一种传感器节点和传感器网络的测量方法及系统的制作方法

专利名称：一种传感器节点和传感器网络的测量方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及传感器节点和传感器网络，尤其涉及一种传感器节点和传感器网络的测量方法及系统。
背景技术：
在传感器网络科学研究中，需要对网络中工作的节点进行各种性能指标的测量， 如节点运行状态、电池剩余能量、发送/接收数据的状态以及节点采集数据状况进行测 量。同时，在研究网络运行状态的过程中，需要对网络内的数据流进行分析，节点在发送数 据以及接收数据过程中，通过测量网络数据传输过程，分析网络的吞吐率、信道占有率、网 络数据流拥塞状况等。在以往的传感器网络测量系统中，都是通过节点自身采集自身的信 息，如对网络流量的统计，然后将所采集的自身数据进行分析，再通过同样的无线传输信 道，即传感网进行通信数据传输信道将采集以及分析的数据发送至接收端，供研究者进行 观察以及分析。总之，这种方法是使用传感器节点自身测量并分析自身的性能，而使用这种 测量方式存在较大问题。首先测量内容为传感器节点处理器内部工作状态，如CPU占用 率、单元执行指令周期及电源消耗等参数，但是在传感器节点内部进行直接测量过程本身 就会消耗自身的CPU资源，消耗电量等会对测量结果造成一定的误差；其次，传感器节点自 身测量后，需要将测试数据发送至接收端以供服务器进行存储和分析，则在传输数据的过 程中，必然占用已有网络的信道进行测试数据的传输，因此，会对网络传输信道造成一定影 响。如果使用传感器节点自身测量自身网络性能，如网络吞吐率、网络带宽、网络拥塞状况 以及节点邻居状态等，则必然会由于自身测量而在网络中产生一定的数据流，而该种数据 流属于网络正常传输时所不需要的数据流，因而在测量情况下，由于该种数据流的存在而 会对网络传输造成影响，从而使得测量结果不准确。

发明内容
为了解决上述的技术问题，提供了传感器节点和传感器网络的测量方法及系统， 其目的在于，使用与传感器节点相结合的测量装置采集传感器网络节点的相关参数指标。本发明提供的一种传感器节点和传感器网络的测量系统，包括与多个传感器节点 相结合的多个测量装置，以及用于接收所述测量装置发送的数据并对所述测量装置进行控 制的上层管理装置；每一测量装置包括处理单元、数据存储单元、特定的检测模块、网络 通信单元以及供电单元；处理单元，用于对测量装置接收到的数据进行处理；数据存储单元，用于存储测量装置所采集的传感器节点数据；特定的检测模块，与对应的传感器节点连接，用于检测所需要的传感器节点参 数；网络通信单元，用于与其他测量装置或上层管理装置进行通信，将多个测量装置 组成自组织多跳网络，将接收到的其他网络通信单元或上层管理装置的数据或控制信息发送到处理单元，并将来自处理单元的数据发送到其他网络通信单元或上层管理装置；供电单元，用于对该测量装置进行电源供给。特定的检测模块包括信号通信接口，用于模拟信号采集单元和数字信号采集单元发送的数据，并将该数据发送至处理单元；模拟信号采集单元，用于通过模拟信号采集接口采集模拟信号，转换为数字信号 后发送至信号通信接口；数字信号采集单元，用于通过数字信号采集接口采集数字信号，并发送到信号通 信接口 ；本地通信单元，用于与所述传感器节点进行通信，将接收到的传感器的数据发送 到处理单元，并将接收到的处理单元的数据发送到所述传感器节点。模拟信号采集接口采集的模拟信号为电压信号；模拟信号采集单元对模拟信号采 集接口采集的电压信号进行再次整形、滤波、放大或限位之后，进行模/数转换。将传感器节点的电源输入到测量装置中，输入电流经过测量装置内一个电阻之后 再输出到传感器节点中，模拟信号采集接口采集的模拟信号为该电阻上的电压差以及该电 阻输出到传感器节点的电压值。模拟信号采集接口采集的模拟信号为传感器节点接收到的无线信号的强度信息； 模拟信号采集接口与传感器节点的无线通信模块的信号强度输出部分进行连接，采集传感 器节点接收到的无线信号的强度信息。数字信号采集接口利用传感器节点的无线通信模块的引脚采集数字信号。数字信号采集接口，还对采集的数字信号进行去整形和除毛刺，然后输入数字信 号采集单元。数字信号采集接口采集的数字信号为传感器节点的处理器的工作状态；传感器节 点的处理器的正常工作状态中增加指令控制I/O 口的电平输出，使得传感器节点的处理器 在正常工作状态的循环操作中能够引起该I/O 口输出电平高低的周期性变化，数字信号采 集接口采集到该I/O 口的高低电平变化，从而获得传感器节点的正常状态。传感器节点将自身工作状态或所处网络工作状态通过本地通信接口传输至测量 装置，由测量装置完成数据的分析以及使用测量装置所在的网络进行测量数据的传输。本发明提供了一种传感器节点和传感器网络的测量方法，包括步骤1，测量装置采集传感器节点的模拟信号和数字信号，将模拟信号转换为数字 信号，并对采集到的数字信号和转换后的数字信号进行处理；步骤2，传感器节点将需要发送的自身工作状态或所处网络工作状态发送给该测 量装置，测量装置完成数据的分析；步骤3，该测量装置将对采集到的数字信号和转换后的数字信号的处理结果，以及 传感器节点发送的自身工作状态或所处网络工作状态的分析、结果发送至上层管理装置。测量装置通过多跳传输的方式将数据发送至上层管理装置。步骤1中，模拟信号采集接口采集的模拟信号为电压信号；模拟信号采集单元对 模拟信号采集接口采集的电压信号进行再次整形、滤波、放大或限位之后，进行模/数转 换。
