專利名稱：基于Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡的低能耗數(shù)據(jù)采集方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)采集方法，尤其是一種基于Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡的低能耗數(shù)據(jù)采集方法。
背景技術：
無線傳感器網(wǎng)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(jié)點通過自組織方式形成的網(wǎng)絡。ZigBee技術是近年來快速發(fā)展的 WSN的規(guī)范之一，而且定義的技術要比其他WPANs更簡單、實現(xiàn)成本更低，也更適合于低數(shù)據(jù)速率、低功耗并且安全的無線網(wǎng)絡。ZigBee無線網(wǎng)絡主要由ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee路由器和ZigBee終端設備組成。現(xiàn)有的技術中，ZigBee可以實現(xiàn)支持多種網(wǎng)絡拓撲結構的功能，考慮到降低系統(tǒng)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，F(xiàn)FD)，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(xié)調(diào)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；對于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(jié)能的目的，現(xiàn)有很多技術采用ZigBee 在無線網(wǎng)絡路由功能的支持，而如果需要大規(guī)模布置數(shù)據(jù)源節(jié)點，采用ZigBee終端方式， 則ZigBee協(xié)議的網(wǎng)絡路由策略在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應用中降低能耗的作用將明顯降低。所以無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如何在利用ZigBee無線網(wǎng)絡在數(shù)據(jù)傳輸中各種便利的同時進一步降低大量的數(shù)據(jù)源節(jié)點的工作能耗及提高采集有效數(shù)據(jù)效率仍然是一個沒有得到很好解決的問題。現(xiàn)有技術的主要缺點是在需要布置大量傳感器節(jié)點的檢測環(huán)境中，數(shù)據(jù)源節(jié)點多采用精簡功能設備，這就需要大量的全功能設備作為路由節(jié)點，利用ZigBee協(xié)議的網(wǎng)絡路由策略，達到最優(yōu)數(shù)據(jù)傳播路徑，雖然未收到數(shù)據(jù)采集命令數(shù)據(jù)源節(jié)點會定時的進入休眠狀態(tài)，但是數(shù)據(jù)源節(jié)點處于采集和路由節(jié)點路由數(shù)據(jù)的數(shù)目遠大于休眠狀態(tài)的數(shù)目，而無線通信消耗的能量占傳感器節(jié)點能量總消耗的80%。雖然目前無線傳感器網(wǎng)絡技術比較成熟，但是具體應用在檢測環(huán)境中的數(shù)據(jù)采集領域還存在著一定的技術缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術中存在的不足，提供一種基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡的低能耗數(shù)據(jù)采集方法，該方法是在現(xiàn)有的成熟的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡技術的基礎上，對ZigBee終端設備的數(shù)據(jù)采集方法進行人性化的改進，針對不同的檢測環(huán)境，通過減少與匯聚節(jié)點或ZigBee路由節(jié)點之間通信的數(shù)據(jù)源節(jié)點數(shù)目的方法，既要滿足一定的檢測精確度，又要能夠降低網(wǎng)絡的能耗。按照本發(fā)明提供的技術方案，所述基于Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡的低能耗數(shù)據(jù)采集方法，包括以下步驟
