一种无线多媒体传感器网络节点间无缝高效的通信机制

摘要

无线多媒体传感器网络节点间无缝高效的通信方法涉及无线多媒体传感器网络中两种功能不同的节点之间通信的解决方法，该方法基于的传感器节点由五个主要模块构成：处理器模块、无线多媒体传感器网络ZigBee通信模块、传感器模块、存储器模块和供电模块；传感器节点部署在某一监测区域，通过ZigBee无线通信模块接收和转发由上一跳节点发送来的数据，多媒体传感器节点与普通传感器节点间无需进行协议的转换，最后通过因特网将数据传回管理中心；该通信机制实现了多媒体传感器节点与普通传感器节点间的无缝高效的通信，且无需进行多媒体传感器网络通信协议与普通传感器网络通信协议的转换。

说明书

技术领域

本发明涉及无线多媒体传感器网络中两种功能不同的节点之间通信的解决方法，属于嵌入式开发与计算机网络技术的交叉领域。

背景技术

随着微电子技术的发展和无线传感器网络的日趋成熟，监测环境的日趋复杂多变，由传统传感器网络所获取的简单数据愈加不能满足人们对环境监测的全面需求，，迫切需要将信息量丰富的图像、音频、视频等媒体引入到以传感器网络为基础的环境监测活动中来，实现细粒度、精准信息的环境监测。在此基础上发展起来的无线多媒体传感器渐渐的步入我们的世界，它是对传统无线传感器的改进，比如增加了CMOS摄像头，声音采集器等元件，以实现对图像、音频、视频数据的感知和传输功能。大量的无线多媒体传感器放置在指定的区域，形成一个多跳的自组织的网络系统，我们称其为无线多媒体传感器网络(Wireless MultimediaSensor Networks，WMSNs)。它借助于节点上多媒体传感器感知所在周边环境的多种媒体信息(音频、视频、图像、数值等)，通过多跳中继方式将数据传到信息汇聚中心，汇聚中心对监测数据进行分析，实现全面而效的环境监测。

多媒体传感器节点是组成无线多媒体传感器网络的基本单位，这些节点一般具有以下特点：一是能量严重受限；二是处理能力一般不强；三是存储能力受限。多媒体传感器网络节点的这些特点在一定程度上也限制了其进一步的发展。无线多媒体传感器网络中有两种功能不同的节点：一种是普通传感器节点，负责采集温度、湿度等小数据量数据；一种是多媒体传感器节点，负责采集音频、图像和视频等大数据量数据。当前的无线多媒体传感器网络只能实现同类传感器节点间的有效通信，还无法实现多媒体传感器节点与普通传感器节点间的有效通信。当然，目前已经有人提出了一些多媒体传感器节点与普通传感器节点共存下的通信解决方案，主要有以下三种：(1)在同一区域，部署与普通传感器节点相同密度的多媒体传感器节点，两种节点只与同类进行通信，互相不通信；(2)在同一节点上，同时集成多媒体传感器模块和普通传感器模块，对于普通传感数据与多媒体传感数据使用不同的通信协议；(3)允许多媒体传感器节点与普通传感器节点进行通信，但多媒体传感器节点只能使用普通传感器的通信协议与普通传感器节点进行通信。

发明人在研究过程中发现，这三种方案都存在着不同的缺陷：第一种方案，这种部署方案导致在同一个监测地点平均有两个传感器节点，而且两种传感器节点间不能通信，管理中心要获得某一地点的传感数据，需发送两次命令，而两个传感器节点将传感数据发回到管理中心，各需进行一次路由和数据传输，这种方案虽然能对检测区域进行全面的监控，其缺点是过多浪费无线多媒体传感器网络的资源，而且会大量增加成本。第二种方案，在同一个检测地点只需一个传感器节点，解决了第一种方案的两次命令和两次路由和数据传输，节约了一定的网络资源，减少了节点数，但其缺点是在同一个节点上同时集成多媒体传感器和普通传感器，增加了单个节点成本，从而增加了部署网络的整体成本，同时会造成一定的网络资源的浪费。第三种方案，此方案明确了传感器节点的功能，解决了第二种方案中单个节点成本过高的问题。其缺点是由于多媒体传感数据量过大，使用普通传感器网络协议传输多媒体数据，会过快的消耗传感器节点的能量资源，而能量资源恰恰是传感器网络中最宝贵的资源。

