工業(yè)裝備及環(huán)境監(jiān)控的wsn信息感知系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于工業(yè)裝備和農(nóng)業(yè)、交通、倉儲、居住等環(huán)境監(jiān)控的WSN信息感知系統(tǒng)及方法，所述方法包括：無線采集器通過對應(yīng)傳感器接口獲取工業(yè)裝備或環(huán)境中的傳感數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后通過自組網(wǎng)發(fā)送到無線網(wǎng)關(guān)；無線控制器按照接收到的控制指令對執(zhí)行設(shè)備進行控制并將狀態(tài)信息反饋給無線網(wǎng)關(guān)；無線網(wǎng)關(guān)將接收到的傳感數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息上傳到基站，并將基站發(fā)送的控制指令下傳到無線控制器；基站將接收的傳感數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息處理后發(fā)送到本地監(jiān)控終端并將本地監(jiān)控終端的控制指令發(fā)送到無線網(wǎng)關(guān)；本地監(jiān)控終端可以存儲、顯示采集到的傳感數(shù)據(jù)，并發(fā)出控制指令，從而解決了在工業(yè)現(xiàn)場中對工業(yè)裝備及環(huán)境狀態(tài)信息的采集、無線傳輸和控制。
【專利說明】工業(yè)裝備及環(huán)境監(jiān)控的WSN信息感知系統(tǒng)及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及工業(yè)裝備和農(nóng)業(yè)、交通、倉儲、居住等環(huán)境監(jiān)控方法，尤其是一種用于 如工業(yè)裝備物聯(lián)網(wǎng)管控、工業(yè)環(huán)境監(jiān)控等場合的WSN信息感知系統(tǒng)及方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 目前，對工業(yè)裝備狀態(tài)進行監(jiān)測主要采用以下三種方法：（1)離線的人工巡檢，這 是許多中小型企業(yè)通常采用的辦法；（2)有條件的大中型企業(yè)采用有線的辦法；（3) 2G或3G 公共無線網(wǎng)方法。分析以上三種方法，發(fā)現(xiàn)存在下述問題：
[0003] 1.離線的人工巡檢方法盡管有一定的效果，但缺乏實時性、及時性、準確性、遠程 化、網(wǎng)絡(luò)化和低成本，而且漏報率較高。
[0004] 2.采用有線辦法的數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃允侨菀妆ＷC的，但從更廣泛的應(yīng)用實際意義 和未來發(fā)展的角度看，主要存在下述幾個方面的問題：①對移動的工業(yè)裝備不適用。②系統(tǒng) 投資大、成本高、性能價格比低。③系統(tǒng)的電纜復(fù)用率低、復(fù)雜性高，因而系統(tǒng)的故障率高、 不便于維護。④系統(tǒng)的擴展性差，使得監(jiān)測容量相對較小，特別是在其監(jiān)測系統(tǒng)己安裝好后 需要增加監(jiān)測區(qū)域的情況下，需要對軟件及硬件作較大的改動，甚至需要重新設(shè)計制作。 [0005] 3.采用2G或3G等公共無線網(wǎng)監(jiān)測和預(yù)警，對于大范圍區(qū)域移動工業(yè)裝備確是一 個值得考慮的解決方案，但對于工業(yè)現(xiàn)場和小范圍區(qū)域移動的工業(yè)裝備卻不盡合理，因為 它的運行成本高，普及推廣價值不大。更為重要的是，無線收發(fā)模塊由于天線等元件的表面 靜電電荷、高頻輻射等因素在收發(fā)功率較大時可能產(chǎn)生高頻電火花，特別在環(huán)境惡劣時發(fā) 生的可能性更大。而且，根據(jù)2G或3G系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓逃袡C理，無線收發(fā)功率常常 會由于需要監(jiān)控的區(qū)域范圍大而較大。因此，在將其用于不可避免地存在易燃、易爆氣體、 粉塵和流體的石油、化工企業(yè)的環(huán)境中時，常常很難達到防爆的安全要求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明提供一種用于工業(yè)裝備及環(huán)境監(jiān)控 的WSN感知系統(tǒng)和方法，解決了在工業(yè)現(xiàn)場中對工業(yè)裝備及環(huán)境狀態(tài)信息的采集與無線傳 輸，并實現(xiàn)傳感信息的顯示以及對執(zhí)行設(shè)備的控制，有利于準確診斷并防范故障。
[0007] 技術(shù)方案：一種用于工業(yè)裝備及環(huán)境監(jiān)控的WSN信息感知系統(tǒng)，包括：
[0008] 無線采集器，分布在監(jiān)測現(xiàn)場環(huán)境中，由干電池或工業(yè)現(xiàn)場基礎(chǔ)供電設(shè)施供電，用 于存儲工業(yè)裝備的信息、獲取工業(yè)裝備或工業(yè)環(huán)境的參數(shù)信息；無線采集器將采集到的傳 感器數(shù)據(jù)通過該感知系統(tǒng)自組網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到無線網(wǎng)關(guān)；
[0009] 無線控制器，由工業(yè)現(xiàn)場基礎(chǔ)供電設(shè)施供電，用于接收無線網(wǎng)關(guān)傳來的控制指令， 按照控制指令對諸如驅(qū)動電機、電磁閥、聲光報警器等開關(guān)型執(zhí)行設(shè)備進行控制，并反饋執(zhí) 行設(shè)備的狀態(tài)信息給無線網(wǎng)關(guān)；同時，其作為系統(tǒng)自組織網(wǎng)絡(luò)的一部分，可以轉(zhuǎn)發(fā)無線采集 器的傳感器數(shù)據(jù)到無線網(wǎng)關(guān)；
