专利名称：木材干燥过程无线数据采集的可靠性设计方法
技术领域：
本发明涉及一种木材加工过程监测与控制技术，尤其是木材干燥过程中的无 线数据采集的设计方法。
背景技术：
木材干燥过程是一个包含有多种不确定因素的复杂过程。通常要根据选定的 干燥基准，调控木材干燥窑内的温度和湿度，控制木材内部含水率指标，以满 足不同用途木材的干燥质量要求。随着计算机应用技术、网络技术的不断发展 与普及，利用计算机、网络技术来控制木材干燥过程，能起到保证木材干燥质 量、縮短干燥周期、降低能耗、提高生产率的作用。因此，研究开发计算机自 动控制、网络远程控制系统及其相关技术，是木材干燥技术研究领域里的重要 课题和方向之一。
目前，我国的木材干燥控制系统，仍然以手工操作或半自动化技术为主，各 种检测手段和装置不够成熟，导致含水量检测精度不高，无法以临界参数作为 干燥过程的主要参数。近年来，尽管自动控制技术在木材干燥行业有了初步应 用，但真正意义上的全自动木材干燥系统并未实现。此外，现有的木材干燥控 制系统基本上是有线的集散控制系统，以有线方式连接各种传感器和执行器， 由干燥窑附近的单片机系统将温度、湿度等参数传输到监控主机。其主要问题 在于安装与维护成本高，能耗大，系统重新部署或更新不方便。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述背景技术的不足，提供一种木材干 燥过程无线数据采集设计方法的改进，该方法应具有低成本、低功耗、部署方 便、适于对无人值守环境监控的特点，还有利于提高劳动生产率。
本发明提出了以下技术方案 木材干燥过程无线数据采集的可靠性设计方法，包括
在单一干燥窑中部署的所有传感器节点和执行器节点组成一个簇树，簇树 中包括至少一个簇，每个节点必须且只能属于一个簇(不能同时隶属于二个及 二个以上簇)；其中的两个节点(较高性能的节点，即其中处理器的主频、内存、 射频通信能力等性能指标比其它节点要高)作为两个簇头，其它节点作为数据 采集节点与本簇簇头直接通信(也称为单跳通信)，簇头通过网关将数据传输到 控制中心；
或者，由多座干燥窑组成多层次模式的簇树，每一干燥窑中的所有传感器 节点和执行器节点组成其中较低层次的一棵子簇树，子簇树中包括至少一个簇， 每个节点必须且只能属于一个簇(不能同时隶属于二个及二个以上簇)；每个簇 中设置两个节点(较高性能的节点)作为两个簇头，其它节点作为数据采集节 点与本簇簇头直接通信，簇头通过更高层次的簇头或网关将数据传输到控制中 心；
所述的两个簇头分别是一个工作簇头和一个冗余簇头，两者互为冗余，以 便当工作簇头发生故障或者能量过低时，工作簇头与冗余簇头自动进行切换。
对于边际成员节点，如果因为射频环境干扰或其它原因导致无法与本簇簇 头通信时，即自动重新分簇，使得该边际节点能够通过其它簇的簇头(也称为 备份簇头)进行数据转发。
当每个簇中的个别节点成为孤立节点，不能与任何簇的簇头直接通信时， 即自动采用多跳路由方式进行数据转发。
工作簇头与冗余簇头性能完全相同(指的是这两者的软硬件配置完全相 同)。当工作簇头正常工作时，冗余簇头处于轻度睡眠状态(采用常规方法实现)，
并周期性地向工作簇头发送冗余测试数据包；当工作簇头能量低于某一阈值时， 能够主动切换到冗余簇头；当工作簇头发生软硬件故障时，冗余簇头通过冗余 测试数据包的响应情况进行判断，并决定是否需要主动接替工作簇头的任务。 所述的工作簇头主动切换到冗余簇头的工作状态的步骤是
