(dòng)接替工作簇頭的任務(wù)。 所述的工作簇頭主動(dòng)切換到冗余簇頭的工作狀態(tài)的步驟是
Sl:數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)周期K到來(lái)后，工作簇頭首先檢查自身能量；若能量(Emch) 低于給定的閾值(Emin)，那么轉(zhuǎn)到第S2步。否則檢査冗余簇頭的故障測(cè)試結(jié)果； 若工作簇頭的能量滿(mǎn)足需求，那么當(dāng)冗余簇頭的故障測(cè)試數(shù)據(jù)包計(jì)數(shù)值超過(guò)給 定閾值時(shí)(FaM/ZCwPmoxi^w/fA^m),轉(zhuǎn)到第S3步。否則轉(zhuǎn)到第S4步。
S2:工作簇頭向冗余簇頭發(fā)出切換請(qǐng)求，由冗余簇頭接替轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)。
S3:冗余簇頭主動(dòng)接替工作簇頭的轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)。
S4:工作簇頭完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)。
S5:數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)完成之后，等待下一周期R的到來(lái)。
所述的冗余簇頭主動(dòng)接替的步驟是
sio:在冗余測(cè)試周期r2到來(lái)之后，冗余簇頭向工作簇頭發(fā)送故障測(cè)試數(shù)據(jù)
包，如果不能收到工作簇頭的應(yīng)答數(shù)據(jù)包，并轉(zhuǎn)第S20步；否則，轉(zhuǎn)第S40步；
S20:計(jì)數(shù)值Faw/fC"f加1;
S30:如果Faw/zO^大于給定的閾值woxFaMteVwm，那么冗余簇頭認(rèn)為工作 簇頭發(fā)生故障，并主動(dòng)接替工作簇頭的轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)；否則，轉(zhuǎn)第S40步； S40:等待下一個(gè)冗余測(cè)試周期72或者數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)周期7\的到來(lái)。
所述的重新分簇的具體步驟如下
S100:找出邊際節(jié)點(diǎn)^的所有備份簇頭仏，坊,...,// ;
S200:對(duì)每個(gè)備份簇頭"，假設(shè)K加入到/Z,.所在的簇中，計(jì)算/Z,.的通信成
S300:比較各K的通信成本，選擇具有最小通信成本的/Z,作為戶(hù)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)
發(fā)節(jié)點(diǎn)。
所述的孤立節(jié)點(diǎn)采用多跳路由方式的具體步驟如下
S1000:孤立節(jié)點(diǎn)Z向所有鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送接入請(qǐng)求數(shù)據(jù)包；
S2000: r接收各鄰居節(jié)點(diǎn)的應(yīng)答數(shù)據(jù)包；
S3000:比較各應(yīng)答包的MAC幀中射頻信號(hào)強(qiáng)度域；
S4000:選擇應(yīng)答包的MAC幀中射頻信號(hào)最強(qiáng)者作為^的路由節(jié)點(diǎn)。
所述的方法還包括邊際成員節(jié)點(diǎn)的通信機(jī)制。
所述的方法還包括孤立成員節(jié)點(diǎn)的通信機(jī)制。 本發(fā)明提出了一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的木材干燥窯數(shù)據(jù)采集的設(shè)計(jì)方法， 并給出了應(yīng)用具體方案。該方法利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集木材干燥過(guò)程中的關(guān) 鍵參數(shù)，為制定干燥策略提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確決策支持，并可以達(dá)到節(jié)能和減少成 本的目標(biāo)。為了提高無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可靠性，該方法通過(guò)冗余的簇頭和自 適應(yīng)的重新分簇，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)通信的高可用性，避免了在分簇路由 系統(tǒng)中，故障風(fēng)險(xiǎn)高度集中的缺點(diǎn)。同時(shí)，還能防止由于簇中節(jié)點(diǎn)與簇頭發(fā)生 故障或者通信鏈路失效而造成損失。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法很好地實(shí)現(xiàn)工作簇頭與冗余簇頭的切換機(jī)制，邊際 成員節(jié)點(diǎn)和孤立節(jié)點(diǎn)能夠自動(dòng)啟用備份簇頭或者多跳路由機(jī)制，部署方便、適 于對(duì)無(wú)人值守環(huán)境，能夠滿(mǎn)足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的特殊要求。特別，對(duì)于包含多座干燥 窯的大型監(jiān)控系統(tǒng)，本發(fā)明提出的可靠性設(shè)計(jì)方法可以大大降低安裝和維護(hù)成 本與能耗，提高系統(tǒng)管理的靈活性，提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可靠性，提高產(chǎn)品質(zhì) 量和生產(chǎn)效率。在我國(guó)，木材干燥行業(yè)尤其是中小企業(yè)的自動(dòng)化程度還很低， 自動(dòng)控制技術(shù)比較落后，木材干燥質(zhì)量很難保證。隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)曰
