无线传感器网络多协议网关的数据传输方法及网关

1.一种无线传感器网络多协议网关的数据传输方法，其特征在于，包括：
(1)网关设置GPS模块；
(2)网关定时启动GPS模块,再通过GPS模块采集GPS数据；
(3)网关将GPS数据与同步定时采集到的前端网络数据按预定数据格式进行数据整合，若未接收到前端网络数据则只保留GPS数据，同时将前端网络数据错误代码整合，若未采集到GPS数据则只保留前端网络数据，同时把GPS错误代码整合；
(4)建立与后端通信的网络数据链路，将整合后的数据通过所述网络数据链路进行发送；
建立与后端通信的网络数据链路进一步包括：
通过多协议网络方式搜索前端不同结构或协议网络节点信号进行组网操作建立各个前端感知网络，设置相对应所述前端感知网络的各个接收子网关；
设置前端感知网络管理主网关，由该主网关分配给各个接收子网关的路由信息，并在该些接收子网关之间形成并维持彼此路由关系的多路网络以建立各个前端感知网络之间通信；
设置拓扑管理网关，建立前端感知网络与后端设备或网络的通信；
当某个前端感知网络的节点需要进行数据通信时，通过收子网关、前端感知网络管理主网关、及拓扑管理网关建立与后端的路由。
2.如权利要求1所述的数据传输方法，其特征在于，步骤(3)中对多源采集数据采用基于容许函数与接近系数的数据融合算法,对数据进行进一步的处理利用：使用容许函数剔除一致性较差的前端传感器测量的数据,再通过最大最小法构造各传感器测量数据间的接近系数,最后根据各传感器当前时刻接近系数的均值和方差动态分配其加权系数,并利用权值进行加权融合,从而得到最终预传输的前端网络数据。
3.如权利要求2所述的数据传输方法，其特征在于，在对多源采集数据采用基于容许函数与接近系数的数据融合算法之前，先进行以下处理：对服从正态分布的多源采集数据运用格拉布斯法进行异常值数据的判断、区分，检测出异常值数据(粗大误差)剔除，并删除无效无用数据。
4.如权利要求1或2所述的数据传输方法，其特征在于，步骤(2)中GPS模块采集GPS数据之后还包括：
采集数据之后即时通过内置算法把GPS数据转换成自定义的标准GPS数据格式，其中：
GPS的数据原格式为$GPGGA,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,M,<10>,M,<11>,<12>*hh，
然后，将采集到标准GPS数据的同时完成数据的分流，将各类数据按照类别特性归入不同的数据结构表中。
5.如权利要求1或2所述的数据传输方法，其特征在于，网关与后端通信时通过TOS_Msg基本消息来进行通信的，所述TOS_Msg基本消息至少包括目的地址、消息类型、组号及数据域，所述数据域存储单纯数据或嵌套类型消息，整合后的数据放置在所述数据域中。
6.如权利要求1或2所述的数据传输方法，其特征在于，如果此时未发现已建立的后端通讯网络数据链路，则数据进行本地转储，整合数据通过本地数据存储模块控制并存储数据，当网关的控制模组发现后端通讯网络数据链路建立，且本地数据存储为非空状态，则自动把存储的数据一次性上传指定节点，同时清空本地数据存储内容。
7.一种无线传感器网络多协议网关，其特征在于：包括微控制模块、GPS模块、3G通讯模块，其中，
GPS模块：用于定期接收GPS数据；
微控制模块：定时启动GPS模块,再通过GPS模块采集GPS数据，并将GPS数据与同步定时采集到的前端网络数据按预定数据格式进行数据整合，若未接收到前端网络数据则只保留GPS数据，同时将前端网络数据错误代码整合，若未采集到GPS数据则只保留前端网络数据，同时把GPS错误代码整合；
3G通讯模块：用于建立与后端通信的网络数据链路，以便微控制模块将整合后的数据通过所述网络数据链路进行发送；
建立与后端通信的网络数据链路进一步包括：
通过多协议网络方式搜索前端不同结构或协议网络节点信号进行组网操作建立各个前端感知网络，设置相对应所述前端感知网络的各个接收子网关；
设置前端感知网络管理主网关，由该主网关分配给各个接收子网关的路由信息，并在该些接收子网关之间形成并维持彼此路由关系的多路网络以建立各个前端感知网络之间通信；