Sl:数据转发周期K到来后，工作簇头首先检查自身能量；若能量(Emch) 低于给定的阈值(Emin)，那么转到第S2步。否则检査冗余簇头的故障测试结果； 若工作簇头的能量满足需求，那么当冗余簇头的故障测试数据包计数值超过给 定阈值时(FaM/ZCwPmoxi^w/fA^m),转到第S3步。否则转到第S4步。
S2:工作簇头向冗余簇头发出切换请求，由冗余簇头接替转发任务。
S3:冗余簇头主动接替工作簇头的转发任务。
S4:工作簇头完成数据转发任务。
S5:数据转发完成之后，等待下一周期R的到来。
所述的冗余簇头主动接替的步骤是
sio:在冗余测试周期r2到来之后，冗余簇头向工作簇头发送故障测试数据
包，如果不能收到工作簇头的应答数据包，并转第S20步；否则，转第S40步；
S20:计数值Faw/fC"f加1;
S30:如果Faw/zO^大于给定的阈值woxFaMteVwm，那么冗余簇头认为工作 簇头发生故障，并主动接替工作簇头的转发任务；否则，转第S40步； S40:等待下一个冗余测试周期72或者数据转发周期7\的到来。
所述的重新分簇的具体步骤如下
S100:找出边际节点^的所有备份簇头仏，坊,...,// ;
S200:对每个备份簇头"，假设K加入到/Z,.所在的簇中，计算/Z,.的通信成
S300:比较各K的通信成本，选择具有最小通信成本的/Z,作为户的数据转
发节点。
所述的孤立节点采用多跳路由方式的具体步骤如下
S1000:孤立节点Z向所有邻居节点发送接入请求数据包；
S2000: r接收各邻居节点的应答数据包；
S3000:比较各应答包的MAC帧中射频信号强度域；
S4000:选择应答包的MAC帧中射频信号最强者作为^的路由节点。
所述的方法还包括边际成员节点的通信机制。
所述的方法还包括孤立成员节点的通信机制。 本发明提出了一种基于无线传感器网络的木材干燥窑数据采集的设计方法， 并给出了应用具体方案。该方法利用无线传感器网络采集木材干燥过程中的关 键参数，为制定干燥策略提供实时、准确决策支持，并可以达到节能和减少成 本的目标。为了提高无线数据采集系统的可靠性，该方法通过冗余的簇头和自 适应的重新分簇，实现网络中传感器节点通信的高可用性，避免了在分簇路由 系统中，故障风险高度集中的缺点。同时，还能防止由于簇中节点与簇头发生 故障或者通信链路失效而造成损失。
实验结果表明，该方法很好地实现工作簇头与冗余簇头的切换机制，边际 成员节点和孤立节点能够自动启用备份簇头或者多跳路由机制，部署方便、适 于对无人值守环境，能够满足工业现场的特殊要求。特别，对于包含多座干燥 窑的大型监控系统，本发明提出的可靠性设计方法可以大大降低安装和维护成 本与能耗，提高系统管理的灵活性，提高数据采集系统的可靠性，提高产品质 量和生产效率。在我国，木材干燥行业尤其是中小企业的自动化程度还很低， 自动控制技术比较落后，木材干燥质量很难保证。随着无线传感器网络技术曰
益成熟，硬件节点的成本不断下降，本发明提出的方法具有独特的优势和很大
的应用潜力。
图1表示单层模式的无线数据采集网络拓扑结构图。
图2表示双层模式的无线数据采集网络拓扑结构图。
图3描述了工作簇头向冗余簇头切换的算法流程图。
图4描述了冗余簇头主动接管工作簇头的算法流程。
图5描述了边际成员节点通信机制的基本流程。
图6给出了边际成员节点使用备份簇头转发数据的示意图。
图7描述了边际成员节点选择邻居节点作为路由节点的基本流程。
图8给出了孤立节点采用多跳路由方式进行通信的示意图。
附图中，各元件的标号分别是工作簇头1，冗余簇头2，网关节点3，成
员节点4，边际成员节点5，备份簇头6，孤立成员节点7，路由节点8，控制中心9。
具体实施例方式
