一种基于无线传感器网络的信号探测采集方法及系统

1.一种基于无线传感器网络的信号探测采集方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)作为信号探测采集的装置以终端方式接入无线传感器网络的中心网关设备，实施获取网络拓扑命令；
2)设置数据缓冲区，存储整个网络拓扑结构路由表；
3)在设定的时间段内根据多次网络拓扑结构的采样数据，确定无线传感器网络内各个设备ZIGBEE无线信号强度以及网络拓扑关系，并进行排序，组合，绘制该时间段内平均网络拓扑矢量图；
4)在装置面板上的LCD显示屏上输出该网络拓扑矢量图，同时显示各个设备的ZIGBEE无线信号强度、MAC地址、网络ID、丢包率、在网时长、掉线次数；
5)将无线传感器网络内各个设备的LQI、MAC地址、网络ID、丢包率、在网时长、掉线次数信息打包，本地存储同时通过WIFI或3G无线链路上传到网络监控平台；
6)利用各个设备的LQI、MAC地址、网络ID、丢包率、在网时长、掉线次数信息，确定无线传感器网络工作状况，优化网络拓扑结构；
确定无线传感器网络工作状况，优化网络拓扑结构具体为：所述LQI、丢包率、掉线次数均为ZIGBEE协议栈的内容，通过ZIGBEE协议栈的API函数调用在ZIGBEE网关设备获得，LQI值越低，说明信号强度越低，当LQI值低于设定值时，则需要绕过遮挡物，或者缩短节点设备到上级路由设备的距离甚至重新部署该节点设备；如果LQI值高但丢包率大或掉线次数多时，说明存在其他无线设备干扰，需要选择其他频道避开干扰源；
所述LQI值范围为0-255,0表示信号强度最小，255表示信号强度最大；如果LQI值较低，说明信号强度低，则需要绕过遮挡物，或者缩短节点设备到上级路由设备的距离甚至重新部署该节点设备；如果LQI值高但丢包率较大或掉线次数较多，说明存在其他无线设备干扰，需要选择其他频道避开干扰源；若丢包率用Los表示，单位时间掉线次数用Dc表示，可疑度用Q表示，则可疑度计算公式为：Q＝LQI–Los×1000-Dc×10，设置告警阀值条件为
30，即若Q>30，则网络状况满足正常工作要求，不列入告警名单；若Q<30，则网络状况低于正常工作要求，需要重新规划设备位置，并写入告警名单；
7)对于ZIGBEE无线信号强度较弱，丢包率或掉线次数较多的网内无线传感设备，在LCD屏幕上产生告警信息，同时支持将确定的告警消息发送到网络监控平台进行分析处理。
2.一种实现权利要求1所述方法的系统，其特征在于，包括以下模块：
(1)信号采集模块：从无线传感器网络实时获取网络拓扑结构路由表，数据打包后发送到以下的业务模块；
(2)业务模块：负责接收信号采集模块的消息并进行处理，其处理分为三部分：解析网络拓扑结构路由表、绘制网络拓扑矢量图和确定告警设备，然后将处理后的数据发送给显示模块和网络模块；
(3)显示模块：显示网络拓扑矢量图、无线传感器网络设备信息、告警信息；显示模块接收到业务模块处理后的数据，包括无线传感器网络设备信息、网络拓扑矢量图、告警信息，根据系统预设时间进行动态屏幕刷新；
(4)网络模块：网络模块采用TD-SCDMA3G模块，TD-SCDMA3G模块上行和下行对称，使用智能天线；网络模块将业务模块产生的信息发送给网络监控平台；
所述信号采集模块和业务模块通过USB总线连接，业务模块和网络模块通过TCP/IP方式相互连接，业务模块和显示模块通过LCD接口连接；
