一种无线传感器连接及远程升级方法及其监测系统

【技术领域】

本发明涉及无线传感技术，尤其是一种无线传感器连接及远程升级方法及其监测系统。

【背景技术】

物联网是继计算机、互联网、移动通信网之后的又一次信息产业的革命性发展，其价值在于让物体也拥有了“智慧”，实现了人与物、物与物之间的沟通。它具有渗透性强、带动作用大、综合效益好的特点。物联网由三个层次组成：感知层，即以二维码、RFID、传感器为主，实现对“物”的识别；传输层，即通过现有的互联网、广电网络、移动通信网络等实现数据的传输；应用层，把感知和传输来的信息进行分析和处理，做出正确的控制和决策，实现智能化的管理、应用和服务。其中，感知层用于识别物体、采集信息，包括物理量、标示、音频、视频等数据，它处于三层架构的最底层，是物联网发展和应用的基础，具有物联网全面感知的核心能力。

无线传感器网络属于感知层，它负责将空间一系列分散的节点单元通过自组织的无线网络进行连接，从而将各自采集的数据通过无线网络进行传输汇总，以实现对空间分散范围内的物理或环境状况的协作监控，并根据这些信息进行相应的分析和处理。具有较大范围、低成本、高密度、灵活布设、实时采集、全天候工作的特点。无线传感器网络技术广泛地应用于智能家居、交通物流、公共安全、环境保护、智能消防、工业监测、商业应用、医疗健康等各种领域。节点的功能常随着应用需求的变化，需要对节点程序进行升级。

因此，能够使用尽量少的软硬件资源对节点进行远程更新是无线传感器网络的一个重要功能。当前无线传感网络的远程升级方案还存在以下问题：1、数据传输量较大，通常需要传输整个固件程序或较大的差分文件，降低了节点的升级速度和使用寿命，传输数据量增大也加大了升级失败的可能；2、通常需要较大的额外FLASH来进行新版本固件的重建，增加了节点的硬件成本，同时这类方法往往需要分别对额外FLASH和单片机内部的程序存储器进行读写，增加了升级过程中的功耗；3、使用差分方式进行远程升级，一旦升级失败，进行修复时通常需要更新整个固件程序，增加了节点修复时间，降低了节点的使用寿命。

特别是用于监测运行在极端环境中设备状态的无线传感器，在极端环境中，无线传感器的连接性能将会受到较大的影响，从而对业务数据传输和远程升级功能造成影响。因此，此类无线传感器传输及远程升级亟需提高其稳定连接能力和远程升级成功率。

【发明内容】

本发明提供一种有效提高运行稳定性和远程升级可靠性的无线传感器连接及远程升级方法及其监测系统，具有成本低、易操作，数据传输量小、修复时间短，准确性、稳定性和可靠性高，极大地方便了网络设备的升级维护，提高了管理效率，节约了升级成本。

本发明采用的技术方案如下：

一种无线传感器连接及远程升级方法，包括以下步骤：

(1)、无线传感器上传连接

无线传感器自动判断链路质量来选择链路，自动优选最佳链路进行业务数据的传输链路；

对当前选择的传输链路的链路质量进行判断，自动判断是否增加发送功率来提高当前链路质量；

根据实际情况，判断是否打开无线传感器自身的路由功能，判断是否将汇聚集中器或其他连接正常的无线传感器作为中继节点，并通过汇聚集中器或其他连接正常的无线传感器上送业务数据；