图1中，描述了一种单层模式的无线传感器网络数据采集系统的拓扑结构。 对于单座干燥窑的监控， 一般可以采用这种模式。整座窑中各簇头均通过无线 两关与控制中心通信。图中表示所有的节点分成四个簇10 (用圆圈表示)。簇 IO的数量可根据需要确定。
图2中，描述了一种双层模式的数据采集系统的网络拓扑结构。这种模式 对于体积较大的单座窑监控以及对于多座干燥窑的监控都适用。当体积较大时， 部分簇头可能与无线网关的距离较远，采用双层或多层模式将能减少能耗，并 提高网络的可扩展性。图中表示所有的节点也分成四个簇10-1和10-2 (均用圆
圈表示)，其中两个簇10-2需要分别通过另外两个簇10-1中的簇头中继才能与
网关通信。簇10-1和簇10-2的数量也可根据需要确定。
图3中，Sl、 S2、 S3、 S4、 S5分别对应于工作簇头向冗余簇头切换的五个 步骤。
图4中，S10、 S20、 S30、 S40分别对应于冗余簇头向工作簇头切换的四个步骤。
图5中，SIOO、 S200、 S300分别对应于边际成员节点选择备份簇头的三个 步骤。
图6中，描述了边际成员节点通过备份簇头进行数据转发的过程。 图7中，SIOOO、 S2000、 S300、 S4000分别对应于孤立节点选择路由节点的 四个步骤。
图8中，描述了孤立节点利用多跳路由方式进行通信的过程。本图给出了2 个孤立节点7(符号"X"表示与本簇簇头的通信己中断)以其它簇中的路由节 点8作为路由器，从而利用该簇簇头进行数据转发。然而，根据信号强度优先 的原则，也可能采用本簇的邻居节点作为路由器，从而利用本簇簇头进行数据 转发。
本发明提出的无线数据采集系统的可靠性设计方法，主要基于两种技术 簇头冗余和自适应的重新分簇。该方法吸收了以下文献的部分思想
"Evaluation of Dual-Homing Based Fault-Tolerant Routing in Wireless Sensor Networks, ，， Nidhi Jain， Technical Reports, Department of computer and information science, University of Massachusetts Dartmouth, 2006.
"Load-balanced clustering of wireless sensor networks," Gupta, G" Younis, M., Proceedings of IEEE International Conference on communications, 1848-1852, 2003. 在无线传感器网络中，为了提高网络的可扩展性、减少通信数据量、降低 能耗，从而延长网络的生命周期，往往将传感器节点组织成簇树的结构。即把 所有节点分成不同的簇，把少数具备高能量和性能的节点作为簇头节点，负责 对本簇节点采集的数据进行聚合，并转发到更高层次的簇头或基站。因此，一 旦簇头节点发生故障，将会丢失本簇节点的所有感知数据。此外，由于射频环 境的干扰等原因，可能发生通信链路中断的问题，这将导致部分节点无法与簇 头进行通信。如何提高基于无线传感器网络的数据采集系统的可靠性是必须解 决的关键问题。本发明提出的方法利用簇头的冗余设计，可以有效地避免因簇 头失效而带来的损失，利用自适应的重新分簇方法则可以避免因通信链路失效 而造成节点无法与簇头通信的问题。与单簇头的层次化网络模型相比，该方法 具有更强的可靠性，能更好地适应木材干燥现场对稳定性和安全性的要求。 为了阐明我们的方法，需介绍一些基本概念。
冗余簇头指的是在一个簇内特别设置的与工作簇头软硬件配置完全相同的 节点。在基于无线传感器网络的数据采集系统中，由处于"工作状态"的簇头负责 对感知节点采集的数据进行聚合和转发。
