一种应用于桥梁监控的无线传感器网络MAC传输方法技术

本发明专利技术涉及一种应用于桥梁监控的无线传感器网络MAC传输方法，MPMC-MAC协议结合节点接收的数据类型和节点发送信息频率为其分配优先级，再根据优先级及信道状况对节点进行信道分配，以确保优先级高的节点优先发送数据。当信道冲突或节点通信受到干扰导致信息需要重传时，采用信道再分配技术。该技术主要根据节点的优先级、节点的剩余能量及其重传次数重新对节点分配信道，保证了信道分配的公平性。另外，本方法通过动态调整节点的活跃周期和睡眠周期的时长以节省能量，并减少传播时延。

【技术实现步骤摘要】
一种应用于桥梁监控的无线传感器网络MAC传输方法
本专利技术涉及一种应用于桥梁监控的无线传感器网络MAC传输方法，属于无线传感器网络

技术介绍
在城市快速发展的今天，城市内遍布着各种桥梁。而上桥与下桥的坡起及拐弯等处都是交通事故的频发地点，据此本文要对桥梁的重点区域进行监控以避免事故的发生。无线传感器网络作为一个可以感知周围实时信息的工具在桥梁监控上发挥重要的作用。而MAC协议是影响无线传感器网络整体性能的基础协议，设计一种适合桥梁监控的无线传感器网络MAC协议具有现实的意义。目前无线传感器网络MAC协议按信道调度方式分为三类：基于竞争信道方式的MAC协议，基于调度信道方式的MAC协议和综合上述两种策略的混合方式的MAC协议。竞争方式的协议实现简单，能较好地满足节点数量和网络负载的变化。但节点发送数据需要监听并竞争信道，过度的监听与竞争会降低信道利用率且耗费多余的能量，如S-MAC(Sensor-MAC，S-MAC)和T-MAC(Timeout-MAC，T-MAC)。在网络负载较大时，它们的监听与竞争信道会导致信道冲突，影响网络实时性。而调度式的协议实现复杂，并且拓展性不好，如EM-MAC(EfficientMultichannelMAC，EM-MAC)和DMAC(Datagatheringtree-basedMAC，DMAC)。它们固定分配时隙的方式导致信道利用率不高，并且影响网络的拓展性。混合协议进行了竞争与调度的组合，网络的整体性能得到提高。混合协议中的ZMAC(ZebraMAC，ZMAC)，在网络流量低时使用载波监听多路访问(CarrierSenseMultipleAccess，CSMA)的方式访问信道，可以提高信道利用率。在高流量时采用时分多路复用(TimeDivisionMultipleAccess，TDMA)的方式来减少冲突。初始阶段协议需要时钟同步，且在冲突模式下，该节点只能在有限的时槽内传输数据，增加了时延。HyMAC(HybridMAC，HyMAC)适用于具有数据采集树结构的无线传感器网络应用。但协议没有根据网络负载的动态调整，影响实时性。IEEE802.15.4MAC定义的MAC协议也是一种混合方式的MAC协议，它在超帧的状态下将工作周期分为两个阶段，即信道竞争接入阶段和信道非竞争阶段。这种方式较为灵活，但其网络吞吐量不大，不适用于大数据量的信息传输。这些协议都不适合用于桥梁监控的无线传感器网络。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足，本专利技术提供一种应用于桥梁监控的无线传感器网络MAC传输方法。本专利技术的是通过下述技术方案实现的：一种应用于桥梁监控的无线传感器网络MAC传输方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)在数据通信时，采用优先级分配数据；其实现步骤如下：第一步：根据节点所携带传感器类型进行数据分类，将不同的数据分为三类；带有温度传感器的节点测得的温度数据，其紧急程度较低设为L1；带有加速度传感器的节点测得的桥向震动频率数据，其优先级设为M1；带有位移传感器的节点测得的桥梁关键点位移数据，其优先级设为H1；生成三类数据优先级；第二步：根据节点发送频率，将节点分为两类；采用一种改进的最小距离分类算法；该分类算法直接找出节点发送次数的最大值和最小值，将它们作为分类的基点；按分类周期中节点发送次数，分为高优先级H2，低优先级设为L2，生成了两类频率优先级；第三步：结合数据类型优先级和频率优先级，可以得到六个优先级别，即：H1H2，M1H2，H1L2，M1L2，L1H2，L1L2；将它们从高到低依次对应为P1到P6的六个优先级类别。第四步：将每个节点的优先级封装成优先级命令帧；优先级命令帧由汇聚节点在发送信标帧之后发出；第五步：节点接到自己的优先级命令帧，则在此分类周期中使用此优先级；(2)在信道分配时，采用信道调度算法，其主要步骤如下：第一步：各个节点根据汇聚节点发送的优先级来判断自己可以使用的信道集合；第二步：节点在可使用的信道集合中随机选择一条信道进行通信；此次通信的双方通过事先约定都在这条信道上通信；第三步：若此次通信成功，则下次通信的信道仍在此集合中进行随机选择；并在此时来调整节点活跃周期与睡眠周期的时长，保证感知信息的实时性；第四步：当发送数据不成功时，对数据进行重传。