基於Zigbee無線傳感器網絡的低能耗數據採集方法
2023-11-03 05:56:27
專利名稱：基於Zigbee無線傳感器網絡的低能耗數據採集方法
技術領域：
本發明涉及一種無線傳感器網絡中的數據採集方法，尤其是一種基於Zigbee無線傳感器網絡的低能耗數據採集方法。
背景技術：
無線傳感器網絡WSN(wireless senor network)是有若干個具有感知、處理和無線通信能力的傳感器節點通過自組織方式形成的網絡。ZigBee技術是近年來快速發展的 WSN的規範之一，而且定義的技術要比其他WPANs更簡單、實現成本更低，也更適合於低數據速率、低功耗並且安全的無線網絡。ZigBee無線網絡主要由ZigBee協調器、ZigBee路由器和ZigBee終端設備組成。現有的技術中，ZigBee可以實現支持多種網絡拓撲結構的功能，考慮到降低系統運行中的能量消耗，IEEE. 802. 15. 4定義了兩種設備，一種是具有全功能設備(Full Function Device，FFD)，另一種是精簡功能設備(Reduced Function Device, RFD) 在 PAN (Personal Area Network)中，全功能設備可以作為PAN的協調器，路由器或作為一個終端設備。一個全功能設備可以同時和多個精簡功能設備或全功能設備通信；對於一個精簡功能設備來說，它只能和一個全功能設備進行通信。為了達到節能的目的，現有很多技術採用ZigBee 在無線網絡路由功能的支持，而如果需要大規模布置數據源節點，採用ZigBee終端方式， 則ZigBee協議的網絡路由策略在數據採集系統應用中降低能耗的作用將明顯降低。所以無線數據採集系統如何在利用ZigBee無線網絡在數據傳輸中各種便利的同時進一步降低大量的數據源節點的工作能耗及提高採集有效數據效率仍然是一個沒有得到很好解決的問題。現有技術的主要缺點是在需要布置大量傳感器節點的檢測環境中，數據源節點多採用精簡功能設備，這就需要大量的全功能設備作為路由節點，利用ZigBee協議的網絡路由策略，達到最優數據傳播路徑，雖然未收到數據採集命令數據源節點會定時的進入休眠狀態，但是數據源節點處於採集和路由節點路由數據的數目遠大於休眠狀態的數目，而無線通信消耗的能量佔傳感器節點能量總消耗的80%。雖然目前無線傳感器網絡技術比較成熟，但是具體應用在檢測環境中的數據採集領域還存在著一定的技術缺陷。
發明內容
本發明的目的是克服現有技術中存在的不足，提供一種基於ZigBee無線傳感器網絡的低能耗數據採集方法，該方法是在現有的成熟的ZigBee無線傳感器網絡技術的基礎上，對ZigBee終端設備的數據採集方法進行人性化的改進，針對不同的檢測環境，通過減少與匯聚節點或ZigBee路由節點之間通信的數據源節點數目的方法，既要滿足一定的檢測精確度，又要能夠降低網絡的能耗。按照本發明提供的技術方案，所述基於Zigbee無線傳感器網絡的低能耗數據採集方法，包括以下步驟
第1步初始化網絡參數首先設置信息壓縮因子q，信息壓縮因子q表示允許採集的信息值偏離理想值的範圍；其次，設定輪詢全部數據源節點的時間或次數；第2步對數據源節點進行區域劃定對全部數據源節點發送數據採集命令，把數據源節點所採集的數據及節點號打包為規定的網絡數據上傳，經過伺服器進行處理和儲存篩選出採集的最大數據Smax和最小數據Smin及各自的節點號，由公式η = (Smax-Smin)/q計算出要劃分出的區域數量η ；將整個ZigBee無線傳感器網絡劃分為η個區域；伺服器將每個數據源節點的控制命令、節點號及區域號打包，下傳至每個數據源節點，這樣劃定了無線傳感器網絡的檢測範圍；第3步篩選出劃定的區域內參與數據採集的代表節點在已經劃定的區域內，經過對數據源節點的數據採集後，伺服器記入每個數據源節點的剩餘能量Q和一次採集數據的消耗能量ΔΕ，根據公式Q' =Q_AE，選擇Q'最大的節點作為該區域內的代表節點對該區域的信息進行採集，該區域內的其他節點進入休眠狀態；第4步動態變換所劃定的區域及該區域採集數據的代表節點經過多次數據採集，當超過第1步中設定的輪詢次數或者輪詢時間時，則進行一次全部數據源節點的數據採集命令，再重複第2步。