第1步初始化網(wǎng)絡參數(shù)首先設置信息壓縮因子q，信息壓縮因子q表示允許采集的信息值偏離理想值的范圍；其次，設定輪詢?nèi)繑?shù)據(jù)源節(jié)點的時間或次數(shù)；第2步對數(shù)據(jù)源節(jié)點進行區(qū)域劃定對全部數(shù)據(jù)源節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令，把數(shù)據(jù)源節(jié)點所采集的數(shù)據(jù)及節(jié)點號打包為規(guī)定的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)上傳，經(jīng)過服務器進行處理和儲存篩選出采集的最大數(shù)據(jù)Smax和最小數(shù)據(jù)Smin及各自的節(jié)點號，由公式η = (Smax-Smin)/q計算出要劃分出的區(qū)域數(shù)量η ；將整個ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡劃分為η個區(qū)域；服務器將每個數(shù)據(jù)源節(jié)點的控制命令、節(jié)點號及區(qū)域號打包，下傳至每個數(shù)據(jù)源節(jié)點，這樣劃定了無線傳感器網(wǎng)絡的檢測范圍；第3步篩選出劃定的區(qū)域內(nèi)參與數(shù)據(jù)采集的代表節(jié)點在已經(jīng)劃定的區(qū)域內(nèi)，經(jīng)過對數(shù)據(jù)源節(jié)點的數(shù)據(jù)采集后，服務器記入每個數(shù)據(jù)源節(jié)點的剩余能量Q和一次采集數(shù)據(jù)的消耗能量ΔΕ，根據(jù)公式Q' =Q_AE，選擇Q'最大的節(jié)點作為該區(qū)域內(nèi)的代表節(jié)點對該區(qū)域的信息進行采集，該區(qū)域內(nèi)的其他節(jié)點進入休眠狀態(tài)；第4步動態(tài)變換所劃定的區(qū)域及該區(qū)域采集數(shù)據(jù)的代表節(jié)點經(jīng)過多次數(shù)據(jù)采集，當超過第1步中設定的輪詢次數(shù)或者輪詢時間時，則進行一次全部數(shù)據(jù)源節(jié)點的數(shù)據(jù)采集命令，再重復第2步。第1步中，根據(jù)檢測環(huán)境里要求的數(shù)據(jù)采集頻率的高低，決定進行輪詢次數(shù)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若有余數(shù)則只進不舍。每次執(zhí)行數(shù)據(jù)采集命令時都重復第3步來動態(tài)的選擇劃定區(qū)域內(nèi)的代表節(jié)點。本發(fā)明的優(yōu)點是本發(fā)明提出的基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡的低能耗數(shù)據(jù)采集方法可以靈活的應用于不同的應用環(huán)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(wǎng)絡能耗。在該低能耗數(shù)據(jù)采集方法中，動態(tài)的區(qū)域劃分、動態(tài)的代表節(jié)點的選擇及以剩余能量與采集信息消耗能量之差來選擇區(qū)域內(nèi)代表節(jié)點的方法，都達到了平衡無線傳感器網(wǎng)絡各個節(jié)點的能耗、延長整個網(wǎng)絡生存時間的目的。


圖1是基于zigbee無線傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的示意圖。圖2是本發(fā)明數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作流程圖。圖3是zigbee協(xié)調(diào)器節(jié)點工作流程圖。圖4是數(shù)據(jù)源節(jié)點的工作流程圖。圖5(a)是數(shù)據(jù)采集節(jié)點在多次信息采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(shù)據(jù)采集節(jié)點在多次信息采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(fā)明作進一步說明。如圖1所示是一個基于zigbee無線傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，比如溫濕度采集系統(tǒng)。將本發(fā)明所述方法應用于該系統(tǒng)中。該系統(tǒng)包括檢測界面顯示部分、服務器、Zigbee無線網(wǎng)絡以及多個數(shù)據(jù)源節(jié)點。 ZigBee無線網(wǎng)絡包括一個ZigBee協(xié)調(diào)器、三個Zigbee路由器節(jié)點和四個匯聚節(jié)點。在該實施環(huán)境中隨機播撒18個數(shù)據(jù)源節(jié)點。在本實施例中，數(shù)據(jù)源節(jié)點的無線收發(fā)模塊采用由STMicroelectronics公司提供的S擬60。