專利名稱：一種多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)作處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點間數(shù)據(jù)傳輸協(xié)作的處理方法，屬 于嵌入式開發(fā)與計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的交叉領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network, WSN)是微電子技術(shù)、Ad Hoc 無線網(wǎng)絡(luò)、分布式計算等信息技術(shù)發(fā)展和融合的產(chǎn)物。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間通 過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、釆 集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息。在軍事、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、礦業(yè)和環(huán)境監(jiān) 測等領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用前景。
分布式多媒體通信系統(tǒng)是能夠完成多媒體通信業(yè)務(wù)的、在物理結(jié)構(gòu)上由若干 個多媒體通信終端(節(jié)點)和交換設(shè)備經(jīng)過形式各異的通信網(wǎng)絡(luò)連接在一起所構(gòu) 成的多媒體通信系統(tǒng)。
而基于WSN的分布式多媒體通信系統(tǒng)即無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Multimedia Sensor Network, WMSN)是在傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上引入了 音頻、視頻、圖像等多媒體信息的感知功能,在擴充傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點 采樣光度、濕度與溫度等功能的同時實現(xiàn)了實時傳輸圖像、視頻與音頻信息等更 為精細與全面的環(huán)境監(jiān)測。
在無線網(wǎng)絡(luò)上傳輸視頻、音頻圖像等多媒體信息除了要解決誤碼問題外，時 延也是必須考慮的問題。圖像屬于不連續(xù)媒體，需要的平均傳輸速率不高。音頻 和視頻屬于連續(xù)媒體，音頻信號傳輸速率低，但實時要求高，而視頻信號則需要 很高的傳輸速率。 一方面，在多媒體應(yīng)用中圖像顯示的時間很關(guān)鍵，圖像的顯示 必須與其他媒介的展現(xiàn)同步或近似同步，因此傳輸和表示圖像的總時延是一個十 分重要的因素，而且圖像等多媒體信息的傳輸必須有相當高的準確性，盡可能避 免在傳輸中出現(xiàn)錯誤。另一方面，能耗問題始終是制約無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身發(fā)展的一個重大因素，傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上配備的電源裝置已經(jīng)遠遠無法滿 足無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的需求。因此為了滿足上述要求，無線多媒體傳感 器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點之間必須有較為合理的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)作處理方法，在滿足整體網(wǎng)絡(luò) 功能需求的同時，盡可能地減少單個節(jié)點的能耗。
目前提出的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)作方法已有很多，例如通過自組織
算法了解本區(qū)域內(nèi)的節(jié)點數(shù)再用輪詢調(diào)度的方式來避免無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)
的碰撞問題；以及基于兩跳簇結(jié)構(gòu)的圖像傳輸方案，通過增加中繼節(jié)點在簇頭與 照相節(jié)點間多增加一跳來分散照相節(jié)點對于采樣到圖像數(shù)據(jù)的處理能力等。
發(fā)明人在研究過程中發(fā)現(xiàn)上述兩種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)作處理方 案都存在一定不足前者是群首節(jié)點按節(jié)點序號順序査詢?nèi)簝?nèi)站點是否有傳輸請 求，該方案可以有效避免無線信道中的數(shù)據(jù)沖突，但順序査詢的方式對數(shù)據(jù)傳輸 的實時性會造成相當大的影響；后者是在簇頭節(jié)點與視頻節(jié)點間通過增加中繼節(jié) 點負責圖像的壓縮編碼,雖然在減小相機節(jié)點圖像傳輸能耗的同時，能夠緩解簇 頭節(jié)點圖像處理的能耗壓力，但多增加的一跳轉(zhuǎn)發(fā)往往會對傳輸質(zhì)量以及時延造 成一定的影響，誤碼率增加以及長時延難以避免。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種無線多媒體傳 感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點間的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)作處理方法，該方法能夠有效^K少無線信道中的 數(shù)據(jù)碰撞、減小網(wǎng)絡(luò)開銷與負載，同時盡可能地節(jié)約網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的能耗，使得無 線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)能很好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點異構(gòu)性的需求，各個節(jié)點之間更為協(xié) 調(diào)地完成各自的功能與任務(wù)。