益成熟，硬件節(jié)點(diǎn)的成本不斷下降，本發(fā)明提出的方法具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和很大
的應(yīng)用潛力。


圖1表示單層模式的無(wú)線數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。
圖2表示雙層模式的無(wú)線數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。
圖3描述了工作簇頭向冗余簇頭切換的算法流程圖。
圖4描述了冗余簇頭主動(dòng)接管工作簇頭的算法流程。
圖5描述了邊際成員節(jié)點(diǎn)通信機(jī)制的基本流程。
圖6給出了邊際成員節(jié)點(diǎn)使用備份簇頭轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的示意圖。
圖7描述了邊際成員節(jié)點(diǎn)選擇鄰居節(jié)點(diǎn)作為路由節(jié)點(diǎn)的基本流程。
圖8給出了孤立節(jié)點(diǎn)采用多跳路由方式進(jìn)行通信的示意圖。
附圖中，各元件的標(biāo)號(hào)分別是工作簇頭1，冗余簇頭2，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)3，成
員節(jié)點(diǎn)4，邊際成員節(jié)點(diǎn)5，備份簇頭6，孤立成員節(jié)點(diǎn)7，路由節(jié)點(diǎn)8，控制中心9。
具體實(shí)施例方式
圖1中，描述了一種單層模式的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 對(duì)于單座干燥窯的監(jiān)控， 一般可以采用這種模式。整座窯中各簇頭均通過(guò)無(wú)線 兩關(guān)與控制中心通信。圖中表示所有的節(jié)點(diǎn)分成四個(gè)簇10 (用圓圈表示)。簇 IO的數(shù)量可根據(jù)需要確定。
圖2中，描述了一種雙層模式的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種模式 對(duì)于體積較大的單座窯監(jiān)控以及對(duì)于多座干燥窯的監(jiān)控都適用。當(dāng)體積較大時(shí)， 部分簇頭可能與無(wú)線網(wǎng)關(guān)的距離較遠(yuǎn)，采用雙層或多層模式將能減少能耗，并 提高網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性。圖中表示所有的節(jié)點(diǎn)也分成四個(gè)簇10-1和10-2 (均用圓
圈表示)，其中兩個(gè)簇10-2需要分別通過(guò)另外兩個(gè)簇10-1中的簇頭中繼才能與
網(wǎng)關(guān)通信。簇10-1和簇10-2的數(shù)量也可根據(jù)需要確定。
圖3中，Sl、 S2、 S3、 S4、 S5分別對(duì)應(yīng)于工作簇頭向冗余簇頭切換的五個(gè) 步驟。
圖4中，S10、 S20、 S30、 S40分別對(duì)應(yīng)于冗余簇頭向工作簇頭切換的四個(gè)步驟。
圖5中，SIOO、 S200、 S300分別對(duì)應(yīng)于邊際成員節(jié)點(diǎn)選擇備份簇頭的三個(gè) 步驟。
圖6中，描述了邊際成員節(jié)點(diǎn)通過(guò)備份簇頭進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的過(guò)程。 圖7中，SIOOO、 S2000、 S300、 S4000分別對(duì)應(yīng)于孤立節(jié)點(diǎn)選擇路由節(jié)點(diǎn)的 四個(gè)步驟。
圖8中，描述了孤立節(jié)點(diǎn)利用多跳路由方式進(jìn)行通信的過(guò)程。本圖給出了2 個(gè)孤立節(jié)點(diǎn)7(符號(hào)"X"表示與本簇簇頭的通信己中斷)以其它簇中的路由節(jié) 點(diǎn)8作為路由器，從而利用該簇簇頭進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。然而，根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度優(yōu)先 的原則，也可能采用本簇的鄰居節(jié)點(diǎn)作為路由器，從而利用本簇簇頭進(jìn)行數(shù)據(jù) 轉(zhuǎn)發(fā)。
本發(fā)明提出的無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)方法，主要基于兩種技術(shù) 簇頭冗余和自適應(yīng)的重新分簇。該方法吸收了以下文獻(xiàn)的部分思想
"Evaluation of Dual-Homing Based Fault-Tolerant Routing in Wireless Sensor Networks, ，， Nidhi Jain， Technical Reports, Department of computer and information science, University of Massachusetts Dartmouth, 2006.