步骤1中，将传感器节点的电源输入到测量装置中，输入电流经过测量装置内一 个电阻之后再输出到传感器节点中，模拟信号采集接口采集的模拟信号为该电阻上的电压 差以及该电阻输出到传感器节点的电压值。步骤1中，模拟信号采集接口采集的模拟信号为传感器节点接收到的无线信号的 强度信息；模拟信号采集接口与传感器节点的无线通信模块的信号强度输出部分进行连 接，采集传感器节点接收到的无线信号的强度信息。步骤1中，数字信号采集接口利用传感器节点的无线通信模块的引脚采集数字信号。步骤1中，数字信号采集接口还对采集的数字信号进行去整形和除毛刺，然后输 入数字信号采集单元。步骤1中，数字信号采集接口采集的数字信号为传感器节点的处理器的工作状 态；传感器节点的处理器的正常工作状态中增加指令控制I/O 口的电平输出，使得传感器 节点的处理器在正常工作状态的循环操作中能够引起该I/O 口输出电平高低的周期性变 化，数字信号采集接口采集到该I/O 口的高低电平变化，从而获得传感器节点的正常状态。步骤2中，传感器节点将自身工作状态或所处网络工作状态通过本地通信接口传 输至测量装置，由测量装置完成数据的分析以及使用测量装置所在的网络进行测量数据的 传输。本发明提供的一种传感器节点和传感器网络的控制系统，包括测量装置；测量装置，还用于对测量数据进行归一化及加权计算，并使用计算结果和预先设 置的阈值进行比较，根据比较结果调整传感器节点的工作状态。本发明提供的一种传感器节点和传感器网络的控制方法，包括步骤10，测量装置对测量数据进行归一化及加权计算；步骤20，该测量装置使用计算结果和预先设置的阈值进行比较；步骤30，该测量 装置根据比较结果调整传感器节点的工作状态。本发明中，被测传感器节点不需要进行过多额外的测量工作来对自身的工作状态 或网络状态进行测量与分析，只需要进行简单的操作或与测量装置进行简短的通信，将自 身的工作状态通知给测量装置或将被测节点所处的网络环境信息发送给测量装置即可，而 数据分析或处理由测量装置完成，这样可以极大减轻在测量工作中被测节点自身工作所不 必要的工作负担，包括能量消耗、CPU占用率、网络通信等，从而使得测量结果更加准确。同 时，测量装置使用不同于被测传感器节点所处的网络进行测量数据的通信，而避免了测试 数据流对被测传感器网络节点所处的传感器网络造成的干扰，同样增加了被测传感器网络 数据的准确性。


图1是本发明提供的测量系统结构图；图2是本发明提供的测量系统网络结构图；图3是本发明提供的测量方法流程图；图4是本发明提供的对被测节点模拟信号采集结构示意图；图5是本发明提供的对被测节点数字信号采集结构示意图6是本发明提供的使用本地通信接口与被测节点通信结构示意图；图7是本发明提供的控制方法流程图。
具体实施例方式本发明提出一种基于层叠网络的传感器网络及节点测量方法，使用可以与被测传 感器网络节点相结合的测量装置，采集传感器网络节点的相关指标参数，对被测节点进行 测量。测量装置之间相互组成网络，同时该装置可以与被测节点进行通信，被测节点将与自 身状态相关或者自身所处的网络状态的数据信息通过与测量装置的通信单元进行通信的 方式传输给测量装置，然后测量装置通过网络通信单元，将所获得的被测节点信息数据传 输至管理整个测量网络的上层管理装置。该测量装置自身可以进行网络通信，相互之间可以组成独立于被测传感器网络 节点所在的传感器网络，每个测量装置具有有线或无线网络通信接口，多个测量装置通过 无线通信的方式可以在相互之间进行通信，测量装置与被测传感器网络的无线通信信道不 同，多个测量装置可以成多跳网络，与传感器网络并行无线传输测试数据，最终将数据传输 至管理整个测量网络的上层管理装置。本发明使用一种无线传感器网络节点测量装置，通过其与传感器网络节点之间的 配合，或单独工作，对传感器网络节点进行测量，同时使用该装置通过对传感器网络节点的 测量与并之通信来测量传感器网络的性能。传感器网络节点测量装置如图1所示，包括处理单元1 对各种模块和接口进行控制，对其他模块或单元发出指令，使其进行 相应操作，同时接收其他模块或单元发送来的数据信息，对数据信息进行加工处理。数据存储单元2 由处理单元进行控制，将所采集或接收到的数据存储在其中，以 供其他各单元使用；网络通信单元3 将所述节点测量装置的数据发送至上层管理装置以及接收上层 管理装置送来的数据，并将其存储在数据存储单元中；供电单元4 对上述各个单元进行电源供给；特定的检测模块5 该特定的检测模块使用多种检测方法和单元，包括对模拟信 号的检测以及对数字信号的检测方法和单元，其中可以包括模拟信号采集单元6 接收处理单元发送来的控制指令，根据指令控制模拟信号 采集接口，在一定时间周期内使其进行模拟信号的采集，并将其采集后输出的模拟信号转 换成为数字信号，进行进一步处理，将处理后的数字信号发送至处理单元，由处理单元进行 进一步处理。模拟信号采集接口 7 通过模拟信号采集单元对其的控制，对模拟信号进行采集， 将采集后的模拟信号进行整理，输入到模拟信号采集接口 ；数字信号采集单元8 接收处理单元发送来的控制指令，根据指令控制数字信号采集接口，在一定时间周期内使其进行数字信号的采集，并将其采集后输出的数字信号进 行进一步处理，将处理后的数字信号发送至处理单元，由处理单元进行进一步处理。数字信号采集接口 9 通过数字信号采集单元对其的控制，对数字信号进行采集， 将采集后的数字信号进行整理，输入到数字信号采集单元；