一个簇内的某些成员节点，不仅能够与本簇的簇头直接通信，也处于其它簇 的簇头的直接通信范围内(即单跳通信的范围)，我们称这类成员节点为边际成 员节点(简称边际节点)。
如果某个成员节点不能与任何簇的簇头直接通信，则称这样的节点为孤立成 员节点(简称孤立节点)。
数据转发，是指簇头根据要求将簇中成员节点的感知数据转发给更高层次的 簇头或者将网关下达的各种命令转发给簇中成员节点。
冗余切换，是指在工作簇头根据自身的能量监测结果，或者冗余簇头根据故障测试结果，判断是否需要进行冗余切换。冗余切换分成两种情况， 一是当工作 簇头能量低于某个给定的阈值时，主动切换到冗余簇头；二是当冗余簇头通过检 测程序监测到工作簇头发生故障时，由冗余簇头主动接替工作簇头。
重新分簇，是指因为射频环境变化或者因信号干扰等原因造成信号中断，而 导致边际成员节点无法与本簇的簇头通信时，边际成员节点将会主动发出重新分 簇请求，要求加入到其它簇。
此外，本申请案中所称的能量均是指电源能量(特别是电池能量)；通信成 本是指簇头接收或转发节点数据所消耗的能量大小。
本发明提出的设计方法，包括基于无线传感器网络的木材干燥数据采集系 统，分为单座窑和多座窑两种形式。对于单座窑来说，可以将窑内所有的传感
器和执行器组织成一个单层模式或者多层模式的簇树，簇树中包括一个或若干 个簇，每个节点必须且只能属于一个簇(不能同时隶属于二个及二个以上簇)； 其中的两个节点(较高性能的节点，即其中处理器的主频、内存、射频通信能 力等性能指标比其它节点要高)作为两个簇头，这两个簇头分别设置为一个工 作簇头(MCH)和一个冗余簇头(RCH)，并在窑中配置类似基站的无线网关， 簇头通过网关与控制中心的监控主机通信。
对于多座干燥窑来说，类似单座窑那样，把每座窑中的传感器和执行器组 织成子簇树后，根据干燥窑群的规模及其与控制中心的距离确定整个簇树的结 构；子簇树中包括至少一个簇，每个节点必须且只能属于一个簇(不能同时隶 属于二个及二个以上簇)；在每个簇中设置两个节点(较高性能的节点)作为两 个簇头，这两个簇头分别为一个工作簇头(MCH)和一个冗余簇头(RCH)，其 它节点作为数据采集节点与本簇簇头直接通信；如果各干燥窑的网关都能够与 控制中心的监控主机直接通信，那么整个簇树成为多层模式的拓扑结构。图2
描述了单座窑的双层模式网络拓扑结构；其中，有两个簇中的簇头需要通过另
外簇中的簇头中继才能与网关通信。
本发明提出的可靠性设计方法还包含冗余簇头的切换机制和自适应的重新 分簇方法两部分。下面详细进行说明。
1、工作簇头(MCH)与冗余簇头(RCH)的切换机制 对于正常的成员节点，可以直接与本簇簇头进行通信。当工作簇头出现故 障或者能量(电池能量)过低的现象时，需要启动冗余切换机制，实现工作簇 头与冗余簇头的切换。图3描述了工作簇头主动切换的流程。具体步骤说明如 下
Sl:在数据转发周期l到来之后，工作簇头首先检査自身能量的多少。如
果工作簇头的能量(Emch)低于给定的阈值(Emin)，那么转到第S2步。否则 检査冗余簇头的故障测试结果；如果工作簇头的能量还满足需求，那么当冗余 簇头的故障测试数据包计数值超过给定阈值时(Fa"/fO^〉/^xFaw/^/wm)，转到 第S3步。否则转到第S4步。
S2:工作簇头向冗余簇头发出切换请求，由冗余簇头接替转发任务。
S3:冗余簇头主动接替工作簇头的转发任务。
S4:工作簇头完成数据转发任务。
S5:数据转发完成之后，等待下一周期7^的到来。
图4描述了冗余簇头主动接替的切换机制。具体说明如下。