"Load-balanced clustering of wireless sensor networks," Gupta, G" Younis, M., Proceedings of IEEE International Conference on communications, 1848-1852, 2003. 在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，為了提高網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性、減少通信數(shù)據(jù)量、降低 能耗，從而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期，往往將傳感器節(jié)點(diǎn)組織成簇樹(shù)的結(jié)構(gòu)。即把 所有節(jié)點(diǎn)分成不同的簇，把少數(shù)具備高能量和性能的節(jié)點(diǎn)作為簇頭節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé) 對(duì)本簇節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行聚合，并轉(zhuǎn)發(fā)到更高層次的簇頭或基站。因此，一 旦簇頭節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，將會(huì)丟失本簇節(jié)點(diǎn)的所有感知數(shù)據(jù)。此外，由于射頻環(huán) 境的干擾等原因，可能發(fā)生通信鏈路中斷的問(wèn)題，這將導(dǎo)致部分節(jié)點(diǎn)無(wú)法與簇 頭進(jìn)行通信。如何提高基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可靠性是必須解 決的關(guān)鍵問(wèn)題。本發(fā)明提出的方法利用簇頭的冗余設(shè)計(jì)，可以有效地避免因簇 頭失效而帶來(lái)的損失，利用自適應(yīng)的重新分簇方法則可以避免因通信鏈路失效 而造成節(jié)點(diǎn)無(wú)法與簇頭通信的問(wèn)題。與單簇頭的層次化網(wǎng)絡(luò)模型相比，該方法 具有更強(qiáng)的可靠性，能更好地適應(yīng)木材干燥現(xiàn)場(chǎng)對(duì)穩(wěn)定性和安全性的要求。 為了闡明我們的方法，需介紹一些基本概念。
冗余簇頭指的是在一個(gè)簇內(nèi)特別設(shè)置的與工作簇頭軟硬件配置完全相同的 節(jié)點(diǎn)。在基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，由處于"工作狀態(tài)"的簇頭負(fù)責(zé) 對(duì)感知節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行聚合和轉(zhuǎn)發(fā)。
一個(gè)簇內(nèi)的某些成員節(jié)點(diǎn)，不僅能夠與本簇的簇頭直接通信，也處于其它簇 的簇頭的直接通信范圍內(nèi)(即單跳通信的范圍)，我們稱(chēng)這類(lèi)成員節(jié)點(diǎn)為邊際成 員節(jié)點(diǎn)(簡(jiǎn)稱(chēng)邊際節(jié)點(diǎn))。
如果某個(gè)成員節(jié)點(diǎn)不能與任何簇的簇頭直接通信，則稱(chēng)這樣的節(jié)點(diǎn)為孤立成 員節(jié)點(diǎn)(簡(jiǎn)稱(chēng)孤立節(jié)點(diǎn))。
數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，是指簇頭根據(jù)要求將簇中成員節(jié)點(diǎn)的感知數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給更高層次的 簇頭或者將網(wǎng)關(guān)下達(dá)的各種命令轉(zhuǎn)發(fā)給簇中成員節(jié)點(diǎn)。
冗余切換，是指在工作簇頭根據(jù)自身的能量監(jiān)測(cè)結(jié)果，或者冗余簇頭根據(jù)故障測(cè)試結(jié)果，判斷是否需要進(jìn)行冗余切換。冗余切換分成兩種情況， 一是當(dāng)工作 簇頭能量低于某個(gè)給定的閾值時(shí)，主動(dòng)切換到冗余簇頭；二是當(dāng)冗余簇頭通過(guò)檢 測(cè)程序監(jiān)測(cè)到工作簇頭發(fā)生故障時(shí)，由冗余簇頭主動(dòng)接替工作簇頭。
重新分簇，是指因?yàn)樯漕l環(huán)境變化或者因信號(hào)干擾等原因造成信號(hào)中斷，而 導(dǎo)致邊際成員節(jié)點(diǎn)無(wú)法與本簇的簇頭通信時(shí)，邊際成員節(jié)點(diǎn)將會(huì)主動(dòng)發(fā)出重新分 簇請(qǐng)求，要求加入到其它簇。