[0010] 無線網(wǎng)關(guān)，由工業(yè)現(xiàn)場基礎(chǔ)供電設(shè)施供電，用于進行網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)交換與路由選 擇，將基站傳來的控制指令發(fā)送給無線控制器，同時作為系統(tǒng)中底層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的匯 聚節(jié)點，負責(zé)接收無線采集器通過自組網(wǎng)傳來的傳感數(shù)據(jù)以及無線控制器反饋回來的狀態(tài) 信息，將其無線發(fā)送到基站；
[0011] 基站，設(shè)置在工業(yè)現(xiàn)場的監(jiān)控室內(nèi)，通過串口與監(jiān)控室內(nèi)的本地監(jiān)控終端相連，作 為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和本地監(jiān)控終端的連接點；基站下行通過無線通信模塊接收無線網(wǎng)關(guān) 傳來的工業(yè)裝備或環(huán)境的傳感數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，將其經(jīng)過分析、處理、配置后，上行通過串 口發(fā)往本地監(jiān)控終端，并將本地監(jiān)控終端下達的控制指令通過無線通信模塊發(fā)送到無線網(wǎng) 關(guān)。
[0012] 本地監(jiān)控終端，接收基站上傳的傳感數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，存儲、顯示采集到的傳感數(shù) 據(jù)，工作人員根據(jù)本地監(jiān)控終端顯示的傳感數(shù)據(jù)決定相應(yīng)執(zhí)行設(shè)備的開/關(guān)操作，并由本 地監(jiān)控終端發(fā)送控制指令到基站。
[0013] 為了增強便捷性監(jiān)控和適應(yīng)于大數(shù)據(jù)存儲和管理的需要，優(yōu)選地，還可以增設(shè)移 動監(jiān)控終端和遠程監(jiān)控中心，均可以都過移動互聯(lián)網(wǎng)/互聯(lián)網(wǎng)接收基站發(fā)送的傳感數(shù)據(jù)包 和狀態(tài)消息包，實現(xiàn)移動式監(jiān)控，同時可達到對數(shù)據(jù)的存儲和后續(xù)分析、以及對工業(yè)裝備和 環(huán)境的遠程診斷。
[0014] 一種用于工業(yè)裝備及環(huán)境監(jiān)控的WSN信息感知方法，基于上述的信息感知系統(tǒng)， 并包括如下步驟：
[0015] 2. 1.無線采集器、無線控制器、無線網(wǎng)關(guān)、基站上電初始化；
[0016] 2. 1. 1.基站發(fā)出系統(tǒng)預(yù)啟動數(shù)據(jù)包給無線網(wǎng)關(guān)，保持偵聽狀態(tài)；
[0017] 2. 1.2.無線網(wǎng)關(guān)保持偵聽狀態(tài)，將自身到匯聚節(jié)點（即無線網(wǎng)關(guān)自身）的跳數(shù)hsQ 設(shè)置為〇 ;
[0018] 2. 1. 3.無線采集器保持偵聽狀態(tài)，將自身到匯聚節(jié)點（無線網(wǎng)關(guān)）的跳數(shù)hs初始 化為〇 ;
[0019] 2. 1. 4.無線控制器采集執(zhí)行設(shè)備的狀態(tài)信息，發(fā)送至無線網(wǎng)關(guān)；
[0020] 2. 2.無線網(wǎng)關(guān)若未收到系統(tǒng)預(yù)啟動數(shù)據(jù)包則繼續(xù)保持偵聽狀態(tài)；若收到系統(tǒng)預(yù) 啟動數(shù)據(jù)包，則廣播路由更新消息包（該消息包包含H s字段，其值等于該節(jié)點的hs值），并 啟動路由更新定時器Timerl,轉(zhuǎn)至2. 3 ;
[0021] 2.3.若無線網(wǎng)關(guān)的路由更新定時器Timerl時間到，則進行新一輪的路由更新過 程，廣播路由更新消息包，轉(zhuǎn)至2. 4 ;若路由更新定時器Timerl時間未到，則無線網(wǎng)關(guān)繼續(xù) 保持偵聽狀態(tài)；
[0022] 2. 4.無線控制器若收到來自無線網(wǎng)關(guān)的路由更新消息包，則將路由更新消息包中 的扎加1后廣播該消息；無線采集器若收到路由更新消息包，首先檢查消息包內(nèi)的傳輸控 制字段TControl，若是首次收到該TControl的消息包，則將無線采集器自身的h s更新為 Hs+1，記錄該鄰居節(jié)點的ID號并將其分類為Γ (比自己到匯聚節(jié)點跳數(shù)少1的節(jié)點），將路 由更新消息包中的扎加1后廣播該消息；若不是首次收到該TControl的消息包，則不需要 廣播該消息包并按如下規(guī)則進一步處理：
[0023] 2.4. 1.若無線采集器自身的hs等于Hs+1，記錄該鄰居節(jié)點的ID號并將其分類為 H_;
[0024] 2. 4. 2.若無線采集器自身的hs等于Hs，記錄該鄰居節(jié)點的ID號并將其分類為 H°(與自己到匯聚節(jié)點跳數(shù)相同的節(jié)點）；
[0025] 2.4.3.若無線采集器自身的hs等于Hs_l，記錄該鄰居節(jié)點的ID號并將其分類為 H+(比自己到匯聚節(jié)點跳數(shù)多1的節(jié)點）；
[0026] 2. 4. 4.若無線采集器收到的Hs為其他值，則不作處理；
[0027] 2. 5.路由更新過程結(jié)束后，網(wǎng)絡(luò)中的每個無線采集器獲得自己到匯聚節(jié)點的跳數(shù) 以及其鄰居節(jié)點到匯聚節(jié)點的跳數(shù)，無線采集器的無線通信模塊保持偵聽狀態(tài)，轉(zhuǎn)至2. 6 ;
[0028] 2. 6.無線采集器開啟數(shù)據(jù)采集定時器Timer2,周期性地采集傳感器數(shù)據(jù)；
