专利名称：基于无线传感器网络技术的数据传输和定位系统的制作方法
技术领域：
本实用新型属于环境监控领域，特别涉及一种基于无线传感器网络技术的 数据传输和定位系统。
背景技术：
在针对^:面积的复杂环境进行监控时，对布置有线网络的监控点来说，可 能面临着复杂的环境，增加了监控网络的实施和维护成本。此外，在某些应用 场合下，用户希望在部分网络遇到损害时，网络的其余部分仍然可用，这样可 以为紧急救援等提供必要的帮助。如果能够采用基本相同的软件硬件架构布设 监控网络、支持无线通信、支持多种类型的数据传输、并支持分布式的网络结 构以保证网络的抗毁性、支持节点定位，那么对于监控系统的铺设、维护和升 级成本和抗毁性都具有更高的实用价值。但目前存在的问题是无线网络的数据 传输量小，而有线网络铺设费用高、难度大和没有定位能力。
实用新型内容
本实用新型目的是提供一种基于无线传感器网络技术的数据传输和定位系 统，以解决传统无线网络的数据传输量小以及有线网络铺设费用高、难度大和
没有定位能力的缺陷。本实用新型包括监测中心计算机、RS232总线、RS232/CAN 总线转换器、CAN总线、多个CAN总线控制器和多组无线传感器网络，每组无线 传感器网络由一个中心节点、多个固定节点和多个移动节点组成，每个固定节 点和移动节点都分别由设置在同一地点的无线数据收发模块、单片机和多个传 感器模块组成，中心节点由PAN协调器组成，固定节点和移动节点都通过无线 数据收发模块把采集到的被监测数据通过网络宁转传送给PAN协调器，移动节 点与同一组无线传感器网络中的固定节点的相对位置倩息由无线数据收发模块 通过网络中转传送给PAN协调器，PAN协调器中的被监测数据和相对位置信息依 次通过CAN总线控制器、CAN总线、RS232/CAN总线转换器和RS232总线传递给 监测中心计算机。
本实用新型的无线传感器网络负责产生、传输监测环境数据以及移动节点
的位置数据，然后通过CAN总线传到RS232，由RS232传到监测中心计算机，监 测中心计算机对数据进行处理，实现了环境数据的监控和定位。本实用新型提 供的系统既包含数据的有线传输部分，又包含数据的无线传输部分，避免了全 部使用无线网络的数据传输量小，又避免了全部使用有线网络铺设费用高、难 度大，没有定位能力的缺陷。本实用新型基于无线传感器网络技术，使用通用 的软硬件架构，支持多类型数据汇聚和传输，支持基于已知物理位置的固定节 点定位整个网络移动节点的位置，网络具有高p[毁性。本实用新型的系统可用 于环境监测，如森林防火、河流污染监控，亦可用于矿山的安全检测和人员定 位。
图1是本实用新型的结构示意图；图2是固定节点6-2和移动节点6-3的 结构示意图；图3是无线传感器网络6的结构示意图，图中实箭头代表父子关 系的节点，虚箭头表示非父子关系的节点，与某个节点有箭头直接连接的所有 节点都是当前节点的邻居；图4是无线传感器网络6中移动节点的定位原理图， 图中，A表示移动节点，B E表示网络中的固定节点，R1 R4分别表示各固定 节点到移动节点的距离。 .
具体实施方式.
