專利名稱：面向移動信號源的大規(guī)模無線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及針對移動信號源的數(shù)據(jù)實(shí)時采集，具體實(shí)現(xiàn)了一種面向大規(guī)模動態(tài)節(jié)點(diǎn)的自適應(yīng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)及基于該網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)南到y(tǒng)及方法。背景資料目前，國內(nèi)外主要針對無線傳感網(wǎng)絡(luò)能量受限的特點(diǎn)，提出了很多節(jié)能的MAC協(xié)議和路由協(xié)議等。然而多數(shù)的研究局限于所有傳感器節(jié)點(diǎn)都是靜止的情況，不滿足某些需要移動節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用，比如監(jiān)測野生動物的生活，追蹤病人的心跳情況等等，節(jié)點(diǎn)總是處于不 斷的運(yùn)動中，同時引進(jìn)移動節(jié)點(diǎn)還可以拓寬網(wǎng)絡(luò)空間的采樣能力，例如在應(yīng)用移動節(jié)點(diǎn)收集其他靜止節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，作為一種信息收集槽。無線傳感網(wǎng)絡(luò)對于移動性的支持目前相關(guān)研究主要可以分為1.對于用戶移動性的支持；2.對于匯聚節(jié)點(diǎn)(sink node)移動性的支持；3.對于節(jié)點(diǎn)移動性的支持三個方面。其中對于用戶移動性的支持又提出了移動代理模型和雙層網(wǎng)絡(luò)模型，對于匯聚節(jié)點(diǎn)移動性的支持提出了移動匯聚節(jié)點(diǎn)分配模型MSA (Mobile Sink Allocation)和移動數(shù)據(jù)采集模型MDC (Mobile Data Collector)，對于節(jié)點(diǎn)移動性的支持則相對復(fù)雜，從節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)類型可大致分為普通節(jié)點(diǎn)移動性支持和代理節(jié)點(diǎn)(中繼節(jié)點(diǎn))移動性支持兩個方面，從節(jié)點(diǎn)移動性又可以分為強(qiáng)移動(節(jié)點(diǎn)自身動力驅(qū)動)和弱移動(節(jié)點(diǎn)自身故障或者能量耗盡而產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)失聯(lián))。目前，業(yè)界主要從MAC層協(xié)議出發(fā)，有基于競爭的MS-MAC模型，有基于調(diào)度的MMAC模型等。針對代理節(jié)點(diǎn)移動，如Lang Tong提出一種SENMA(Sensor Network with MobileAgents)，美國Nice大學(xué)提出了“基于可預(yù)測移動中繼節(jié)點(diǎn)的靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方法”，UCLA大學(xué)提出的EAR (竊聽登記,Eavesdrop-And- Register)算法等等?？偟膩碚f,這些算法模型在一定程度上能夠解決無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)移動性的問題，但是在另一方面都存在自己固有的應(yīng)用局限。如，移動代理模型存在平衡傳輸時延和網(wǎng)絡(luò)壽命之間的矛盾，雙層模型需要考慮網(wǎng)格大小設(shè)置，MS-MAC模型的邊界節(jié)點(diǎn)能耗下降過快，會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)分割，MMAC的虛擬簇之間不能同步等問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為克服上述的不足之處，目的在于提供面向移動信號源的大規(guī)模無線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及方法，在保留層次結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的基本優(yōu)點(diǎn)的情況之下，通過對節(jié)點(diǎn)的MAC層及信道幀聽算法的重新設(shè)計與拓?fù)淇刂扑惴ǖ恼{(diào)整，使得節(jié)點(diǎn)能夠快速無縫地接入和脫離網(wǎng)絡(luò)而不改變整網(wǎng)基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的實(shí)時數(shù)據(jù)上傳。