发明内容

技术问题：本发明的目的是针对现有技术中的不足，提出一种无线多媒体传感器网络节点间无缝高效的通信机制，并在这种模块化设计的传感器节点上实现了一种无线多媒体传感器网络节点间无缝高效的通信机制，该通信机制实现了多媒体传感器节点与普通传感器节点间的无缝高效的通信，且无需进行多媒体传感器网络通信协议与普通传感器网络通信协议的转换，使得管理中心要获得某一检测地点的传感数据时，只需发送一次命令和进行一次路由和数据传输，而且可以有效的减少大数据量的多媒体数据在多跳节点间的传输时延。

技术方案：本发明设计了一种模块化的无线多媒体传感器网络节点，让多媒体传感器节点与普通传感器节点使用同一种通信模块，使两种传感器节点具有更大的有效通信距离和通信速率，使用一种通信协议即可实现两种节点间的互相通信，且能满足多媒体传感数据量大的要求。使用同一种通信协议，无线多媒体传感器节点与普通传感器节点之间的通信就变得更加便捷和顺畅，无线多媒体传感器网络的使用范围进一步扩大，实用性也得到进一步提高。

本发明的装置为具有相同通信模块的多媒体传感器节点和普通传感器节点：多媒体传感器节点在作为数据源节点时，要采集的多媒体传感数据量大，需要的存储器模块的容量大小要能满足实际的应用需求，要选择容量大一点存储器；在作为中转节点时，大容量的存储器肯定能满足大数据量多媒体数据帧存储转发的要求。普通传感器节点在作为数据源节点时，要采集的普通传感数据量较小，但在作为中转节点时，要存储转发大数据量的多媒体数据帧，所以选择的存储器模块容量大小要满足存储转发的要求。传感器节点根据不同的应用需求，集成不同的传感器模块。为实现节点间无缝高效的通信，在全部的传感器节点上均使用同一种近距离的无线通信芯片，在不同种类的传感器节点之间通信时，只需一种通信协议就可实现，不需要进行协议转换，但这种无线通信芯片要满足多媒体数据数据量大的要求。对传感器节点的处理器的选择，要求驱动通信模块，所以多媒体传感器节点与普通传感器节点应使用同一型号处理器，且要能处理大数据量的多媒体数据。由于所有节点都采用了同一种通信模块，使用同一种通信协议，当管理中心想要获得某一监测地点的传感数据时，只需发送一次命令，传感数据只需一次路由和数据传输就能到达管理中心。当然，对于一些重要数据也可以设定较高的转发优先级。

该方法基于的传感器节点由五个主要模块构成：处理器模块、无线多媒体传感器网络ZigBee通信模块、传感器模块、存储器模块和供电模块；传感器节点部署在某一监测区域，通过ZigBee无线通信模块接收和转发由上一跳节点发送来的数据，多媒体传感器节点与普通传感器节点间无需进行协议的转换，最后通过因特网将数据传回管理中心；

该无线多媒体传感器网络节点间无缝高效的通信方法如下：

步骤1)管理中心选择数据源节点：管理中心根据监测需求在无线多媒体传感器网络覆盖的区域中选择一个要查看的监测地点附近的传感器节点作为本次数据源节点，

步骤2)管理中心计算路由：管理中心在选定本次监测的数据源节点后，计算出管理中心到数据源节点的最佳路径作为本次数据传输的路由线路，设为R {管理中心，网关节点，汇聚节点，转发节点n-1，...，转发节点2，转发节点1，数据源节点}，

步骤3)管理中心发送命令：管理中心按照本次计算的路由线路将数据请求命令帧发送至数据源节点，并且在命令中携带本次的路由信息，本次路由线路上的每个节点在收到上一跳节点发送过来的数据请求命令帧后，发送命令确认帧对其进行确认，