[0029] 2. 7.若無線采集器的數(shù)據(jù)采集定時器Timer2時間到，采集相應(yīng)的傳感器數(shù)據(jù)，將 數(shù)據(jù)包通過自組網(wǎng)算法發(fā)送到無線網(wǎng)關(guān)；若無線采集器的數(shù)據(jù)采集定時器Timer2時間未 至IJ，則繼續(xù)保持偵聽狀態(tài)；
[0030] 2. 8.若無線采集器接收到其他采集器發(fā)來的數(shù)據(jù)包，則采用自組網(wǎng)算法轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù) 據(jù)包到無線網(wǎng)關(guān)，轉(zhuǎn)至2. 9;
[0031] 2. 9.無線網(wǎng)關(guān)若接收到其他節(jié)點傳來的信息：
[0032] 2. 9. 1.無線網(wǎng)關(guān)接收到無線采集器或無線控制器發(fā)送來的傳感數(shù)據(jù)包，則將其發(fā) 送到基站，轉(zhuǎn)至2. 13 ;
[0033] 2. 9. 2.無線網(wǎng)關(guān)接收到無線控制器發(fā)送來的執(zhí)行設(shè)備狀態(tài)信息包，則將其發(fā)送到 基站，轉(zhuǎn)至2. 13 ;
[0034] 2. 9. 3.無線網(wǎng)關(guān)接收到基站發(fā)送來的控制指令，則將其發(fā)送到無線控制器，轉(zhuǎn)至 2. 10 ；
[0035] 2. 10.無線控制器若收到無線網(wǎng)關(guān)發(fā)送來的控制指令，則按照指令中的要求對相 應(yīng)的執(zhí)行設(shè)備進行開關(guān)控制，開啟等待定時器Timer3 ;
[0036] 2. 11.無線控制器的等待定時器Timer3時間到，采集執(zhí)行設(shè)備的狀態(tài)，將其封裝 進狀態(tài)信息包發(fā)送到無線網(wǎng)關(guān)；
[0037] 2. 12.無線控制器若收到無線采集器發(fā)來的傳感數(shù)據(jù)包，則將其轉(zhuǎn)發(fā)到無線網(wǎng) 關(guān)；
[0038] 2. 13.若基站的無線通信模塊接收到無線網(wǎng)關(guān)發(fā)送來的傳感器數(shù)據(jù)包或執(zhí)行設(shè)備 狀態(tài)消息包，則將其進行一定處理后發(fā)送到監(jiān)控終端；若基站接收到監(jiān)控終端傳來的控制 指令，則將其通過無線通信模塊發(fā)送到無線網(wǎng)關(guān)；
[0039] 2. 14.若監(jiān)控終端接收到基站的傳感器數(shù)據(jù)包，則存儲數(shù)據(jù)包中的監(jiān)測數(shù)據(jù)并顯 示該實時數(shù)據(jù)，工作人員可以根據(jù)顯示的各組數(shù)據(jù)決定如何對相關(guān)的執(zhí)行設(shè)備進行控制， 發(fā)送控制指令；若監(jiān)控終端收到的是執(zhí)行設(shè)備狀態(tài)消息包，則更新頁面上顯示的執(zhí)行設(shè)備 狀態(tài)。
[0040] 有益效果：本發(fā)明用于工業(yè)裝備及環(huán)境監(jiān)控的信息感知方法解決了在工業(yè)現(xiàn)場中 對工業(yè)裝備及環(huán)境狀態(tài)信息的采集與無線傳輸，并配合監(jiān)控終端軟件實現(xiàn)傳感信息的顯示 以及對執(zhí)行設(shè)備的控制，有利于準確診斷并防范故障、降低運行成本、提高生產(chǎn)效率，而且 對及時發(fā)現(xiàn)并排除事故隱患都具有重要意義。
[0041] 整個系統(tǒng)投資小、成本低、易于維護，根據(jù)現(xiàn)場情況的不同，可對硬件進行相應(yīng)擴 展，而無需對軟件重裝制作，適合在多種場合推廣應(yīng)用。
[0042] 通過廣播路由更新消息包的數(shù)據(jù)傳輸方式，在每個要廣播的消息包中設(shè)置傳輸控 制字段TControl，傳輸控制字段保證每個數(shù)據(jù)包只被廣播一次，若節(jié)點再次收到相同的傳 輸控制字段的數(shù)據(jù)包，就不會繼續(xù)廣播，這樣可以避免引起廣播風(fēng)暴，浪費系統(tǒng)的能量。 [0043] 本發(fā)明采用的自組網(wǎng)算法利用多路徑傳輸?shù)霓k法，無線采集器將采集的傳感器數(shù) 據(jù)通過無線方式發(fā)送至無線網(wǎng)關(guān)，自組網(wǎng)算法可以計算有效傳輸路徑，保證了數(shù)據(jù)無線傳 輸?shù)目煽啃?。通過無線傳輸方式，利用現(xiàn)場裝備的合理布局，信息收發(fā)安全，提高了整個系 統(tǒng)運行安全性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0044] 圖1是工業(yè)裝備及環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)框圖。
[0045] 圖2是無線采集器結(jié)構(gòu)圖。
[0046] 圖3是無線網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)圖。
[0047] 圖4是無線控制器結(jié)構(gòu)圖。
[0048] 圖5是基站結(jié)構(gòu)圖。
[0049] 圖6是本發(fā)明監(jiān)控方法的主程序流程圖。
[0050] 圖7是無線采集器的程序流程圖。
[0051] 圖8是無線網(wǎng)關(guān)的程序流程圖。
[0052] 圖9是無線控制器的程序流程圖。
[0053] 圖10是基站的程序流程圖。
[0054] 圖11是自組網(wǎng)算法流程圖。

【具體實施方式】
[0055] 下面通過附圖對本發(fā)明技術(shù)方案進行詳細說明，但是本發(fā)明的保護范圍不局限于 所述實施例。