第1步中，根據檢測環境裡要求的數據採集頻率的高低，決定進行輪詢次數k的設定還是進行輪詢時間At的設定。由公式η = (Sfflax-Sfflin)/q計算出的η若有餘數則只進不舍。每次執行數據採集命令時都重複第3步來動態的選擇劃定區域內的代表節點。本發明的優點是本發明提出的基於ZigBee無線傳感器網絡的低能耗數據採集方法可以靈活的應用於不同的應用環境和不同對象的檢測中。獨特的信息壓縮因子的設置可以在滿足檢測精度的基礎上最大限度的降低網絡能耗。在該低能耗數據採集方法中，動態的區域劃分、動態的代表節點的選擇及以剩餘能量與採集信息消耗能量之差來選擇區域內代表節點的方法，都達到了平衡無線傳感器網絡各個節點的能耗、延長整個網絡生存時間的目的。
圖1是基於zigbee無線傳感器網絡的數據採集系統的示意圖。圖2是本發明數據採集系統的工作流程圖。圖3是zigbee協調器節點工作流程圖。圖4是數據源節點的工作流程圖。圖5(a)是數據採集節點在多次信息採集中的拓撲結構的變化示意圖第一張和第一張。圖5(b)是數據採集節點在多次信息採集中的拓撲結構的變化示意圖第三張和第 k張。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。如圖1所示是一個基於zigbee無線傳感器網絡的數據採集系統，比如溫溼度採集系統。將本發明所述方法應用於該系統中。該系統包括檢測界面顯示部分、伺服器、Zigbee無線網絡以及多個數據源節點。 ZigBee無線網絡包括一個ZigBee協調器、三個Zigbee路由器節點和四個匯聚節點。在該實施環境中隨機播撒18個數據源節點。在本實施例中，數據源節點的無線收發模塊採用由STMicroelectronics公司提供的S擬60。該晶片集成了一個符合IEEE 802. 15. 4的2. 4GHz射頻收發器，其內嵌高性能、 高可靠性的Zigbee2007堆棧以及用來運行該堆棧的16位微處理器(XAP2b核)。SN260實現了物理層至用戶接口層的所有標準協議，同時對外提供高速SPI/UART接口連接微處理器(如 STM32)。數據源節點中的傳感器模塊為溫溼度傳感器，是由Sensirion傳感器公司推出的新型集成數字式溫溼度傳感器。該傳感器採用CMOkns專利技術將溫度溼度傳感器、A/D 轉換器及數字接口無縫結合，使傳感器具有體積小、響應速度快、接口簡單、性價比高等特點。微控制器採用由STMicroelectronics公司提供的32位ARM Cortex_M3核微處理器 STM32F103C6T6，微控制器與通訊模塊之間採用SPI接口通訊。在Zigbee通用無線網絡模塊中，STM32微控制器承擔了控制S擬60的主要任務。伺服器主要負責處理和存儲採集數據，同時發送指定的採集命令。伺服器管理終端上位機界面顯示部分採用VC++6. 0編寫監控平臺軟體，實現對採集數據的收發，對串口的波特率、奇偶校驗方式等的設定通過VC++6. 0軟體訪問sqlserverfOOO資料庫，用ODBC 資料庫技術來實現數據入庫。根據需要設計可視化的控制命令，使之簡單易懂且更為人性化的界面。