步骤4)数据源节点对数据进行分组：数据源节点在接收到管理中心发送来的携带路由信息的数据请求命令帧后，对本次需发送的传感数据进行分组，每个分组包括多个无线多媒体传感器网络数据帧，根据无线多媒体传感器网络数据量大的特点，分组确认模式将大量减少无线多媒体传感器网络中的帧流量，比普通的单帧确认模式的传输时间要少得多，减少了大量的能耗，从而有效提高无线多媒体传感器节点的生存期，

步骤5)发送数据分组1：设本次需发送的数据分组为：数据分组1，数据分组2，...，数据分组M；数据源节点在完成对发送数据的分组后，进入发送模式，根据路由信息，将数据分组1中的数据帧连续发送到它的下一跳节点中转节点1，发送完数据分组1后，进入接收模式，等待接收中转节点1发送数据分组1的确认帧，

步骤6)转发数据分组1：中转节点1在接收完数据源节点发送的数据分组1后，进入发送模式，先发送数据分组1的确认帧给它的上一跳节点数据源节点，然后将数据分组1发送到它的下一跳节点中转节点2，发送完成后，进入接收模式，等待接收中转节点2发送数据分组1的确认帧，

步骤7)发送全部数据分组：数据源节点在接收到中转节点1发送的数据分组1的确认帧后，等待一定时间间隔，发送数据分组2，等待数据分组2的确认帧，直到全部数据分组发送完成，收到数据分组M的确认帧后，进入睡眠模式，

步骤8)转发全部数据分组：中转节点1在收到中转节点2的数据分组1的确认帧后，接收数据源节点发送的数据分组2的数据帧，接收完数据分组2的数据帧后，进入发送模式，先向数据源节点发送数据分组2的确认帧，然后向中转节点2发送数据分组2；等待中转节点2发送的数据分组2的确认帧，直到全部数据分组转发完成，收到数据分组M的确认帧后，进入睡眠模式，

步骤9)全部数据分组到达网关节点：数据分组通过中转节点的转发后，最终全部到达网关节点，中转节点在收到数据分组M的确认帧后，进入睡眠模式，网关节点在接收完全部数据分组，并向汇聚节点发送一个数据分组M的确认帧后，将全部数据分组通过协议转换，转换为能通过Internet传输的数据帧格式，通过Internet传送到管理中心，

步骤10)全部数据分组到达管理中心，经确认后，本次通信结束。

有益效果：本发明与现有的一些多媒体传感器节点与普通传感器节点共存下的通信解决方案相比有如下几个优点：

(1)节约成本：只需要使用同一种通信模块便解决了多媒体传感器节点与普通传感器节点间通信协议的转换问题。解决多媒体传感器节点与普通传感器间的通信问题，关键就是解决通信协议问题。若多媒体传感器节点与普通传感器节点之间不进行通信，则要实现对某一区域进行有效检测，需将两种传感器节点以相同的密度部署在这一区域，这样做显然会大量增加成本。因此我们对多媒体传感器节点与普通传感器节点采用统一的通信芯片，无需进行协议转换就能实现无线多媒体传感器网络节点间无缝高效的通信。

(2)使无线多媒体传感器网络的应用更加便捷，扩大应用范围：当前，无线多媒体传感器网络应用前景巨大，本发明的实现，使得使用一种通信协议，就可以便捷的实现多媒体传感器节点与普通传感器节点之间的通信，使无线多媒体传感器网络的实用性有很大的提升，大大扩大了无线多媒体传感器网络的应用范围。

(3)将无线多媒体传感器网络数据进行分类，对不同数据类型实行不同的转发模式，特别对大数据量的多媒体数据，能有效的减少网络传输时延。将存储器模块划分为两个存储单元：采集数据存储单元、转发数据存储单元。将本节点采集的传感数据放入采集数据存储单元，将接收到的数据放入转发数据存储单元。对于普通传感数据进行简单转发即可，对于多媒体传感数据实行高效的通信机制。