技術(shù)方案本發(fā)明對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點提出了新的要求與部署方法， 由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的異構(gòu)性，即各類節(jié)點的處理能力、存儲容量等存在較大的區(qū)別， 根據(jù)不同種節(jié)點的功能可以劃分多個功能子網(wǎng)，不同的功能子網(wǎng)之間采用不同的 網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，對于同一種子網(wǎng)的各節(jié)點之間則采用相同的傳輸協(xié)議且各個節(jié)點 之間通過特殊的信道監(jiān)聽方式來避免網(wǎng)絡(luò)沖突的產(chǎn)生，采用帶時間間隔幀的數(shù)據(jù) 傳輸協(xié)作方法對節(jié)點采樣到的數(shù)據(jù)進行過濾來減緩網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_銷與負載， 從而有效提高整體無線網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸能力，以實現(xiàn)功能分散式協(xié)同處理。
考慮到能耗、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點異構(gòu)性等因素而采用的功能分散式協(xié)同處理機制，應(yīng)盡可能地將傳感器節(jié)點劃分為多類具有不同功能的節(jié)點，某類節(jié)點只完成用戶需 求的一種或少數(shù)幾種數(shù)據(jù)的采集。以避免單一的節(jié)點因功能復雜而導致耗能過快 情況的發(fā)生。雖然從短期利益來看具備各種功能的節(jié)點可以同時滿足用戶所需的 各種需求，但長遠的角度來看，投放于監(jiān)測區(qū)域的該類節(jié)點就會因為單體成本高 但使用時期限短而造成網(wǎng)絡(luò)資源與硬件節(jié)點資源的嚴重浪費。
在傳感器網(wǎng)絡(luò)中各類功能節(jié)點采用層次型拓撲結(jié)構(gòu)控制，適合大規(guī)模部署網(wǎng) 絡(luò)，并且依據(jù)一定的機制來選擇某些節(jié)點作為網(wǎng)絡(luò)中的骨干節(jié)點，由各個骨干節(jié) 點構(gòu)成一個聯(lián)通的網(wǎng)絡(luò)來負責數(shù)據(jù)的路由轉(zhuǎn)發(fā)。骨干節(jié)點對其臨近區(qū)域內(nèi)的其他 工作節(jié)點進行管轄，通過一定算法自組建簇，與選擇簇頭。
本發(fā)明提出一種無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)中各類傳感節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸協(xié) 作處理方法，包括以下步驟-
步驟l)節(jié)點功能劃分與類別確定無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點按照不 同功能可以劃分為普通傳感節(jié)點負責采集溫度、光度與濕度環(huán)境信息；視頻 傳感節(jié)點捕獲環(huán)境動態(tài)視頻信息和圖像信息；音頻傳感節(jié)點采集環(huán)境音頻信 息；簇頭節(jié)點負責管理臨近區(qū)域內(nèi)的視頻與音頻傳感節(jié)點，響應(yīng)其傳輸請求； 基站節(jié)點匯聚不同種類傳感節(jié)點發(fā)回的信息；接入節(jié)點將環(huán)境信息接入因特 網(wǎng)，傳給遠程終端；
步驟2)通信協(xié)議與通信方式的確定無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點間按照 不同通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)通信，普通傳感節(jié)點之間使用ZigBee技術(shù)通信，多媒體 傳感節(jié)點與簇頭節(jié)點間采用UWB技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)，簇頭節(jié)點之間也通過基于 IEEE802. 15.4a的Zigbee技術(shù)實現(xiàn)交互，基站節(jié)點需要同時支持Zigbee與WLAN， 接入節(jié)點使用TCP/IP協(xié)議接入因特網(wǎng)并通過WLAN與基站節(jié)點通信；
步驟3)合理的節(jié)點投置方案在傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的合理布置，既有利于 整體網(wǎng)絡(luò)動態(tài)拓撲結(jié)構(gòu)的建立與維護，又有利于網(wǎng)絡(luò)中各類節(jié)點互相協(xié)作完成網(wǎng) 絡(luò)提供的各種功能；