如圖2所示，對無線收發模塊、傳感器等上電，初始化網絡參數，在可視化的顯示界面上設置串口的波特率、奇偶校驗方式、信息壓縮因子q、輪詢時間Δ t等值。伺服器把數據採集的控制命令和參與數據採集的數據源節點號打包通過串行口發送給zigbee協調器節點，zigbee協調器節點將數據包拆包分析確定參與數據源節點的網絡拓撲位置，把控制採集命令打包成zigbee網絡數據發送至zigbee路由節點或匯聚節點。zigbee路由節點或匯聚節點收到數據包後，拆包將其控制命令及其參與採集數據的節點號打包成無線收發模塊規定的網絡數據通過SPI高速串行口發送給無線收發模塊，該節點無線收發模塊從中提出參與數據採集的節點號，並向參與數據採集的節點發送數據採集控制命令。數據源節點根據收到的命令執行採集數據或是轉入休眠狀態。數據源節點把其傳感器模塊採集的數據和該數據源節點號通過無線收發模塊發送至匯聚節點或zigbee路由節點。匯聚節點或zigbee路由節點的無線收發模塊通過SPI 高速串行口發給微控制器，拆包分析處理重新打包為zigbee網絡數據發送至zigbee協調器節點。Zigbee協調器節點收到數據包後，將數據包拆包，提取出採集數據及其採集節點號，通過高速串行口發送至伺服器，進行處理和儲存，同時在監控顯示界面上顯示出採集的數據和相應的節點號及採集節點所屬的區域號及區域內各個數據源節點號。圖3是圖1所示的zigbee協調器節點工作流程圖。在本實施例中，採用基於zigbee無線傳感器網絡的數據通信系統，Zigbee是一種建立在IEEE802. 15. 4標準上的低速數字通訊網絡協議。在zigbee無線網絡中zigbee協調器節點負責建立網絡的功能，只有當設備處於網絡關聯的狀態時，才會在網絡層上傳輸數據幀，如果不處於網絡關聯狀態的節點接收到幀的傳輸請求，則會丟棄該幀並向高層匯報錯誤。Zigbee協調器節點根據高層的要求初始化路由發現。圖4是數據源節點採集方法的工作流程圖。在本實施例中，數據源節點的工作流程為步驟1，初始化參數設置。根據檢測環境裡要求的數據採集頻率的高低，決定進行輪詢次數k的設定還是進行輪詢時間At的設定。根據檢測環境裡的信息採集要求，若是採集頻率高，則對數據採集系統進行輪詢次數k的設定，若是採集頻率低，則對數據採集系統進行輪詢時間At的設定。設置信息壓縮因子q，信息壓縮因子q表示允許採集的信息值偏離理想值的範圍。步驟2，判斷是否有採集命令，如果沒有則使所有數據源節點進入休眠。如果接收到數據採集命令，則執行步驟3。步驟3，判斷採集信息的次數是否達到k或者採集信息的輪詢時間達到Δ t，若是沒有，則執行步驟6，如是達到了，則執行步驟4。步驟4，參數採集信息的次數或採集信息的輪詢時間清零，重新計數。全部數據源節點採集數據，把採集的數據及各個節點號上傳至伺服器。步驟5，伺服器進行數據處理及存儲，篩選出採集的最大數據Smax和最小數據Smin 及各自的節點號，由公式n= (Smax-Smin)/q計算出要劃分出的區域數量η，η若有餘數則只進不舍，分別給予區域號，把各個數據源節點的區域號打包發送至每個數據源節點。步驟6，伺服器根據各個節點的剩餘能量Q與一次採集信息所消耗的能量AEjg 據公式Q' =Q_AE，選擇Q'最大的節點作為該區域內再次執行數據採集的代表節點。步驟7，Zigbee協調器節點重新組建網絡。各個區域的代表節點加入網絡，區域內其他節點進入休眠。步驟8，代表節點執行數據採集命令。圖5(a) (b)所示是數據採集節點在多次信息採集中的拓撲結構的變化示意圖。在本實施例中，經過一次全部的數據源節點的信息採集後，伺服器把數據存儲分析處理劃分出不同的區域，並且選擇出各個區域的代表節點，在圖5中用雙圓表示代表該區域執行數據採集的節點，單圓表示該區域不參與本次的數據採集的節點，處於完全休眠狀態。