所述业务模块的告警设备分析为：如无线传感器网络内某设备距离远或者有遮挡导致LQI值低于设定值时，系统通过对网络拓扑结构路由表中相邻节点LQI相关性进行综合分析，同时计算可疑度，比较事先设置的相关阀值条件，将满足条件的设备ID写入告警名单；
所述LQI值范围为0-255,0表示信号强度最小，255表示信号强度最大；如果LQI值较低，说明信号强度低，则需要绕过遮挡物，或者缩短节点设备到上级路由设备的距离甚至重新部署该节点设备；如果LQI值高但丢包率较大或掉线次数较多，说明存在其他无线设备干扰，需要选择其他频道避开干扰源；若丢包率用Los表示，单位时间掉线次数用Dc表示，可疑度用Q表示，则可疑度计算公式为：Q＝LQI–Los×1000-Dc×10，设置告警阀值条件为
30，即若Q>30，则网络状况满足正常工作要求，不列入告警名单；若Q<30，则网络状况低于正常工作要求，需要重新规划位置，并写入告警名单。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述信号采集模块和无线传感器网络的网关设备连接，实时获取无线传感器网络上的网络拓扑结构路由表数据，同时对网络拓扑结构路由表数据进行解析，在接收到某个路由通道的ID、MAC、LQI时，将消息数据放置到数据缓冲区，然后对数据缓冲区消息数据中该路由通道绘制网络拓扑矢量图，将消息数据打包并发送到网络模块。

一种基于无线传感器网络的信号探测采集方法及系统\n技术领域\n[0001] 本发明属于物联网领域，涉及一种信号探测采集方法及系统，尤其是一种基于无线传感器网络的信号探测采集方法及系统。\n背景技术\n[0002] 近年来随着物联网行业的快速发展，无线传感器网络络设备在中国发展蔓延，特别是最近这两年，借助于3G移动通信网络的迅速发展蔓延，移动互联网和物联网也逐渐形成一种融合趋势。随着无线传感器网络络的使用日趋广泛，对无线传感器网络络的信号探测采集设备以及动态绘制网络拓扑矢量图的需求也越来越多。\n[0003] 目前无线传感器网络络信号的探测采集的主要手段是通过专业ZIGBEE信号采集仪表逐个检测信号覆盖内无线传感器网络络设备。\n[0004] 目前现有的无线传感器网络络信号的探测采集技术存在以下缺点：\n[0005] 1、使用方式复杂，需要相关专业技术人员；\n[0006] 2、专业检测仪表使用成本高；\n[0007] 3、难以有效快速绘制网络拓扑矢量图；\n[0008] 4、无法将检测结果快速上传到网络监控平台。\n发明内容\n[0009] 本发明的目的在于针对无线传感器网络络的特征，设计一种基于无线传感器网络的信号探测采集装置，其通过接入无线传感器网络的中心网关设备，在线实时获取网络拓扑结构路由表，对网络拓扑结构路由表中的ID、MAC地址、LQI等进行分析采样，绘制网络拓扑矢量图，生成告警信息等活动，确定现有无线传感器网络络拓扑结构是否存在信号盲区及故障设备，系统能够在信号探测采集完毕后，及时通过3G移动通信网络将采样数据、网络拓扑矢量图和告警信息等上传到网络监控平台，以进行更深层次的决策处理。\n[0010] 本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：\n[0011] 本发明的该种基于无线传感器网络的信号探测采集方法，包括以下步骤：\n[0012] 1)作为信号探测采集的装置以终端方式接入无线传感器网络的中心网关设备，实施获取网络拓扑命令；\n[0013] 2)设置数据缓冲区，存储整个网络拓扑结构路由表；\n[0014] 3)在设定的时间段内根据多次网络拓扑结构的采样数据，确定无线传感器网络内各个设备ZIGBEE无线信号强度以及网络拓扑关系，并进行排序，组合，绘制该时间段内平均网络拓扑矢量图；\n[0015] 