此外，本申請(qǐng)案中所稱(chēng)的能量均是指電源能量(特別是電池能量)；通信成 本是指簇頭接收或轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)所消耗的能量大小。
本發(fā)明提出的設(shè)計(jì)方法，包括基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的木材干燥數(shù)據(jù)采集系 統(tǒng)，分為單座窯和多座窯兩種形式。對(duì)于單座窯來(lái)說(shuō)，可以將窯內(nèi)所有的傳感
器和執(zhí)行器組織成一個(gè)單層模式或者多層模式的簇樹(shù)，簇樹(shù)中包括一個(gè)或若干 個(gè)簇，每個(gè)節(jié)點(diǎn)必須且只能屬于一個(gè)簇(不能同時(shí)隸屬于二個(gè)及二個(gè)以上簇)； 其中的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)(較高性能的節(jié)點(diǎn)，即其中處理器的主頻、內(nèi)存、射頻通信能 力等性能指標(biāo)比其它節(jié)點(diǎn)要高)作為兩個(gè)簇頭，這兩個(gè)簇頭分別設(shè)置為一個(gè)工 作簇頭(MCH)和一個(gè)冗余簇頭(RCH)，并在窯中配置類(lèi)似基站的無(wú)線網(wǎng)關(guān)， 簇頭通過(guò)網(wǎng)關(guān)與控制中心的監(jiān)控主機(jī)通信。
對(duì)于多座干燥窯來(lái)說(shuō)，類(lèi)似單座窯那樣，把每座窯中的傳感器和執(zhí)行器組 織成子簇樹(shù)后，根據(jù)干燥窯群的規(guī)模及其與控制中心的距離確定整個(gè)簇樹(shù)的結(jié) 構(gòu)；子簇樹(shù)中包括至少一個(gè)簇，每個(gè)節(jié)點(diǎn)必須且只能屬于一個(gè)簇(不能同時(shí)隸 屬于二個(gè)及二個(gè)以上簇)；在每個(gè)簇中設(shè)置兩個(gè)節(jié)點(diǎn)(較高性能的節(jié)點(diǎn))作為兩 個(gè)簇頭，這兩個(gè)簇頭分別為一個(gè)工作簇頭(MCH)和一個(gè)冗余簇頭(RCH)，其 它節(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)與本簇簇頭直接通信；如果各干燥窯的網(wǎng)關(guān)都能夠與 控制中心的監(jiān)控主機(jī)直接通信，那么整個(gè)簇樹(shù)成為多層模式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖2
描述了單座窯的雙層模式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；其中，有兩個(gè)簇中的簇頭需要通過(guò)另
外簇中的簇頭中繼才能與網(wǎng)關(guān)通信。
本發(fā)明提出的可靠性設(shè)計(jì)方法還包含冗余簇頭的切換機(jī)制和自適應(yīng)的重新 分簇方法兩部分。下面詳細(xì)進(jìn)行說(shuō)明。
1、工作簇頭(MCH)與冗余簇頭(RCH)的切換機(jī)制 對(duì)于正常的成員節(jié)點(diǎn)，可以直接與本簇簇頭進(jìn)行通信。當(dāng)工作簇頭出現(xiàn)故 障或者能量(電池能量)過(guò)低的現(xiàn)象時(shí)，需要啟動(dòng)冗余切換機(jī)制，實(shí)現(xiàn)工作簇 頭與冗余簇頭的切換。圖3描述了工作簇頭主動(dòng)切換的流程。具體步驟說(shuō)明如 下
Sl:在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)周期l到來(lái)之后，工作簇頭首先檢査自身能量的多少。如
果工作簇頭的能量(Emch)低于給定的閾值(Emin)，那么轉(zhuǎn)到第S2步。否則 檢査冗余簇頭的故障測(cè)試結(jié)果；如果工作簇頭的能量還滿(mǎn)足需求，那么當(dāng)冗余 簇頭的故障測(cè)試數(shù)據(jù)包計(jì)數(shù)值超過(guò)給定閾值時(shí)(Fa"/fO^〉/^xFaw/^/wm)，轉(zhuǎn)到 第S3步。否則轉(zhuǎn)到第S4步。
S2:工作簇頭向冗余簇頭發(fā)出切換請(qǐng)求，由冗余簇頭接替轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)。
S3:冗余簇頭主動(dòng)接替工作簇頭的轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)。
S4:工作簇頭完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)。
S5:數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)完成之后，等待下一周期7^的到來(lái)。