該芯片集成了一個符合IEEE 802. 15. 4的2. 4GHz射頻收發(fā)器，其內(nèi)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(xiàn)了物理層至用戶接口層的所有標準協(xié)議，同時對外提供高速SPI/UART接口連接微處理器(如 STM32)。數(shù)據(jù)源節(jié)點中的傳感器模塊為溫濕度傳感器，是由Sensirion傳感器公司推出的新型集成數(shù)字式溫濕度傳感器。該傳感器采用CMOkns專利技術將溫度濕度傳感器、A/D 轉(zhuǎn)換器及數(shù)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。微控制器采用由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采用SPI接口通訊。在Zigbee通用無線網(wǎng)絡模塊中，STM32微控制器承擔了控制S擬60的主要任務。服務器主要負責處理和存儲采集數(shù)據(jù)，同時發(fā)送指定的采集命令。服務器管理終端上位機界面顯示部分采用VC++6. 0編寫監(jiān)控平臺軟件，實現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的收發(fā)，對串口的波特率、奇偶校驗方式等的設定通過VC++6. 0軟件訪問sqlserverfOOO數(shù)據(jù)庫，用ODBC 數(shù)據(jù)庫技術來實現(xiàn)數(shù)據(jù)入庫。根據(jù)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(fā)模塊、傳感器等上電，初始化網(wǎng)絡參數(shù)，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。服務器把數(shù)據(jù)采集的控制命令和參與數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)源節(jié)點號打包通過串行口發(fā)送給zigbee協(xié)調(diào)器節(jié)點，zigbee協(xié)調(diào)器節(jié)點將數(shù)據(jù)包拆包分析確定參與數(shù)據(jù)源節(jié)點的網(wǎng)絡拓撲位置，把控制采集命令打包成zigbee網(wǎng)絡數(shù)據(jù)發(fā)送至zigbee路由節(jié)點或匯聚節(jié)點。zigbee路由節(jié)點或匯聚節(jié)點收到數(shù)據(jù)包后，拆包將其控制命令及其參與采集數(shù)據(jù)的節(jié)點號打包成無線收發(fā)模塊規(guī)定的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通過SPI高速串行口發(fā)送給無線收發(fā)模塊，該節(jié)點無線收發(fā)模塊從中提出參與數(shù)據(jù)采集的節(jié)點號，并向參與數(shù)據(jù)采集的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)采集控制命令。數(shù)據(jù)源節(jié)點根據(jù)收到的命令執(zhí)行采集數(shù)據(jù)或是轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)。數(shù)據(jù)源節(jié)點把其傳感器模塊采集的數(shù)據(jù)和該數(shù)據(jù)源節(jié)點號通過無線收發(fā)模塊發(fā)送至匯聚節(jié)點或zigbee路由節(jié)點。匯聚節(jié)點或zigbee路由節(jié)點的無線收發(fā)模塊通過SPI 高速串行口發(fā)給微控制器，拆包分析處理重新打包為zigbee網(wǎng)絡數(shù)據(jù)發(fā)送至zigbee協(xié)調(diào)器節(jié)點。Zigbee協(xié)調(diào)器節(jié)點收到數(shù)據(jù)包后，將數(shù)據(jù)包拆包，提取出采集數(shù)據(jù)及其采集節(jié)點號，通過高速串行口發(fā)送至服務器，進行處理和儲存，同時在監(jiān)控顯示界面上顯示出采集的數(shù)據(jù)和相應的節(jié)點號及采集節(jié)點所屬的區(qū)域號及區(qū)域內(nèi)各個數(shù)據(jù)源節(jié)點號。圖3是圖1所示的zigbee協(xié)調(diào)器節(jié)點工作流程圖。在本實施例中，采用基于zigbee無線傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，Zigbee是一種建立在IEEE802. 15. 