设置拓扑管理网关，建立前端感知网络与后端设备或网络的通信；
当某个前端感知网络的节点需要进行数据通信时，通过收子网关、前端感知网络管理主网关、及拓扑管理网关建立与后端的路由。

无线传感器网络多协议网关的数据传输方法及网关\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种网络领域，尤其涉及一种应用于物联网的实现数据传输全通透的无线传感器网络多协议网关。\n背景技术\n[0002] 物联网中最基础、最庞大的部分是前端各种传感器，它们通过各种方式大量部署在被感知对象内部或者附近，构成分布式传感器节点(群)。但是，不同的传感器具有不同网络传输方式，它们本身没有统一的数据传输方式。这就造成了技术开发公司若要应用不同的传感器采集数据，必须在前端要构建不同的传输网关，以适应数据传输的需求。\n[0003] 而且，当在构建一个庞大的网络，譬如以城市为整个网络，此时，网关的数量为非常庞大。之前，若一个公司承接了这个项目，就是该公司负责设计、安装、调试、运营等。但是，随着社会分工的日益细化，一家公司负责设计、安装和调试又是属于另外的公司，而运营又是第三方公司。现有的网关很难适应这种场合的应用。一种常见的方式为：给每个网关做好标记，不同的标记对应不同的位置，但是现场安装时还是存在装错位置的情况，此时从网关中得到的采集信息很可能存在不准确性的情况。另外，在某些特殊的情况，不同传感器采集的数据是动态移动的，而网关也可能是动态移动的，按照现在通过传输网关的识别信息来获得网关及对应的位置信息，也存在不准确性。\n[0004] 也就是说，现在网关通过将本网关的识别信息传送至后台，以识别不同网关，不能达到及时准确获知网关所在地址信息的功效。\n发明内容\n[0005] 本发明的第一目的在于提供一种无线传感器网络多协议网关的数据传输方法，以解决现有数据传输的完整性的精准度差的技术问题。\n[0006] 本发明的第二目的在于提供一种无线传感器网络多协议网关。\n[0007] 一种无线传感器网络多协议网关的数据传输方法，包括：\n[0008] (1)网关设置GPS模块；\n[0009] (2)网关定时启动GPS模块，再通过GPS模块采集GPS数据；\n[0010] (3)网关将GPS数据与同步定时采集到的前端网络数据按预定数据格式进行数据整合，若未接收到前端网络数据则只保留GPS数据，同时将前端网络数据错误代码整合，若未采集到GPS数据则只保留前端网络数据，同时把GPS错误代码整合；\n[0011] (4)建立与后端通信的网络数据链路，将整合后的数据通过所述网络数据链路进行发送。\n[0012] 其中，步骤(3)中对多源采集数据采用基于容许函数与接近系数的数据融合算法，对数据进行进一步的处理利用：使用容许函数剔除一致性较差的前端传感器测量的数据，再通过最大最小法构造各传感器测量数据间的接近系数，最后根据各传感器当前时刻接近系数的均值和方差动态分配其加权系数，并利用权值进行加权融合，从而得到最终预传输的前端网络数据。\n[0013] 其中，在对多源采集数据采用基于容许函数与接近系数的数据融合算法之前，先进行以下处理：对服从正态分布的多源采集数据运用格拉布斯法进行异常值数据的判断、区分，检测出异常值数据(粗大误差)剔除，并删除无效无用数据。\n[0014] 其中，步骤(2)中GPS模块采集GPS数据之后还包括：\n[0015] 采集数据之后即时通过内置算法把GPS数据转换成自定义的标准GPS数据格式，其中：\n[0016] GPS的数据原格式为$GPGGA，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，M，<10>，M，<11>，<12>*hh，\n[0017] 然后，将采集到标准GPS数据的同时完成数据的分流，将各类数据按照类别特性归入不同的数据结构表中。