圖4描述了冗余簇頭主動(dòng)接替的切換機(jī)制。具體說(shuō)明如下。
sio:在冗余測(cè)試周期r2到來(lái)之后，冗余簇頭向工作簇頭發(fā)送故障測(cè)試數(shù)據(jù)
包，如果不能收到工作簇頭的應(yīng)答數(shù)據(jù)包，并轉(zhuǎn)第S20步。否則，轉(zhuǎn)第S40步。 S20:計(jì)數(shù)值Z^w/zO^加1 。
S30:如果F"w/fO^大于給定的閾值waxFm/WVMm，那么冗余簇頭認(rèn)為工作
簇頭發(fā)生故障，并主動(dòng)接替工作簇頭的轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)。否則，轉(zhuǎn)第S40步。
S40:等待下一個(gè)冗余測(cè)試周期r2或者數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)周期7\的到來(lái)。
2、 重新分簇方法為(即邊際成員節(jié)點(diǎn)的通信機(jī)制)
當(dāng)射頻環(huán)境受到干擾或者因?yàn)楦稍锔G內(nèi)部的特別設(shè)置，造成某些邊際成員 節(jié)點(diǎn)不能與本簇的簇頭進(jìn)行直接通信(即信號(hào)中斷，無(wú)法接通)時(shí)，必須加入到 其它簇，從而利用備份簇頭進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。本發(fā)明提出的重新分簇方法主要基于 通信成本最小原則，選擇合適的備份簇頭作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)邊際成員節(jié)點(diǎn) 的重新分簇。這里的通信成本是指，當(dāng)邊際成員節(jié)點(diǎn)加入到備份簇頭所在的簇中
后，該簇頭轉(zhuǎn)發(fā)本簇中所有節(jié)點(diǎn)釆集的數(shù)據(jù)所需要消耗的能量。圖5描述了邊際 成員節(jié)點(diǎn)通信機(jī)制的基本流程。圖6描述了邊際成員節(jié)點(diǎn)的通信示意圖。設(shè) 為邊際成員節(jié)點(diǎn)，選擇備份簇頭的具體步驟如下 S100:找出^:的所有備份簇頭/^，//2，...，/^
S200:對(duì)每個(gè)備份簇頭S，假設(shè)^加入到"所在的簇樹(shù)中，計(jì)算"的通信 成本；
S300:比較各"的通信成本，選擇具有最小通信成本的K作為r的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。
3、 孤立成員節(jié)點(diǎn)的通信機(jī)制
如果因干燥窯內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化而造成某些節(jié)點(diǎn)成為孤立節(jié)點(diǎn)，它們將不能與 任何簇頭進(jìn)行直接通信。本發(fā)明提出了一種多跳路由方法來(lái)解決孤立節(jié)點(diǎn)的通信 問(wèn)題。假設(shè)r為孤立節(jié)點(diǎn)，R， 6，……，F(xiàn)"中為J^的鄰居節(jié)點(diǎn)，當(dāng)z與本簇的 簇頭以及備份簇頭的直接通信鏈路全部中斷后，必須選擇鄰居成員節(jié)點(diǎn)作為路由 器，然后由鄰居節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)洁従庸?jié)點(diǎn)所在簇的簇頭，再轉(zhuǎn)發(fā)到基站或監(jiān)控
中心。通常在MAC層數(shù)據(jù)幀中含有射頻信號(hào)強(qiáng)度的指示域。本發(fā)明提出的方法 采用基于信號(hào)強(qiáng)度優(yōu)先的方法來(lái)選擇路由節(jié)點(diǎn)，即選擇鄰居節(jié)點(diǎn)中信號(hào)強(qiáng)度最大 者作為孤立節(jié)點(diǎn)的路由節(jié)點(diǎn)。圖7描述了孤立節(jié)點(diǎn)選擇路由的基本流程。圖8為 孤立節(jié)點(diǎn)的多跳路由通信方法示意圖。孤立節(jié)點(diǎn)采用多跳路由方式的具體步驟如 下
S1000:孤立節(jié)點(diǎn)K向所有鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送接入請(qǐng)求數(shù)據(jù)包；
S2000: K接收各鄰居節(jié)點(diǎn)的應(yīng)答數(shù)據(jù)包；
S3000:比較各應(yīng)答包的MAC幀中射頻信號(hào)強(qiáng)度域；
S4000:選擇應(yīng)答包的MAC幀中射頻信號(hào)最強(qiáng)者作為Z的路由節(jié)點(diǎn)。
權(quán)利要求