步驟4)冗余數(shù)據(jù)的過濾無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)具有很大的冗余性 和時空關(guān)聯(lián)性，通過在編碼過程中加入時間間隔幀來過濾去可能的具有冗余信息 的環(huán)境數(shù)據(jù)，以達到減輕網(wǎng)絡(luò)負擔精簡監(jiān)測數(shù)據(jù)的效果；節(jié)點通過檢査數(shù)據(jù)首部 的時間間隔幀內(nèi)容來判斷先后傳送的兩項數(shù)據(jù)是否存在時間交集，來實現(xiàn)冗余重 復數(shù)據(jù)的過濾；步驟5)信道監(jiān)測與碰撞避免無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的某個節(jié)點完成采樣數(shù)據(jù) 后先檢測當前網(wǎng)絡(luò)中的信道占用情況，再根據(jù)實際的網(wǎng)絡(luò)使用情況來判斷此時此 刻自身能否占用網(wǎng)絡(luò)帶寬，進行數(shù)據(jù)通信；避免了因為輪詢或其他方法而造成的 不必要的等待時延。
在較大規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，信道容量受到很大的限制，為了有效避免 多個數(shù)據(jù)源因發(fā)送數(shù)據(jù)而導致的網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)碰撞現(xiàn)象的發(fā)生，避免丟失數(shù)據(jù)包， 使得網(wǎng)絡(luò)中的各類傳感器都能合理地占用有限的網(wǎng)絡(luò)帶寬。
有益效果本發(fā)明與現(xiàn)有的一些無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)作處理方 案相比有如下幾個優(yōu)點
(1) 節(jié)點功能的細分，充分適應(yīng)了異構(gòu)性的需求，各類節(jié)點僅完成整體網(wǎng) 絡(luò)需求的一部分或某個功能，以避免單個節(jié)點因工作量過大而導致傳送誤碼率與 單位能耗的增加。只負責采集溫度、光度與濕度的環(huán)境信息的普通傳感節(jié)點工作 于一定的通信協(xié)議之下，自組織地建立動態(tài)路由，不受多媒體傳感節(jié)點的影響。 另一方面，簇頭節(jié)點之間通過特定的通信協(xié)議建立連接，而每個簇頭節(jié)點只負責 管理控制自身所屬簇內(nèi)的多媒體傳感節(jié)點，并且只響應(yīng)自身所在區(qū)域內(nèi)的多媒體 傳感節(jié)點，在簇頭節(jié)點之間要求通信的實時性、較遠的通信距離以及較高的通信 質(zhì)量。在簇頭節(jié)點與多媒體傳感節(jié)點之間建立的通信需要滿足足夠的帶寬，同時 對通信距離的要求可以適當降低。因為單個簇頭節(jié)點只要求控制其自身臨近區(qū)域 內(nèi)的多媒體傳感節(jié)點，為了防止相鄰簇之間多媒體信號的串擾，可以適當減少簇 頭與多媒體傳感節(jié)點之間的通信距離?；竟?jié)點相對的處理能力是所有節(jié)點中最
龐大的，它需要同時兼容兩種不同協(xié)議，負責匯聚各類環(huán)境數(shù)據(jù)，并及時傳輸給
接入節(jié)點，再由接入節(jié)點通過有線或無線的方式接入Internet。受到能量限制， 將基站節(jié)點原本功能中的接入Internet細分出來，由獨立的接入節(jié)點完成，來 減小基站節(jié)點的集成度與能耗，提高基站節(jié)點的可行性。
(2) 有效縮短傳感節(jié)點排隊等候的時延，提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率。對于多 媒體信號而言，簇頭節(jié)點與本簇內(nèi)的多媒體傳感節(jié)點取得聯(lián)系，并在簇群最大允 許多媒體傳感節(jié)點數(shù)的范圍內(nèi)建立控制機制，向多媒體傳感節(jié)點發(fā)送激活指令或 響應(yīng)其數(shù)據(jù)傳輸請求。本簇群內(nèi)的各個多媒體傳感節(jié)點首先監(jiān)聽本簇群信道內(nèi)的 信道占用情況，當?shù)趉個傳感節(jié)點與簇頭節(jié)點通信完畢后，信道便處于暫時的空 閑態(tài)，此時如果第k+i個傳感節(jié)點需要占用帶寬，則無需等待簇頭節(jié)點逐個査詢后繼的i個節(jié)點后才能調(diào)度到自身，只要一檢測到網(wǎng)絡(luò)中沒有數(shù)據(jù)傳輸就立即向 簇頭節(jié)點發(fā)送傳輸請求，從而建立起數(shù)據(jù)通路。有可能存在如下現(xiàn)象，兩個傳感 節(jié)點都需要占用網(wǎng)絡(luò)帶寬，而又同時監(jiān)測到信道中沒有數(shù)據(jù)信息。 一種情況是因 為節(jié)點間的單體差異而導致的處理速度不同，簇頭節(jié)點收到各個節(jié)點傳來的傳輸
請求報文后，可以通過解析請求報文內(nèi)部的時間間隔幀來判斷傳輸次序的先后； 另一種情況是簇頭節(jié)點無法通過請求報文的時間間隔幀來判斷出請求的先后(這 種情況極少發(fā)生)，則可以通過隨機算法得出最先響應(yīng)的請求節(jié)點號，而對于其 他請求節(jié)點則發(fā)回一個無效信號通知其自身重新轉(zhuǎn)入監(jiān)測狀態(tài)。
(3) 通過時間片有效過濾冗余數(shù)據(jù)，避免網(wǎng)絡(luò)擁塞發(fā)生的幾率，減輕網(wǎng)絡(luò) 負荷。簇頭節(jié)點之間通過一定的通信協(xié)議建立連接并最終連入基站節(jié)點。每個簇 頭節(jié)點除了組織與控制臨近區(qū)域內(nèi)多媒體傳感節(jié)點以外，受到無線信號衰減的制 約，必須同時響應(yīng)鄰居簇頭節(jié)點傳送來的環(huán)境數(shù)據(jù)信息，在確保正確接收的情況 下無損地轉(zhuǎn)發(fā)給下一跳的鄰居簇頭節(jié)點?？赡艹霈F(xiàn)如下現(xiàn)象某一簇頭節(jié)點在轉(zhuǎn) 發(fā)上一跳鄰居簇頭節(jié)點發(fā)來的環(huán)境數(shù)據(jù)時，接收到自身所在簇內(nèi)的多媒體傳感節(jié) 點發(fā)來的傳輸請求，通過分析時間間隔幀，當滿足過濾要求時就回應(yīng)請求節(jié)點， 使其丟棄采樣到的數(shù)據(jù)。該過濾要求可以根據(jù)不同的多媒體信息內(nèi)容而有所不 同。