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案達(dá)到上述目的面向大規(guī)模移動信號源的無線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包括匯聚節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)、末端節(jié)點(diǎn)。所述的匯聚節(jié)點(diǎn)為單網(wǎng)內(nèi)的唯一數(shù)據(jù)出口點(diǎn)，所述的匯聚節(jié)點(diǎn)將信標(biāo)幀以泛洪方式廣播給末端節(jié)點(diǎn)，末端節(jié)點(diǎn)通過中繼節(jié)點(diǎn)將信號源數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)。所述的中繼節(jié)點(diǎn)采用移動數(shù)據(jù)采集模式，從而與末端節(jié)點(diǎn)之間形成動態(tài)數(shù)據(jù)上行通道。面向大規(guī)模移動信號源的無線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)采集的方法，包括以下步驟I)匯聚節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)靜態(tài)布設(shè)，根據(jù)AODVjr算法組成樹狀分層網(wǎng)絡(luò)；2)匯聚節(jié)點(diǎn)周期性發(fā)起全網(wǎng)絡(luò)泛洪方式廣播信標(biāo)幀；3)末端節(jié)點(diǎn)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍后接收信標(biāo)幀并連續(xù)兩次發(fā)送請求發(fā)送幀給中繼節(jié)點(diǎn)，若中繼節(jié)點(diǎn)未成功接收請求發(fā)送幀，則末端節(jié)點(diǎn)重發(fā)請求發(fā)送幀；4)中繼節(jié)點(diǎn)比較連續(xù)兩次收到的末端節(jié)點(diǎn)的請求發(fā)送幀，根據(jù)移動估計算法得出末端節(jié)點(diǎn)的移動息，移動估計算法P (d2) [dBm] =P (dl) [dBm]-IOnlog (d2/dl)-OWAF (I) 式中，P (dl)表示末端節(jié)點(diǎn)第一次發(fā)送請求發(fā)送幀到中繼節(jié)點(diǎn)的信號強(qiáng)度值，P(d2)表示末端節(jié)點(diǎn)第二次發(fā)送請求發(fā)送幀到中繼節(jié)點(diǎn)的信號強(qiáng)度值，n表示路徑長度與路徑損耗之間的比例因子，dl表示末端節(jié)點(diǎn)第一次發(fā)送請求發(fā)送幀到中繼節(jié)點(diǎn)時與該中繼節(jié)點(diǎn)的距離，d2表示末端節(jié)點(diǎn)第二次發(fā)送請求發(fā)送巾貞到中繼節(jié)點(diǎn)時與該中繼節(jié)點(diǎn)的距離，C表示末端節(jié)點(diǎn)與中繼節(jié)點(diǎn)之間的障礙物個數(shù)，WAF表示信號穿過末端節(jié)點(diǎn)與中繼節(jié)點(diǎn)之間障礙物的衰減因子。根據(jù)上述函數(shù)得出d2與dl的比值，中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送d2與dl的比值到末端節(jié)點(diǎn)；5)末端節(jié)點(diǎn)比較所有接收到的中斷節(jié)點(diǎn)發(fā)送的d2與dl的比值，選擇d2與dl比值最小的中繼節(jié)點(diǎn)作為其直接代理節(jié)點(diǎn)；6)直接代理節(jié)點(diǎn)回復(fù)發(fā)送允許幀；7)末端節(jié)點(diǎn)收到該發(fā)送允許幀后，發(fā)送數(shù)據(jù)至直接代理節(jié)點(diǎn)；8)直接代理節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)后發(fā)送ACK包；9)末端節(jié)點(diǎn)收到ACK包后即停止發(fā)送數(shù)據(jù)一段時間，如果接收ACK包超時則重發(fā)數(shù)據(jù)；10)該直接代理節(jié)點(diǎn)將收到的末端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)沿組網(wǎng)時形成的路由路徑上傳至匯聚節(jié)點(diǎn)。本發(fā)明的有益效果在于該方法綜合了移動代理模型、移動數(shù)據(jù)采集模型和MS-MAC模型的優(yōu)點(diǎn)，強(qiáng)化了移動節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性，盡可能減少節(jié)點(diǎn)因移動而脫離網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍時帶來的網(wǎng)絡(luò)整體開銷，降低了網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。