圖5中的第1幅圖是執行全部數據源節點採集信息後的zigbee網絡拓撲狀態，其中大量節點處於休眠狀態，節省了網絡能耗。第2幅圖是在採集次數未達到參數輪詢次數 k或未達到輪訓時間At時第二次信息採集的zigbee網絡拓撲結構，劃定的區域未變，但是各個區域的代表節點進行了重新的篩選，所以部分區域的代表節點發生了變化。進而使 zigbee協調器節點重新組網改變了 zigbee網絡的拓撲結構。在未達到網絡參數k或At 之前，每次信息採集時的網絡拓撲結構變化過程類似於第2幅圖的變化過程。當採集次數達到k次(或輪詢時間達到At)將重新對全部的數據源節點執行數據採集，以便重新劃定區域和選擇代表節點，該網絡拓撲結構如圖5中第k幅圖所示。
權利要求
1.基於Zigbee無線傳感器網絡的低能耗數據採集方法，其特徵是包括以下步驟第1步初始化網絡參數首先設置信息壓縮因子q，信息壓縮因子q表示允許採集的信息值偏離理想值的範圍；其次，設定輪詢全部數據源節點的時間或次數；第2步對數據源節點進行區域劃定對全部數據源節點發送數據採集命令，把數據源節點所採集的數據及節點號打包為規定的網絡數據上傳，經過伺服器進行處理和儲存篩選出採集的最大數據Smax和最小數據^llin及各自的節點號，由公式η = (Smax-Smin)/q計算出要劃分出的區域數量η ；將整個ZigBee無線傳感器網絡劃分為η個區域；伺服器將每個數據源節點的控制命令、節點號及區域號打包，下傳至每個數據源節點，這樣劃定了無線傳感器網絡的檢測範圍；第3步篩選出劃定的區域內參與數據採集的代表節點在已經劃定的區域內，經過對數據源節點的數據採集後，伺服器記入每個數據源節點的剩餘能量Q和一次採集數據的消耗能量ΔΕ，根據公式Q' =Q_AE，選擇Q'最大的節點作為該區域內的代表節點對該區域的信息進行採集，該區域內的其他節點進入休眠狀態；第4步動態變換所劃定的區域及該區域採集數據的代表節點經過多次數據採集，當超過第1步中設定的輪詢次數或者輪詢時間時，則進行一次全部數據源節點的數據採集命令，再重複第2步。
2.如權利要求1所述基於Zigbee無線傳感器網絡的低能耗數據採集方法，其特徵是， 第1步中，根據檢測環境裡要求的數據採集頻率的高低，決定進行輪詢次數k的設定還是進行輪詢時間At的設定。
3.如權利要求1所述基於Zigbee無線傳感器網絡的低能耗數據採集方法，其特徵是， 由公式η = (Smax-Smin) /q計算出的η若有餘數則只進不舍。
4.如權利要求1所述基於Zigbee無線傳感器網絡的低能耗數據採集方法，其特徵是， 每次執行數據採集命令時都重複第3步來動態的選擇劃定區域內的代表節點。
全文摘要
本發明提出了一種基於ZigBee無線傳感器網絡的低能耗數據採集方法，該方法對ZigBee終端設備的數據採集方法進行改進，針對不同的檢測環境，通過減少與匯聚節點或ZigBee路由節點之間通信的數據源節點數目的方法，既滿足一定的檢測精確度，又能夠降低網絡的能耗。該數據採集方法可以靈活的應用於不同的應用環境和不同對象的檢測中。獨特的信息壓縮因子的設置可以在滿足檢測精度的基礎上最大限度的降低網絡能耗。在該低能耗數據採集方法中，動態的區域劃分、動態的代表節點的選擇及以剩餘能量與採集信息消耗能量之差來選擇區域內代表節點的方法，都達到了平衡無線傳感器網絡各個節點的能耗、延長整個網絡生存時間的目的。
文檔編號H04W52/02GK102340855SQ201110362678
公開日2012年2月1日 申請日期2011年11月15日 優先權日2011年11月15日
發明者唐秀芳, 王豔, 紀志成, 高春能 申請人:江南大學