例如，圖像數(shù)據(jù)可以精確到某一時間點，而對于視頻與音頻信息則可以是某 一時間段。正在轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)和本簇群內(nèi)多媒體傳感節(jié)點采樣到的數(shù)據(jù)在同一時間 點或時間段時即為滿足過濾要求或時間間隔幀存在交集。另一種情況是本簇群內(nèi) 多個多媒體傳感節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)的時間間隔幀存在交集時，簇頭節(jié)點先檢測傳輸請 求數(shù)據(jù)包中的時間間隔幀，如果發(fā)現(xiàn)即將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)與已經(jīng)傳輸?shù)木哂邢嗤瑫r間 間隔或滿足過濾要求，則不接收即將進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點的數(shù)據(jù)。
(4) 便于維護，有利于及時定位故障節(jié)點的位置。在無線多媒體傳感器網(wǎng) 絡(luò)中，多媒體傳感節(jié)點的有效使用時限比普通傳感節(jié)點短，設(shè)備的精密度與其維 護度以及維修率是成正比的。在實際使用中，某個多媒體傳感節(jié)點不能正常采樣 環(huán)境數(shù)據(jù)時，由于無法正常工作的多媒體傳感節(jié)點必定屬于某個簇頭節(jié)點管理的 簇內(nèi)，而定位簇群位置并不困難(通過相應(yīng)的定位算法或者通過加入特定的標志 符與簇群ID號來辨別)，后續(xù)定位具體的出錯節(jié)點的難度就大大降低了。當多 媒體數(shù)據(jù)傳輸出錯時，可以排除普通傳感節(jié)點影響或出錯的可能性，同樣的在普 通傳感數(shù)據(jù)出錯時也可以排除多媒體傳感節(jié)點的影響或出錯的可能性。


圖1是無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)整體系統(tǒng)架構(gòu)，
圖2是多媒體傳感節(jié)點功能模塊模擬圖，
圖3是本發(fā)明中涉及的多媒體數(shù)據(jù)中的圖像數(shù)據(jù)處理方法，
圖4是本發(fā)明所涉及的多媒體簇頭節(jié)點對于多媒體數(shù)據(jù)的處理方法，
圖5是本發(fā)明中涉及的退避式信道監(jiān)測與碰撞避免方法流禾呈圖。
以上的圖中有普通傳感節(jié)點1，視頻傳感節(jié)點2，音頻傳感節(jié)點3，簇頭
節(jié)點4，基站節(jié)點5，接入節(jié)點6。
具體實施例方式
本發(fā)明采用嵌入式軟件與系統(tǒng)軟件相結(jié)合的設(shè)計方法，基于相關(guān)硬件設(shè)備的 支持，描述整個無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點間的數(shù)據(jù)處理方、法。應(yīng)當明確，以 下內(nèi)容僅僅用來描述本發(fā)明而不作為本發(fā)明的限制。
無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于不同資源子網(wǎng)的各類傳感節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳 輸協(xié)作處理方法有以下步驟-
步驟l)節(jié)點功能劃分與類別確定。本發(fā)明所涉及的傳感節(jié)點具體如下 普通傳感節(jié)點由于傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的溫度、光度與濕度傳感器在體 積與能耗上都遠遠小于無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)中多媒體傳感器的體積與能耗，所
以可以將上述三類傳感器集成于普通傳感節(jié)點之上，采用溫度傳感器DS18B20、 光度傳感器LX1970以及濕度傳感器HS1101。普通傳感節(jié)點完成的功能是通過 LEACH算法自組織地建簇并采集周圍環(huán)境中的溫度、光度與濕度信息。通過判斷 節(jié)點能量剩余來選擇簇頭，響應(yīng)簇內(nèi)其他普通節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸請求，并將同類的 鄰居簇頭發(fā)送來的環(huán)境數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。
音頻傳感節(jié)點集成小型音頻捕獲設(shè)備，如麥克風或麥克風陣列的音頻傳感 節(jié)點，負責收集周圍環(huán)境的音頻信息，采用微機電式(MEMS)集成硅微型麥克風 MSM2C-S4045。啟動后處于節(jié)能休眠狀態(tài)，由遠程控制中心發(fā)出的信號激活并轉(zhuǎn)入 音頻捕獲狀態(tài)，在有限時間階段內(nèi)捕獲定長的音頻模擬信號，經(jīng)過節(jié)點自身的模 數(shù)轉(zhuǎn)換模塊處理后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并對其壓縮編碼后傳送給無線通信模塊返回。
視頻傳感節(jié)點集成了微型攝像頭，一方面負責錄制監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的視頻信息， 另一方面可以將工作模式切換為拍攝實時圖像，同時兼?zhèn)淞司W(wǎng)絡(luò)快照的功能，采 用GXT-M201串口視頻模塊。如果布置視頻傳感節(jié)點的區(qū)域內(nèi)，對監(jiān)測的時間連續(xù)性要求不是非常高，為了使整體網(wǎng)絡(luò)運行順暢無無誤，可以進入快照模式，視 頻節(jié)點只傳回監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的現(xiàn)場圖像信息，以滿足普通監(jiān)測的需求，其工作方式 與音頻節(jié)點相同。