[0056] 實施例1 :如圖1所示的用于工業(yè)裝備及環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，包括無線采集器1、無線網(wǎng) 關(guān)2、無線控制器3、基站4以及本地監(jiān)控終端5、移動監(jiān)控終端6和遠程監(jiān)控中心7。移動 監(jiān)控終端6和遠程監(jiān)控中心7為更好地提高監(jiān)控效果，移動監(jiān)控終端6和遠程監(jiān)控中心7 可通過移動互聯(lián)網(wǎng)/互聯(lián)網(wǎng)接收基站4發(fā)送的傳感數(shù)據(jù)包和狀態(tài)消息包，達到便攜性監(jiān)控 的效果，同時可將收到的數(shù)據(jù)進行存儲和后續(xù)分析。
[0057] 無線采集器與外部傳感器相連，周期性地采集相應(yīng)工業(yè)裝備或環(huán)境的信息，將傳 感器數(shù)據(jù)通過自組網(wǎng)算法發(fā)送至無線網(wǎng)關(guān)，無線網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)發(fā)送至基站，基站對無線接收 到的數(shù)據(jù)進行分析、處理、配置后將其通過串口發(fā)送至本地監(jiān)控終端，工作人員根據(jù)本地監(jiān) 控終端顯示的數(shù)據(jù)決定相應(yīng)執(zhí)行設(shè)備的開/關(guān)操作，由本地監(jiān)控終端發(fā)送控制指令到基 站，基站將控制指令發(fā)送到無線網(wǎng)關(guān)，無線網(wǎng)關(guān)將控制指令發(fā)送到無線控制器，無線控制器 根據(jù)控制指令控制執(zhí)行設(shè)備的開/關(guān)，并采集執(zhí)行設(shè)備的狀態(tài)信息原路發(fā)送到基站，由基 站將狀態(tài)信息發(fā)送至本地監(jiān)控終端顯示。
[0058] 如圖2所示，無線采集器主要在第1處理器單元控制下，通過傳感器單元與外部傳 感器相連，周期性地采集工業(yè)裝備或環(huán)境信息。通過第1無線收發(fā)單元實現(xiàn)數(shù)據(jù)的異步收 發(fā)，臨時數(shù)據(jù)存儲于第1存儲器單元，第1調(diào)試及通信接口方便程序的調(diào)試，第1電源單元 為除傳感器單元以外的傳感器節(jié)點提供電源。
[0059] 如圖3所示，無線網(wǎng)關(guān)主要在第2處理器單元控制下，通過第2無線收發(fā)單元實現(xiàn) 數(shù)據(jù)的異步收發(fā)，臨時數(shù)據(jù)存儲于第2存儲器單元，第2調(diào)試及通信接口方便程序的調(diào)試， 第2電源單元為無線網(wǎng)關(guān)提供電源。
[0060] 如圖4所示，無線控制器主要在第3處理器單元控制下，通過控制單元實現(xiàn)對執(zhí)行 設(shè)備的控制與狀態(tài)采集，通過第3無線收發(fā)單元實現(xiàn)數(shù)據(jù)的異步收發(fā)，臨時數(shù)據(jù)存儲于第3 存儲器單元，第3調(diào)試及通信接口方便程序的調(diào)試，第3電源單元為無線控制器提供電源。
[0061] 如圖5所示，基站主要在第4處理器單元控制下，通過第4無線收發(fā)單元實現(xiàn)數(shù)據(jù) 的異步收發(fā)，臨時數(shù)據(jù)存儲于第4存儲器單元，第4調(diào)試及通信接口方便程序的調(diào)試，第4 電源單元為基站提供電源，PC接口單元為與本地監(jiān)控終端通信的接口單元。
[0062] 實施例1
[0063] 如圖1所示的工業(yè)裝備及環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的所有節(jié)點（包括無線采集器、無線網(wǎng)關(guān)、 無線控制器、基站）上電并進行初始化。無線采集器初始化其第1無線收發(fā)單元，使其處于 信息接收狀態(tài)；初始化傳感器單元，準備采集數(shù)據(jù)。無線網(wǎng)關(guān)初始化其第2無線收發(fā)單元， 使其處于信息收發(fā)狀態(tài)。無線控制器初始化其第3無線收發(fā)單元，使其處于信息接收狀態(tài)； 無線控制器初始化控制單元，準備采集執(zhí)行設(shè)備狀態(tài)。基站初始化其第4無線收發(fā)單元，準 備啟動系統(tǒng)。
[0064] 如圖6所示，本工業(yè)裝備及環(huán)境信息感知方法包括下列步驟：
[0065] 2. 1.無線采集器、無線控制器、無線網(wǎng)關(guān)、基站上電初始化；
[0066] 2. 1. 1.基站發(fā)出系統(tǒng)預(yù)啟動數(shù)據(jù)包給無線網(wǎng)關(guān)，保持偵聽狀態(tài)；
[0067] 2. 1. 2.無線網(wǎng)關(guān)保持偵聽狀態(tài)，將自身到匯聚節(jié)點（即無線網(wǎng)關(guān)自身）的跳數(shù)hsQ 設(shè)置為〇 ;
[0068] 2. 1. 3.無線采集器保持偵聽狀態(tài)，將自身到匯聚節(jié)點（無線網(wǎng)關(guān)）的跳數(shù)hs初始 化為〇 ;
[0069] 2. 1. 4.無線控制器采集執(zhí)行設(shè)備的狀態(tài)信息，發(fā)送至無線網(wǎng)關(guān)；
[0070] 2. 2.無線網(wǎng)關(guān)若未收到系統(tǒng)預(yù)啟動數(shù)據(jù)包則繼續(xù)保持偵聽狀態(tài)；若收到系統(tǒng)預(yù) 啟動數(shù)據(jù)包，則廣播路由更新消息包（該消息包包含H s字段，其值等于該節(jié)點的hs值），并 啟動路由更新定時器Timerl,轉(zhuǎn)至2. 3 ;
[0071] 2.3.若無線網(wǎng)關(guān)的路由更新定時器Timerl時間到，則進行新一輪的路由更新過 程，廣播路由更新消息包，轉(zhuǎn)至2. 4 ;若路由更新定時器Timerl時間未到，則無線網(wǎng)關(guān)繼續(xù) 保持偵聽狀態(tài)；