重传时对信道进行再分配；设置了一个变量αm，αm表示节点m的优先级Pm和其剩余能量Eleft的积与重传次数S的比值；当αm≥1时，该节点还不够获得较好的信道，下次重传时仍然在原来分配的信道集合中随机选择信道；当αm＜1时，该节点可以使用状况良好的信道，即随机从较好的信道集合中选择一条信道进行重传；第五步：如果节点在较好的信道集合重传仍然失败，则放弃重传；进行下一次通信。所述的动态调整节点的活跃周期与睡眠周期的时长的步骤具体为：第一步：确定本工作周期内各个参数准确值，如Tactive代表活跃周期的时长，T'active代表在下一个工作周期内的活跃周期的时长。参数Mtotal和Mcurrent它们分别代表节点内存中信息队列总容量与队列当前剩余量。另外，在本协议中还设定两个变量Tlimit和Δt，初始时，Tlimit＝0.4Tactive，Δt＝0.1Tactive；第二步：找到本工作周期内，最后发生的感知事件E的时间点；第三步：将感知事件的时间点与所设置的参数进行比较；第四步：①如果时间点在Tlimit之内的，在Tlimit外没有感知事件发生；说明感知事件发生的较早，产生的数据也较少。可在下一次的工作周期中减小活跃周期的时长以节省能量，具体调整如下式：②如果时间点在Tlimit之外，而不在Δt之内则说明感知事件正好在活跃周期内，下一次工作周期不变；③如果时间点在Δt之内，说明活跃周期可能不足。有可能会错过一些感知事件，则需要延长在本周期及下一个工作周期的活跃周期时长。本活跃周期的时长，下一个周期的活跃周期时长及下一个周期的Δt调整如下式：Tactive＝Tactive+Δt本专利技术的有益效果：与现有技术相比，本专利技术根据桥梁监控的特殊环境，提供了一种多优先级多信道的无线传感器网络MAC协议。该协议采用动态调整节点的活动周期与睡眠周期的时长来减小延迟，并节省能量。协议中采用的分类算法适合桥梁监控环境下的节点优先级分类，保证高优先级的节点可以获得更好的信道资源。本专利技术提供的协议有较高的吞吐量，较低的网络延迟，并且由于冲突的减少节省节点能量；它适用于长期的桥梁实时监控系统。附图说明图1为动态调整示意图。图2为分类周期示意图。图3为协议信道分布示意图。图4为汇聚节点发送优先级命令帧流程图。图5为普通节点选择信道流程图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术进一步说明。桥梁的出入口处是交通事故频发的地段，其特点为上下坡，需要对来往汽车限速和限重。由于路况复杂，增加了发生交通事故的风险。将无线传感器节点布置在桥梁的出入口处，进行实时感应，形成一个实时监测的无线传感器网络。节点可以携带多种传感器，例如压力传感器，激光测速传感器和温度传感器，同时搜集来往车辆的重量，速度及路面的温度。本专利技术设计了一种结合节点接收的数据类型与节点发送信息频率的优先级算法。该算法以一个小时为一个分类周期，通过识别节点安装的传感器类型，推出节点本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种应用于桥梁监控的无线传感器网络MAC传输方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)在数据通信时，采用优先级分配数据；其实现步骤如下：第一步：根据节点所携带传感器类型进行数据分类，将不同的数据分为三类；带有温度传感器的节点测得的温度数据，其紧急程度较低设为L1；带有加速度传感器的节点测得的桥向震动频率数据，其优先级设为M1；带有位移传感器的节点测得的桥梁关键点位移数据，其优先级设为H1；生成三类数据优先级；第二步：根据节点发送频率，将节点分为两类；采用一种改进的最小距离分类算法；该分类算法直接找出节点发送次数的最大值和最小值，将它们作为分类的基点；按分类周期中节点发送次数，分为高优先级H2，低优先级设为L2，生成了两类频率优先级；第三步：结合数据类型优先级和频率优先级，可以得到六个优先级别，即：H1H2，M1H2，H1L2，M1L2，L1H2，L1L2；将它们从高到低依次对应为P1到P6的六个优先级类别。第四步：将每个节点的优先级封装成优先级命令帧；优先级命令帧由汇聚节点在发送信标帧之后发出；第五步：节点接到自己的优先级命令帧，则在此分类周期中使用此优先级；(2)在信道分配时，采用信道调度算法，其主要步骤如下：第一步：各个节点根据汇聚节点发送的优先级来判断自己可以使用的信道集合；第二步：节点在可使用的信道集合中随机选择一条信道进行通信；此次通信的双方通过事先约定都在这条信道上通信；第三步：若此次通信成功，则下次通信的信道仍在此集合中进行随机选择；并在此时来调整节点活跃周期与睡眠周期的时长，保证感知信息的实时性；第四步：当发送数据不成功时，对数据进行重传。重传时对信道进行再分配；设置了一个变量αm，αm表示节点m的优先级Pm和其剩余能量Eleft的积与重传次数S的比值；当αm≥1时，该节点还不够获得较好的信道，下次重传时仍然在原来分配的信道集合中随机选择信道；当αm＜1时，该节点可以使用状况良好的信道，即随机从较好的信道集合中选择一条信道进行重传；第五步：如果节点在较好的信道集合重传仍然失败，则放弃重传；进行下一次通信。...