1、木材干燥過(guò)程無(wú)線數(shù)據(jù)采集的可靠性設(shè)計(jì)方法，包括在單一干燥窯中部署的所有傳感器節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)簇樹(shù)，簇樹(shù)中包括至少一個(gè)簇，每個(gè)節(jié)點(diǎn)必須且只能屬于一個(gè)簇；每個(gè)簇中設(shè)置兩個(gè)節(jié)點(diǎn)作為兩個(gè)簇頭，其它節(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)與本簇簇頭直接通信，簇頭通過(guò)網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行?；或者，由多座干燥窯組成多層次模式的簇樹(shù)，每一干燥窯中的所有傳感器節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)組成其中較低層次的一棵子簇樹(shù)，子簇樹(shù)中包括至少一個(gè)簇，每個(gè)節(jié)點(diǎn)必須且只能屬于一個(gè)簇；在每個(gè)簇中設(shè)置兩個(gè)節(jié)點(diǎn)作為兩個(gè)簇頭，其它節(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)與本簇簇頭直接通信，簇頭通過(guò)更高層次的簇頭或網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行?；其特征在于所述的兩個(gè)簇頭分別是一個(gè)工作簇頭和一個(gè)冗余簇頭，兩者互為冗余，以便當(dāng)工作簇頭發(fā)生故障或者能量過(guò)低時(shí)，工作簇頭與冗余簇頭自動(dòng)進(jìn)行切換。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的木材干燥過(guò)程無(wú)線數(shù)據(jù)采集的可靠性設(shè)計(jì)方法， 其特征在于當(dāng)每個(gè)簇中的邊際節(jié)點(diǎn)無(wú)法與本簇簇頭通信時(shí)，即自動(dòng)重新分簇， 使得該邊際節(jié)點(diǎn)能夠通過(guò)其它簇的簇頭進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的木材干燥過(guò)程無(wú)線數(shù)據(jù)釆集的可靠性設(shè)計(jì)方法， 其特征在于當(dāng)每個(gè)簇中的個(gè)別節(jié)點(diǎn)成為孤立節(jié)點(diǎn)，不能與任何簇的簇頭直接通 信時(shí)，即自動(dòng)采用多跳路由方式進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的木材干燥過(guò)程無(wú)線數(shù)據(jù)采集的可靠性設(shè)計(jì)方 法，其特征在于工作簇頭與冗余簇頭性能完全相同，當(dāng)工作簇頭正常工作時(shí)， 冗余簇頭處于輕度睡眠狀態(tài)，并周期性地向工作簇頭發(fā)送冗余測(cè)試數(shù)據(jù)包；當(dāng) 工作簇頭能量低于某一閾值時(shí)，能夠主動(dòng)切換到冗余簇頭；當(dāng)工作簇頭發(fā)生軟 硬件故障時(shí)，冗余簇頭通過(guò)冗余測(cè)試數(shù)據(jù)包的響應(yīng)情況進(jìn)行判斷，并決定是否 需要主動(dòng)接替工作簇頭的任務(wù)。
5、根據(jù)權(quán)利要求4所述的木材干燥過(guò)程無(wú)線數(shù)據(jù)采集的可靠性設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述的工作簇頭主動(dòng)切換到冗余簇頭的工作狀態(tài)的步驟是Sl:數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)周期7^到來(lái)后，工作簇頭首先檢査自身能量；若能量(Emch) 低于給定的閾值(Emi》，那么轉(zhuǎn)到第S2步。否則檢查冗余簇頭的故障測(cè)試結(jié)果； 若工作簇頭的能量滿(mǎn)足需求，那么當(dāng)冗余簇頭的故障測(cè)試數(shù)據(jù)包計(jì)數(shù)值超過(guò)給 定閾值時(shí)(F"w/^:"/>wm:Fflw//M^)，轉(zhuǎn)到第S3步。否則轉(zhuǎn)到第S4步。 S2:工作簇頭向冗余簇頭發(fā)出切換請(qǐng)求，由冗余簇頭接替轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)。 S3:冗余簇頭主動(dòng)接替工作簇頭的轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)。S4:工作簇頭完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)。S5:數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)完成之后，等待下一周期r,的到來(lái)。