信号通信接口 10 该接口将模拟信号采集单元采集的模拟信号数据以及数字信 号采集单元采集的数字信号数据传递至处理单元；本地通信单元11 由处理单元控制，与被测的传感器节点进行通信的接口，可以 接收由传感器节点发送来的数据信息并送给处理单元，也可以接收处理单元发送来的数据 并向传感器节点发送数据信息。
图2是本发明测量系统网络的结构图。如图所示，测量装置与被测传感器节点组 合在一起，由测量装置对被测传感器节点预得的指标、参数进行测量。被测传感器节点相互 之间组成本身的传感器网络系统，网络通路如图中虚线网络通信符号所示。测量装置通过 网络通信单元相互之间可以进行网络通信，网络通路如图中实线网络通信符号所示。测量 装置最终需要将所采集的被测传感器节点上的测量数据传输至上层管理装置，并接收上层 管理装置所发出的控制信息，控制测量装置进行相应操作。测量装置之间通过网络通信单 元组成自组织网络，如果测量装置能够直接与上层管理装置进行通信，如图2中的21、22以 及23装置，则其通过网络通信单元直接与上层管理装置进行通信；如果测量装置不能够与 上层管理装置直接通信，如测量装置24、25，则测量装置通过自组织的多跳网络，通过能够 与上层管理装置通信的测量装置，将信息间接多跳传输至上层管理装置，上层管理装置也 采用多跳传输的方式，将发出的控制控制信息传输至欲到达的测量装置。传感器网络性能以及节点的测量方法如图3所示步骤1-1，将测量装置与被测节点进行结合，包括所需采集节点的模拟量与测量 装置特定的检测模块中的的模拟信号采集接口结合，所需采集节点的数字量与测量装置特 定的检测模块中的的数字信号采集接口结合，被测节点使用其本身中的一个通信接口与测 量装置的通信接口结合；步骤1-2，启动传感器网络与测量装置，传感器网络进入正常工作状态，测量装置 进入测量状态并接入测量网路；步骤1-3，测量装置进行网络通信测试，如果能与上层管理装置进行直接通信，则 进行直接通信，如果不能与上层管理装置直接通信，则寻找周围可以通信的测量装置，与其 进行通信，通过多跳传输的方式，与上层管理装置进行通信。步骤1-4，测量装置对节点进行测量，包括采集节点的模拟数据量、采集节点数 字数据量；步骤1-5，测量装置使用中断或轮询方式与节点进行通信，当节点有状态信息需要 发送给测量装置时，通过通信接口与测量装置进行通信，将数据发送给测量装置；步骤1-6，测量装置进行数据预处理，将采集的模拟量进行数据处理，转化为数据 量，将采集的数据量转化为相应格式，同时测量装置接收到的节点通过通信接口发送来的 状态信息；步骤1-7，测量装置使用存储单元对转化后的模拟数据量、数字数据量、节点传输 至测量装置的状态信息进行存储；步骤1-8，处理单元根据所采集节点的数据信息进行数据处理，去除掉相关冗余信 息，将测量装置本身的信息如地址等以及采集到的数据信息进行数据融合，送至网络通信 单元；步骤1-9，测量装置的处理单元使用网络通信单元，将存储在存储单元内处理之后的数据信息按照一定格式将数据用传输网络传输至上层管理装置。如果使用无线网络通信 接口，对于能够将数据直接无线传送至上层管理装置的情况，进行直接数据传输，如果不能 够将数据直接传输至上层管理装置，则将数据转发给邻居测量装置，进行多跳传输，将数据 间接发送给上层管理装置，上层管理装置用于接收测量装置发送的数据并对测量装置进行 控制；步骤1-10，如果没有结束测量，则循环步骤1-4 1-9。同时，本发明提出一种基于上述测量装置以及网络的对被测节点进行控制的方 法，通过上述测量装置以及网络，测量装置可以得到多种被测节点的参数，测量装置对多种 测量参数进行归一化及加权计算，并根据预先设置好或者从管理中心通过网络传输来的阈 值，将计算后的结果与该阈值进行比较，使用测量装置本地通信接口与被测节点进行通信， 实现对被测节点的控制，调整被测节点的工作状态。测量装置的工作方法步骤如图7所示，包括步骤2-1，测量装置根据获得的测量数据，将测量数据进行归一化处理，同时根据 被测节点所处工作环境，对被测节点所感知的环境与系统有关的参数进行归一化处理；步骤2-2，对于单一参数可以决定节点工作状态的情况，测量装置根据单一归一化 的参数进行判断，根据判断的结果使用本地通信单元与被测节点进行通信，控制被测节点 的下一步工作状态；步骤2-3，对于需要综合多个归一化参数而决定被测节点工作状态的情况，测量装 置使用加权计算的方式，计算出需要判断的节点工作状态参数；步骤2-4，将计算后的结果与预先设定好的阈值或通过网络传输而获得的阈值进 行比较；步骤2-5，如果比较的结果满足改变被测节点工作状态的条件，则通过本地通信单 元与被测节点进行通信，改变节点的下一步工作状态；步骤2-6，如果测量装置改变第一被测节点工作状态的同时需要改变周围第二被 测节点工作状态的情况，则测量装置通过网络通信接口与周围的测量装置进行通信，通知 第二被测节点的测量装置，使其改变第二被测节点的工作状态。