\n[0018] 其中，建立与后端通信的网络数据链路进一步包括：\n[0019] 通过多协议网络方式搜索前端不同结构或协议网络节点信号进作组网操作建立各个前端感知网络，设置相对应所述前端感知网络的各个接收子网关；\n[0020] 设置前端感知网络管理主网关，由该主网关分配给各个接收子网关的路由信息，并在该些接收子网关之间形成并维持彼此路由关系的多路网络以建立各个前端感知网络之间通信；\n[0021] 设置拓扑管理网关，建立前端感知网络与后端设备或网络的通信；\n[0022] 当某个前端感知网络的节点需要进行数据通信时，通过收子网关、前端感知网络管理主网关、及拓扑管理网关建立与后端的路由。\n[0023] 其中，网关与后端通信时通过TOS_Msg基本消息来进行通信的，所述TOS_Msg基本消息至少包括目的地址、消息类型、组号及数据域，所述数据域存储单纯数据或嵌套类型消息，整合后的数据放置在所述数据域中。\n[0024] 其中，如果此时未发现已建立的后端通讯网络数据链路，则数据进行本地转储，整合数据通过本地数据存储模块控制并存储数据，当网关的控制模组发现后端通讯网络数据链路建立，且本地数据存储为非空状态，则自动把存储的数据一次性上传指定节点，同时清空本地数据存储内容。\n[0025] 一种无线传感器网络多协议网关，包括微控制模块、GPS模块、3G通讯模块，其中，[0026] GPS模块：用于定期接收GPS数据；\n[0027] 微控制模块：定时启动GPS模块，再通过GPS模块采集GPS数据，并将GPS数据与同步定时采集到的前端网络数据按预定数据格式进行数据整合，若未接收到前端网络数据则只保留GPS数据，同时将前端网络数据错误代码整合，若未采集到GPS数据则只保留前端网络数据，同时把GPS错误代码整合；\n[0028] 3G通讯模块：用于建立与后端通信的网络数据链路，以便微控制模块将整合后的数据通过所述网络数据链路进行发送。\n[0029] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：本网关在保证前端数据传输全通透的前提下，把GPS数据同步整合进每个前端数据包中，使每条前端数据都嵌入了时间、位置等信息。本网关在此业务处理中逻辑严谨，本地存储快速高效，数据存储容量大，无论外部何种意外，都能最大限度的保证前端采集数据完整性。本网关的数据传输为internet远端后台提供了不间断的详实可信的数据信息，大大提升了相关后台进行二次数据开发利用的精确度和便利性，使数据具有巨大的实用价值，并极大的增加了数据的附加利用价值。\n附图说明\n[0030] 图1为本发明的网关的物理结构示意图；\n[0031] 图2为本发明网关的逻辑结构原理示意图。\n具体实施方式\n[0032] 以下结合附图，具体说明本发明。\n[0033] 请参阅图1和图2，本发明的网关从物理结构的角度，一般包括微处理器11、电源模块16、数据存储模块12、GPS模块13、无线通信模块14、3G通信模块15。这些模块都属于现有技术，本发明做了一些软件上的改进，以满足一些需求。\n[0034] 为了使得网关能够接收并传输前端不同结构或协议网络节点信号，为此微处理器\n11进行编程，设置至少三个小的网关软件：\n[0035] 相对应前端感知网络的各个接收子网关1，用于通过多协议网络方式搜索前端不同结构或协议网络节点信号进作组网操作建立各个前端感知网络，并通过路由选择进行同网络节点之间的通信；\n[0036] 前端感知网络管理主网关2，分别连接各个接收子网关1，用于由该主网关2分配给各个接收子网关1的路由信息，并在该些接收子网关1之间形成并维持彼此路由关系的多路网络以建立各个前端感知网络之间通信；\n[0037] 拓扑管理网关3，用于建立前端感知网络与后端设备或网络的通信。\n[0038] 本发明还可以包括后端通信管理主网关4，分别设置在拓扑管理网关3与后端设备或网络之间，用于建立并维护后端网络或设备的路由信息；当通过拓扑管理网关发送的信息后，通过路由信息建立与对应后端网络或设备的节点之间的通信。\n[0039] 当然，这三个网关也可以用物理网关来实现，但在本实例中，主要是通过三个软件模块来实现。在各子网关和/或主网关上设置并维护一个用于跟踪网络状态的链路状态数据库，所述数据库是用于反映路由器状态的各种链路状态通告信息，以获知网络的拓扑结构。\n[0040] 本网关的各子网关、主网关的路由器都维护一个用于跟踪网络状态的链路状态数据库(Link State Data-Base，LSDB)。