4標準上的低速數(shù)字通訊網(wǎng)絡協(xié)議。在zigbee無線網(wǎng)絡中zigbee協(xié)調(diào)器節(jié)點負責建立網(wǎng)絡的功能，只有當設備處于網(wǎng)絡關聯(lián)的狀態(tài)時，才會在網(wǎng)絡層上傳輸數(shù)據(jù)幀，如果不處于網(wǎng)絡關聯(lián)狀態(tài)的節(jié)點接收到幀的傳輸請求，則會丟棄該幀并向高層匯報錯誤。Zigbee協(xié)調(diào)器節(jié)點根據(jù)高層的要求初始化路由發(fā)現(xiàn)。圖4是數(shù)據(jù)源節(jié)點采集方法的工作流程圖。在本實施例中，數(shù)據(jù)源節(jié)點的工作流程為步驟1，初始化參數(shù)設置。根據(jù)檢測環(huán)境里要求的數(shù)據(jù)采集頻率的高低，決定進行輪詢次數(shù)k的設定還是進行輪詢時間At的設定。根據(jù)檢測環(huán)境里的信息采集要求，若是采集頻率高，則對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行輪詢次數(shù)k的設定，若是采集頻率低，則對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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表示允許采集的信息值偏離理想值的范圍。步驟2，判斷是否有采集命令，如果沒有則使所有數(shù)據(jù)源節(jié)點進入休眠。如果接收到數(shù)據(jù)采集命令，則執(zhí)行步驟3。步驟3，判斷采集信息的次數(shù)是否達到k或者采集信息的輪詢時間達到Δ t，若是沒有，則執(zhí)行步驟6，如是達到了，則執(zhí)行步驟4。步驟4，參數(shù)采集信息的次數(shù)或采集信息的輪詢時間清零，重新計數(shù)。全部數(shù)據(jù)源節(jié)點采集數(shù)據(jù)，把采集的數(shù)據(jù)及各個節(jié)點號上傳至服務器。步驟5，服務器進行數(shù)據(jù)處理及存儲，篩選出采集的最大數(shù)據(jù)Smax和最小數(shù)據(jù)Smin 及各自的節(jié)點號，由公式n= (Smax-Smin)/q計算出要劃分出的區(qū)域數(shù)量η，η若有余數(shù)則只進不舍，分別給予區(qū)域號，把各個數(shù)據(jù)源節(jié)點的區(qū)域號打包發(fā)送至每個數(shù)據(jù)源節(jié)點。步驟6，服務器根據(jù)各個節(jié)點的剩余能量Q與一次采集信息所消耗的能量AEjg 據(jù)公式Q' =Q_AE，選擇Q'最大的節(jié)點作為該區(qū)域內(nèi)再次執(zhí)行數(shù)據(jù)采集的代表節(jié)點。步驟7，Zigbee協(xié)調(diào)器節(jié)點重新組建網(wǎng)絡。各個區(qū)域的代表節(jié)點加入網(wǎng)絡，區(qū)域內(nèi)其他節(jié)點進入休眠。步驟8，代表節(jié)點執(zhí)行數(shù)據(jù)采集命令。圖5(a) (b)所示是數(shù)據(jù)采集節(jié)點在多次信息采集中的拓撲結構的變化示意圖。在本實施例中，經(jīng)過一次全部的數(shù)據(jù)源節(jié)點的信息采集后，服務器把數(shù)據(jù)存儲分析處理劃分出不同的區(qū)域，并且選擇出各個區(qū)域的代表節(jié)點，在圖5中用雙圓表示代表該區(qū)域執(zhí)行數(shù)據(jù)采集的節(jié)點，單圓表示該區(qū)域不參與本次的數(shù)據(jù)采集的節(jié)點，處于完全休眠狀態(tài)。圖5中的第1幅圖是執(zhí)行全部數(shù)據(jù)源節(jié)點采集信息后的zigbee網(wǎng)絡拓撲狀態(tài)，其中大量節(jié)點處于休眠狀態(tài)，節(jié)省了網(wǎng)絡能耗。第2幅圖是在采集次數(shù)未達到參數(shù)輪詢次數(shù) k或未達到輪訓時間At時第二次信息采集的zigbee網(wǎng)絡拓撲結構，劃定的區(qū)域未變，但是各個區(qū)域的代表節(jié)點進行了重新的篩選，所以部分區(qū)域的代表節(jié)點發(fā)生了變化。進而使 zigbee協(xié)調(diào)器節(jié)點重新組網(wǎng)改變了 zigbee網(wǎng)絡的拓撲結構。在未達到網(wǎng)絡參數(shù)k或At 之前，每次信息采集時的網(wǎng)絡拓撲結構變化過程類似于第2幅圖的變化過程。當采集次數(shù)達到k次(或輪詢時間達到At)將重新對全部的數(shù)據(jù)源節(jié)點執(zhí)行數(shù)據(jù)采集，以便重新劃定區(qū)域和選擇代表節(jié)點，該網(wǎng)絡拓撲結構如圖5中第k幅圖所示。