sio:在冗余测试周期r2到来之后，冗余簇头向工作簇头发送故障测试数据
包，如果不能收到工作簇头的应答数据包，并转第S20步。否则，转第S40步。 S20:计数值Z^w/zO^加1 。
S30:如果F"w/fO^大于给定的阈值waxFm/WVMm，那么冗余簇头认为工作
簇头发生故障，并主动接替工作簇头的转发任务。否则，转第S40步。
S40:等待下一个冗余测试周期r2或者数据转发周期7\的到来。
2、 重新分簇方法为(即边际成员节点的通信机制)
当射频环境受到干扰或者因为干燥窑内部的特别设置，造成某些边际成员 节点不能与本簇的簇头进行直接通信(即信号中断，无法接通)时，必须加入到 其它簇，从而利用备份簇头进行数据转发。本发明提出的重新分簇方法主要基于 通信成本最小原则，选择合适的备份簇头作为数据转发节点，实现边际成员节点 的重新分簇。这里的通信成本是指，当边际成员节点加入到备份簇头所在的簇中
后，该簇头转发本簇中所有节点釆集的数据所需要消耗的能量。图5描述了边际 成员节点通信机制的基本流程。图6描述了边际成员节点的通信示意图。设 为边际成员节点，选择备份簇头的具体步骤如下 S100:找出^:的所有备份簇头/^，//2，...，/^
S200:对每个备份簇头S，假设^加入到"所在的簇树中，计算"的通信 成本；
S300:比较各"的通信成本，选择具有最小通信成本的K作为r的数据转发节点。
3、 孤立成员节点的通信机制
如果因干燥窑内部结构的变化而造成某些节点成为孤立节点，它们将不能与 任何簇头进行直接通信。本发明提出了一种多跳路由方法来解决孤立节点的通信 问题。假设r为孤立节点，R， 6，……，F"中为J^的邻居节点，当z与本簇的 簇头以及备份簇头的直接通信链路全部中断后，必须选择邻居成员节点作为路由 器，然后由邻居节点将数据传输到邻居节点所在簇的簇头，再转发到基站或监控
中心。通常在MAC层数据帧中含有射频信号强度的指示域。本发明提出的方法 采用基于信号强度优先的方法来选择路由节点，即选择邻居节点中信号强度最大 者作为孤立节点的路由节点。图7描述了孤立节点选择路由的基本流程。图8为 孤立节点的多跳路由通信方法示意图。孤立节点采用多跳路由方式的具体步骤如 下
S1000:孤立节点K向所有邻居节点发送接入请求数据包；
S2000: K接收各邻居节点的应答数据包；
S3000:比较各应答包的MAC帧中射频信号强度域；
S4000:选择应答包的MAC帧中射频信号最强者作为Z的路由节点。
权利要求
1、木材干燥过程无线数据采集的可靠性设计方法，包括在单一干燥窑中部署的所有传感器节点和执行器节点组成一个簇树，簇树中包括至少一个簇，每个节点必须且只能属于一个簇；每个簇中设置两个节点作为两个簇头，其它节点作为数据采集节点与本簇簇头直接通信，簇头通过网关将数据传输到控制中心；或者，由多座干燥窑组成多层次模式的簇树，每一干燥窑中的所有传感器节点和执行器节点组成其中较低层次的一棵子簇树，子簇树中包括至少一个簇，每个节点必须且只能属于一个簇；在每个簇中设置两个节点作为两个簇头，其它节点作为数据采集节点与本簇簇头直接通信，簇头通过更高层次的簇头或网关将数据传输到控制中心；其特征在于所述的两个簇头分别是一个工作簇头和一个冗余簇头，两者互为冗余，以便当工作簇头发生故障或者能量过低时，工作簇头与冗余簇头自动进行切换。
2、 根据权利要求1所述的木材干燥过程无线数据采集的可靠性设计方法， 其特征在于当每个簇中的边际节点无法与本簇簇头通信时，即自动重新分簇， 使得该边际节点能够通过其它簇的簇头进行数据转发。
