基于Zigbee无线传感器网络的低能耗数据采集方法

摘要

本发明提出了一种基于ZigBee无线传感器网络的低能耗数据采集方法，该方法对ZigBee终端设备的数据采集方法进行改进，针对不同的检测环境，通过减少与汇聚节点或ZigBee路由节点之间通信的数据源节点数目的方法，既满足一定的检测精确度，又能够降低网络的能耗。该数据采集方法可以灵活的应用于不同的应用环境和不同对象的检测中。独特的信息压缩因子的设置可以在满足检测精度的基础上最大限度的降低网络能耗。在该低能耗数据采集方法中，动态的区域划分、动态的代表节点的选择及以剩余能量与采集信息消耗能量之差来选择区域内代表节点的方法，都达到了平衡无线传感器网络各个节点的能耗、延长整个网络生存时间的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络中的数据采集方法，尤其是一种基于 Zigbee无线传感器网络的低能耗数据采集方法。

背景技术

无线传感器网络WSN(wireless senor network)是有若干个具有感知、处 理和无线通信能力的传感器节点通过自组织方式形成的网络。ZigBee技术是近 年来快速发展的WSN的规范之一，而且定义的技术要比其他WPANs更简单、实 现成本更低，也更适合于低数据速率、低功耗并且安全的无线网络。

ZigBee无线网络主要由ZigBee协调器、ZigBee路由器和ZigBee终端设备 组成。现有的技术中，ZigBee可以实现支持多种网络拓扑结构的功能，考虑到 降低系统运行中的能量消耗，IEEE.802.15.4定义了两种设备，一种是具有全 功能设备(Full Function Device，FFD)，另一种是精简功能设备(Reduced  Function Device，RFD)。在PAN(Personal Area Network)中，全功能设备可 以作为PAN的协调器，路由器或作为一个终端设备。一个全功能设备可以同时 和多个精简功能设备或全功能设备通信；对于一个精简功能设备来说，它只能 和一个全功能设备进行通信。为了达到节能的目的，现有很多技术采用ZigBee 在无线网络路由功能的支持，而如果需要大规模布置数据源节点，采用ZigBee 终端方式，则ZigBee协议的网络路由策略在数据采集系统应用中降低能耗的作 用将明显降低。所以无线数据采集系统如何在利用ZigBee无线网络在数据传输 中各种便利的同时进一步降低大量的数据源节点的工作能耗及提高采集有效数 据效率仍然是一个没有得到很好解决的问题。

现有技术的主要缺点是：在需要布置大量传感器节点的检测环境中，数据 源节点多采用精简功能设备，这就需要大量的全功能设备作为路由节点，利用 ZigBee协议的网络路由策略，达到最优数据传播路径，虽然未收到数据采集命 令数据源节点会定时的进入休眠状态，但是数据源节点处于采集和路由节点路 由数据的数目远大于休眠状态的数目，而无线通信消耗的能量占传感器节点能 量总消耗的80％。虽然目前无线传感器网络技术比较成熟，但是具体应用在检 测环境中的数据采集领域还存在着一定的技术缺陷。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种基于ZigBee无线传 感器网络的低能耗数据采集方法，该方法是在现有的成熟的ZigBee无线传感器 网络技术的基础上，对ZigBee终端设备的数据采集方法进行人性化的改进，针 对不同的检测环境，通过减少与汇聚节点或ZigBee路由节点之间通信的数据源 节点数目的方法，既要满足一定的检测精确度，又要能够降低网络的能耗。

按照本发明提供的技术方案，所述基于Zigbee无线传感器网络的低能耗数 据采集方法，包括以下步骤：

第1步：初始化网络参数：首先设置信息压缩因子q，信息压缩因子q表 示允许采集的信息值偏离理想值的范围；其次，设定轮询全部数据源节点的时 间或次数；

第2步：对数据源节点进行区域划定：对全部数据源节点发送数据采集命 令，把数据源节点所采集的数据及节点号打包为规定的网络数据上传，经过服 务器进行处理和储存筛选出采集的最大数据S_max和最小数据S_min及各自的节点 号，由公式n＝(S_max-S_min)/q计算出要划分出的区域数量n；将整个ZigBee无线 传感器网络划分为n个区域；服务器将每个数据源节点的控制命令、节点号及 区域号打包，下传至每个数据源节点，这样划定了无线传感器网络的检测范围；