多媒體簇頭節(jié)點是獨立于多媒體傳感器節(jié)點而存在的，本身并不攜帶任何 傳感器的節(jié)點。它負責管理自組織區(qū)域內(nèi)的視頻傳感節(jié)點與音頻傳感節(jié)點的工作 情況。并將其返回的音頻、視頻或圖像信息傳給的下一個多媒體簇頭節(jié)點，最終 將全部信息匯聚于基站節(jié)點，不會影響普通傳感節(jié)點的工作。正常工作模式下一 個簇頭節(jié)點控制本簇內(nèi)一定數(shù)量的多媒體傳感節(jié)點，具體數(shù)量由實際情況而定。
這里的簇頭節(jié)點即多媒體簇頭節(jié)點，它與普通傳感節(jié)點通過LEACH算法自組織地 選舉出的簇頭并不是同類節(jié)點。簇頭本身屬于普通傳感節(jié)點，而簇頭節(jié)點即多媒 體簇頭節(jié)點則是獨立于多媒體傳感節(jié)點與普通傳感節(jié)點的另一種處理節(jié)點，對本 簇內(nèi)多媒體傳感節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)流進行融合后傳回基站節(jié)點。
基站節(jié)點負責匯聚簇頭節(jié)點與普通傳感節(jié)點的簇頭傳回的環(huán)境數(shù)據(jù)，并與 接入節(jié)點實現(xiàn)通信，其本身也不攜帶傳感器。從無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的整體來 看，基站節(jié)點負責將大面積異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的各類數(shù)據(jù)融合匯總，并將其根據(jù)不同實 際應(yīng)用需求分類后送入接入節(jié)點，這對基站節(jié)點的處理器處理能力與能量有很大
的要求，可以選擇16位或更高位的處理器芯片來完成各類數(shù)據(jù)的匯聚工作，而 普通傳感節(jié)點與多媒體傳感以及簇頭節(jié)點都可以采用ATmegal28L處理器芯片。
接入節(jié)點接入節(jié)點實際上是連接無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與因特網(wǎng)的過度紐帶，將 基站節(jié)點匯聚的大量用戶所需的監(jiān)測數(shù)據(jù)信息送入因特網(wǎng)實現(xiàn)與遠程應(yīng)用終端 或信息控制中心的信息交互。加入接入節(jié)點的目的實際也是為了減輕基站節(jié)點的 復雜度與工作量，具體可以采用無線或有線的方式來接入Internet。
步驟2)通信協(xié)議與通信方式的確定。IEEE 802. 15系列標準由IEEE協(xié)會的 無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(Wireless Personal Area Network, WPAN)工作組主導制定。 該系列標準主要應(yīng)用于小范圍的無線網(wǎng)絡(luò)，其中IEEE802. 15. 4協(xié)議滿足OSI-RM (開放系統(tǒng)互連參考模型)標準，定義了 MAC (媒體接入控制)層和PHY (物理) 層協(xié)議，基于IEEE802. 15. 4通信協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)廉價、簡單、功耗低， 同時支持無線安全通信，基于該協(xié)議的Zigbee技術(shù)目前支持的最高速率為 250kbps。 Zigbee技術(shù)標準在設(shè)計過程中專門考慮了傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用要求，在 功耗方面、同步技術(shù)上以及安全問題方面都作了充分的考慮。超寬帶(Ultra Wide Band, UWB)技術(shù)，最早研究短距離高速無線連接問題， 該項技術(shù)在通信領(lǐng)域的應(yīng)用主要是組建無線個人局域網(wǎng)(WPAN)和無線多媒體網(wǎng) 絡(luò)。各種數(shù)字多媒體設(shè)備可根據(jù)需要,在小范圍內(nèi)組成自組織式的網(wǎng)絡(luò)，距離在 10m以內(nèi)相互傳送多媒體數(shù)據(jù)，UWB技術(shù)在采用無載波脈沖方式時，具有很強的穿 透能力，因此廣泛應(yīng)用于探測成像設(shè)備。802.15.3a工作組的任務(wù)就是設(shè)計基于 UTO的高數(shù)據(jù)傳輸率的物理層協(xié)議。2003年7月，802. 15. 4a工作組成立，其主 要工作是定義支持低速率的UTO系統(tǒng)的標準。2005年1月，在美國加州Monterey 舉行的IEEE 802. 15無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(WP認)中期會議中，共有26項提案被 正式公開發(fā)表在802. 15. 4a WPAN標準化會議上。
普通傳感節(jié)點之間的通信是基于802. 15. 4通信協(xié)議的Zigbee通信技術(shù)，使 用的是Chipcon公司的短距離無線RF模塊CC2420 ，工作頻段為 2400MHz-2483.5MHz。多媒體傳感節(jié)點包括視頻傳感節(jié)點和音頻傳感節(jié)點。多媒 體簇頭與自身管理的簇內(nèi)各個多媒體傳感節(jié)點之間的通信是基于UWB通信技術(shù)， 使用的是Freescale公司生產(chǎn)的XS110通信模塊，XS110芯片組使用DS-UWB方 案，每秒數(shù)據(jù)率可達110Mbit，可在10米范圍內(nèi)進行多條高清晰音、視頻流傳 輸。多媒體簇頭節(jié)點之間的通信也是基于802. 15. 4的Zigbee通信技術(shù)，使用的 是nanotron technologies公司生產(chǎn)的nanopan 5361 2. 4GHz ISM頻段RF模塊， 基于該公司專有的ccs技術(shù)，支持長距離高數(shù)據(jù)率，具有更高的性能。nanopan 5361包含了無線nanonet節(jié)點完整的RF部分，可降低開發(fā)風險縮短面市時間， 該產(chǎn)品的內(nèi)核為nanonet trx收發(fā)器芯片，可在戶外900m和室內(nèi)60m范圍內(nèi)提 供2mbit/s的數(shù)據(jù)率?；竟?jié)點與接入節(jié)點之間使用的是基于WLAN技術(shù)的無線 網(wǎng)卡。