附图说明

图1是无线多媒体传感器网络数据传输过程示意图；

图2是本发明所述多媒体传感器节点的模块化结构图；

图3是本发明所述普通传感器节点的模块化结构图；

图4是本发明所述无缝高效通信机制示意图。

具体实施方式

本发明为一种无线多媒体传感器网络节点的模块化设计。本传感器节点由五个主要模块构成：处理器模块、无线多媒体传感器网络ZigBee通信模块、传感器模块、存储器模块和供电模块。传感器节点一般部署在某一监测区域，通过ZigBee无线通信模块接收和转发由上一跳节点发送来的数据，多媒体传感器节点与普通传感器节点间无需进行协议的转换，最后通过因特网将数据传回管理中心。

本发明采用软硬件协同设计的方法，即在硬件设计的同时，运用相关仿真软件对部分程序进行调试运行，这样便可以缩短开发周期。下面将结合附图对本发明作详细描述。应当明确，以下内容仅仅用来描述本发明而不作为对本发明的限制。

传感器节点及其无缝高效的通信机制的具体设计方法和开发步骤为：

1)在对无线多媒体传感器网络节点的体系结构和数据传输方式进行深入研究的基础上，明确无线多媒体传感器网络所要解决的主要问题，即多媒体传感器节点与普通传感器节点的通信问题。从而确定传感器节点的主要功能，减少一些不必要的功能，以优化节点性能。传感器节点的主要功能是采集数据和转发数据。因此，根据不同的应用需求来决定某个传感器节点使用多媒体传感器模块或普通传感器模块。同时传感器节点还要求具有高系统可靠性和高集成度，较好的实时分析与处理能力，数据传输精确性。

2)节点基本架构设计。传感器节点的基本构架遵循了一般嵌入式产品的基本模式，同时，基于实际应用的需要，在各个层面上都有所扩展。总体上分为三层，自底向上为：硬件平台层、嵌入式系统内核及应用程序层。

(1)硬件平台层。硬件平台是整个节点的底层平台与硬件基础。包括了节点所有的硬件模块组成与系统底层调用的集合。将节点的各个组成模块进行综合并协调工作。同时，定义了节点的总线单元，中断系统及工作模式等。

(2)嵌入式系统内核。嵌入式系统内核工作在底层硬件平台与上层应用程序之间，完成各个硬件设备的驱动，提供软硬件系统调用的方式方法，同时为应用层开发提供接口服务，使上层应用程序的开发可以完全屏蔽底层硬件平台。系统内核基于实时操作系统的管理调度策略，同时针对传感器节点的特殊需要，改进了中断控制策略，进程调度策略以及存储管理策略。

(3)应用程序层。应用系统层为用户提供了面向应用的系统控制方式与工作方法。用户可以根据各自不同的应用需求，开发不同应用程序来完成节点的启动、运行、状态迁移、信息处理、信号传输、能耗预警及程序下载等一系列应用功能。

3)节点模块划分。根据传感器节点的功能需求，可将传感器节点的模块划分如下。多媒体传感器节点主要由五个模块组成：处理器模块、无线多媒体传感器网络ZigBee通信模块、多媒体传感器模块、存储器模块以及供电模块，各模块间的连接关系如图2所示。普通传感器节点主要由五个模块组成：处理器模块、无线多媒体传感器网络ZigBee通信模块、普通传感器模块、存储器模块以及供电模块，各模块间的连接关系如图3所示。

4)处理器模块设计。首先要选择合适的处理器，传感器节点要完成数据采集和数据转发功能，因此可选用价格较便宜的8位处理器。

传感器节点处理器模块主要连接近距离无线通信模块、传感器模块和存储器模块，可以选用一个SPI接口连接近距离无线通信模块，传感器接口连接传感器模块，串行接口连接存储器模块；网关节点的其它未被用到的引脚均可以引出，以用于后期延续产品的功能扩展。