数据库中的内容是反映路由器状态的各种链路状态通告(Link State Advertisement，LSA)，这些状态包括路由器可用接口、已知可达路由和链路状态信息，各路由器都会主动测试所有与之相邻的路由器的状态，并根据测试结果设置相关链路状态。利用LSDB，路由器就可以得到一张整个网络拓扑结构的图。为了减小路由器的LSDB，不同的LSA又有不同的作用范围，这就使得本网关设备内的各个子网关、主网关内的路由器具有一定的路由层次性。这种层次性是用划分多层、多区域来实现的。本网关路由的分层、分级管理是通过数据库描述数据包来进行的(数据库同步)。各个路由器周期性的产生数据库描述数据包，该数据包是有序的，即附带有序列号，并将这些数据包对相邻路由器广播。相邻路由器可以根据数据库描述数据包的序列号与自身数据库作比较，若发现接收到的数据比数据库内的数据序列号大，则相邻路由器会针对序列号较大的数据发出请求，并用请求得到的数据来更新其链路状态数据库。\n[0041] 接收子网关、前端感知网络管理主网关与拓扑管理网关等上设置各个路由表信息。并按照现有的路由表更新方式即可更新路由表信息。\n[0042] 另外，网关与后端传送数据通过预设的统一数据模式来传送。\n[0043] 通过上述方式，来达到网关能够接收不同传感器传送的数据，并将该些数据通过数据链路传送至后端。\n[0044] 电源模块16用于提供电力。数据存储模块12用于存储数据，GPS模块13用于获得GPS数据，无线通信模块14和3G通信模块15用于建立网关与后端的通信。\n[0045] GPS模块：本网关设计中，选用台湾长天科技股份有限公司的HOULX CR-105为GPS的接收模块，它负责捕获、跟踪卫星，接收、放大、记录GPS信号并对信号进行解调和滤波处理，还原出GPS卫星发送的导航电文，解求定位信号在站间的传播时间和载波相位差，实时的获得导航定位数据或采用测后处理的方式，获得定位、测速、定时等数据。\n[0046] GPS通讯协议：本网关设计使用NMEA0183标准协议与GPS模块通讯，由于GPS输出数据有多种格式，本设计采用的是($GPGGA)语句作为输出数据标准，格式为：\n[0047] Global Positioning System Fix Data(GGA)GPS定位信息\n[0048] $GPGGA，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，M，<10>，M，<11>，<12>*hh\n[0049] <1>UTC时间，hhmmss(时分秒)格式\n[0050] <2>纬度ddmm.mmmm(度分)格式(前面的0也将被传输)\n[0051] <3>纬度半球N(北半球)或S(南半球)\n[0052] <4>经度dddmm.mmmm(度分)格式(前面的0也将被传输)\n[0053] <5>经度半球E(东经)或W(西经)\n[0054] <6>GPS状态：0＝未定位，1＝非差分定位，2＝差分定位，6＝正在估算\n[0055] <7>正在使用解算位置的卫星数量(00～12)(前面的0也将被传输)\n[0056] <8>HDOP水平精度因子(0.5～99.9)\n[0057] <9>海拔高度(-9999.9～99999.9)\n[0058] <10>地球椭球面相对大地水准面的高度\n[0059] <11>差分时间(从最近一次接收到差分信号开始的秒数，如果不是差分定位将为空)\n[0060] <12>差分站ID号0000～1023(前面的0也将被传输，如果不是差分定位将为空)。\n[0061] 以下具体说明如何进行数据传输的过程。\n[0062] 一种无线传感器网络多协议网关的数据传输方法，包括：\n[0063] S110：网关设置GPS模块。\n[0064] S120：网关定时启动GPS模块，再通过GPS模块采集GPS数据。\n[0065] 当本网关开始工作后，即时启动GPS模块，按预先设定的时间控制参数进行定时数据采集接收GPS数据。在本网关设计中添加了时间控制参数。参数一是在GPS模块无法接收数据时，GPS模块间隔一定的时间自行启动。