具体实施方式
一下面结合图1至图3具体说明本实施方式。本实施方式 由监测中心计算机2、 RS232总线11、 RS232/C認总线转换器3、 C認总线4、多 个CAN总线控制器5和多组无线传感器网络6组成，每组无线传感器网络6由 一个中心节点6-1、多个固定节点6-2和多个移动节点6-3组成，每个固定节点 6-2和移动节点6-3都分别由设置在同一地点的无线数据收发模块8、单片机9 和多个传感器模块10组成，中心节点6-1由P認协调器组成，固定节点6-2和 移动节点6-3都由无线数据收发模块8把采集到的被监测数据s通过网络中转 传送给P認协调器，移动节点6-3与同一组无缚传感器网络6中的固定节点6-2 的相对位置信息t由无线数据收发模块8通过网络中转传送给PAN协调器，PAN 协调器中的被监测数据s和相对位置信息t依次通过C認总线控制器5、 CAN总 线4、 RS232/CAN总线转换器3和RS232总线11传递给监测中心计算机2。
在图3中，无线传感器网络6包括中心节点6-1和固定节点6-2-2至固定
节点6-2-18。所有的网络节点都有自己的64位地址，而且是唯一的。对于加入 网络的任何节点都有16位的网络地址，在同一网络中，地址也是唯一的，其范 围设为0x0000 0xFFF0。中心节点6-1的网络地址设定为0x0000，固定节点6-2 的路由器地址设定为0x0001 0xFFF0。任何没有加入网络的节点的网络地址都 设为0xFFFF，表示没有入网。
无线传感器网络6在组网时，以PAN协调器为中心，逐级自动执行程序， 直到把所有能联系的固定节点6-2都自动加入网络，并自动对所有的固定节点 6-2分配网络地址。未加入网络的节点在寻找网络的时候遵循最小深度和适合的 连接质量指示值原则。
PAN协调器是无线传感器网络6的管理者，也是数据的汇集点。它负责将数 据传输到监测中心计算机2，实现网络的状态和传感器模块10采集数据的监控。 PAN协调器是指定的，它启动时，先对各层信息库(包括物理层、MAC层、网络 层和应用层)参数进行初始化，然后执行组网命令。组网命令包括对各个信道 (频率点)进行能量扫描，选择信道干扰小的信道作为网络的运行信道，然后 将自己的网络地址设为0x0000，进行PAN协调器信息的初始化。此时，无线传 感器网络6中就一个节点，其它节点要连接命令才能加入此网络，其它的功能 和固定节点6-2 —样。固定节点6-2组成了除.PAN协调器和移动节点6-3之外 的无线传感器网络6的其它节点，具有数据中转功能。它们负责收集无线传感 器网络6采集到的所有具有传感器节点采集的数据，并发送给PAN协调器，对 于一些网络运行时出现的不良信息，网络也上报给P認协调器。每个固定节点 6-2没有任何差别，可以相互替换。每个固定节点6-2启动时，同样也先对各层 信息库参数进行初始化，然后执行寻找网络节点(所述网络节点指中心节点6-1 和固定节点6-2)的命令。所要寻找的网络节点是指已经加入网络的节点，其网 络地址不为0x0000和从0xFFFl到0xFFFF中的任意值。对于任何没有加入网络 的节点，其网络地址都应该设为0xFFFF,表示没有加入网络。执行寻找网络节 点的命令时，发送信标请求命令，这时，在它通信范围内的所有节点将广播带 有自身信息的信标帧，处理这些信息，选择深度(所述深度指树形网络结构的 深度。它与^ 储结构的二叉树中的深度相似。本网络是在树形网络的基础上拓 展而成的mesh网络，树形网络是基础。)较小，信号连接质量较好的节点作为
父节点，再执行连接命令。父节点在接收到连接命令时，根据自身的情况是否 将该节点加.为自己的子节点，如果允许加入的话，利用地址分配算法，给子节 点分配地址，并发送给子节点。
子节点加入网络后，必须把自己的16位网络地址和64位地址发给监测中 心计算机2。监测中心计算机2只知道节点的64位地址在网络中的位置，为了 减少传输数据量，要把64位地址和16位网络地址对应起来，利用网络地址进 行通信。