[0072] 2. 4.無線控制器若收到來自無線網(wǎng)關(guān)的路由更新消息包，則將路由更新消息包中 的扎加1后廣播該消息；無線采集器若收到路由更新消息包，首先檢查消息包內(nèi)的傳輸控 制字段TControl，若是首次收到該TControl的消息包，則將無線采集器自身的h s更新為 Hs+1，記錄該鄰居節(jié)點的ID號并將其分類為Γ (比自己到匯聚節(jié)點跳數(shù)少1的節(jié)點），將路 由更新消息包中的扎加1后廣播該消息；若不是首次收到該TControl的消息包，則不需要 廣播該消息包并按如下規(guī)則進一步處理：
[0073] 2.4. 1.若無線采集器自身的hs等于Hs+1，記錄該鄰居節(jié)點的ID號并將其分類為 H_;
[0074] 2. 4. 2.若無線采集器自身的hs等于Hs，記錄該鄰居節(jié)點的ID號并將其分類為 H°(與自己到匯聚節(jié)點跳數(shù)相同的節(jié)點）；
[0075] 2.4.3.若無線采集器自身的hs等于Hs_l，記錄該鄰居節(jié)點的ID號并將其分類為 H+(比自己到匯聚節(jié)點跳數(shù)多1的節(jié)點）；
[0076] 2. 4. 4.若無線采集器收到的Hs為其他值，則不作處理；
[0077] 2. 5.路由更新過程結(jié)束后，網(wǎng)絡(luò)中的每個無線采集器獲得自己到匯聚節(jié)點的跳數(shù) 以及其鄰居節(jié)點到匯聚節(jié)點的跳數(shù)，無線采集器的無線通信模塊保持偵聽狀態(tài)，轉(zhuǎn)至2. 6 ;
[0078] 2. 6.無線采集器開啟數(shù)據(jù)采集定時器Timer2,周期性地采集傳感器數(shù)據(jù)；
[0079] 2. 7.若無線采集器的數(shù)據(jù)采集定時器Timer2時間到，采集相應(yīng)的傳感器數(shù)據(jù)，將 數(shù)據(jù)包通過自組網(wǎng)算法發(fā)送到無線網(wǎng)關(guān)；若無線采集器的數(shù)據(jù)采集定時器Timer2時間未 至IJ，則繼續(xù)保持偵聽狀態(tài)；
[0080] 2. 8.若無線采集器接收到其他采集器發(fā)來的數(shù)據(jù)包，則采用自組網(wǎng)算法轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù) 據(jù)包到無線網(wǎng)關(guān)，轉(zhuǎn)至2. 9;
[0081] 2. 9.無線網(wǎng)關(guān)若接收到其他節(jié)點傳來的信息：
[0082] 2. 9. 1.無線網(wǎng)關(guān)接收到無線采集器或無線控制器發(fā)送來的傳感數(shù)據(jù)包，則將其發(fā) 送到基站，轉(zhuǎn)至2. 13 ;
[0083] 2. 9. 2.無線網(wǎng)關(guān)接收到無線控制器發(fā)送來的執(zhí)行設(shè)備狀態(tài)信息包，則將其發(fā)送到 基站，轉(zhuǎn)至2. 13 ;
[0084] 2. 9. 3.無線網(wǎng)關(guān)接收到基站發(fā)送來的控制指令，則將其發(fā)送到無線控制器，轉(zhuǎn)至 2. 10 ；
[0085] 2. 10.無線控制器若收到無線網(wǎng)關(guān)發(fā)送來的控制指令，則按照指令中的要求對相 應(yīng)的執(zhí)行設(shè)備進行開關(guān)控制，開啟等待定時器Timer3 ;
[0086] 2. 11.無線控制器的等待定時器Timer3時間到，采集執(zhí)行設(shè)備的狀態(tài)，將其封裝 進狀態(tài)信息包發(fā)送到無線網(wǎng)關(guān)；
[0087] 2. 12.無線控制器若收到無線采集器發(fā)來的傳感數(shù)據(jù)包，則將其轉(zhuǎn)發(fā)到無線網(wǎng) 關(guān)；
[0088] 2. 13.若基站的無線通信模塊接收到無線網(wǎng)關(guān)發(fā)送來的傳感器數(shù)據(jù)包或執(zhí)行設(shè)備 狀態(tài)消息包，則將其進行一定處理后發(fā)送到本地監(jiān)控終端；若基站接收到本地監(jiān)控終端傳 來的控制指令，則將其通過無線通信模塊發(fā)送到無線網(wǎng)關(guān)；
[0089] 2. 14.若本地監(jiān)控終端接收到基站的傳感數(shù)據(jù)包，則存儲數(shù)據(jù)包中的監(jiān)測數(shù)據(jù)并 顯示該實時數(shù)據(jù)，工作人員可以根據(jù)顯示的各組數(shù)據(jù)決定如何對相關(guān)的執(zhí)行設(shè)備進行控 制，發(fā)送控制指令；若本地監(jiān)控終端收到的是執(zhí)行設(shè)備狀態(tài)消息包，則更新頁面上顯示的執(zhí) 行設(shè)備狀態(tài)。
[0090] 系統(tǒng)中各節(jié)點上電初始化后，首先基站發(fā)送系統(tǒng)預(yù)啟動數(shù)據(jù)包給無線網(wǎng)關(guān)。表1 為系統(tǒng)預(yù)啟動數(shù)據(jù)包格式：其中數(shù)據(jù)包類型為0x01表示系統(tǒng)預(yù)啟動數(shù)據(jù)包；源地址為基站 地址；目的地址為無線網(wǎng)關(guān)的地址。
[0091] 表1系統(tǒng)預(yù)啟動數(shù)據(jù)包的格式
[0092]

【權(quán)利要求】
1. 一種用于工業(yè)裝備及環(huán)境監(jiān)控的WSN信息感知系統(tǒng)，其特征在于，包括： 無線采集器，分布在監(jiān)測現(xiàn)場環(huán)境中，用于獲取和存儲工業(yè)裝備或環(huán)境的傳感數(shù)據(jù)，并 將獲取的傳感數(shù)據(jù)通過自組網(wǎng)發(fā)送到無線網(wǎng)關(guān)； 無線控制器，用于接收無線網(wǎng)關(guān)傳來的控制指令、按照控制指令對開關(guān)型執(zhí)行設(shè)備進 行控制、并反饋執(zhí)行設(shè)備的狀態(tài)信息給無線網(wǎng)關(guān)，同時可以轉(zhuǎn)發(fā)無線采集器的傳感數(shù)據(jù)到 無線網(wǎng)關(guān)； 無線網(wǎng)關(guān)，用于系統(tǒng)自組網(wǎng)中的數(shù)據(jù)交換和路由選擇、將基站傳來的控制指令發(fā)送給 