参数二是GPS模块启动正常后，按照预设时间间隔，进行周期性数据采集，比如产品一般预设间隔30秒采集一次数据样本。\n[0066] 采集数据之后即时通过内置算法把GPS数据转换成预先设定的GPS数据格式。\n[0067] GPS的数据原格式为$GPGGA，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，M，<10>，M，<11>，<12>*hh，\n[0068] 本网关设计中采集到标准GPS数据的同时完成数据的分流，这部分的主要工作是剔除粗差，删除无用数据，预放在统一的数据文件格式。统一的数据格式有很多种定义方式，比如，将该些数据$GPGGA，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，M，<10>，M，<11>，<12>*，设置不同字段的字节数，并将按照预先的数据顺序组成统一的GPS格式。\n[0069] S130：网关将GPS数据与同步定时采集到的前端网络数据按预定数据格式进行数据整合，若未接收到前端网络数据则只保留GPS数据，同时将前端网络数据错误代码整合，若未采集到GPS数据则只保留前端网络数据，同时把GPS错误代码整合.\n[0070] A.前端感知网络WSN的数据融合：\n[0071] 数据采集与处理环节是WSN网络中的重要组成部分，其数据采集和处理的优劣直接影响着被控制系统的稳定性和实效性。数据采集主要受硬件条件的限制，而对于数据处理环节，则主要依据采用算法的好坏。\n[0072] 本网关首先对数据处理进行预处理，方法是对服从正态分布的多源采集数据运用格拉布斯(Grubbs)法进行异常值数据的判断、区分和处理。检测出异常值数据(粗大误差)剔除，并删除无效无用数据。\n[0073] 比如，传感器采集到的数据对于服从正态分布的实验数据：\n[0074] x1，x2，x3，......，xn，\n[0075] 将实验数据按值的大小排成顺序统计量：\n[0076] x(1)，≤x(2)，≤x(3)，......≤x(n)\n[0077] 格拉布斯导出了\n[0078] \n[0079] 的分布。取置信度α，可得T0(n，α)，而\n[0080] \n[0081] \n[0082] \n[0083] 如果\n[0084] \n[0085] 则认为xd为异常数据，应予剔除。\n[0086] T0(n，α)的值可查表得到。\n[0087] T0(n，α)值表\n[0088] \n[0089] 采用格拉布斯方法判定异常数据的过程如下：\n[0090] 1.选定危险率α\n[0091] α是一个较小的百分数，例如1％，2.5％，5％，它是采用格拉布斯方法判定异常数据出现误判的几率。\n[0092] 2.计算T值\n[0093] 如果x(1)是可疑数据，则令\n[0094] \n[0095] 如果x(n)是可疑数据，则令\n[0096] \n[0097] 其中\n[0098] \n[0099] \n[0100] 3.根据n及α，查表得到T0(n，α)值\n[0101] 4.如果T≥T0(n，α)，则所怀疑的数据是异常数据，应予剔除。如果T＜T0(n，α)，则所怀疑的数据不是异常数据，不能剔除。\n[0102] 采用此法判异常数据产生误判的几率为α。\n[0103] 以上公开的格拉布斯算法，由于上述算法是公知技术，里面涉及到的公式和字母在此就不再详细解释。\n[0104] B：得到预处理的采集数据后对多源采集数据采用基于容许函数与接近系数的数据融合算法，对数据进行进一步的处理利用。本设计使用容许函数剔除一致性较差的传感器测量数据，再通过最大最小法构造各传感器测量数据间的接近系数，最后根据各传感器当前时刻接近系数的均值和方差动态分配其加权系数，并利用权值进行加权融合，从而得到最终数据，得到对现实环境更精确的描述。\n[0105] 首先得到传感器数据\n[0106] 对每一个传感器获得的一组测量值用这组数据中的最大测量值归一：\n[0107] \n[0108] Max(Yj(n))是在估计长度I内第j个传感器的最大测量值。 为第j个\n传感器在n时刻归一化后的测量值。