下面给出具体实施例在一个传感器网络系统中，通常传感器节点包括了电源、处理器、网络通信模块 等，需要测量的数据通常为直接采集的节点状态电池剩余电压、节点在不同工作状态下 消耗的功率以及收到无线信号的强度等；节点处理器工作状态如处理器是否正常工作、 处理器中断产生的次数、处理器控制传感器进行数据采集的状态等；在一个传感器节点及 其邻居节点范围内传感器网络工作的状态，如一个节点周围的邻居数及其变化、在一个时 间段内接收到的网络数据包数、在一个时间段内需要进行数据包发送的次数、在一个时间 段内数据包发送成功的次数以及网络拥塞状态等。为测量这些传感器网络及节点的数据，使用本发明的装置，在每个传感器节点上 配备该装置，使用该装置对节点进行相应数据采集。如图4所示，对于模拟信号的采集，使用该装置特定的检测模块中的模拟信号采 集部分，包括模拟信号采集接口、模拟信号采集单元。在对电池剩余电压采集的情况下由于采集的信号为电压信号，可以直接进行电压的采集。将模拟信号采集接口与所需要采集的节点模拟信号部分相连接。模拟信号采集 接口中包括，阻抗匹配、滤波、限流等模拟电路处理功能模块，将电池电压的输出信号接入 到该模拟信号采集接口，经过阻抗匹配、滤波以及限流等操作，使该电压值适合进行模拟信 号采集单元的处理。经过模拟信号采集接口对该电压信号的处理之后，将该信号输入到模 拟信号采集单元，模拟信号采集单元对该模拟信号进行信号再次整形、滤波、放大或限位之 后，进行A/D转换，将该电压模拟信号转换为数字信号，处理器单元控制模拟信号采集单元 将该转换后的信号通过两个单元之间的信号通信接口将数据传输至处理单元，之后处理单 元将该数据信号按照预定的格式存储在存储单元中。模拟信号采集单元可以采集多路不同 的模拟信号，每个通路连接一路模拟信号采集接口，根据处理单元的控制，选择不同通路的 模拟信号，将该模拟信号转换成为数字信号后，由连接两个单元的信号通信接口将数据传 输至处理单元。对于节点消耗的功率测量由 于节点在不同工作状态下的功率消耗不同，主要体 现在节点工作电流的变化上，因此，需要采集节点工作的实时电流。由于普通模拟信号采集 电路只能对电压进行采集，因此，需要将电流信号转化为电压信号。由于测量装置与被测节 点的数量相当，需要对成本进行考虑，因此，本发明的测量装置使用如下的方式进行电流电 压信号的转换将节点电源输入到测量装置中，输入电流经过测量装置内一个阻值极小的 电阻(通常为零点几欧)之后再输出到节点中，则节点工作电压为经过电阻之后的电压，由 于节点的工作电流存在，则在该电阻上存在一定压降，通过已知的阻值以及该压降，则可以 换算出节点的工作电流。所以，使用测量装置可以测量出节点的实时工作电流，同时测得 了输出到节点的工作电压，则可计算出节点的功率消耗。测量装置采集的模拟量为该电阻 上的电压差以及该电阻输出到节点的电压值。由于该电阻非常小，能够采集到的电压值非 常小，因此，需要使用模拟信号采集接口对该两个信号进行预处理，将信号进行适当整形、 滤波以及放大，从而得到适合模拟信号处理单元处理的符合模/数转换的标准电压信号， 之后使用模拟信号处理单元进行A/D转换，由处理单元控制将转换后的数据输出到处理单 元，之后由处理单元对该数据进行进一步处理。使用该种方法测量被测节点是被测节点自身所无法实现的，因为被测节点在工作 状态下，可以通过类似的方式获得自身的功率消耗状况，但是当被测节点进入到休眠状态 时，处理器停止工作，从而不能够获得节点功率消耗的信息。因此，对于像这种不能通过节 点自身进行测量的数据采集，使用本装置尤其有效。节点接收到的无线信号的强度，通常由节点无线通信模块进行指示，在测量装置 上，将模拟信号采集接口与节点无线通信模块的信号强度输出部分进行连接，通过上述模 拟信号采集方法，则可由测量装置获得节点接收到的无线信号的强度信息。节点上所需采集的模拟信号部分不仅仅限于上述三个模拟信号，但其他所需要采 集的模拟信号对于电压采集信号则可以直接使用模拟信号采集接口进行电压处理后采集， 对于电流信号，则使用模拟信号采集接口中的电流_电压模块，将电流信号转换为电压信 号之后进行采集。对于数字信号的采集使用该装置的数字信号采集部分进行采集，如图5所示，包 括数字信号采集接口、数字信号处理单元。所采集的节点的数字数据量，通常为节点的工作状态采集。根据节点所能提供的数字输出情况不同，则分为如下两种情况，第一种为在节点正常工作中有直接电平信号变 化的引脚输出情况，该种情况下，可以通过测量装置的数字信号采集接口以及数字信号处 理单元进行直接采集与处理；另外一种情况为节点在正常工作状态中，不能直观的显示出 节点的工作状态，则需要节点的处理器进行简单的操作，通过处理器控制节点可控I/O 口 进行数字量输出，将数字量提供给测量装置进行采集。