步驟3)合理的節(jié)點投置方案。無線信號的強度隨著通信距離的增加而不斷 衰減，這就必然導致通信強度與速率的降低，種種制約因素使得大規(guī)模無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)對節(jié)點的投置的密集程度有了特殊的要求。節(jié)點之間如果距離過近必然導 致硬件資源的浪費與網(wǎng)絡(luò)擁塞的發(fā)生，既會影響能源消耗，又會影響網(wǎng)絡(luò)資源的 使用；反之，如果節(jié)點之間的距離過遠則不但會出現(xiàn)監(jiān)測盲區(qū)而且會影響網(wǎng)絡(luò)數(shù) 據(jù)的正確性，使誤碼率大大增加。因此，如何有效而合理地投置節(jié)點就成為了制 約WSN整體性能的因素之一。符合本數(shù)據(jù)處理方法的普通傳感節(jié)點之間與多媒體 簇頭節(jié)點之間的參考投置距離是在節(jié)點實際通信距離的范圍，即一跳通信范圍以內(nèi)，而大于一跳距離的三分之二；對于簇頭節(jié)點與本簇內(nèi)的多媒體傳感節(jié)點間的 投置距離是在符合UWB標準的10米范圍以內(nèi)。合理的節(jié)點投置方案有利于全網(wǎng) 絡(luò)資源的合理分配，使得各個節(jié)點可以更為簡單的利用自組織算法來計算出鄰居 節(jié)點的位置并盡可能地避免重復路由的建立，最終達到各個節(jié)點將采樣數(shù)據(jù)順暢 地傳輸回基站節(jié)點的目的。而在實際應(yīng)用中，同類節(jié)點只轉(zhuǎn)發(fā)同類節(jié)點之間的數(shù) 據(jù)，對于其異類節(jié)的不符合"同同條件"的其它數(shù)據(jù)信號則不做出響應(yīng)。具體的 各類節(jié)點投布密度還需要以實際應(yīng)用的需求來決定，節(jié)點數(shù)量既不是越多越好也 不是越少越好。
在搭建起該無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)后，各個節(jié)點之間相互協(xié)作，共同完成用 戶對于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息采集的需求。在正常情況下，普通傳感節(jié)點均勻的分布在監(jiān) 測區(qū)域，通過特定的算法與條件來選舉出簇頭，而多媒體簇頭節(jié)點則通過自組織 算法控制本簇內(nèi)的視頻與音頻傳感節(jié)點。普通傳感節(jié)點的簇頭之間以及簇頭節(jié)點 之間互相建立通信，傳遞從基站節(jié)點發(fā)來的控制指令，最終將指令下發(fā)到隸屬于 某個簇頭或簇頭節(jié)點管理的具體的傳感節(jié)點上，使其工作于相應(yīng)的工作模式之 下。多媒體傳感節(jié)點將采樣的數(shù)據(jù)無線傳輸給簇頭節(jié)點即多媒體簇頭節(jié)點，再由 簇頭節(jié)點逐個轉(zhuǎn)發(fā)回基站節(jié)點，普通傳感節(jié)點也將采樣的環(huán)境數(shù)據(jù)傳給簇頭，再 由簇頭建立起動態(tài)鏈路將信息發(fā)回基站節(jié)點，并由基站通過接入節(jié)點送入因特網(wǎng) 供各種遠程終端使用?；竟?jié)點和接入節(jié)點連接后將匯聚的大量環(huán)境數(shù)據(jù)信息通 過接入節(jié)點送入因特網(wǎng)并由信息控制中心遠程操控?？偟膩碚f，普通傳感節(jié)點之 間通過自組織方式建立路由，而簇頭節(jié)點之間建立通信的同時每個簇頭節(jié)點還需 要控制其自身管理的臨近區(qū)域內(nèi)的多媒體傳感節(jié)點并及時響應(yīng)簇內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸請 求?；竟?jié)點需要同時兼容基于Zigbee與WLAN的節(jié)點數(shù)據(jù)通信。接入節(jié)點再將 數(shù)據(jù)送入因特網(wǎng)傳給遠程信息控制中心或其他遠程應(yīng)用設(shè)備。
步驟4)冗余數(shù)據(jù)的過濾。 一種可行的視頻及音頻處理方案是帶采樣時間間 隔幀的數(shù)據(jù)融合技術(shù)。在簇間距相對較近的情況下，各個多媒體簇頭節(jié)點在轉(zhuǎn)發(fā) 其鄰居簇頭節(jié)點傳送來的圖像信息時，對于具有相同時間間隔幀的數(shù)據(jù)，即采樣 時間間隔存在交集，可以丟棄自身所在簇內(nèi)的多媒體傳感節(jié)點采樣到的圖像信 息，只轉(zhuǎn)發(fā)鄰居簇頭節(jié)點傳送來的圖像數(shù)據(jù)，如圖4所示。對于視頻信息，除了 人為地指定視頻錄制的時間以外，也可以同樣限定某一較大的時間間隔幀，本簇 的簇頭節(jié)點同樣丟棄鄰居簇頭節(jié)點傳送來的時間間隔存在交集的視頻數(shù)據(jù)，音頻數(shù)據(jù)也可以延用視頻數(shù)據(jù)流的處理方法。例如某簇頭節(jié)點收到本簇群內(nèi)的視頻傳 感節(jié)點發(fā)來的傳輸請求報文后檢驗其時間間隔幀，如果該幀內(nèi)的時間間隔與當前 自己正在轉(zhuǎn)發(fā)的相鄰簇頭節(jié)點的數(shù)據(jù)攜帶的時間間隔幀內(nèi)容有交集，那么就不響 應(yīng)自身簇群內(nèi)視頻節(jié)點的傳輸請求。如果已經(jīng)響應(yīng)了本簇內(nèi)的傳輸請求，先判斷 鄰居簇頭節(jié)點后繼發(fā)來的數(shù)據(jù)傳輸請求信號中的時間間隔幀，如兩者存在交集則 不響應(yīng)鄰居簇頭的數(shù)據(jù)傳輸請求，該種情況下即將轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的鄰居簇頭節(jié)點尋找 另一個簇頭節(jié)點作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的中繼?？梢愿鶕?jù)實際應(yīng)用需求來選擇使用該方 法，以避免在監(jiān)測時間連續(xù)性要求較低的情況下，重復圖像或視頻、音頻的出現(xiàn)。 以下舉例說明。