(2)、无线传感器远程升级

远程升级前进行握手，判断无线传感器连接状态以及链路质量；

自动选择最佳链路进行远程升级；

判断是否选择备份中继模式进行远程升级；

采取分段式下发程序升级数据包、或其他连接正常的无线传感器作为远程升级程序的备用数据下发端，将整个远程升级流程进行合理分割；

每进行一段流程，对升级包进行校验比对，若有误则重新该段流程；

无线传感器记录自身远程升级状态、并对自身升级状态进行判断，自动判断选择是否主送召唤升级包继续升级流程；

升级数据包传输完成后，对数据包进行整体校验；

若有误，则传感器主动上送状态信息并主动重新开始升级流程。

进一步地，所述步骤(2)的无线传感器记录自身远程升级状态中，还包括：升级过程中断时，根据实际升级状态继续升级流程。

进一步地，所述步骤(1)的无线传感器上传连接中，无线传感器上电状态下，会搜索附近网络并尝试连接汇集集中器，具体包括以下步骤：

步骤S1，判断无线传感器与汇聚集中器是否连接成功；

步骤S2，若无线传感器与汇聚集中器连接成功，判断链路质量是否合格；

步骤S3，若链路质量合格，无线传感器通过汇聚集中器向后台服务端正常上送业务数据；

步骤S4，若链路质量不合格，无线传感器与汇聚集中器连接的链路不一定是最优链路，对该连接链路进行判断优化；

步骤S5，无线传感器主动向汇聚集中器发送握手报文，确保连接正常，未发生断线；

步骤S6，无线传感器根据15分钟内接收的信号强度指示和可靠性连接系数，综合判断该链路质量；

步骤S7，若信号强度指示>-85dBm或可靠性连接系数＜75％，判断目前链路质量差，并控制发送功率选择组件增加发射功率；

步骤S8，发送功率选择组件每次提高一定的发送功率，重复步骤S6和步骤S7，直到满足链路质量的最低要求；

步骤S9，若无线传感器无法与汇聚集中器连接；

步骤S10，无线传感器控制发送功率组件开始工作，提高发送功率；

步骤S11，发送功率选择组件每次提高一定的发送功率，重复两次搜网过程；

步骤S12，若提高到一定功率，无线传感器与汇聚集中器连接上，按照当前的连接链路，根据5分钟内接收的信号强度指示和可靠性连接系数，综合判断该链路质量；

步骤S13，若信号强度指示>-85dBm或可靠性连接系数＜75％，判断目前链路质量差，无线传感器控制发送功率选择组件继续增加发射功率，直至链路质量良好或发射功率达到上限；

步骤S14，若发射功率达到无线传感器的上限，仍无法连接上汇聚集中器，开始路由选择功能；

步骤S15，设定无线传感器一的发射功率达到上限且无法连接上汇聚集中器，无线传感器一搜索附近的无线传感器节点，优选的搜索到了无线传感器二，并向无线传感器二发生临时连接指令；

步骤S16，无线传感器二接收到临时连接指令后，首先判断自身是否与汇聚集中器连接；

步骤S17，若无线传感器二未连接上汇聚集中器，则向无线传感器一发生终止连接指令并结束连接，无线传感器一会根据接收到的结束连接指令中的信息，将无线传感器二的地址存放进黑名单中；

步骤S18，无线传感器一会继续搜索附近的无线传感器，但不再向在黑名单中的无线传感器发生临时连接指令，如此循环，直至搜索到与汇聚集中器连接成功的无线传感器；

步骤S19，若搜索到与汇聚集中器连接成功的无线传感器三；

步骤S20，无线传感器一主动发生打开路由模式的指令，请求打开无线传感器三的路由模式；

步骤S21，打开路由模式的无线传感器三，将成为无线传感器一与汇聚集中器连接的信号中继，通过中继上送的模式，最终将本来连接不上的无线传感器一数据上送；

步骤S22，无线传感器一在两个搜网周期内，未能搜索到附近有无线传感器，则无线传感器一进入休眠模式，等待下一个搜网周期。

进一步地，所述步骤(2)的无线传感器远程升级中，还包括以下步骤：

步骤S23，后台服务端向汇聚集中器下发无线传感器升级程序，升级程序暂时存放在汇聚集中器的存储区中，由汇聚集中器下发给无线传感器；

步骤S24，后台服务端将程序按照一定的大小分割成小数据包，再将分割完成的小数据包一次下发给汇聚集中器，每次报文下发都会比对循环冗余校验，全部数据包传输完成后，将对收到的远程的升级程序进行加密算法MD5校验，确保升级程序传输正确的从后台服务端传输到了汇聚集中器；

