[发明专利]基于WSAN的复杂管网分布式数据采集系统及传输优化方法

权利要求书

1.一种基于WSAN的复杂管网分布式数据采集系统进行数据传输优化的方法，其特征在于，所述的基于WSAN的复杂管网分布式数据采集系统，包括感知单元、执行器单元、网络单元和监控单元；

所述感知单元，由多个传感器节点组组成，用于将监测到的信息数据通过执行器单元和网络单元传送给监控单元进行处理并分析，实时监测复杂管网的各种工况；

所述传感器节点组由有限个传感器节点组成，每个传感器节点包括压力传感器、流量传感器、数据采集模块、第一电源模块、第一无线收发模块、GPS模块和第一处理器模块；所述压力和流量传感器，用于采集复杂管网的压力、流量信号；所述数据采集模块，包括信号调理电路、模数转换器，用于接收压力和流量传感器采集到的压力、流量信号，并对信号的放大、滤波和模数转换功能；所述第一电源模块，采用独立电源，用于为传感器节点供电；所述第一无线收发模块，采用ZigBee协议通信，完成无线网络的组建，用于接收执行器单元的指令和向传感器节点组组头发送采集到的数据和位置、时间信息；所述GPS模块，用于对传感器节点进行定位和校时；所述第一处理器模块，用于控制整个传感器节点的工作；

所述执行器单元，由与传感器节点组个数相同的执行器节点组成，用于将接收的数据进行存储并分析，生成操作命令并执行后，确定各个节点组的组头和各个节点的工作状态，同时将数据和操作行为发送给网络单元；

所述执行器节点包括第二无线收发模块、第二电源模块和中央控制模块；所述第二无线收发模块，用于接收传感器节点组组头的数据信息，并将中央控制模块生成的数据和操作行为发送给网络单元；所述第二电源模块，采用独立电源，用于为执行器单元供电；所述中央控制模块，包括命令执行单元、数模转换器、第二处理器和控制器，用于将执行器单元接收到的数据进行存储并分析，然后由控制器做出决策，生成相应的操作命令，控制命令执行单元进行相应操作完成初始化和数据计算，最后将生成的数据和操作行为传递给第二无线收发模块；

所述网络单元，即汇聚节点，用于接收执行器单元的数据，再将接收到的数据存储起来并发送给监控单元；

所述网络单元包括ZigBee协调器、微控制器、存储模块、第三电源模块以及GPRS和Internet模块；所述ZigBee协调器，通过串口连接微控制器，用于接收执行器单元发送的数据和操作行为，并通过微控制器存储到存储模块；所述存储模块，用于存储接收到的执行器单元发送的数据和操作行为；所述第三电源模块，采用不间断电源，用于为网络单元供电；所述GPRS和Internet模块，用于将网络单元接收到的数据信息通过无线或有线的方式发送给监控单元；

所述监控单元，包括服务器和上位机，用于接收并存储网络单元发送的数据信号，再将数据信号进行分析与处理，达到实时监测复杂管网现场工况的目的；

所述服务器，用于接收并存储网络单元发送的数据信号，并将数据存储到数据库；所述上位机，用于对服务器接收到的数据信号进行分析与处理，达到实时监测复杂管网现场工况的目的，包括压力与流量数据存储模块，数据处理模块、管道工况监测模块；所述压力与流量数据存储模块，用于接收并解析网络单元传送的压力及流量数据，将各个传感器节点的压力、流量数据、时间和位置坐标数据以4维矩阵形式按照GPS时间顺序进行存储；所述数据处理模块，用于从压力与流量数据存储模块中获取数据并进行处理与计算；所述管道工况监测模块，用于利用压力及流量的实时数据，根据压力与流量数据存储模块和数据处理模块的数据处理与计算结果判断管道的实际工作情况；

包括以下步骤：

步骤1：确定汇聚节点、执行器节点和传感器节点的位置坐标，通过自组织方式形成网络；

步骤2：对所有传感器节点、执行器节点进行初始化并配置参数，设置传感器节点的数据传输方式，求解分布式网络模型的回归系数向量；

步骤3：将执行器节点均匀分布在监测区域，令执行器节点的通信半径覆盖传感器节点的全部区域；

步骤4：根据各个传感器节点所在组ID判断传感器节点是否已分组，若是，则继续步骤11，若否，则继续步骤5；

步骤5：确定传感器节点组的初始组头和组员；

步骤6：传感器节点组内的传感器节点通过压力和流量传感器采集压力和流量数据信号，输入到分布式网络模型中得到回归系数向量，并将回归系数向量以数据包的形式上传给传感器节点所在组的组头，构建回归系数矩阵；

步骤7：根据传感器节点所在组的组头和执行器节点的位置坐标以及执行器节点接收传感器节点组组头的hello消息信号强度，选择信号最强的执行器节点为传感器节点所在组组头的所属执行器节点；

所述hello消息信号强度的判断公式如下：

其中，P_rev是接收功率，P_send是发送功率，G_T是发射天线增益，G_R是接收天线增益，μ为无线电波长，d为发射天线和接收天线的距离，α为路径损耗模型的参数；

步骤8：所属执行器节点根据接收到的数据信号判断传感器节点和组头是否发生改变，若是，则继续步骤9，若否，则组头继续接收所在组内所有传感器节点的回归系数，根据接收到的回归系数构建组内的回归系数矩阵并打包发送给执行器单元；

步骤9：执行器单元对分布式网络模型的参数进行实时更新，并对对应的传感器节点和组头下发控制指令，然后将接收的数据和操作行为信息传给网络单元；

步骤10：网络单元接收数据后，通过GPRS无线方式或者Intemet有线方式传送给监控单元，监控单元对接收到的数据进行存储、处理和分析，实时监控复杂管网的工况；

步骤11：x分钟后，判断传感器节点是否为第一次分组，若是，则返回步骤6，若否，则对传感器节点的所在组进行实时动态更新后返回步骤6。