本实用新型对无线传感器网络6的运行管理是这样的无线传感器网络6 中的所有节点(除移动节点外)都应该定时单骅广播自身网络状态信息，以便 及时发现网络中的故障，同时也为路由算法提供条件。对于信息的传输，默认 的路由方式是树形路由方式，当子节点与自己的父节点连接出现问题时，子节 点考虑将信息传输到其它深度最浅的节点，再由那个节点转发给P認协调器。 如图3所示，中心节点6-1和固定节点6-2-2至固定节点6-2-18都应该定时单 跳广播自身网络状态信息，以便及时发现网络中的故障，同时也为路由算法提 供条件。对于信息的传输，默认的路由方式是树形路由方式，如图中的节点 6-2-17—节点6-2-14—节点6-2-2—节点6-1，节点6-2-7—节点6-2-4—节点 6-1。即如果节点6-2-12与节点6-2-13父子之间出现短时的中断，6-2-12的数 据就发给节点6-2-ll，再经过节点6-2-9—节点6-2-8—节点6-1发到PAN协调 器上。 ，
无线传感器网络6中的每个节点都有邻居表和路由表。邻居表是根据信标 帧和网络状态信息来建立的。邻居表除了包括父节点和其子节点外，还应该包 括其通信范围内的所有节点，但要根据硬件资源来确定最大邻居数。节点6-2-14 的邻居表中有节点6-2-2、节点6-2-15、节点6-2-17和节点6-2-18。邻居表要 记录的数据有节点的网络地址、64位节点地址(节点地址指节点的物理地址， 每个ZigBee设备都有唯一的64位物理地址。)、与当前节点的关系、连接质量 指示、深度、是否可以接收其它节点的加入等信息。而路由表设有目标地址和 下一跳地址，默认的目标地址为0x0000 (即中心节点6-1)，对其它的目标地址 不予处理；下一跳地址设为节点自己的父节点地址，但它应该根据邻居表的更 新寻找最佳.节点作为下一跳地址，所遵循的原则是连接质量指示值较好、节
点深度较浅的节点地址。如果节点6-2-2与节卓6-2-15之间出现短时中断，节 点6-2-15的数据转发到节点6-2-14和节点6-2-18，不可以发给节点6-2-14 及其后裔。邻居表和路由表都应随无线传感器网络6状态信息而及时更新。
信息发送端节点可以根据需要，对路由信息进行记录。具体方法就是路由 器在转发数据时，把自身的网络地址也加入其转发的数据。监控中心可以根据 路由信息判断数据是从哪条线路发送过来的。
具体实施方式
二本实施方式与实施方式一的不同点是本实用新型对网 络故障的处理是这样的。当无线传感器网络6中的节点在一定的时间内收不到 某个邻居发来的状态信息，就将此邻居的所有信息进行删除同时更新路由表。 如果那个邻居是自己的父节点时，节点先对父节点执行孤立扫描，要是父节点 有回应的话，就认为一切正常；要是没有回应，就认为自己已经离开网络，放 弃当前的所^"操作，将各层进行复位，重新执行寻找网络节点的命令。如果那 个邻居是自己的子节点时，认为子节点已经断开。删除相应信息和更新路由表。 图3中当节点6-2-12在一定的时间内收不到邻居节点6-2-11发来的状态信息， 就将节点6-2-11的所有信息进行删除同时更新路由表。如果没有父节点6-2-13 的网络状态信息时，节点先对父节点6-2-13执行孤立扫描，要是父节点有回应 的话，就认为一切正常；要是没有回应，就认为自己己经离开网络，放弃当前 的所有操作及其后裔，将各层进行复位，重新执行寻找网络节点的命令。如果 父节点6-2-13收不到子节点6-2-12网络状态信息时，认为子节点6-2-12已经 断开。删除相应信息和更新路由孝。
具体实施方式
三本实施方式与实施方式一的不同点是当发现电池电量 不足时，无线传感器网络6中的子节点向自己的父节点报告自己的状态，由父 节点上报此信息。而子节点发送成功之后进入休眠状态，等待更换新电池。
具体实施方式
四本实施方式与实施方式一的不同点是移动节点利用固 定节点来实现定位。移动节点定时发送定位请求后，其通信范围内的所有固定 节点回发位置信息，再由移动节点选择网络深度最小的固定节点来转发其打包 完的数据，由监测中心完成定位和跟踪。
实现移动节点6-3定位功能的机制是根据功率的大小来实现的。对于发射
功率一定的网络，由于接收功率与接收距离成正比，距离可以看成是接收功率