步骤S25，汇聚集中器将所有的无线传感器远程升级程序接收完成并且校验通过后，获取升级程序里面的程序版本信息；

汇聚集中器通过指令查询各无线传感器当前的版本信息，与接收到的升级程序里面的程序版本信息进行比对，确定无线传感器的升级列表，并对升级列表内的所有无线传感器下发远程升级标志，将无线传感器切换至远程升级模式；

步骤S26，汇聚集中器对升级程序进行分割以及分段，所谓“分割”即根据一定的大小对无线传感器升级程序进行分割，所谓“分段”即对分割出来的数据包按照一定数量进行区分，经过分割以及分段后，能够得出该升级程序需要下发多少个数据报文以及总段数，每发射一个数据包报文，都会计算其报文的循环冗余校验；每发送完一段，都会进行补包情况的判断；每一段传输完成后，将该段保存到存储区中，如此循环直至所有数据包都传输完毕，完成无线传感器的接收；

步骤S27，无线传感器升级程序传输完毕，无线传感器将计算升级程序的信息完整性代码，无线传感器算出的信息完整性代码与升级文件中下发的信息完整性代码作比对，若一致则无线传感器开始升级，若出错则清空程序存储区，重新请求升级程序；

步骤S28，完成无线传感器的远程成功升级。

进一步地，所述步骤S26中，还包括无线传感器接收未完成的情况，具体以下步骤：

步骤S26.1，设定无线传感器四在升级过程中与汇聚集中器通信中断，远程升级过程中断；

无线传感器四继续搜索汇聚集中器并尝试连接；

无线传感器四与汇聚集中器恢复连接；

此时，若汇聚集中器还在对升级列表里面的其他无线传感器发送报文，则会向无线传感器四发送远程升级暂停指令并将无线传感器四添加进暂停升级列表内；

无线传感器四远程升级过程暂停，直至汇聚集中器把升级列表内的其他无线传感器的升级完再后，向暂停升级列表内的无线传感器四发送继续升级指令，并将无线传感器四从暂停升级列表中移除；

无线传感器四收到继续升级指令，会将当前记录的升级段数以及数据包号上送至汇聚集中器，汇聚集中器根据上送的无线传感器四状态继续向无线传感器四下发报文，继续升级流程；

步骤S26.2，若无线测温传感器四再连续两次搜网中无法与汇聚集中器连接，无线传感器四会搜索附近的无线传感器，并向搜索到的无线传感器请求升级程序包；

无线传感器四搜索并成功连接了无线传感器五，无线传感器五收到请求升级数据指令，会将自身路由模式打开，并将无线传感器四添加进自身的升级列表里面；

步骤S26.3，此时无线测温传感器五已经升级成功，则响应无线传感器四的请求，并下发继续升级指令；

步骤S26.4，无线传感器四收到继续升级指令，会将当前记录的升级段数以及数据包号上送至汇聚集中器，无线传感器五根据上送的无线传感器四状态继续向无线传感器四下发报文，继续升级流程；

步骤S26.5，若无线传感器五未升级完成，则下发暂停升级指令给无线传感器四，并将无线传感器四添加进暂停升级列表中，等待无线传感器五完成自身的升级后继续向无线传感器四发送升级数据包；

步骤S26.6，若无线传感器五在将无线传感器四添加进自身的暂停升级列表中，而无线传感器五在升级成功的时候与汇聚集中器断开连接，则无线传感器五向无线传感器四发送终止连接指令；