4)在装置面板上的LCD显示屏上输出该网络拓扑矢量图，同时显示各个设备的ZIGBEE无线信号强度、MAC地址、网络ID、丢包率、在网时长、掉线次数；\n[0016] 5)将各无线传感器网络内各个设备的LQI、MAC地址、网络ID、丢包率、在网时长、掉线次数信息打包，本地存储同时通过WIFI或3G无线链路上传到网络监控平台；\n[0017] 6)利用各个设备的LQI、MAC地址、网络ID、丢包率、在网时长、掉线次数信息，确定无线传感器网络络工作状况，优化网络拓扑结构；\n[0018] 7)对于ZIGBEE无线信号强度较弱，丢包率或掉线次数较多的网内无线传感设备，在LCD屏幕上产生该设备的告警信息，同时支持将确定的告警消息发送到网络监控平台进行分析处理。\n[0019] 进一步，上述步骤6)中，确定无线传感器网络络工作状况，优化网络拓扑结构具体为：所述LQI、丢包率、掉线次数均为ZIGBEE协议栈的内容，通过ZIGBEE协议栈的API函数调用在ZIGBEE网关设备获得，LQI值越低，说明信号强度越低，当LQI值低于设定值时，则需要绕过遮挡物，或者缩短节点设备到上级路由设备的距离甚至重新部署该节点设备；如果LQI值高但丢包率大或掉线次数多时，说明该区域存在其他无线设备干扰，需要选择其他频道避开干扰源。\n[0020] 本发明还提出一种实现上述方法的系统，包括以下模块：\n[0021] (1)信号采集模块：从无线传感器网络实时获取网络拓扑结构路由表，数据打包后发送到以下的业务模块；\n[0022] (2)业务模块：负责接收信号采集模块的消息并进行处理，其处理分为三部分：解析网络拓扑结构路由表、绘制网络拓扑矢量图和确定告警设备，然后将处理后的数据发送给显示模块和网络模块；\n[0023] (3)显示模块：显示网络拓扑矢量图、无线传感器网络设备信息、告警信息；显示模块接收到业务模块处理后的数据，包括无线传感器网络设备信息、网络拓扑矢量图、告警信息消息，根据系统预设时间进行动态屏幕刷新；\n[0024] (4)网络模块：网络模块采用TD-SCDMA 3G模块，其具有上下行对称，使用智能天线；网络模块将业务模块产生的信息发送给网络监控平台；网络监控平台是系统外的设备，是一台数据服务器，用来接收该装置通过网络模块发送的数据包；\n[0025] 所述信号采集模块和业务模块通过USB总线连接，业务模块和网络模块通过TCP/IP方式相互连接，业务模块和显示模块通过LCD接口连接。\n[0026] 上述信号采集模块和无线传感器网络的网关设备连接，实时获取无线传感器网络上的网络拓扑结构路由表数据，同时对网络拓扑结构路由表数据进行解析，在接收到某个路由通道的ID、MAC、LQI时，将消息数据放置到数据缓冲区，然后对数据缓冲区信息中该通道绘制网络拓扑矢量图，将消息数据打包并发送到网络模块。\n[0027] 上述业务模块的告警设备分析为：如无线传感器网络内某设备距离远或者有遮挡导致LQI值低于设定值时，系统通过对网络拓扑结构路由表中该设备相邻节点LQI相关性进行综合分析，同时计算可疑度，比较事先设置的相关阀值条件，将满足条件的设备ID写入告警名单。LQI值范围为0-255,0表示信号强度最小，255表示信号强度最大；如果LQI值较低，说明信号强度低，则需要绕过遮挡物，或者缩短节点设备到上级路由设备的距离甚至重新部署该节点设备；如果LQI值高但丢包率较大或掉线次数较多，说明该区域存在其他无线设备干扰，需要选择其他频道避开干扰源；若该设备丢包率用Los表示，该设备单位时间(小时)掉线次数用Dc表示，可疑度用Q表示，则可疑度计算公式为：Q＝LQI–Los*1000-Dc*10，设置告警阀值条件为30，即若Q>30，则该设备网络状况满足正常工作要求，不列入告警名单；若Q<30，则该设备网络状况低于正常工作要求，需要重新规划该设备位置，并写入告警名单。