支持环境自适应应用重构的无线传感器网络系统及方法技术方案

一种支持环境自适应应用重构的无线传感器网络系统及其工作方法，系统由四层架构组成：能够动态感知环境变化和根据环境变化自适应重构节点上应用任务的多个重构传感器节点ＲＮ及多个脚本传感器节点ＳＮ、数据汇聚节点和控制节点，其特点是将应用自适应技术引入到传感器节点：在传感器节点上部署一定数量的领域知识，使得传感器节点具有简单规则的推理智能，能够随着环境数据的变化在设定范围内自适应地调整自己的应用；即传感器节点能在不同时期执行不同的应用脚本代码，自动重新配置系统的监测任务，实现应用重构，从而使资源和能力受限的传感器网络更好地适应和满足长时间无人看管环境下的自动运行和调整的需要，大大提高传感器网络系统的功能和效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种支持环境自适应应用重构的无线传感器网络系统以及该系统实现应用重构的方法，属于无线自组织网络系统

技术介绍
无线传感器网络是由多个传感器节点以无线自组织方式构成的无线网络，用于各个传感器节点彼此协作地感知、采集和处理该网络覆盖的地理区域中监测对象的信息，并及时向用户发布监测结果。无线传感器网络主要用于监视环境、环境中的事物及对象之间的作用。由于无线传感器网络工作的环境容易变化，且各种变化无法事先预知，这就要求传感器网络的应用能够随着环境的变化进行灵活的改变和重构更新。目前，有关无线传感器网络应用重构技术的研究主要有Berkeley的Mate和Hyun-Chong Kim分别提出的针对某个节点失效的两种应用重构。其中，Mate是支持传感器节点可编程的框架结构，该方法定义了传感器节点必须支持的24条基本指令，传感器网络执行的所有任务都是通过这些指令的不同配置来实现。当需要修改传感器节点上的任务时，只要将执行该任务的应用脚本直接下载到节点上就可以了。但是，Mate是一种从PC机到传感器节点的one-by-one方式进行的应用重构，需要手工触发应用重构并指定需要重构的传感器节点，没有考虑传感器网络应用的自动重构问题。虽然Hyun-Chong Kim提出了一种传感器网络自动应用重构方法，但该方法只考虑当网络中某个节点失败时的应用任务调度和重构问题。由于传感器网络是一个高度冗余的网络，个别节点的故障是可以忍受的，传感器网络应用重构的主要出发点应该是由于环境变化引起的网络应用的变化与调整，这时候需要重构的传感器节点往往不是某个节点，而是若干个、甚至许多个节点的问题，而Hyun-Chong Kim方法主要考虑单个节点失败的情况，不适合由于动态环境变化的原因引起的传感器网络的应用重构问题。因此，如何实现一种支持环境自适应的应用重构的传感器网络系统及其工作方法就成为业内技术人员关注的热点。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的是提供一种支持环境自适应应用重构的无线传感器网络系统及其工作方法，该无线传感器网络系统能够支持传感任务的动态重构，即重新配置网络系统的监测任务，使传感器节点在不同时期执行不同的应用代码，在资源有限的传感器节点上实现传感任务的重构，从而在无需增加太多的投资费用的基础上，大大提高传感器网络系统的功能和使用效率。为了达到上述目的，本专利技术提供了一种支持环境自适应应用重构的无线传感器网络系统，包括有多个传感器节点、数据汇聚节点和控制节点，其中传感器节点之间和传感器节点与数据汇聚节点之间采用无线方式通信，数据汇聚节点与控制节点之间采用Internet或其他传统网络通信；其特征在于所述传感器节点有两种脚本传感器节点SN(Script Node)和重构传感器节点RN(Reconfiguration Node)，两者都具有动态感知环境变化和根据环境变化自适应重构节点上应用代码的功能；且所述系统采用下述层次架构控制节点，位于最上层，供用户或管理人员通过该节点对该传感器网络系统进行管理和控制；数据汇聚节点，位于第二层，用作传统网络与传感器网络的接口层，即由该层节点将用户通过控制节点部署的新的应用脚本代码传输到各个传感器节点，并将各个传感器节点感知、采集的数据汇聚传输给控制节点；脚本传感器节点SN，位于第三层，用于存放自身及其管理范围内的各个RN节点所需要的应用脚本代码，设有应用脚本代码执行引擎，能够感知其所监视的环境的变化并执行新的应用脚本代码，与数据汇聚节点进行通信接收下载的应用脚本代码并存储，并将RN节点发送来的传感数据进行汇聚融合处理后上传；在环境变化而重构应用时，与RN节点进行通信接收它们的应用脚本代码请求消息，并下传相应的应用脚本代码，或者直接将相应的应用脚本代码主动部署到RN节点；重构传感器节点RN，位于最底层，设有应用脚本代码执行引擎，能够实时感知其所监视的环境的变化并执行新的应用脚本代码；如果RN节点本地没有需要执行的应用脚本代码，将主动向管理它的SN节点请求新的应用脚本代码。