在鄰居簇頭節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)和本簇內(nèi)其他多媒體傳感節(jié)點發(fā)來的傳輸請 求并發(fā)的情況下，假設(shè)本簇群內(nèi)簇頭節(jié)點優(yōu)先相應(yīng)鄰居簇頭節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)請 求。當前簇頭節(jié)點正在轉(zhuǎn)發(fā)或正要轉(zhuǎn)發(fā)的多媒體數(shù)據(jù)首部時間間隔幀內(nèi)容為9: 30 9: 40，采樣時長為IO分鐘。與此同時，該簇頭節(jié)點接收到本簇群內(nèi)的多媒
體傳感節(jié)點的傳出請求，時間間隔幀內(nèi)容為9: 36 9: 46，對比先后兩個時間 間隔幀內(nèi)容從9: 36到9: 40是共有時間間隔，則認為該兩組數(shù)據(jù)的時間間隔幀
存在交集。另外，用戶可以自主地選擇是否啟用該種數(shù)據(jù)過濾方法。在節(jié)點密度 較大時，冗余時間數(shù)據(jù)的重復出現(xiàn)不僅對于監(jiān)測沒有顯著的幫助，反而會極大地 占據(jù)網(wǎng)絡(luò)帶寬，造成傳輸時延。
如圖3所示，在釆樣到原始的圖像數(shù)據(jù)后先對其進行圖像壓縮(可以采用 JPEG壓縮)，再對壓縮后的圖像數(shù)據(jù)進行編碼，在編碼后所得的數(shù)據(jù)幀隊列前 插入本地采樣時間間隔幀，最后通過視頻節(jié)點上集成的UWB通信模塊發(fā)送給簇頭 節(jié)點。讀取該時間間隔數(shù)據(jù)后在節(jié)點的傳輸請求報文中也加入時間間隔幀，以滿 足實際的通信需求。
步驟5)退避式信道監(jiān)測與碰撞避免。該方法的提出是受到基于TCP/IP協(xié) 議的數(shù)據(jù)總線上的載波監(jiān)聽、多點接入/沖突檢測技術(shù)的啟發(fā)。此方法有效避免 了節(jié)點能量與傳輸?shù)却龝r間的損耗，各個節(jié)點只需在進行數(shù)據(jù)傳輸前先監(jiān)測當前 信道中是否有同通信協(xié)議與相同數(shù)據(jù)包格式的數(shù)據(jù)信息，如果有就停止發(fā)送，等 待一定時間以后再重復監(jiān)測，直到某一時間點時信道內(nèi)沒有同協(xié)議同數(shù)據(jù)包格式 的數(shù)據(jù)便立即進行數(shù)據(jù)發(fā)送。這里強調(diào)的相同通信協(xié)議與相同格式的數(shù)據(jù)信息是 有一定原因的，在普適計算環(huán)境中無線電波及其他各種信號無所不在、無時不有，但具體通信格式都會根據(jù)實際應(yīng)用而有所不同。處于監(jiān)聽狀態(tài)下的傳感節(jié)點無時 不刻都處在接受狀態(tài)，所以辨別接受到的數(shù)據(jù)是否是與自身網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的數(shù)據(jù)就尤 為重要了。當監(jiān)測到符合本系統(tǒng)定義的數(shù)據(jù)幀格式數(shù)據(jù)時才對接收到的數(shù)據(jù)進行 分析與處理，而對于接收到的不符合本系統(tǒng)數(shù)據(jù)格式的其他數(shù)據(jù)就可以丟棄而不 做任何處理。在本網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點都處于正常工作模式下，當多媒體簇頭節(jié)點接 收到普通傳感節(jié)點的數(shù)據(jù)時就可以丟棄，只有接收到本簇內(nèi)多媒體傳感節(jié)點或鄰 居簇頭節(jié)點的數(shù)據(jù)時才做出響應(yīng)，如此來實現(xiàn)不同通信協(xié)議的不同傳感節(jié)點工作 于同一主干網(wǎng)絡(luò)之下而互不干擾?；竟?jié)點對處理能力有較高的要求就是為了滿 足能同時響應(yīng)龐大的數(shù)據(jù)傳輸請求。
本方法的流程如圖4所示。簇內(nèi)傳感節(jié)點處于正常工作狀態(tài)時，首先由嵌入 式程序預定義計數(shù)器l、 2、 3并初始化。定義三個常數(shù)滿足常數(shù)l、 2、 3依次增 大。該方法開始后，首先判斷計數(shù)器2的值是否小于常數(shù)2，如果大于則跳出； 反之，先使自身節(jié)點進入接收狀態(tài)，然后判斷是否接收到同通信協(xié)議同數(shù)據(jù)格式 的數(shù)據(jù)，如果滿足以上"同同條件"則必然會接收到一定數(shù)量的前導碼，該前導 碼可以根據(jù)實際應(yīng)用而定。如果沒有接收到符合應(yīng)用需求的特定格式的前導碼， 就清零計數(shù)器l，并計數(shù)器2加1;反之，計數(shù)器l加l。當接收不到任何符合 應(yīng)用需求的前導碼信息，即信道空閑時計數(shù)器2會一直累加直到等于常數(shù)2后跳 出監(jiān)聽程序，再轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)發(fā)送。以上步驟完成后判斷是否接收到常數(shù)1個前導碼， 如果否，則不做任何操作；反之，計數(shù)器2清零，即接收到大于常數(shù)1個前導碼 后就代表此時信道中有符合"同同條件"的數(shù)據(jù)傳輸，為了避免碰撞的產(chǎn)生，將 計數(shù)器2清零，在完成后續(xù)操作后重新返回START并判斷計數(shù)器2的值。