3、 根据权利要求1所述的木材干燥过程无线数据釆集的可靠性设计方法， 其特征在于当每个簇中的个别节点成为孤立节点，不能与任何簇的簇头直接通 信时，即自动采用多跳路由方式进行数据转发。
4、 根据权利要求2或3所述的木材干燥过程无线数据采集的可靠性设计方 法，其特征在于工作簇头与冗余簇头性能完全相同，当工作簇头正常工作时， 冗余簇头处于轻度睡眠状态，并周期性地向工作簇头发送冗余测试数据包；当 工作簇头能量低于某一阈值时，能够主动切换到冗余簇头；当工作簇头发生软 硬件故障时，冗余簇头通过冗余测试数据包的响应情况进行判断，并决定是否 需要主动接替工作簇头的任务。
5、根据权利要求4所述的木材干燥过程无线数据采集的可靠性设计方法，其特征在于所述的工作簇头主动切换到冗余簇头的工作状态的步骤是Sl:数据转发周期7^到来后，工作簇头首先检査自身能量；若能量(Emch) 低于给定的阈值(Emi》，那么转到第S2步。否则检查冗余簇头的故障测试结果； 若工作簇头的能量满足需求，那么当冗余簇头的故障测试数据包计数值超过给 定阈值时(F"w/^:"/>wm:Fflw//M^)，转到第S3步。否则转到第S4步。 S2:工作簇头向冗余簇头发出切换请求，由冗余簇头接替转发任务。 S3:冗余簇头主动接替工作簇头的转发任务。S4:工作簇头完成数据转发任务。S5:数据转发完成之后，等待下一周期r,的到来。
6、根据权利要求4所述的木材干燥过程无线数据采集的可靠性设计方法，其特征在于所述的冗余簇头主动接替工作簇头任务的步骤是sio:在冗余测试周期r2到来之后，冗余簇头向工作簇头发送故障测试数据包，如果不能收到工作簇头的应答数据包，并转第S20步；否则，转第S40步； S20:计数值Fmz/fC"f加1;S30:如果尸<3^0^大于给定的阈值/ ";^""//7\^ ,那么冗余簇头认为工作 簇头发生故障，并主动接替工作簇头的转发任务；否则，转第S40步；S4o:等待下一个冗余测试周期72或者数据转发周期r的到来。
7、根据权利要求5或6所述的木材干燥过程无线数据采集的可靠性设计方法，其特征在于所述的重新分簇的具体步骤如下S100:找出边际节点,的所有备份簇头^，瑪，…，仏；S200:对每个备份簇头"，假设^加入到g所在的簇中，计算a的通信 成本；S300:比较各g的通信成本，选择具有最小通信成本的K作为,的数据 转发节点。
8、根据权利要求7所述的木材干燥过程无线数据采集的可靠性设计方法， 其特征在于所述的孤立节点采用多跳路由方式的具体步骤如下S1000:孤立节点K向所有邻居节点发送接入请求数据包；S2000:,接收各邻居节点的应答数据包；S3000:比较各应答包的MAC帧中射频信号强度域；S4000:选择应答包的MAC帧中射频信号最强者作为r的路由节点。
全文摘要
本发明涉及一种木材干燥过程中的无线数据采集的设计方法。所要解决的技术问题是提供的设计方法应具有低成本、低功耗、部署方便、适于对无人值守环境监控的特点，还有利于提高劳动生产率。技术方案是木材干燥过程无线数据采集的可靠性设计方法，包括在单一干燥窑或者多座干燥窑中部署的所有传感器节点和执行器节点组成一个簇树或子簇树，簇树或子簇树中包括至少一个簇，每个节点必须且只能属于一个簇；其中的两个节点分别作为一个工作簇头和一个冗余簇头，其它节点作为数据采集节点与本簇簇头直接通信，簇头通过网关，或者通过更高层次的簇头或网关将数据传输到控制中心；还设置有边际节点自动重新分簇方法和孤立节点自动采用多跳路由方式。
文档编号G08C17/00GK101183486SQ200710164549
公开日2008年5月21日 申请日期2007年12月5日 优先权日2007年12月5日
发明者李光辉 申请人:浙江林学院