圖I是本發(fā)明的應(yīng)用示意圖；圖2是本發(fā)明的步驟流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步描述，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅限于此實(shí)施例I :如圖I所示，在可視范圍內(nèi)的面向大規(guī)模移動信號源的無線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包括一個匯聚節(jié)點(diǎn)T、簇內(nèi)中繼節(jié)點(diǎn)Df D5、邊沿中繼節(jié)點(diǎn)E 1飛5、末端節(jié)點(diǎn)m，圓圈表示信號覆蓋范圍。其中，匯聚節(jié)點(diǎn)T處于信號覆蓋范圍外，末端節(jié)點(diǎn)m不能直接將信息傳輸給匯聚節(jié)點(diǎn)T ;末端節(jié)點(diǎn)m與簇內(nèi)中繼節(jié)點(diǎn)Df D5連接，簇內(nèi)中繼節(jié)點(diǎn)Dl與邊沿中繼節(jié)點(diǎn)EI連接，簇內(nèi)中繼節(jié)點(diǎn)D2與邊沿中繼節(jié)點(diǎn)E2連接，簇內(nèi)中繼節(jié)點(diǎn)D3與邊沿中繼節(jié)點(diǎn)E3連接，簇內(nèi)中繼節(jié)點(diǎn)D4與簇內(nèi)中繼節(jié)點(diǎn)D4連接，簇內(nèi)中繼節(jié)點(diǎn)D5與邊沿中繼節(jié)點(diǎn)E5連接。簇內(nèi)中繼節(jié)點(diǎn)Df D5既能接收信標(biāo)幀也能發(fā)送信標(biāo)幀，邊沿中繼節(jié)點(diǎn)只能接收信標(biāo)幀而不能發(fā)送信標(biāo)幀，信標(biāo)幀的生命周期為1，該信標(biāo)幀每中轉(zhuǎn)一次，生命周期減1，當(dāng)生命周期為O時，該信標(biāo)幀不能再被中轉(zhuǎn)。已知末端節(jié)點(diǎn)m第一次發(fā)送請求發(fā)送巾貞時記為末端節(jié)點(diǎn)ml,發(fā)送請求發(fā)送巾貞到簇內(nèi)中繼節(jié)點(diǎn)Df D5及邊沿中繼節(jié)點(diǎn)Ef E5的信號強(qiáng)度記為P (dl);末端節(jié)點(diǎn)m第二次發(fā)送請求發(fā)送巾貞時記為末端節(jié)點(diǎn)m2,發(fā)送請求發(fā)送巾貞到簇內(nèi)中繼節(jié)點(diǎn)D1 D5及邊沿中繼節(jié)點(diǎn)EfE5的信號強(qiáng)度記為P(d2);路徑長度與路徑損耗之間的比例因子n=2. 76，在可視范圍內(nèi)，OWAF=O。根據(jù)公式
P (d2) [dBm] =P (dl) [dBm]-IOnlog (d2/dl)_C*WAF (I)得到d2/dl的值
權(quán)利要求
1.面向大規(guī)模移動信號源的無線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于包括匯聚節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)、末端節(jié)點(diǎn)；所述的匯聚節(jié)點(diǎn)為單網(wǎng)內(nèi)的唯一數(shù)據(jù)出口點(diǎn)；所述的匯聚節(jié)點(diǎn)將信標(biāo)幀以泛洪方式廣播給末端節(jié)點(diǎn)，末端節(jié)點(diǎn)通過中繼節(jié)點(diǎn)將信號源數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的面向大規(guī)模移動信號源的無線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于所述的中繼節(jié)點(diǎn)采用移動數(shù)據(jù)采集模式，從而與未端節(jié)點(diǎn)之間形成動態(tài)數(shù)據(jù)上行通道。
3.面向大規(guī)模移動信號源的無線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)采集的方法，其特征在于包括以下步驟 1)匯聚節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)靜態(tài)布設(shè)，根據(jù)AODVjr算法組成樹狀分層網(wǎng)絡(luò)； 2)匯聚節(jié)點(diǎn)周期性發(fā)起全網(wǎng)絡(luò)泛洪方式廣播信標(biāo)幀； 3)末端節(jié)點(diǎn)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍后接收信標(biāo)幀并連續(xù)兩次發(fā)送請求發(fā)送幀給中繼節(jié)點(diǎn)，若中繼節(jié)點(diǎn)未成功接收請求發(fā)送幀，則末端節(jié)點(diǎn)重發(fā)請求發(fā)送幀； 