\n[0028] 本发明具有以下有益效果：\n[0029] 本发明针对无线传感器网络络的特征，设计了一种基于无线传感器网络的信号探测采集装置，其通过接入无线传感器网络的中心网关设备，在线实时获取网络拓扑结构路由表，对网络拓扑结构路由表中的ID、MAC地址、LQI等数据进行分析采样，绘制网络拓扑矢量图，生成告警信息等活动，确定现有无线传感器网络络拓扑结构是否存在信号盲区及故障设备，系统能够在信号探测采集完毕后，及时通过3G移动通信网络将采样数据、网络拓扑矢量图和告警信息等上传到网络监控平台，以进行更深层次的决策处理。\n附图说明\n[0030] 图1为本发明系统的结构示意图；\n[0031] 图2为本发明系统的整体工作流程图；\n[0032] 图3为本发明业务模块的工作流程图；\n具体实施方式\n[0033] 本发明属于物联网领域，涉及一种基于无线传感器网络的信号探测采集装置，具体包括以下步骤：\n[0034] 1)作为信号探测采集的装置以终端方式接入无线传感器网络的中心网关设备，实施获取网络拓扑命令；\n[0035] 2)设置数据缓冲区，存储整个网络拓扑结构路由表；\n[0036] 3)在一定时间段内根据多次网络拓扑结构的采样数据，确定无线传感器网络内各个设备ZIGBEE无线信号强度以及网络拓扑关系，并进行排序，组合，绘制该时间段内平均网络拓扑矢量图；\n[0037] 4)在装置面板上的LCD显示屏上输出该网络拓扑矢量图，同时显示各个设备的ZIGBEE无线信号强度、LQI、MAC地址、网络ID、丢包率、在网时长、掉线次数信息；\n[0038] 5)将各无线传感器网络内各个设备的LQI、MAC地址、网络ID、丢包率、在网时长、掉线次数等信息打包，本地存储同时通过WIFI或3G无线链路上传到网络监控平台；\n[0039] 6)利用各个设备的LQI、MAC地址、网络ID、丢包率、在网时长、掉线次数等信息，确定无线传感器网络络工作状况，优化网络拓扑结构。其中确定无线传感器网络络工作状况，优化网络拓扑结构具体为：所述LQI、丢包率、掉线次数均为ZIGBEE协议栈的内容，通过ZIGBEE协议栈的API函数调用在ZIGBEE网关设备获得，LQI值越低，说明信号强度越低，当LQI值低于设定值时，则需要绕过遮挡物，或者缩短节点设备到上级路由设备的距离甚至重新部署该节点设备；如果LQI值高但丢包率大或掉线次数多时，说明该区域存在其他无线设备干扰，需要选择其他频道避开干扰源。\n[0040] 7)对于ZIGBEE无线信号强度较弱，丢包率或掉线次数较多的网内无线传感设备，在LCD屏幕上产生该设备的告警信息，同时支持将确定的告警消息发送到网络监控平台进行分析处理。\n[0041] 本发明提出一种实现上述方法的系统，如图1所示：该系统是由信号采集模块、业务模块、显示模块和网络模块组成，所述信号采集模块和业务模块通过USB总线连接，业务模块和网络模块通过TCP/IP方式相互连接，业务模块和显示模块通过LCD接口连接。该系统的处理流程如图2所示。