对于第一种情况如节点通过无线通信模块进行无线数据的发送与接收状态，由于 节点上的无线通信模块能够通过一个模块引脚直接输出无线通信模块的工作状态，该数字 量的输出是不需要依靠节点上的处理器进行控制操作的，则将该信号与数字信号采集接口 进行连接，数字信号采集接口获得该数字信号量之后，对该数字信号进行去整形、除毛刺等 操作，输出到数字信号采集单元，数字信号信号采集单元接收处理单元的控制信号，在一定 时间间隔内对该数字信号进行采集，同时将该数字信号进行编码，通过处理单元与数字信 号采集单元的串行通信接口将所采集的数字量送入到处理单元中。数字信号采集单元具有多条数字信号采集通路，每条通路连接一个数字信号采集 接口，处理单元对数字信号采集单元进行控制，选择不同的通路，将所采集的不同通路的数 字信号通过串行数字通信接口，将该数据送入到处理单元中。在实际系统中，可根据具体情况而使测量装置具有相应的网络通信单元和对应的 处理单元。第二种情况，节点在正常工作状态中不能够直观的指示出节点的工作状态，此种 情况需要节点处理器进行简单的I/O操作，将该工作状态通过对某一特定I/O 口的电平操 作，指示出节点的工作状态，之后由数字信号采集接口进行数字信号的采集。数字信号采集 接口对数字信号进行初步处理，去除信号中的毛刺以及干扰后，将数字信号送入到数字信 号采集单元中，处理器控制数字信号采集单元，选择需要进行采集的通路，将所采集的数字 信号通过串行通信接口将该采集的数字信号送入到处理器中以进行后续处理。由于节点处 理器对于I/O 口的操作指令非常简单(通常可由一条至两条指令实现)，因此，对于该种测 量方式，已经可以减轻节点处理器对自身工作状态的统计操作，从而极大降低节点处理器 所额外增加的处理器工作负担。对于节点处理器是否正常工作状态的采集，可以在节点处理器正常工作状态中简 单增加指令控制I/O 口的电平输出，使得处理器在正常工作状态的循环操作中能够引起该 I/O 口输出电平高低的周期性变化，而测量装置的数字信号采集接口对该I/O 口的数字信 号采集能够采集到该I/O 口的高低电平变化，从而测量装置可以获得节点是否正常工作的 fn息ο节点处理器在工作中，会有多种中断产生，而中断过程一般要求处理器处理中断 操作的时间尽量短，指令条数尽量少，因此，使用简短的I/O 口控制，相比于在节点自身进 行中断次数统计或其他在中断中进行相应测量、分析工作要减少很多节点处理器的工作 量，极大降低节点的工作负担，因而在对与节点中断的测量工作，使用该种测量方法以及装 置能够从根本上的提高测量的效率以及测量的准确性。同样，对于传感器节点进行传感器数据采集工作状态的指示，测量装置也可使用 该种方式对该操作进行测量以及统计。对于节点工作状态等相对容易使用高低电平进行指示的情况，并不仅限于上述三种，只要满足使用简单的电平高低变化就能够指示出工作状态的情况，就可以使用上述利 用节点处理器控制I/O 口进行电平输出，由测量装置进行数字信号采集的方式进行。如附图6所示，对于被测节点较为复杂的工作状态采集与测量，被测节点上没有 可采集、直接利用的模拟量以及又不能够通过简单的I/O端口数字量输出进行状态的表示 的情况，则需要节点的处理器与测量装置共同配合完成。在本发明的系统中，使用测量装置处理单元的本地通信接口与被测节点的本地通 信接口进行连接，本地通信接口可以是标准串行通信口或SPI接口等，将两种装置的通信 接口进行物理连接，之后使用通信协议进行数据通信，则可以将被测节点上的数据信息传 输至测量装置的处理器中，测量装置的处理器获得信息后，可以对该数据信息进行存储以 及向管理中心的传输用于上层数据分析。
在被测节点的正常工作中，如果使用被测节点本身进行诸如网络节点邻居数、网 络拥塞状况等信息进行统计、分析以及传输等操作，首先会对该被测节点的处理器资源造 成消耗，同时，若需要将节点的工作状态向管理中心汇报传输，则需要使用被测节点所在的 网络进行分析、测试数据传输，而使用这种方式，则会对网络流量造成一定量的影响，在对 网络状态进行测试分析的情况下，这种影响就显得尤为重要，因此，使用本系统测量装置， 在节点上通过简单的数据指令将自身数据或网络数据通过本地通信接口传输至测量装置， 而由测量装置完成数据的所有分析，如对被测节点工作状态的分析和判断以及对网络状态 的分析和判断，并且对通过本地通信接口传输来的多次、多种被测节点数据进行进一步综 合统计，如进行平均、加权计算等，进而获得被测节点的工作状态分析结果，以及使用测量 装置所在的网络进行这些测量数据的传输，这样会使得被测节点本身处理器的工作负担降 低，同时，完全消除了测量数据传输对被测节点所在网络的影响。如在对被测节点所在网络拥塞状况进行分析时，被测节点首先采集所在网络状态 信息，获得网络状态参数，该过程必须由被测节点完成。当被测节点获得网络拥塞程度的信 息时，在以往的系统中，被测节点会使用自身的处理器对该数据进行分析、运算，根据分析 结果，调整自身发送数据包的速率，使之适应网络拥塞状态，同时改善网络拥塞状态，并将 网络拥塞状态信息通过被测节点所在网络将分析后的数据发送至管理中心。而节点使用自 身处理器进行网络状态分析，该操作会对节点自身处理器的资源严重消耗，同时，使用自身 所在网络进行拥塞测试数据的传输，将会使得本已经拥塞严重的网络状态更加恶化，加重 网络拥塞的程度。而使用本发明的装置以及网络，则可以完全避免上述问题。