所述SN是高性能传感器节点，它的设置地点是事先规划的；在系统中数量最多、密度最大的RN是低性能传感器节点，它的设置是随机的，不需要事先规划；所述传感器节点执行的传感应用脚本代码包括但不限于温度、湿度、烟感的监控程序。所述SN节点和RN节点的控制软件除了包括传统传感器的路由模块、数据采集模块、数据处理/汇聚模块、I/O接口模块以外，还有分别与路由模块和数据采集模块连接的重构模块；该重构模块由重构决策模块、经验积累模块、知识库和经验库四个子模块组成，其中知识库用于存放以规则表示并在网络初始化阶段部署到节点上的领域知识，以供传感器节点根据其中知识分析当前采集的环境数据，得到环境可能发生的变化信息；经验库用于存放该传感器节点在运行过程中形成的经验，即用权值表示的某种环境数据可能引起的环境变化的规则的发生概率，权值越高，发生相应变化的概率越高；初始化时经验库为空，随着传感器节点的运行，经验库不断通过经验积累子模块获取并保存经验各规则的可信度权值；经验积累子模块负责形成经验，每次传感器节点进行重构决策后，都要用决策判断结果来修改经验库中的经验的可信度权值；重构决策子模块使用知识库中的知识和经验库中的经验对当前环境状态数据进行推理，判断当前环境发生的变化，决定是否需要触发应用重构和重构何种应用脚本代码。为了达到上述目的，本专利技术还提供了一种支持环境自适应应用重构的无线传感器网络系统的工作方法，其特征在于包括下述步骤 (1)对网络和传感器节点进行初始化操作；(2)传感器节点感知环境变化传感器节点采集所监测的环境数据，并利用知识库中预先设定的领域知识和经验库中积累的经验对环境数据进行分析，判断环境是否发生变化；(3)传感器节点触发应用重构根据环境的变化，传感器节点判断是否需要触发应用重构，如果需要触发应用重构，则获取重构应用脚本的类型编码并修改经验库，然后顺序执行后续操作；否则，返回步骤(2)；(4)传感器节点获取应用脚本代码先判断本地是否已经存有下一工作状态对应的应用脚本代码，如果有，跳转执行步骤(5)；如果不存在，再判断本节点的剩余能量是否达到设定门限值，若是，执行获取所需的应用脚本代码的操作；否则，直接返回步骤(2)；(5)传感器节点执行应用脚本代码传感器节点执行新的应用脚本代码，实现了应用任务的重新配置后，返回步骤(2)。所述步骤(1)进一步包括下列操作内容(11)网络拓扑结构初始化部署网络时，先规划SN节点位置，再在其周边随机设置多个RN节点，并通过洪泛法使每个节点获知其周围相邻节点的信息，使SN节点作为簇头与其一跳或两跳范围内的RN节点构成一个重构簇，由SN节点管理和存储自身及其所管辖的重构簇内RN节点可能需要的应用脚本代码；(12)传感器节点知识库初始化部署SN和RN节点时，根据传感器应用领域的不同需求，人工预先将相关应用领域的知识设置在节点的知识库中；(13)传感器节点工作状态初始化根据传感器节点采样的不同数据类型、采样频率和对采样数据的不同处理方法，选择相应的应用脚本代码，用作传感器节点处于不同工作状态的应用脚本代码；同时，采用有限状态自动机表示该节点各工作状态在不同环境条件下的转化关系，以及设置本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种支持环境自适应应用重构的无线传感器网络系统，包括有：多个传感器节点、数据汇聚节点和控制节点，其中传感器节点之间和传感器节点与数据汇聚节点之间采用无线方式通信，数据汇聚节点与控制节点之间采用Ｉｎｔｅｒｎｅｔ或其他传统网络通信；其特征在于：所述传感器节点有两种：脚本传感器节点ＳＮ和重构传感器节点ＲＮ，两者都具有动态感知环境变化和根据环境变化自适应重构节点上应用脚本代码的功能；且所述系统采用下述层次架构：控制节点，位于最上层，供用户或管理人员通过该节点对传感器网络系统进行管理和控制；数据汇聚节点，位于第二层，用作传统网络与传感器网络的接口层，即由该层节点将用户通过控制节点部署的新的应用脚本代码传输到各个传感器节点，并将各个传感器节点感知、采集的数据汇聚传输给控制节点；脚本传感器节点ＳＮ，位于第三层，用于存放自身及其管理范围内的各个ＲＮ节点所需要的应用脚本代码，设有应用脚本代码执行引擎，能够感知其所监视的环境的变化并执行新的应用脚本代码，与数据汇聚节点进行通信：接收下载的应用脚本代码并存储，并将ＲＮ节点发送来的传感数据进行汇聚融合处理后上传；在环境变化而重构应用时，与ＲＮ节点进行通信：接收它们的应用脚本代码请求消息，并下传相应的应用脚本代码，或者直接将相应的应用脚本代码主动部署到ＲＮ节点；重构传感器节点ＲＮ，位于最底层，设有应用脚本代码执行引擎，能够实时感知其所监视的环境的变化并执行新的应用脚本代码；如果ＲＮ节点本地没有需要执行的应用脚本代码，将主动向管理它的ＳＮ节点请求新的应用脚本代码。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张冬梅，马华东，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]