5)通信模块设计。无线多媒体传感器网络的近距离无线通信模块包括低噪声放大器、ADC、DAC、功率放大器、控制逻辑、混频器、滤波电路、分频器、数字调制解调器、鉴相器、低通滤波器、天线等，在通信芯片与天线之间加一个功率放大器，以此来提高通信质量。

6)存储器模块设计。无线多媒体传感器网络要传输的数据量大，所以要在传感器节点上设置一个存储器模块。无线多媒体传感器节点有两种，一种是普通传感器节点，负责采集数据量较小的普通传感数据，如温度、湿度等；一种是多媒体节点，负责采集数据量大的多媒体传感器数据，如图像、音频等，所以将存储器模块分为两个部分：采集数据存储单元、转发数据存储单元。传感器节点上有两个存储器：内存和NAND Flash。其中内存4K字节用来做重要数据转发存储单元，满足数据的实时性要求。在多媒体传感器节点上集成16M字节的NANDFlash，划分为两个部分：14M的多媒体采集数据存储单元和2M的转发数据存储单元；在普通传感器节点上集成4M字节的NAND Flash，划分为两个部分：2M的普通采集数据存储单元和2M的转发数据存储单元。2M用来做转发数据存储单元，能够满足大数据量的多媒体数据存储转发对存储容量的要求。

7)供电模块设计。供电模块为上述各个模块提供能源，针对节点的睡眠模式、发送模式、接收模式、省电模式等四种不同的工作模式，提供了相对应的能源供给方式。

8)数据收发模式设计。为节约有限的能量资源，节点在大部分时间处于睡眠模式。当接收到管理中心发送的数据请求命令后，数据源节点进入发送模式，根据命令帧中携带的路由信息，将数据帧发送到路由线路上的下一跳节点，下一跳节点进入接收模式，并将接收到的数据帧存入转发数据存储单元，下一跳节点在接收完本次数据帧后，进入发送模式，将接收到的数据帧根据命令帧中携带的路由信息发送给它的下一跳节点，直至数据帧传回管理中心为止。发送完成后，节点进入睡眠模式。图4描述了无线多媒体传感器网络节点间无缝高效的通信机制的主要过程。其具体步骤如下：

步骤1)管理中心选择数据源节点

管理中心根据监测需求在本无线多媒体传感器网络覆盖的区域中选择一个要查看的监测地点附近的传感器节点作为本次数据源节点。

步骤2)管理中心计算路由

管理中心在选定本次监测的数据源节点后，计算出管理中心到数据源节点的最佳路径作为本次数据传输的路由线路。设为R{管理中心，网关节点，汇聚节点，转发节点n-1，...，转发节点2，转发节点1，数据源节点}。

步骤3)管理中心发送命令

管理中心按照本次计算的路由线路将数据请求命令帧发送至数据源节点。并且在命令中携带本次的路由信息。本次路由线路上的每个节点在收到上一跳节点发送过来的数据请求命令帧后，发送命令确认帧对其进行确认。

步骤4)数据源节点对数据进行分组

数据源节点在接收到管理中心发送来的携带路由信息的数据请求命令帧后，对本次需发送的传感数据进行分组，每个分组包括多个无线多媒体传感器网络数据帧。根据无线多媒体传感器网络数据量大的特点，本文设计的分组确认模式将大量减少无线多媒体传感器网络中的帧流量，比普通的单帧确认模式的传输时间要少得多，减少了大量的能耗，从而有效提高无线多媒体传感器节点的生存期。

步骤5)发送数据分组1

设本次需发送的数据分组为：数据分组1，数据分组2，...，数据分组M。数据源节点在完成对发送数据的分组后，进入发送模式，根据路由信息，将数据分组1中的数据帧连续发送到它的下一跳节点中转节点1，发送完数据分组1后，进入接收模式，等待接收中转节点1发送数据分组1的确认帧。

步骤6)转发数据分组1

中转节点1在接收完数据源节点发送的数据分组1后，进入发送模式，先发送数据分组1的确认帧给它的上一跳节点数据源节点，然后将数据分组1发送到它的下一跳节点中转节点2，发送完成后，进入接收模式，等待接收中转节点2发送数据分组1的确认帧。