被测节点获 得网络拥塞状态后，不需要对数据进行分析，而是将数据通过本地通信接口传输至测量装 置上，并结束自身的测量工作，进入到正常网络工作状态中。测量装置获得被测节点通过本 地通信接口传输来的数据信息后，根据要求，将数据进行分析，获得网络状态参数，同时将 该信息数据进行存储，并使用测量装置所在的网络将数据传输至管理中心。使用本发明的 方法，在此种测试过程中，被测节点仅进行了数据的采集工作，并使用本地通信接口进行数 据传输。同以往的系统相比，该被测节点的工作量已经极大降低，并且对被测网络的状态不 会造成任何影响，因此，使用该装置测量被测节点以及网络则会相当大的提高测试结果的 准确性以及数据可靠性。同样对于被测节点的邻居数量以及对于被测节点在一定时间段内的发包收包数 据信息统计这样的数据内容，都可以使用该种方法进行测量。而且，所进行测量的参数也不仅仅局限于上述的内容，只要是被测节点能够通过自身获得简单参数信息，并且能够将该 参数通过本地通信接口与测量装置进行传输的测量数据，都可以使用上述方法进行测量。本发明的装置和网络在测量的同时，可以对被测节点和网络进行实时控制本发明在上述测量装置以及网络所获得的参数基础之上，可以在测量装置中进行本地数据处理以及分析，同时也可以通过网络将数据传输至管理中心，由管理中心进行数 据的处理和分析。在数据处理和得到分析结果之后，则可通过测量装置对节点发出指令，控 制节点进行相应的本地工作状态操作以及对网络状态的操作。如附图7所示，本发明提出一种基于测量装置以及测量网络的被测节点与网络的 控制方法。在传统的传感网中，由于测量与应用集中在同一个节点上，节点自身既是应用 的被测节点，同时也是测量节点，由测量的结果或上层管理中心发送来的数据信息对节点 下一步的工作状态以及网络状态进行操作。使用该种节点自身做测量、分析以及控制的方 式，会对节点本身处理器的工作造成影响，同时由于测试和控制信息的存在，也会对所运行 的网络造成影响，如果传输网络发生拥塞，则测量信息不能够及时传输至上层管理中心，同 时，管理中心发送过来的控制信息也不能够及时传输到对应的节点，而使用本发明的测量 装置进行测量，同时使用测量装置所使用的独立的传输网络可以避免上述问题。传感器网络节点通常同时具有感知和通信功能，但工作的节点也会消耗一定的资 源(能量、通信、计算等)。利用测量装置可以通过模拟数据采集单元、数字数据采集单元、本地通信单元获 得被测节点的综合测量信息，包括诸如节点电池剩余电量、节点在不同工作状态下的功率 消耗、节点接收信号的强度、节点进入数据采集状态的时间周期数、节点所处网络的链路质 量、网络拥塞状态、节点感知数据的价值、节点的加入对路由性能的影响等信息。测量装置 处理单元对所有需要采集以及处理相关的信息本发明提出一种基于上述采集的数据参数进行归一化处理并以此为根据进行节 点唤醒控制的方法。传感网节点在正常工作时，节点的工作状态会由于网络不同状况以及节点不同状 况进行调整，如在网络中，由于感知对象状态的变化，仅依靠单一或少数几个传感器很难获 得完整准确的感知效果，如对目标的跟踪、对火场的监控等；另一方面，某一节点由于负荷 过重，而导致电源消耗过快，电池剩余电量急剧降低，因而也要使该节点进入适当的休眠状 态，减少其后在网络中的工作时间从而延长该节点的寿命。这样就把传感器节点的工作影 响分为收益与消耗两部分，这两部分都可以用一些参数来表示出来，通过一定的手段可以 对这些参数进行标准化处理。如考虑传感器节点消耗能量情况，假设仅测量到的参数为节 点电池剩余电压X11,节点标准电池工作电压为Xltl(通常Xltl的值为3. 3V)，将该剩余电池电 压与标准工作电压相比，获得剩余电池电压归一化参数为X1O在节点的工作状态判断中，均 使用该归一化参数。测量装置获得该归一化参数之后对该参数进行分析，如果节点的工作 状态可以由某一归一化参数获得或通过某一归一化参数即可得到节点的相应工作状态，如 节点电池的剩余电压，通过对归一化参数的分析，可以得知该节点的电池工作电压是否已 经过低或保持在正常状态。测量装置可根据所获得的归一化参数对被测节点的下一步工作状态进行控制，通 过使用测量装置的本地通信接口与被测节点的本地通信接口进行通信，如发出命令，控制被测节点进入长周期休眠状态等，从而减少电池的消耗。同样，测量装置可以获得被测节点其他工作状态的归一化参数，如节点的感知能力Zl，节点的加入对数据传输带来的好处Z2，被测节点的实时功率消耗X2，节点所处网络的 链路质量X3，节点接收无线信号的强度X4等。如果对于节点工作状态的控制只取决于某一 归一化参数的情况，则通过测量装置对该参数进行判断，之后使用本地通信接口与被测节 点的本地通信接口进行通信，控制被测节点的下一步工作状态。对于某些情况，使用单一的归一化参数不能够判断出被测节点的某一工作状态，而对于该被测节点需要考虑较多的参数，并对该被测节点进行行为控制。更多的情况，是同时考虑多参数的情形，假如当前资源消耗是首要问题，一个被 测节点a在网络负担较重的情况下，该被测节点a的电池消耗必然增加，而为保持网络畅 通，该节点必须要持续工作一定时间以保持网络的正常工作，当该节点的剩余电池电量不 足以使得该节点保持更长的工作时间时，应使得该节点进入较长周期的休眠状态，而使得 该被测节点的邻居节点b替代该节点，承担较重的网络工作。