[发明专利]面向移动信号源的大规模无线传感网数据采集系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及针对移动信号源的数据实时采集，具体实现了一种面向大规模动态节点的自适应无线传感网络及基于该网络技术的数据采集和传输的系统及方法。

背景资料

目前，国内外主要针对无线传感网络能量受限的特点，提出了很多节能的MAC协议和路由协议等。然而多数的研究局限于所有传感器节点都是静止的情况，不满足某些需要移动节点的应用，比如监测野生动物的生活，追踪病人的心跳情况等等，节点总是处于不断的运动中，同时引进移动节点还可以拓宽网络空间的采样能力，例如在应用移动节点收集其他静止节点的数据，作为一种信息收集槽。

无线传感网络对于移动性的支持目前相关研究主要可以分为：1. 对于用户移动性的支持；2. 对于汇聚节点（sink node）移动性的支持；3. 对于节点移动性的支持三个方面。其中对于用户移动性的支持又提出了移动代理模型和双层网络模型，对于汇聚节点移动性的支持提出了移动汇聚节点分配模型MSA（Mobile Sink Allocation）和移动数据采集模型MDC（Mobile Data Collector），对于节点移动性的支持则相对复杂，从节点和网络类型可大致分为普通节点移动性支持和代理节点（中继节点）移动性支持两个方面，从节点移动性又可以分为强移动（节点自身动力驱动）和弱移动（节点自身故障或者能量耗尽而产生的网络失联）。

目前，业界主要从MAC层协议出发，有基于竞争的MS-MAC模型，有基于调度的MMAC模型等。针对代理节点移动，如Lang Tong提出一种SENMA（Sensor Network with Mobile Agents），美国Nice大学提出了“基于可预测移动中继节点的静态网络实现方法”，UCLA大学提出的EAR（窃听登记，Eavesdrop-And- Register）算法等等。总的来说，这些算法模型在一定程度上能够解决无线传感网络节点移动性的问题，但是在另一方面都存在自己固有的应用局限。如，移动代理模型存在平衡传输时延和网络寿命之间的矛盾，双层模型需要考虑网格大小设置，MS-MAC模型的边界节点能耗下降过快，会导致网络分割，MMAC的虚拟簇之间不能同步等问题。

发明内容

本发明为克服上述的不足之处，目的在于提供面向移动信号源的大规模无线传感网数据采集系统及方法，在保留层次结构网络的基本优点的情况之下，通过对节点的MAC层及信道帧听算法的重新设计与拓扑控制算法的调整，使得节点能够快速无缝地接入和脱离网络而不改变整网基本拓扑结构，并实现在网络覆盖范围内的实时数据上传。

本发明是通过以下技术方案达到上述目的：面向大规模移动信号源的无线传感网数据采集系统，包括：汇聚节点、中继节点、末端节点。所述的汇聚节点为单网内的唯一数据出口点，所述的汇聚节点将信标帧以泛洪方式广播给末端节点，末端节点通过中继节点将信号源数据发送给汇聚节点。

所述的中继节点采用移动数据采集模式，从而与末端节点之间形成动态数据上行通道。

面向大规模移动信号源的无线传感网数据采集的方法，包括以下步骤：

1）汇聚节点和中继节点静态布设，根据AODVjr算法组成树状分层网络；

2）汇聚节点周期性发起全网络泛洪方式广播信标帧；

3)末端节点进入网络覆盖范围后接收信标帧并连续两次发送请求发送帧给中继节点，若中继节点未成功接收请求发送帧，则末端节点重发请求发送帧；

4）中继节点比较连续两次收到的末端节点的请求发送帧，根据移动估计算法得出末端节点的移动信息，移动估计算法：

P (d2) [dBm] =P (d1) [dBm]-10nlog (d2/d1)-C*WAF （1）

式中，P（d1）表示末端节点第一次发送请求发送帧到中继节点的信号强度值，P（d2）表示末端节点第二次发送请求发送帧到中继节点的信号强度值，n表示路径长度与路径损耗之间的比例因子，d1表示末端节点第一次发送请求发送帧到中继节点时与该中继节点的距离，d2表示末端节点第二次发送请求发送帧到中继节点时与该中继节点的距离，C表示末端节点与中继节点之间的障碍物个数，WAF表示信号穿过末端节点与中继节点之间障碍物的衰减因子。根据上述函数得出d2与d1的比值，中继节点发送d2与d1的比值到末端节点；

5)末端节点比较所有接收到的中断节点发送的d2与d1的比值，选择d2与d1比值最小的中继节点作为其直接代理节点；

6）直接代理节点回复发送允许帧；

7）末端节点收到该发送允许帧后，发送数据至直接代理节点；