以下结合附图对组成系统的各模块进行详细说明：\n[0042] (1)信号采集模块\n[0043] 该模块从无线传感器网络实时获取网络拓扑结构路由表，数据打包后发送到以下的业务模块\n[0044] (2)业务模块\n[0045] 如图3，业务模块负责接收信号采集模块的消息并进行处理，其处理分为三部分：\n解析网络拓扑结构路由表、绘制网络拓扑矢量图和确定告警设备，然后将处理后的数据发送给显示模块和网络模块。\n[0046] a)解析网络拓扑结构路由表：将实时从无线传感器网络上获取的网络拓扑结构路由表数据进行解析，在接收到某个路由通道的ID、MAC、LQI时，将消息数据放置到数据缓冲区。\n[0047] b)绘制网络拓扑矢量图：在一定预设时间段内多次动态获取网络拓扑结构的采样数据，经过加权平均值处理后得到有效的网络拓扑结构数据，根据无线传感器网络内各个设备ZIGBEE无线信号强度以及路由关系，以具有相邻路径关系的设备作为相邻节点，以无线信号强度作为它们之间的距离，最后以ID号进行排序并生成网络拓扑矢量图。保存到数据缓冲区中等待显示模块显示或者通过网络模块发送到网络监控平台。其次，绘制网络拓扑矢量图然后对数据缓冲区信息中该通道绘制网络拓扑矢量图，将相关的消息数据打包并发送到网络模块。\n[0048] c)确定告警设备：利用无线传感器网络内某设备如果距离较远或者有信号遮挡将会导致LQI值较低的特点，通过对网络拓扑结构路由表中该设备相邻节点LQI相关性进行综合分析，比较事先设置的相关阀值条件，将满足条件的设备ID写入告警名单。\n[0049] LQI值范围为0-255,0表示信号强度最小，255表示信号强度最大；如果LQI值较低，说明信号强度低，则需要绕过遮挡物，或者缩短节点设备到上级路由设备的距离甚至重新部署该节点设备；如果LQI值高但丢包率较大或掉线次数较多，说明该区域存在其他无线设备干扰，需要选择其他频道避开干扰源；若该设备丢包率用Los表示，该设备单位时间(小时)掉线次数用Dc表示，可疑度用Q表示，则可疑度计算公式为：Q＝LQI–Los*1000-Dc*10，设置告警阀值条件为30，即若Q>30，则该设备网络状况满足正常工作要求，不列入告警名单；若Q<30，则该设备网络状况低于正常工作要求，需要重新规划该设备位置，并写入告警名单。\n[0050] (3)显示模块\n[0051] 显示网络拓扑矢量图、无线传感器网络设备信息、告警信息。显示模块接收到业务模块处理后的数据，包括无线传感器网络设备信息、网络拓扑矢量图、告警信息消息，根据系统预设时间进行动态屏幕刷新。\n[0052] (4)网络模块\n[0053] 网络模块采用TD-SCDMA 3G模块，其具有上下行对称，使用智能天线，网络覆盖范围大，信号稳定等特点，主要功能是将业务模块产生的信息发送给网络监控平台；网络监控平台是系统外的设备，是一台数据服务器，用来接收该装置通过网络模块发送的数据包。\n[0054] 所述信号采集模块和无线传感器网络的网关设备连接，实时获取无线传感器网络上的网络拓扑结构路由表数据，同时对网络拓扑结构路由表数据进行解析，在接收到某个路由通道的ID、MAC、LQI时，将消息数据放置到数据缓冲区，然后对数据缓冲区信息中该通道绘制网络拓扑矢量图，将消息数据打包并发送到网络模块。\n[0055] 综上所述，本发明针对无线传感器网络络的特征，通过接入无线传感器网络的中心网关设备，在线实时获取网络拓扑结构路由表，对网络拓扑结构路由表中的ID、MAC地址、LQI等数据进行分析采样，绘制网络拓扑矢量图，生成告警信息等活动，确定现有无线传感器网络络拓扑结构是否存在信号盲区及故障设备，系统能够在信号探测采集完毕后，及时通过3G移动通信网络将采样数据、网络拓扑矢量图和告警信息等上传到网络监控平台，以进行更深层次的决策处理。