6、根據(jù)權(quán)利要求4所述的木材干燥過(guò)程無(wú)線數(shù)據(jù)采集的可靠性設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述的冗余簇頭主動(dòng)接替工作簇頭任務(wù)的步驟是sio:在冗余測(cè)試周期r2到來(lái)之后，冗余簇頭向工作簇頭發(fā)送故障測(cè)試數(shù)據(jù)包，如果不能收到工作簇頭的應(yīng)答數(shù)據(jù)包，并轉(zhuǎn)第S20步；否則，轉(zhuǎn)第S40步； S20:計(jì)數(shù)值Fmz/fC"f加1;S30:如果尸<3^0^大于給定的閾值/ ";^""http://7\^ ,那么冗余簇頭認(rèn)為工作 簇頭發(fā)生故障，并主動(dòng)接替工作簇頭的轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)；否則，轉(zhuǎn)第S40步；S4o:等待下一個(gè)冗余測(cè)試周期72或者數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)周期r的到來(lái)。
7、根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的木材干燥過(guò)程無(wú)線數(shù)據(jù)采集的可靠性設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述的重新分簇的具體步驟如下S100:找出邊際節(jié)點(diǎn),的所有備份簇頭^，瑪，…，仏；S200:對(duì)每個(gè)備份簇頭"，假設(shè)^加入到g所在的簇中，計(jì)算a的通信 成本；S300:比較各g的通信成本，選擇具有最小通信成本的K作為,的數(shù)據(jù) 轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。
8、根據(jù)權(quán)利要求7所述的木材干燥過(guò)程無(wú)線數(shù)據(jù)采集的可靠性設(shè)計(jì)方法， 其特征在于所述的孤立節(jié)點(diǎn)采用多跳路由方式的具體步驟如下S1000:孤立節(jié)點(diǎn)K向所有鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送接入請(qǐng)求數(shù)據(jù)包；S2000:,接收各鄰居節(jié)點(diǎn)的應(yīng)答數(shù)據(jù)包；S3000:比較各應(yīng)答包的MAC幀中射頻信號(hào)強(qiáng)度域；S4000:選擇應(yīng)答包的MAC幀中射頻信號(hào)最強(qiáng)者作為r的路由節(jié)點(diǎn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種木材干燥過(guò)程中的無(wú)線數(shù)據(jù)采集的設(shè)計(jì)方法。所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供的設(shè)計(jì)方法應(yīng)具有低成本、低功耗、部署方便、適于對(duì)無(wú)人值守環(huán)境監(jiān)控的特點(diǎn)，還有利于提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。技術(shù)方案是木材干燥過(guò)程無(wú)線數(shù)據(jù)采集的可靠性設(shè)計(jì)方法，包括在單一干燥窯或者多座干燥窯中部署的所有傳感器節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)簇樹(shù)或子簇樹(shù)，簇樹(shù)或子簇樹(shù)中包括至少一個(gè)簇，每個(gè)節(jié)點(diǎn)必須且只能屬于一個(gè)簇；其中的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)分別作為一個(gè)工作簇頭和一個(gè)冗余簇頭，其它節(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)與本簇簇頭直接通信，簇頭通過(guò)網(wǎng)關(guān)，或者通過(guò)更高層次的簇頭或網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行?；還設(shè)置有邊際節(jié)點(diǎn)自動(dòng)重新分簇方法和孤立節(jié)點(diǎn)自動(dòng)采用多跳路由方式。
文檔編號(hào)G08C17/00GK101183486SQ200710164549
公開(kāi)日2008年5月21日 申請(qǐng)日期2007年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月5日
發(fā)明者李光輝 申請(qǐng)人:浙江林學(xué)院