無線控制器，同時作為底層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點、負責(zé)接收無線采集器通過自組網(wǎng) 傳來的傳感數(shù)據(jù)以及無線控制器反饋回來的狀態(tài)信息無線發(fā)送到基站； 基站，設(shè)置在工業(yè)現(xiàn)場的監(jiān)控室內(nèi)，通過串口與本地監(jiān)控終端相連，作為無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)和本地監(jiān)控終端的連接點，基站下行接收無線網(wǎng)關(guān)傳來的工業(yè)裝備或環(huán)境的傳感數(shù)據(jù)和 狀態(tài)信息，將其經(jīng)過分析、處理、配置后，上行通過串口發(fā)往本地監(jiān)控終端，并將本地監(jiān)控終 端下達的控制指令發(fā)送到無線網(wǎng)關(guān)； 本地監(jiān)控終端，接收基站上傳的傳感數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，存儲、顯示采集到的傳感數(shù)據(jù)， 工作人員根據(jù)本地監(jiān)控終端顯示的傳感數(shù)據(jù)決定相應(yīng)執(zhí)行設(shè)備的開/關(guān)操作，并由本地監(jiān) 控終端發(fā)送控制指令到基站。
2. -種利用權(quán)利要求1所述系統(tǒng)進行WSN信息感知方法，其特征在于，包括如下步驟： 第1步：無線采集器、無線控制器、無線網(wǎng)關(guān)和基站上電初始化；將無線網(wǎng)關(guān)設(shè)置為底 層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點，基站發(fā)出系統(tǒng)預(yù)啟動數(shù)據(jù)包給無線網(wǎng)關(guān)、基站保持偵聽狀 態(tài)，無線網(wǎng)關(guān)保持偵聽狀態(tài)、將自身到匯聚節(jié)點的跳數(shù)hs(l設(shè)置為0,無線采集器保持偵聽狀 態(tài)、將自身到匯聚節(jié)點的跳數(shù)h s設(shè)置為0,無線控制器采集執(zhí)行設(shè)備的狀態(tài)信息，發(fā)送至無 線網(wǎng)關(guān)、保持偵聽狀態(tài)； 第2步：無線網(wǎng)關(guān)若未收到系統(tǒng)預(yù)啟動數(shù)據(jù)包則繼續(xù)保持偵聽狀態(tài)；若收到系統(tǒng)預(yù) 啟動數(shù)據(jù)包，則廣播路由更新消息包，并開啟路由更新定時器Timerl，路由更新定時器 Timerl時間到后，無線網(wǎng)關(guān)廣播路由更新消息包：無線控制器收到來自無線網(wǎng)關(guān)的更新消 息包后，將跳數(shù)H s加1后廣播該消息包；無線采集器接收到更新消息包后，則根據(jù)消息包中 的傳輸控制字段TControl決定是否將跳數(shù)H s加1后繼續(xù)廣播消息包，并按照路由協(xié)議規(guī) 則更新自己的跳數(shù)hs及鄰居表信息；若路由更新定時器Timerl時間未到，則無線網(wǎng)關(guān)繼續(xù) 保持偵聽狀態(tài)； 第3步：路由更新過程結(jié)束后，無線采集器開啟數(shù)據(jù)采集定時器Timer2,周期性地采集 傳感數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集定時器Timer2時間到后將傳感數(shù)據(jù)包通過自組網(wǎng)算法發(fā)送至無線網(wǎng) 關(guān)；若數(shù)據(jù)采集定時器Timer2時間未到，則無線采集器繼續(xù)保持偵聽狀態(tài)；若無線采集器 接收到其他無線采集器發(fā)來的傳感數(shù)據(jù)包，則采用自組網(wǎng)算法轉(zhuǎn)發(fā)該傳感數(shù)據(jù)包到無線網(wǎng) 關(guān)； 第4步：若無線網(wǎng)關(guān)收到無線采集器或無線控制器發(fā)送來的傳感數(shù)據(jù)包或者無線控制 器發(fā)送的狀態(tài)信息包、則發(fā)送至基站，若無線網(wǎng)關(guān)收到基站發(fā)來的控制指令、則將控制指令 發(fā)送到無線控制器； 第5步：若無線控制器收到無線網(wǎng)關(guān)發(fā)送來的控制指令，則按照控制指令中的要求對 相應(yīng)的執(zhí)行設(shè)備進行開關(guān)控制，開啟定時器Timer3,無線控制器的定時器Timer3時間到 后，采集執(zhí)行設(shè)備的狀態(tài)并將其封裝進狀態(tài)信息包發(fā)送到無線網(wǎng)關(guān)；無線控制器若收到無 線采集器發(fā)來的傳感數(shù)據(jù)包，則將其轉(zhuǎn)發(fā)到無線網(wǎng)關(guān)； 第6步：若基站接收到無線網(wǎng)關(guān)發(fā)送來的傳感數(shù)據(jù)包或狀態(tài)信息包，則將其進行一定 處理后發(fā)送到本地監(jiān)控終端；若基站接收到本地監(jiān)控終端傳來的控制指令，則將其發(fā)送到 無線網(wǎng)關(guān)； 第7步：若本地監(jiān)控終端接收到基站的傳感數(shù)據(jù)包，則存儲傳感數(shù)據(jù)包中的監(jiān)測數(shù)據(jù) 并顯示該實時數(shù)據(jù)，工作人員可以根據(jù)顯示的各組數(shù)據(jù)決定如何對相關(guān)的執(zhí)行設(shè)備進行控 制，發(fā)送控制指令；若本地監(jiān)控終端收到的是狀態(tài)消息包，則更新頁面上顯示的執(zhí)行設(shè)備狀 態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的信息感知方法，其特征在于，無線采集器的工作流程包括下 列步驟： 3. 1.無線采集器上電初始化，將自身到匯聚節(jié)點無線網(wǎng)關(guān)的跳數(shù)hs初始化為0,無線 采集器的通信模塊保持偵聽狀態(tài)，； 3. 