【技术特征摘要】
1.一种应用于桥梁监控的无线传感器网络MAC传输方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)在数据通信时，采用优先级分配数据；其实现步骤如下：第一步：根据节点所携带传感器类型进行数据分类，将不同的数据分为三类；带有温度传感器的节点测得的温度数据，其紧急程度较低设为L1；带有加速度传感器的节点测得的桥向震动频率数据，其优先级设为M1；带有位移传感器的节点测得的桥梁关键点位移数据，其优先级设为H1；生成三类数据优先级；第二步：根据节点发送频率，将节点分为两类；采用一种改进的最小距离分类算法；该分类算法直接找出节点发送次数的最大值和最小值，将它们作为分类的基点；按分类周期中节点发送次数，分为高优先级H2，低优先级设为L2，生成了两类频率优先级；第三步：结合数据类型优先级和频率优先级，可以得到六个优先级别，即：H1H2，M1H2，H1L2，M1L2，L1H2，L1L2；将它们从高到低依次对应为P1到P6的六个优先级类别；第四步：将每个节点的优先级封装成优先级命令帧；优先级命令帧由汇聚节点在发送信标帧之后发出；第五步：节点接到自己的优先级命令帧，则在此分类周期中使用此优先级；(2)在信道分配时，采用信道调度算法，其主要步骤如下：第一步：各个节点根据汇聚节点发送的优先级来判断自己可以使用的信道集合；第二步：节点在可使用的信道集合中随机选择一条信道进行通信；此次通信的双方通过事先约定都在这条信道上通信；第三步：若此次通信成功，则下次通信的信道仍在此集合中进行随机选择；并在此时来调整节点活跃周期与睡眠周期的时长，保证感知信息的实时性；第四步：当发送数据不成功时，对数据进行重传；重传时对信道进行再分配；设置了一个变量αm，αm表示节点m的优先级Pm和其剩余能量Eleft的积与重传次数S的比值；当αm≥1时，该节点还不够获得较好的信道，下次重传时仍然在原来分配的信道集合中随机选择信道；当αm＜1时，该节点可以使用状况良好的信道，即随机从较好的信道集合中选...

【专利技术属性】
技术研发人员：任秀丽，郗远浩，
申请(专利权)人：辽宁大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21