在这种情况下，该被测节点 a的测量装置A需要对该被测节点a的至少三个归一化参数进行综合比较，如该被测节 点a的电池剩余电量X1、实时功率消耗X2、节点的网络拥塞状况x3。本发明中对于多种参 数的测量，测量装置A使用归一化参数加权求和的方式，如最终判定的条件为Y，其中Y = Ci1X1+Ci2X2+Ci3X3，其中的Q1, α2、α 3为加权系数，在不同的需要中，这些参数可以选择不 同的值，例如对电源要求严格的情况下，可以将Q1的值取的稍低，为0.3，％为0.6，^为 0. 7，计算出Y的值。若对于节点工作要求为网络状况优先的情况下，即拥塞程度为首要考 虑的因素，电源电量为次要因素，则可将上述加权系数进行调整，例如将α ！的值取的稍高， 为0.7，Ci2为0.5，^为0.4，从而计算出Y的值。测量装置A保存一个阈值Ya，将计算后 的Y值与阈值Ya进行比较，判断被测节点a的工作状态，如果Y值大于\，则节点a继续保 持该高网络负荷的工作状态，当Y值小于\，则该被测节点a进入长周期休眠状态，同时该 被测节点a的测量装置A根据被测节点邻居表通过测量装置网络通知该被测节点的邻居节 点b所带有的测量装置B，使得测量装置B通知该被测节点b替代被测节点a工作，进入高 负荷网络状态。上述方法对于判定被测节点的工作状态以及该被测节点下一步需要进入的工作 状态并不局限于只使用上述三个参数，而是可以使用多种参数，方法上类似，只需要根据不 同需要选择不同的加权系数即可。考虑更一般的情况，可将这些参数大致分类为节点工作所带来的资源消耗，计为 X ；节点工作所带来的收益，计为Z。使用向量的方式表示上述加权系数以及测量的参数<formula>formula see original document page 15</formula>将上述计算表达式写成矩阵计算的形式Y= α 1·X-β 1Y= α1Χχ+ α 2χ2+ α 3χ3+…+ α ηχη- ( β ιΥι+ β 2y2+ β 3y3+…+ β mym)
测量装置通过Y表达式，则可计算出多个参数的综合值，再根据预先设定的阈值 Ya，使其与Y进行比较，可对被测节点的工作状态进行评估，进而根据判断规则对节点的工 作状态做出相应控制。根据上述记载，本发明的测量装置其可以根据所要测量的对应事项而由无线节点 以及对应事项相应模块组成。该相应模块，例如是，当仅需要对电压测量时可以仅具有模拟 信号采集单元和模拟信号采集接口。而例如仅需要对数字信号进行测量时，仅具有数字信 号采集单元与数字信号采集接口，而并非使测量模块必须同时具有数字、模拟测量单元及 接口。这样，可以根据需要精简模块结构，减少成本。
本领域的技术人员在不脱离权利要求书确定的本发明的精神和范围的条件下，还 可以对以上内容进行各种各样的修改。因此本发明的范围并不仅限于以上的说明，而是由 权利要求书的范围来确定的。
权利要求
一种传感器节点和传感器网络的测量系统，其特征在于，包括与多个传感器节点相结合的多个测量装置，以及用于接收所述测量装置发送的数据并对所述测量装置进行控制的上层管理装置；每一测量装置包括处理单元、数据存储单元、特定的检测模块、网络通信单元以及供电单元；处理单元，用于对测量装置接收到的数据进行处理；数据存储单元，用于存储测量装置所采集的传感器节点数据；特定的检测模块，与对应的传感器节点连接，用于检测所需要的传感器节点参数；网络通信单元，用于与其他测量装置或上层管理装置进行通信，将多个测量装置组成自组织多跳网络，将接收到的其他网络通信单元或上层管理装置的数据或控制信息发送到处理单元，并将来自处理单元的数据发送到其他网络通信单元或上层管理装置；供电单元，用于对该测量装置进行电源供给。
2.如权利要求1所述的传感器节点和传感器网络的测量系统，其特征在于，特定的检 测模块包括信号通信接口，用于模拟信号采集单元和数字信号采集单元发送的数据，并将该数据 发送至处理单元；模拟信号采集单元，用于通过模拟信号采集接口采集模拟信号，转换为数字信号后发 送至信号通信接口 ；数字信号采集单元，用于通过数字信号采集接口采集数字信号，并发送到信号通信接Π ；本地通信单元，用于与所述传感器节点进行通信，将接收到的传感器的数据发送到处 理单元，并将接收到的处理单元的数据发送到所述传感器节点。
3.如权利要求1所述的传感器节点和传感器网络的测量系统，其特征在于，模拟信号 采集接口采集的模拟信号为电压信号；模拟信号采集单元对模拟信号采集接口采集的电压 信号进行再次整形、滤波、放大或限位之后，进行模/数转换。
4.如权利要求1所述的传感器节点和传感器网络的测量系统，其特征在于，将传感器 节点的电源输入到测量装置中，输入电流经过测量装置内一个电阻之后再输出到传感器节 点中，模拟信号采集接口采集的模拟信号为该电阻上的电压差以及该电阻输出到传感器节 点的电压值。
5.如权利要求1所述的传感器节点和传感器网络的测量系统，其特征在于，模拟信号 采集接口采集的模拟信号为传感器节点接收到的无线信号的强度信息；模拟信号采集接口 与传感器节点的无线通信模块的信号强度输出部分进行连接，采集传感器节点接收到的无 线信号的强度信息。