2.若無線采集器收到路由更新消息包，則根據(jù)消息包中的Hs和TControl字段決定 是否更新自己的匕及是否繼續(xù)廣播扎加1后的路由更新消息包；同時根據(jù)收到的消息包記 錄鄰居節(jié)點并分類； 3. 3.路由更新過程結(jié)束后，網(wǎng)絡(luò)中的每個無線采集器獲得自己到匯聚節(jié)點的跳數(shù)以及 其鄰居節(jié)點到匯聚節(jié)點的跳數(shù)； 3.4.無線采集器開啟數(shù)據(jù)采集定時器Timer2,周期性地采集傳感器數(shù)據(jù)； 3. 5.若無線采集器的數(shù)據(jù)采集定時器Timer2時間到，則采集傳感器數(shù)據(jù)，作為源節(jié)點 將傳感器數(shù)據(jù)包通過自組網(wǎng)算法發(fā)送到匯聚節(jié)點；若數(shù)據(jù)采集定時器Timer2時間未到，則 保持偵聽狀態(tài)； 3. 6.若無線采集器收到鄰居節(jié)點傳來的傳感器數(shù)據(jù)包，則作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點將該數(shù)據(jù)包通 過自組網(wǎng)算法發(fā)送到匯聚節(jié)點。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的信息感知方法，其特征在于，無線網(wǎng)關(guān)的工作流程包括下列 步驟： 4. 1.無線網(wǎng)關(guān)上電初始化，將自身到匯聚節(jié)點的跳數(shù)hs(l設(shè)置為0,保持偵聽狀態(tài)； 4. 2.若無線網(wǎng)關(guān)收到基站發(fā)來的系統(tǒng)預(yù)啟動數(shù)據(jù)包，則廣播路由更新消息包，并啟動 路由更新定時器Timerl，周期性地廣播路由更新消息包； 4.3. 若無線網(wǎng)關(guān)的路由更新定時器Timerl時間到，則廣播新的路由更新消息包，開始 新一輪的路由更新過程；若路由更新定時器Timerl時間未到，則繼續(xù)保持偵聽狀態(tài)； 4. 4.無線網(wǎng)關(guān)若接收到其他節(jié)點傳來的信息： 4.4. 1.無線網(wǎng)關(guān)接收到無線采集器或無線控制器發(fā)送來的傳感器數(shù)據(jù)包，則將其發(fā)送 到基站； 4. 4. 2.無線網(wǎng)關(guān)接收到無線控制器發(fā)送來的執(zhí)行設(shè)備狀態(tài)信息包，則將其發(fā)送到基 站； 4. 4. 3.無線網(wǎng)關(guān)接收到基站發(fā)送來的控制指令，則將其發(fā)送到無線控制器。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的信息感知方法，其特征在于，無線控制器的工作流程包括下 列步驟： 5. 1.無線控制器上電初始化，采集執(zhí)行設(shè)備的狀態(tài)信息，發(fā)送至無線網(wǎng)關(guān)，無線控制器 保持偵聽狀態(tài)； 5. 2.無線控制器若收到來自無線網(wǎng)關(guān)的路由更新消息包，則將路由更新消息包中的Hs 加1后廣播該消息； 5. 3.無線控制器若收到無線采集器發(fā)來的傳感數(shù)據(jù)包，則將其轉(zhuǎn)發(fā)到無線網(wǎng)關(guān)； 5. 4.無線控制器若收到無線網(wǎng)關(guān)發(fā)送來的控制指令，則按照指令中的要求對相應(yīng)的執(zhí) 行設(shè)備進行開關(guān)控制，開啟等待定時器Timer3 ; 5. 5.無線控制器的等待定時器Timer3時間到，采集執(zhí)行設(shè)備的狀態(tài)，將其封裝進狀態(tài) 信息包發(fā)送到無線網(wǎng)關(guān)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的信息感知方法，其特征在于，基站的工作流程包括下列步驟： 6. 1.基站上電初始化，發(fā)出系統(tǒng)預(yù)啟動數(shù)據(jù)包給無線網(wǎng)關(guān)，基站保持偵聽狀態(tài)； 6. 2.若基站的無線通信模塊接收到無線網(wǎng)關(guān)發(fā)送來的傳感器數(shù)據(jù)包或執(zhí)行設(shè)備狀態(tài) 消息包，則將其進行一定處理后發(fā)送到本地終端； 6. 3.若基站接收到本地終端傳來的控制指令，則將控制指令通過基站的無線通信模塊 發(fā)送到無線網(wǎng)關(guān)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2或3述的信息感知方法，其特征在于，所述自組網(wǎng)算法包括下列步 驟： 7. 1.無線網(wǎng)關(guān)將自身到匯聚節(jié)點的跳數(shù)hs(l設(shè)置為0,廣播路由更新消息包，該消息包 包含Hs字段，其值等于該節(jié)點的h s(l值，并啟動路由更新定時器Timerl，周期性地廣播路由 更新消息包； 7. 2.無線控制器若收到來自無線網(wǎng)關(guān)的路由更新消息包，則將路由更新消息包中的Hs 加1后廣播該消息；無線采集器若收到路由更新消息包，首先檢查消息包內(nèi)的傳輸控制字 段TControl，若是首次收到該TControl的消息包，則將無線采集器自身的h s更新為Hs+1， 記錄該鄰居節(jié)點的ID號并將其分類為Η'即比自己到匯聚節(jié)點跳數(shù)少1的節(jié)點，將路由更 新消息包中的扎加1后廣播該消息；若不是首次收到該TControl的消息包，則不需要廣播 該消息包并按如下規(guī)則進一步處理： 7. 2. 1.若無線采集器自身的hs等于Hs+1，記錄該鄰居節(jié)點的ID號并將其分類為！Γ，即 比自己到匯聚節(jié)點跳數(shù)少1的節(jié)點； 7. 2. 2.若無線采集器自身的hs等于Hs，記錄該鄰居節(jié)點的ID號并將其分類為H°，即與 自己到匯聚節(jié)點跳數(shù)相同的節(jié)點； 7. 2. 3.