之后計 數(shù)器3加1，再判斷計數(shù)器3是否大于常數(shù)3，如果不大于就返回程序首部；反 之，跳出終止。有如下特殊情況存在，能監(jiān)測到網(wǎng)絡(luò)中存在前導碼，但數(shù)量小于 自定義的常數(shù)l，整個監(jiān)聽程序只會使計數(shù)器l累加，計數(shù)器2的值始終為0無 法成為程序跳出的判斷條件。所以計數(shù)器3就成為了該種特殊情況下跳出監(jiān)聽程 序的關(guān)鍵，并且跳出后不再轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)而直接終止本次操作。計數(shù)器1 為前導碼計數(shù)器，負責累計接收到的前導碼的數(shù)量。計數(shù)器2是單次監(jiān)聽次數(shù)計 數(shù)器，主要限制監(jiān)聽次數(shù)。計數(shù)器3為強制退出計數(shù)器，負責特殊情況下強制退 出監(jiān)聽程序的功能，是計數(shù)器2以外的確保程序安全避免程序陷入死循環(huán)的計數(shù) 器。
權(quán)利要求
1.一種多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)作處理方法，其特征在于該方法的步驟如下步驟1)節(jié)點功能劃分與類別確定無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點按照不同功能可以劃分為普通傳感節(jié)點(1)負責采集溫度、光度與濕度環(huán)境信息；視頻傳感節(jié)點(2)捕獲環(huán)境動態(tài)視頻信息和圖像信息；音頻傳感節(jié)點(3)采集環(huán)境音頻信息；簇頭節(jié)點(4)負責管理臨近區(qū)域內(nèi)的視頻與音頻傳感節(jié)點，響應(yīng)其傳輸請求；基站節(jié)點(5)匯聚不同種類傳感節(jié)點發(fā)回的信息；接入節(jié)點(6)將環(huán)境信息接入因特網(wǎng)，傳給遠程終端；步驟2)通信協(xié)議與通信方式的確定無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點間按照不同通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)通信，普通傳感節(jié)點之間使用ZigBee技術(shù)通信，多媒體傳感節(jié)點與簇頭節(jié)點間采用UWB技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)，簇頭節(jié)點之間也通過基于IEEE802.15.4a的Zigbee技術(shù)實現(xiàn)交互，基站節(jié)點需要同時支持Zigbee與WLAN，接入節(jié)點使用TCP/IP協(xié)議接入因特網(wǎng)并通過WLAN與基站節(jié)點通信；步驟3)合理的節(jié)點投置方案在傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的合理布置，既有利于整體網(wǎng)絡(luò)動態(tài)拓撲結(jié)構(gòu)的建立與維護，又有利于網(wǎng)絡(luò)中各類節(jié)點互相協(xié)作完成網(wǎng)絡(luò)提供的各種功能；步驟4)冗余數(shù)據(jù)的過濾無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)具有很大的冗余性和時空關(guān)聯(lián)性，通過在編碼過程中加入時間間隔幀來過濾去可能的具有冗余信息的環(huán)境數(shù)據(jù)，以達到減輕網(wǎng)絡(luò)負擔精簡監(jiān)測數(shù)據(jù)的效果；節(jié)點通過檢查數(shù)據(jù)首部的時間間隔幀內(nèi)容來判斷先后傳送的兩項數(shù)據(jù)是否存在時間交集，來實現(xiàn)冗余重復數(shù)據(jù)的過濾；步驟5)信道監(jiān)測與碰撞避免無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的某個節(jié)點完成采樣數(shù)據(jù)后先檢測當前網(wǎng)絡(luò)中的信道占用情況，再根據(jù)實際的網(wǎng)絡(luò)使用情況來判斷此時此刻自身能否占用網(wǎng)絡(luò)帶寬，進行數(shù)據(jù)通信；避免了因為輪詢或其他方法而造成的不必要的等待時延。
全文摘要
多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)作處理方法主要涉及到了一種傳感器節(jié)點之間處理冗余的環(huán)境數(shù)據(jù)與合理地占用網(wǎng)絡(luò)資源的方法。該種數(shù)據(jù)處理方法基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的異構(gòu)性，要求節(jié)點功能盡可能地分散，劃分為普通傳感節(jié)點1、視頻傳感節(jié)點2、音頻傳感節(jié)點3、多媒體簇頭節(jié)點4、基站節(jié)點5以及接入節(jié)點6。既節(jié)約了能耗，又可以在無線網(wǎng)絡(luò)中構(gòu)建功能分散式協(xié)作處理機制，使得整體網(wǎng)絡(luò)中的異類節(jié)點間互不干擾，易于維護；同類節(jié)點間可以互相協(xié)作更為合理地占用網(wǎng)絡(luò)資源，更為有效地滿足實際應(yīng)用需求。
文檔編號H04L12/28GK101304386SQ200810124150
公開日2008年11月12日 申請日期2008年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月13日
發(fā)明者凡高娟, 寧 葉, 孫力娟, 李文鋒, 超 沙, 焰 熊, 王汝傳, 王玉斐, 志 陳, 陳庭德, 魏燁嘉, 黃海平 申請人:南京郵電大學