6.如权利要求1所述的传感器节点和传感器网络的测量系统，其特征在于，数字信号 采集接口利用传感器节点的无线通信模块的引脚采集数字信号。
7.如权利要求1所述的传感器节点和传感器网络的测量系统，其特征在于，数字信号 采集接口，还对采集的数字信号进行去整形和除毛刺，然后输入数字信号采集单元。
8.如权利要求1所述的传感器节点和传感器网络的测量系统，其特征在于，数字信号 采集接口采集的数字信号为传感器节点的处理器的工作状态；传感器节点的处理器的正常 工作状态中增加指令控制I/O 口的电平输出，使得传感器节点的处理器在正常工作状态的循环操作中能够引起该I/O 口输出电平高低的周期性变化，数字信号采集接口采集到该I/ O 口的高低电平变化，从而获得传感器节点的正常状态。
9.如权利要求1所述的传感器节点和传感器网络的测量系统，其特征在于，传感器节 点将自身工作状态或所处网络工作状态通过本地通信接口传输至测量装置，由测量装置完 成数据的分析以及使用测量装置所在的网络进行测量数据的传输。
10.一种传感器节点和传感器网络的测量方法，其特征在于，包括步骤1，测量装置采集传感器节点的模拟信号和数字信号，将模拟信号转换为数字信 号，并对采集到的数字信号和转换后的数字信号进行处理；步骤2，传感器节点将需要发送的自身工作状态或所处网络工作状态发送给该测量装 置，测量装置完成数据的分析；步骤3，该测量装置将对采集到的数字信号和转换后的数字信号的处理结果，以及传感 器节点发送的自身工作状态或所处网络工作状态的分析、结果发送至上层管理装置。
11.如权利要求10所述的传感器节点和传感器网络的测量方法，其特征在于，测量装 置通过多跳传输的方式将数据发送至上层管理装置。
12.如权利要求10所述的传感器节点和传感器网络的测量方法，其特征在于，步骤1 中，模拟信号采集接口采集的模拟信号为电压信号；模拟信号采集单元对模拟信号采集接 口采集的电压信号进行再次整形、滤波、放大或限位之后，进行模/数转换。
13.如权利要求10所述的传感器节点和传感器网络的测量方法，其特征在于，步骤1 中，将传感器节点的电源输入到测量装置中，输入电流经过测量装置内一个电阻之后再输 出到传感器节点中，模拟信号采集接口采集的模拟信号为该电阻上的电压差以及该电阻输 出到传感器节点的电压值。
14.如权利要求10所述的传感器节点和传感器网络的测量方法，其特征在于，步骤1 中，模拟信号采集接口采集的模拟信号为传感器节点接收到的无线信号的强度信息；模拟 信号采集接口与传感器节点的无线通信模块的信号强度输出部分进行连接，采集传感器节 点接收到的无线信号的强度信息。
15.如权利要求10所述的传感器节点和传感器网络的测量方法，其特征在于，步骤1 中，数字信号采集接口利用传感器节点的无线通信模块的引脚采集数字信号。
16.如权利要求10所述的传感器节点和传感器网络的测量方法，其特征在于，步骤1 中，数字信号采集接口还对采集的数字信号进行去整形和除毛刺，然后输入数字信号采集 单元。
17.如权利要求10所述的传感器节点和传感器网络的测量方法，其特征在于，步骤1 中，数字信号采集接口采集的数字信号为传感器节点的处理器的工作状态；传感器节点的 处理器的正常工作状态中增加指令控制I/O 口的电平输出，使得传感器节点的处理器在正 常工作状态的循环操作中能够引起该I/O 口输出电平高低的周期性变化，数字信号采集接 口采集到该I/O 口的高低电平变化，从而获得传感器节点的正常状态。
18.如权利要求10所述的传感器节点和传感器网络的测量方法，其特征在于，步骤2 中，传感器节点将自身工作状态或所处网络工作状态通过本地通信接口传输至测量装置， 由测量装置完成数据的分析以及使用测量装置所在的网络进行测量数据的传输。
19.一种传感器节点和传感器网络的控制系统，其特征在于，包括测量装置；测量装置，还用于对测量数据进行归一化及加权计算，并使用计算结果和预先设置的 阈值进行比较，根据比较结果调整传感器节点的工作状态。
20. 一种传感器节点和传感器网络的控制方法，其特征在于，包括 步骤10，测量装置对测量数据进行归一化及加权计算； 步骤20，该测量装置使用计算结果和预先设置的阈值进行比较； 步骤30，该测量装置根据比较结果调整传感器节点的工作状态。
全文摘要
本发明涉及传感器节点和传感器网络的测量方法及系统。其中，测量系统包括与传感器节点相结合的测量装置，以及用于接收所述测量装置发送的数据并对所述测量装置进行控制的上层管理装置；每一测量装置包括处理单元、数据存储单元、特定的检测模块、网络通信单元以及供电单元。本发明中，测量装置之间可以组成自组织网络进行多跳数据通信，传输测量数据以及控制信息。测量装置使用不同于被测传感器节点所处的网络进行测量数据的通信，而避免了测试数据流对被测传感器网络节点所处的传感器网络造成的干扰，增加了被测传感器网络数据的准确性。
文档编号H04W84/18GK101815317SQ20091007824
公开日2010年8月25日 申请日期2009年2月23日 优先权日2009年2月23日
发明者刘强, 崔莉, 李栋, 王睿, 赵泽 申请人:中国科学院计算技术研究所