的函数。而在IEEE 802. 15.4中，可以用LQI (连接质量指示)表示功率的强度 大小，因此接收距离可以用LQI的函数来表示。固定节点6-2己知它的确切位置。移动节点6-3在网络中定时单跳广播定 位请求命令.，任何在移动节点6-3通信范围内网络节点接收此命令时，给移动 节点6-3回发位置信息。移动节点6-3对收到的位置信息进行打包，转发给LQI 较大、深度较小的网络节点，由网络转发给监控中心。监控中心负责处理位置 信息，实现对移动节点的定位。移动节点不参与固定节点的组网工作，网络也 不用给它分配网络地址。移动节点可以利用网络节点实现定位和完成信息的传 输功能。信息包括传感器数据信息和自身状态信息。自身状态可以是求救信息, 可以是别的。移动节点利用网络进行通信时要用自身的64位地址，网络地址可 以在0xFFFl 0xFFF9中指定一个地址为移动，点的地址，监控中心在接收的这 个地址时认为是移动节点。在图4中，利用固定节点B E对移动节点A进行定 位。移动节点A在网络中定时单跳广播定位请求命令，在移动节点通信范围内 网络节点B E接收此命令时，给移动节点回发位置信息。移动节点A对收到的 位置信息进行打包，转发给节点B E中深度较小的网络节点，由网络转发给监 控中心。对于发射功率一定的网络，根据功率的大小可以知道固定节点与移动 节点的相对位置。而固定节点位置是己知的，因而监控中心根据这些信息，实 现对移动节点的定位和跟踪。
具体实施方式
五本实施方式与实施方式一的不同点是它还包括备用主 机l，备用主机1的数据传输端口连接监测中心计算机2的数据传输端口以备份 被监测数据s和相对位置信息t 。
权利要求1、基于无线传感器网络技术的数据传输和定位系统，其特征在于它包括监测中心计算机(2)、RS232总线(11)、RS232/CAN总线转换器(3)、CAN总线(4)、多个CAN总线控制器(5)和多组无线传感器网络(6)，每组无线传感器网络(6)由一个中心节点(6-1)、多个固定节点(6-2)和多个移动节点(6-3)组成，每个固定节点(6-2)和移动节点(6-3)都分别由设置在同一地点的无线数据收发模块(8)、单片机(9)和多个传感器模块(10)组成，中心节点(6-1)由PAN协调器组成，固定节点(6-2)和移动节点(6-3)都通过无线数据收发模块(8)把采集到的被监测数据(s)通过网络中转传送给PAN协调器，移动节点(6-3)与同一组无线传感器网络(6)中的固定节点(6-2)的相对位置信息(t)由无线数据收发模块(8)通过网络中转传送给PAN协调器，PAN协调器中的被监测数据(s)和相对位置信息(t)依次通过CAN总线控制器(5)、CAN总线(4)、RS232/CAN总线转换器(3)和RS232总线(11)传递给监测中心计算机(2)。
2、 根据.权利要求1所述的基于无线传感器网络技术的数据传输和定位系统， 其特征在于它还包括备用主机(l)，备用主机(l)的数据传输端口连接监测中心 计算机(2)的数据传输端口以备份被监测数据(s)和相对位置信息(t)。
专利摘要基于无线传感器网络技术的数据传输和定位系统，本实用新型属于环境监控领域，它解决了传统无线网络的数据传输量小以及有线网络铺设费用高、难度大和没有定位能力的缺陷。它包括监测中心计算机、RS232总线、RS232/CAN总线转换器、CAN总线、多个CAN总线控制器、多组无线传感器网络，无线传感器网络由一个中心节点、多个固定节点和多个移动节点组成，固定节点和移动节点由无线数据收发模块、单片机和多个传感器模块组成，中心节点由PAN协调器组成，固定节点和移动节点把采集到的被监测数据传送给PAN协调器，移动节点将移动节点与固定节点的相对位置信息通过网络传送给PAN协调器，然后依次通过CAN总线和CAN总线转换器传递给监测中心计算机。
文档编号H04L29/08GK201178426SQ200820089719
公开日2009年1月7日 申请日期2008年4月14日 优先权日2008年4月14日
发明者郜吏鹏, 蒙 黄 申请人:哈尔滨炎升科技有限公司