若無線采集器自身的hs等于Hs-1，記錄該鄰居節(jié)點的ID號并將其分類為H+，即 比自己到匯聚節(jié)點跳數(shù)多1的節(jié)點； 7. 2. 4.若無線采集器收到的Hs為其他值，則不作處理； 7. 3.路由更新過程結(jié)束后，網(wǎng)絡(luò)中的每個無線采集器獲得自己到匯聚節(jié)點的跳數(shù)以及 其鄰居節(jié)點到匯聚節(jié)點的跳數(shù)； 7. 4.若無線采集器的數(shù)據(jù)采集定時器Timer2時間到，則采集傳感器數(shù)據(jù)，作為源節(jié)點 將傳感器數(shù)據(jù)包通過自組網(wǎng)算法發(fā)送到匯聚節(jié)點： 7. 4. 1.計算源節(jié)點需要的成功傳輸路徑數(shù)Ps :P (rs，es，hs) = (log (l-rs)) / (l〇g(l-(l-es)hs));其中，rs是可靠性參數(shù)，是小于1的正數(shù)，表示系統(tǒng)要求的數(shù)據(jù)源發(fā)送 數(shù)據(jù)分組到匯聚節(jié)點的成功概率；es是信道差錯率，也是小于1的正數(shù)，表示每個節(jié)點到自 己的鄰居節(jié)點的信道質(zhì)量，假設(shè)在整個網(wǎng)絡(luò)中該值是相同的；hs是該節(jié)點到匯聚節(jié)點的跳 數(shù)； 7. 4. 2.源節(jié)點首先從Γ類鄰居節(jié)點中選取一個作為默認的下一跳節(jié)點，默認的下一跳 節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)概率設(shè)為1 ;當（l_es)大于或等于路徑數(shù)匕時，表明源節(jié)點只需默認下一跳 節(jié)點就可滿足系統(tǒng)可靠性要求，轉(zhuǎn)至7. 4. 5 ;否則，還需計算額外的路徑數(shù)，轉(zhuǎn)至7. 4. 3 ; 7.4.3.計算額外路徑數(shù)P= (l〇g(l-rs)V(l〇g(l-(l-es) hs))-(l-es);額外路徑下一跳 節(jié)點的選取原則是：首先優(yōu)先從Γ類鄰居節(jié)點中選取下一跳節(jié)點：當路徑數(shù)P值大于Γ中 的節(jié)點數(shù)時，才需要從H°中選取；如P值大于H°和H_中節(jié)點數(shù)之和，才從H+中選取節(jié)點； 7. 4. 4.每類鄰居節(jié)點中被選取的節(jié)點都需為源節(jié)點創(chuàng)建一定數(shù)目的路徑數(shù)，才能確 保所有選中節(jié)點提供的路徑數(shù)總和為P ;用PH_，PH°，PH+表示Γ，H°，H+中被選中作為下一跳 的節(jié)點需要為源節(jié)點創(chuàng)建的路徑數(shù)，設(shè)H_，H°，H+中選擇的節(jié)點數(shù)依次為N H_，NH°，NH+，則有： Ph-Nh-+Ph°Nh°+Ph+N h+ = P ;PH-，PH°，PH+ 的分配比例為：PH- = Pj/Va-eJ = PH7(l_es)2 ; 7. 4. 5.源節(jié)點在發(fā)送的數(shù)據(jù)包的路由字段添加三個參數(shù)：63、113和？ 11，其中？11表示在集 合Η選中作為下一跳的節(jié)點需要為源節(jié)點創(chuàng)建的路徑數(shù)目，集合Η包括H_，H°，H+中的全部 節(jié)點；將數(shù)據(jù)包發(fā)送到選中的下一跳節(jié)點； 7. 5.若無線采集器收到鄰居節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)包，則按照與數(shù)據(jù)包中路由字段的路徑 數(shù)PH相同的概率確定是否轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，如確定要轉(zhuǎn)發(fā)，轉(zhuǎn)至7.6 ;否則丟棄該數(shù)據(jù)包； 7.6.無線采集器重新計算可靠性值：ri = i-a-a-es)hs，pH;ri是該節(jié)點i為了保證 上一跳節(jié)點s指定的可靠性而重新計算出的可靠性值；無線采集器將自己作為源節(jié)點，利 用自己的參數(shù)A、es和h s重新計算所需的傳輸路徑數(shù)，轉(zhuǎn)至7. 4. 1 ; 7. 7.無線控制器若收到無線采集器發(fā)來的傳感數(shù)據(jù)包，則將其轉(zhuǎn)發(fā)到無線網(wǎng)關(guān)； 7. 8.這個路由選擇過程持續(xù)下去，一直到達匯聚節(jié)點無線網(wǎng)關(guān)為止。
8. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的信息感知方法，其特征在于：所述系統(tǒng)預(yù)啟動數(shù)據(jù)包的格式 包括包類型、源地址、目的地址和CRC校驗，源地址為基站地址、目的地址為無線網(wǎng)關(guān)的地 址；所述路由更新消息包的格式包括包類型、源地址、目的地址、跳數(shù)、傳輸控制和CRC校 驗；所述狀態(tài)信息包的格式包括起始標識符、包類型、狀態(tài)信息和結(jié)束標識符；所述傳感數(shù) 據(jù)包的格式包括起始標識符、包類型、工業(yè)裝備ID、傳感信息和結(jié)束標識符。
9. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的信息感知方法，其特征在于：所述傳感數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)內(nèi)容包 括路由字段、工業(yè)裝備或環(huán)境的編號、工業(yè)裝備或環(huán)境的傳感參數(shù)，其中路由字段由信道差 錯率、到匯聚節(jié)點的跳數(shù)、分配路徑數(shù)以及目的地址組成。
【文檔編號】H04W84/18GK104157120SQ201410414547
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月21日
【發(fā)明者】陳俊杰, 于淼 申請人:南京拓諾傳感網(wǎng)絡(luò)科技有限公司, 東南大學(xué)