4)中繼節(jié)點(diǎn)比較連續(xù)兩次收到的末端節(jié)點(diǎn)的請求發(fā)送幀，根據(jù)移動估計算法得出末端節(jié)點(diǎn)的移動息，移動估計算法P (d2) [dBm] =P (dl) [dBm]-IOnlog (d2/dl)-OWAF (I) 式中，P (dl)表示末端節(jié)點(diǎn)第一次發(fā)送請求發(fā)送幀到中繼節(jié)點(diǎn)的信號強(qiáng)度值，P (d2)表示末端節(jié)點(diǎn)第二次發(fā)送請求發(fā)送幀到中繼節(jié)點(diǎn)的信號強(qiáng)度值，η表示路徑長度與路徑損耗之間的比例因子，dl表示末端節(jié)點(diǎn)第一次發(fā)送請求發(fā)送幀到中繼節(jié)點(diǎn)時與該中繼節(jié)點(diǎn)的距離，d2表示末端節(jié)點(diǎn)第二次發(fā)送請求發(fā)送巾貞到中繼節(jié)點(diǎn)時與該中繼節(jié)點(diǎn)的距離，C表示末端節(jié)點(diǎn)與中繼節(jié)點(diǎn)之間的障礙物個數(shù)，WAF表示信號穿過末端節(jié)點(diǎn)與中繼節(jié)點(diǎn)之間障礙物的衰減因子。根據(jù)上述函數(shù)得出d2與dl的比值，中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送d2與dl的比值到末端節(jié)點(diǎn)； 5)末端節(jié)點(diǎn)比較所有接收到的中斷節(jié)點(diǎn)發(fā)送的d2與dl的比值，選擇d2與dl比值最小的中繼節(jié)點(diǎn)作為其直接代理節(jié)點(diǎn)； 6)直接代理節(jié)點(diǎn)回復(fù)發(fā)送允許幀； 7)末端節(jié)點(diǎn)收到該發(fā)送允許幀后，發(fā)送數(shù)據(jù)至直接代理節(jié)點(diǎn)； 8)直接代理節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)后發(fā)送ACK包； 9)末端節(jié)點(diǎn)收到ACK包后即停止發(fā)送數(shù)據(jù)一段時間，如果接收ACK包超時則重發(fā)數(shù)據(jù)； 10)該直接代理節(jié)點(diǎn)將收到的末端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)沿組網(wǎng)時形成的路由路徑上傳至匯聚節(jié)點(diǎn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及針對移動信號源的數(shù)據(jù)實(shí)時采集，具體實(shí)現(xiàn)了一種面向大規(guī)模動態(tài)節(jié)點(diǎn)的自適應(yīng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)及基于該網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)南到y(tǒng)及方法，包括匯聚節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)、末端節(jié)點(diǎn)，所述的匯聚節(jié)點(diǎn)為單網(wǎng)內(nèi)的唯一數(shù)據(jù)出口點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)將信標(biāo)幀以泛洪方式廣播給末端節(jié)點(diǎn)，末端節(jié)點(diǎn)通過中繼節(jié)點(diǎn)將信號源數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)。本發(fā)明的有益效果在于該方法綜合了移動代理模型、移動數(shù)據(jù)采集模型和MS-MAC模型的優(yōu)點(diǎn)，強(qiáng)化了移動節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性，盡可能減少節(jié)點(diǎn)因移動而脫離網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍時帶來的網(wǎng)絡(luò)整體開銷，降低了網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。
文檔編號H04W4/06GK102802126SQ20121029290
公開日2012年11月28日 申請日期2012年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月16日
發(fā)明者馮一汀, 張建成, 錢貞洪, 胡哲峰, 陳琦 申請人:杭州家和物聯(lián)技術(shù)有限公司