步骤7)发送全部数据分组

数据源节点在接收到中转节点1发送的数据分组1的确认帧后，等待一定时间间隔，发送数据分组2，等待数据分组2的确认帧。直到全部数据分组发送完成，收到数据分组M的确认帧后，进入睡眠模式。

步骤8)转发全部数据分组

中转节点1在收到中转节点2的数据分组1的确认帧后，接收数据源节点发送的数据分组2的数据帧，接收完数据分组2的数据帧后，进入发送模式，先向数据源节点发送数据分组2的确认帧，然后向中转节点2发送数据分组2。等待中转节点2发送的数据分组2的确认帧。直到全部数据分组转发完成，收到数据分组M的确认帧后，进入睡眠模式。

步骤9)全部数据分组到达网关节点

数据分组通过中转节点的转发后，最终全部到达网关节点。中转节点在收到数据分组M的确认帧后，进入睡眠模式。网关节点在接收完全部数据分组，并向汇聚节点发送一个数据分组M的确认帧后。将全部数据分组通过协议转换，转换为能通过Internet传输的数据帧格式，通过Internet传送到管理中心。

步骤10)全部数据分组到达管理中心，经确认后，本次通信结束。

9)节点其它外围器件选取。由于受到节点体积的约束，其它外围器件选取尽量小的封装(一般是0603型贴片式封装)。同时要给节点设计JTAG接口，用以烧录程序及在线仿真。其它器件还包括：外部存储器件、外部晶振、全向天线等。

10)节点功耗管理设计。通过实验我们可以测得，无线多媒体传感器网络节点的无线通信模块是整个节点的所有模块中耗电量最大的模块，而传感器节点的主要功能之一就是进行无线接收与发送，因此必须为传感器节点设计有效的功耗管理机制。本发明的功耗管理主要包括了系统级功耗管理，软件代码级优化，寄存器传输优化和后端综合布线优化。系统级功耗管理将在节点没有操作的时候，使之进入睡眠状态，在预设时间来临的时候，产生中断唤醒；软件代码级优化，即节点采用了良好的编码风格，减少冗余编码，优化后的代码节省了CPU处理时间，使功耗大为降低；在寄存器传输方面，本发明采用了硬件结构优化和系统流水线处理并行的优化策略，同时降低寄存器电容的片内存储器模块划分，降低活动因子的信号门控，减少毛刺的传播速度等，以此使寄存器传输功耗大为降低；在后端综合布线方面，本发明采用了优化电路，减少操作，修改信号相关关系等方式，进一步减少了综合毛刺的产生概率。

11)节点可扩展性设计。随着集成电路和嵌入式技术的飞速发展，本发明也必将不断地改进和完善。因此，在节点设计过程中，预留了充分的接口，包括超过多个的主控模块输入输出接口，以便今后的调用和扩展，便于后续产品的延续开发。

12)节点抗干扰性设计。由于传感器节点具有高频无线通信模块，且节点体积较小，布线较密，因此对节点的抗干扰设计要求较高。本发明在节点的高频无线通信部分设计加载滤波电容，在IC上并接高频电容，采用密集布线以减少高频噪声发射；在传播路径抑制方面，节点设计出带有滤波电路的稳定电源，在I/O口与噪声源之间加以隔离，同时，将干扰源与敏感器件分离。

13)节点系统软件设计。节点的系统软件控制所有实时任务协调一致运行，系统根据任务要求，进行资源管理，消息处理，任务调度，异常处理，并分配优先级，系统根据各个任务的优先级，进行动态切换和调度。

14)软件可靠性设计。本发明中的软件可靠性设计主要包括了抗干扰设计和容错设计。软件抗干扰设计是硬件抗干扰设计的辅助方法。本发明中，采用抑制迭加在信号通路上噪声的数字滤波和减少冗余指令的方法，采用精简指令系统。当硬件出故障时，软件能迅速感知并采取相应补救措施。对一些重要数据，可采用密文形式发送。