權利要求
1.基于Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡的低能耗數(shù)據(jù)采集方法，其特征是包括以下步驟第1步初始化網(wǎng)絡參數(shù)首先設置信息壓縮因子q，信息壓縮因子q表示允許采集的信息值偏離理想值的范圍；其次，設定輪詢?nèi)繑?shù)據(jù)源節(jié)點的時間或次數(shù)；第2步對數(shù)據(jù)源節(jié)點進行區(qū)域劃定對全部數(shù)據(jù)源節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令，把數(shù)據(jù)源節(jié)點所采集的數(shù)據(jù)及節(jié)點號打包為規(guī)定的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)上傳，經(jīng)過服務器進行處理和儲存篩選出采集的最大數(shù)據(jù)Smax和最小數(shù)據(jù)^llin及各自的節(jié)點號，由公式η = (Smax-Smin)/q計算出要劃分出的區(qū)域數(shù)量η ；將整個ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡劃分為η個區(qū)域；服務器將每個數(shù)據(jù)源節(jié)點的控制命令、節(jié)點號及區(qū)域號打包，下傳至每個數(shù)據(jù)源節(jié)點，這樣劃定了無線傳感器網(wǎng)絡的檢測范圍；第3步篩選出劃定的區(qū)域內(nèi)參與數(shù)據(jù)采集的代表節(jié)點在已經(jīng)劃定的區(qū)域內(nèi)，經(jīng)過對數(shù)據(jù)源節(jié)點的數(shù)據(jù)采集后，服務器記入每個數(shù)據(jù)源節(jié)點的剩余能量Q和一次采集數(shù)據(jù)的消耗能量ΔΕ，根據(jù)公式Q' =Q_AE，選擇Q'最大的節(jié)點作為該區(qū)域內(nèi)的代表節(jié)點對該區(qū)域的信息進行采集，該區(qū)域內(nèi)的其他節(jié)點進入休眠狀態(tài)；第4步動態(tài)變換所劃定的區(qū)域及該區(qū)域采集數(shù)據(jù)的代表節(jié)點經(jīng)過多次數(shù)據(jù)采集，當超過第1步中設定的輪詢次數(shù)或者輪詢時間時，則進行一次全部數(shù)據(jù)源節(jié)點的數(shù)據(jù)采集命令，再重復第2步。
2.如權利要求1所述基于Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡的低能耗數(shù)據(jù)采集方法，其特征是， 第1步中，根據(jù)檢測環(huán)境里要求的數(shù)據(jù)采集頻率的高低，決定進行輪詢次數(shù)k的設定還是進行輪詢時間At的設定。
3.如權利要求1所述基于Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡的低能耗數(shù)據(jù)采集方法，其特征是， 由公式η = (Smax-Smin) /q計算出的η若有余數(shù)則只進不舍。
4.如權利要求1所述基于Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡的低能耗數(shù)據(jù)采集方法，其特征是， 每次執(zhí)行數(shù)據(jù)采集命令時都重復第3步來動態(tài)的選擇劃定區(qū)域內(nèi)的代表節(jié)點。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡的低能耗數(shù)據(jù)采集方法，該方法對ZigBee終端設備的數(shù)據(jù)采集方法進行改進，針對不同的檢測環(huán)境，通過減少與匯聚節(jié)點或ZigBee路由節(jié)點之間通信的數(shù)據(jù)源節(jié)點數(shù)目的方法，既滿足一定的檢測精確度，又能夠降低網(wǎng)絡的能耗。該數(shù)據(jù)采集方法可以靈活的應用于不同的應用環(huán)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(wǎng)絡能耗。在該低能耗數(shù)據(jù)采集方法中，動態(tài)的區(qū)域劃分、動態(tài)的代表節(jié)點的選擇及以剩余能量與采集信息消耗能量之差來選擇區(qū)域內(nèi)代表節(jié)點的方法，都達到了平衡無線傳感器網(wǎng)絡各個節(jié)點的能耗、延長整個網(wǎng)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(yōu)先權日2011年11月15日
發(fā)明者唐秀芳, 王艷, 紀志成, 高春能 申請人:江南大學