第3步：筛选出划定的区域内参与数据采集的代表节点：在已经划定的区 域内，经过对数据源节点的数据采集后，服务器记入每个数据源节点的剩余能 量Q和一次采集数据的消耗能量ΔE，根据公式Q′＝Q-ΔE，选择Q′最大的节点作 为该区域内的代表节点对该区域的信息进行采集，该区域内的其他节点进入休 眠状态；

第4步：动态变换所划定的区域及该区域采集数据的代表节点：经过多次 数据采集，当超过第1步中设定的轮询次数或者轮询时间时，则进行一次全部 数据源节点的数据采集命令，再重复第2步。

第1步中，根据检测环境里要求的数据采集频率的高低，决定进行轮询次 数k的设定还是进行轮询时间Δt的设定。

由公式n＝(S_max-S_min)/q计算出的n若有余数则只进不舍。

每次执行数据采集命令时都重复第3步来动态的选择划定区域内的代表节 点。

本发明的优点是：本发明提出的基于ZigBee无线传感器网络的低能耗数据 采集方法可以灵活的应用于不同的应用环境和不同对象的检测中。独特的信息 压缩因子的设置可以在满足检测精度的基础上最大限度的降低网络能耗。在该 低能耗数据采集方法中，动态的区域划分、动态的代表节点的选择及以剩余能 量与采集信息消耗能量之差来选择区域内代表节点的方法，都达到了平衡无线 传感器网络各个节点的能耗、延长整个网络生存时间的目的。

附图说明

图1是基于zigbee无线传感器网络的数据采集系统的示意图。

图2是本发明数据采集系统的工作流程图。

图3是zigbee协调器节点工作流程图。

图4是数据源节点的工作流程图。

图5(a)是数据采集节点在多次信息采集中的拓扑结构的变化示意图第一 张和第二张。

图5(b)是数据采集节点在多次信息采集中的拓扑结构的变化示意图第三 张和第k张。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示是一个基于zigbee无线传感器网络的数据采集系统，比如温湿 度采集系统。将本发明所述方法应用于该系统中。

该系统包括检测界面显示部分、服务器、Zigbee无线网络以及多个数据源 节点。ZigBee无线网络包括一个ZigBee协调器、三个Zigbee路由器节点和四 个汇聚节点。在该实施环境中随机播撒18个数据源节点。

在本实施例中，数据源节点的无线收发模块采用由STMicroelectronics 公司提供的SN260。该芯片集成了一个符合IEEE 802.15.4的2.4GHz射频收发 器，其内嵌高性能、高可靠性的Zigbee2007堆栈以及用来运行该堆栈的16位 微处理器(XAP2b核)。SN260实现了物理层至用户接口层的所有标准协议，同时 对外提供高速SPI/UART接口连接微处理器(如STM32)。

数据源节点中的传感器模块为温湿度传感器，是由Sensirion传感器公司 推出的新型集成数字式温湿度传感器。该传感器采用CMOSens专利技术将温度 湿度传感器、A/D转换器及数字接口无缝结合，使传感器具有体积小、响应速 度快、接口简单、性价比高等特点。微控制器采用由STMicroelectronics公司 提供的32位ARM Cortex-M3核微处理器STM32F103C6T6，微控制器与通讯模块 之间采用SPI接口通讯。在Zigbee通用无线网络模块中，STM32微控制器承担 了控制SN260的主要任务。

服务器主要负责处理和存储采集数据，同时发送指定的采集命令。服务器 管理终端上位机界面显示部分采用VC++6.0编写监控平台软件，实现对采集数 据的收发，对串口的波特率、奇偶校验方式等的设定通过VC++6.0软件访问 sqlserver2000数据库，用ODBC数据库技术来实现数据入库。根据需要设计可 视化的控制命令，使之简单易懂且更为人性化的界面。

如图2所示，对无线收发模块、传感器等上电，初始化网络参数，在可视 化的显示界面上设置串口的波特率、奇偶校验方式、信息压缩因子q、轮询时 间Δt等值。

服务器把数据采集的控制命令和参与数据采集的数据源节点号打包通过串 行口发送给zigbee协调器节点，zigbee协调器节点将数据包拆包分析确定参 与数据源节点的网络拓扑位置，把控制采集命令打包成zigbee网络数据发送至 zigbee路由节点或汇聚节点。zigbee路由节点或汇聚节点收到数据包后，拆包 将其控制命令及其参与采集数据的节点号打包成无线收发模块规定的网络数据 通过SPI高速串行口发送给无线收发模块，该节点无线收发模块从中提出参与 数据采集的节点号，并向参与数据采集的节点发送数据采集控制命令。数据源 节点根据收到的命令执行采集数据或是转入休眠状态。