由于每个传感器受到干扰的程度不同，所以\n偏离真实的被测量的程度是不同的。对每一个传感器根据一定的原则\n赋予权值Wj，从这N个传感器得到的估计值 (a公式)\n[0109] \n[0110] Wj为 的权值，同时Wj满足(b公式)\n[0111] \n[0112] 当Wj对于每一个j是常数，那么 就是{Yj‖j＝1，2，…，N}的均值，\n[0113] 即Wj＝1/N(j＝1，2，…，N)，那么得到的估计值也就是一个平均估计。然而，这个结果并不是最优的。由于各传感器之间受到干扰的程度不同，所以各传感器测量值的方差并不一致，即各传感器测量值的可信度是不同的。若将较大的权值赋予可信度高的传感器，将较小的权值赋予可信度小的传感器，就可以使估计值更精确地描述原信号。\n[0114] 然后再对每一传感器测量值在方差基本定义的基础上，提出递归的估计方差的算法。根据误差理论，若将较大的权值赋予具有较小误差的测量值，而将较小的权值赋予具有较大误差的测量值，这样估计出的结果将优于由算术平均得到的估计结果。(c公式)[0115] \n[0116] 为了满足b公式，则归一化权值(d公式)\n[0117] \n[0118] 估计出权值，从而由a公式可以得到估计值。\n[0119] 最后对 反归一化，即可得到各个传感器的重建数据(e式)\n[0120] \n[0121] 在工业应用中常用传感器组对同一个被测量目标在同一工业过程的不同位置进行测量，以获得对被测目标更准确的描述。此外，为了提高传感器的测量精度，我们经常将传感器构成阵列，那么可以组合成一个传感器组，利用每一个传感器的测量值对其加权，进而对这组传感器的测量结果进行数据融合以达到提高测量精度的目的。\n[0122] 同时，在许多工业过程中，人们需要控制被测量的分布。然而，由于传感器阵列或传感器组中的每一个传感器可能不同程度的受到不同的干扰，所以如果直接用这些传感器数据估计被测量，得到的结果并不一定是最优的。为了获得对被测量的更优的估计，需要从被干扰的各个传感器测量值中重建传感器的数据.从而使控制系统获得被测量在一个工业过程中的更为准确的分布信息。\n[0123] C：GPS数据与采集数据的整合：\n[0124] 微处理器把以上处理完毕的前端多源采集数据与标准GPS数据按预定数据格式进行数据整合。若未接收到前端网络数据则只保留标准GPS数据，同时把前端网络错误代码整合；同理若未采集到GPS数据则只保留前端网络数据，同时把GPS错误代码整合。\n[0125] 数据经过以上标准化处理后得到标准化应用数据，并能保证所有数据达到以下标准：记录类型、长度和存取方式方面采用相同的格式；每种记录包含相同的数据项；数据采样间隔统一成一个标准时间长度(数据压缩)；数据文件中的同一数据项的量纲和单位统一。\n[0126] S140：建立与后端通信的网络数据链路，将整合后的数据通过所述网络数据链路进行发送。\n[0127] 建立与后端通信的网络数据链路进一步包括：\n[0128] 通过多协议网络方式搜索前端不同结构或协议网络节点信号进作组网操作建立各个前端感知网络，设置相对应所述前端感知网络的各个接收子网关；\n[0129] 设置前端感知网络管理主网关，由该主网关分配给各个接收子网关的路由信息，并在该些接收子网关之间形成并维持彼此路由关系的多路网络以建立各个前端感知网络之间通信；\n[0130] 设置拓扑管理网关，建立前端感知网络与后端设备或网络的通信；\n[0131] 当某个前端感知网络的节点需要进行数据通信时，通过收子网关、前端感知网络管理主网关、及拓扑管理网关建立与后端的路由。\n[0132] 另外，网关与后端通信时通过TOS_Msg基本消息来进行通信的，所述TOS_Msg基本消息至少包括目的地址、消息类型、组号及数据域，所述数据域存储单纯数据或嵌套类型消息，整合后的数据放置在所述数据域中。\n[0133] 还有，如果此时未发现已建立的后端通讯网络数据链路，则数据进行本地转储，整合数据通过本地数据存储模块控制并存储数据，当网关的控制模组发现后端通讯网络数据链路建立，且本地数据存储为非空状态，则自动把存储的数据一次性上传指定节点，同时清空本地数据存储内容。