数据源节点把其传感器模块采集的数据和该数据源节点号通过无线收发模 块发送至汇聚节点或zigbee路由节点。汇聚节点或zigbee路由节点的无线收 发模块通过SPI高速串行口发给微控制器，拆包分析处理重新打包为zigbee 网络数据发送至zigbee协调器节点。Zigbee协调器节点收到数据包后，将数 据包拆包，提取出采集数据及其采集节点号，通过高速串行口发送至服务器， 进行处理和储存，同时在监控显示界面上显示出采集的数据和相应的节点号及 采集节点所属的区域号及区域内各个数据源节点号。

图3是图1所示的zigbee协调器节点工作流程图。

在本实施例中，采用基于zigbee无线传感器网络的数据通信系统，Zigbee 是一种建立在IEEE802.15.4标准上的低速数字通讯网络协议。在zigbee无线 网络中zigbee协调器节点负责建立网络的功能，只有当设备处于网络关联的状 态时，才会在网络层上传输数据帧，如果不处于网络关联状态的节点接收到帧 的传输请求，则会丢弃该帧并向高层汇报错误。Zigbee协调器节点根据高层的 要求初始化路由发现。

图4是数据源节点采集方法的工作流程图。

在本实施例中，数据源节点的工作流程为：

步骤1，初始化参数设置。

根据检测环境里要求的数据采集频率的高低，决定进行轮询次数k的设定 还是进行轮询时间Δt的设定。根据检测环境里的信息采集要求，若是采集频率 高，则对数据采集系统进行轮询次数k的设定，若是采集频率低，则对数据采 集系统进行轮询时间Δt的设定。

设置信息压缩因子q，信息压缩因子q表示允许采集的信息值偏离理想值 的范围。

步骤2，判断是否有采集命令，如果没有则使所有数据源节点进入休眠。 如果接收到数据采集命令，则执行步骤3。

步骤3，判断采集信息的次数是否达到k或者采集信息的轮询时间达到Δt， 若是没有，则执行步骤6，如是达到了，则执行步骤4。

步骤4，参数采集信息的次数或采集信息的轮询时间清零，重新计数。全 部数据源节点采集数据，把采集的数据及各个节点号上传至服务器。

步骤5，服务器进行数据处理及存储，筛选出采集的最大数据S_max和最小 数据S_min及各自的节点号，由公式n＝(S_max-S_min)/q计算出要划分出的区域数量 n，n若有余数则只进不舍，分别给予区域号，把各个数据源节点的区域号打包 发送至每个数据源节点。

步骤6，服务器根据各个节点的剩余能量Q与一次采集信息所消耗的能量 ΔE，根据公式Q′＝Q-ΔE，选择Q′最大的节点作为该区域内再次执行数据采集的 代表节点。

步骤7，Zigbee协调器节点重新组建网络。各个区域的代表节点加入网络， 区域内其他节点进入休眠。

步骤8，代表节点执行数据采集命令。

图5(a)(b)所示是数据采集节点在多次信息采集中的拓扑结构的变化示意 图。

在本实施例中，经过一次全部的数据源节点的信息采集后，服务器把数据 存储分析处理划分出不同的区域，并且选择出各个区域的代表节点，在图5中 用双圆表示代表该区域执行数据采集的节点，单圆表示该区域不参与本次的数 据采集的节点，处于完全休眠状态。图5中的第1幅图是执行全部数据源节点 采集信息后的zigbee网络拓扑状态，其中大量节点处于休眠状态，节省了网络 能耗。第2幅图是在采集次数未达到参数轮询次数k或未达到轮训时间Δt时第 二次信息采集的zigbee网络拓扑结构，划定的区域未变，但是各个区域的代表 节点进行了重新的筛选，所以部分区域的代表节点发生了变化。进而使zigbee 协调器节点重新组网改变了zigbee网络的拓扑结构。在未达到网络参数k或Δt 之前，每次信息采集时的网络拓扑结构变化过程类似于第2幅图的变化过程。 当采集次数达到k次(或轮询时间达到Δt)将重新对全部的数据源节点执行数 据采集，以便重新划定区域和选择代表节点，该网络拓扑结构如图5中第k幅 图所示。