步骤S26.7，无线传感器四收到终止连接指令后，主动断开与无线传感器五的连接，并将无线传感器五列入黑名单，再次搜网时不再主动连接无线传感器五；

此时无线传感器四、无线传感器五都将重读搜网连接过程，具体过程与步骤S26.1至步骤S26.7的一致；

最后，直至无线传感器远程升级成功。

一种无线传感器连接及远程升级监测系统，包括至少一个无线传感器、汇聚集中器和后台服务端；

所述无线传感器、汇聚集中器和后台服务端构成一个用于采集、汇聚以及将数据上送到后台终端的监测系统；

所述无线传感器，作为监测系统的感知器件，负责感知监测量并将监测信息上送到所述汇聚集中器；

所述汇聚集中器，用于汇聚各个无线传感器采集到的信息数据，并将信息数据上送到后台服务端；

所述后台服务端，作为远程操作的下发设备、用于收集各个汇聚集中器上送的信息数据并展示。

本发明的优点：

本发明中，无线传感器升级程序的下发装置，将原来只有基站的汇聚集中器，优化成网络内其他所有的升级完成的无线传感器来完成升级程序的下发，大大地提高了远程升级的可靠性。有效提高系统运行的稳定性和远程升级可靠性，具有成本低、易操作，数据传输量小、修复时间短，准确性、稳定性和可靠性高，极大地方便了网络设备的升级维护，提高了管理效率，节约了升级成本；特别地，对远程升级中，对优化连接性能的功能程序版本有重要意义。

而且，针对网络内的一个无线传感器，可以通过其他的无线传感器中间过渡性连接至汇聚集中器进行程序的下发，对应的一个无线传感器也可以通过连接其他的无线传感器，通过传感器上的路由功能，通过远程指令配置和自动判断功能，再与汇聚集中器通讯连接后完成业务数据的上送，有效实现感知层的上传和应用层的下发。

【说明书附图】

图1是本发明的系统结构图；

图2是本发明的稳定性判断流程图；

图3是本发明中无线传感器的连接逻辑图；

图4是本发明的远程升级方法逻辑流程图。

【具体实施方式】

以下结合附图对本发明实例运用的典型场景进行了说明分析。应当理解，本具体实例中仅为说明和解释本发明，不应对本发明进行限制。在不冲突的情况下，本实例以及实例中的特征可相互任意组合。

一种无线传感器连接及远程升级监测系统，如图1所示，包括多个无线传感器1’、汇聚集中器2和后台服务端3，无线传感器1’、汇聚集中器2和后台服务端3构成一个用于采集、汇聚以及将数据上送到后台终端的监测系统；无线传感器1’，作为监测系统的感知器件，负责感知监测量并将监测信息上送到汇聚集中器2；汇聚集中器2用于汇聚各个无线传感器1’采集到的信息数据，并将信息数据上送到后台服务端3；后台服务端3属于系统的应用层，作为远程操作的下发设备、用于收集各个汇聚集中器2(不同基站对应的汇聚集中器)上送的信息数据并展示。

该监测系统对应的无线传感器连接及远程升级方法，包括以下步骤：

(1)、无线传感器上传连接

无线传感器自动判断链路质量来选择链路，自动优选最佳链路进行业务数据的传输链路；对当前选择的传输链路的链路质量进行判断，自动判断是否增加发送功率来提高当前链路质量；由于具备远程指令配置和自动判断功能，可根据实际情况，判断是否打开无线传感器自身的路由功能，判断是否将汇聚集中器或其他连接正常的无线传感器作为中继节点，并通过汇聚集中器或其他连接正常的无线传感器上送业务数据。

步骤(1)的无线传感器上传连接中，无线传感器上电状态下，会搜索附近网络并尝试连接汇集集中器，实际会出现两种情况，即搜网后连接上汇聚集中器及搜网后连接不上，以下分两种情况进行说明，具体包括以下步骤：

步骤S1，判断无线传感器与汇聚集中器是否连接成功；

步骤S2，若无线传感器与汇聚集中器连接成功，判断链路质量是否合格；

步骤S3，若链路质量合格，无线传感器通过汇聚集中器向后台服务端正常上送业务数据；

步骤S4，若链路质量不合格，无线传感器与汇聚集中器连接的链路不一定是最优链路，对该连接链路进行判断优化；

以下步骤中，如图2所示的判断框架图。

步骤S5，无线传感器主动向汇聚集中器发送握手报文，确保连接正常，未发生断线；

步骤S6，无线传感器根据15分钟内接收的信号强度指示(RSSI)和可靠性连接系数{100*(1-丢包数/(丢包数+发包数))}，综合判断该链路质量；

步骤S7，若信号强度指示(RSSI)>-85dBm或可靠性连接系数＜75％，判断目前链路质量差，并控制发送功率选择组件增加发射功率；

步骤S8，发送功率选择组件每次提高一定的发送功率(如2dBm)，重复步骤S6和步骤S7，直到满足链路质量的最低要求；

步骤S9，若无线传感器无法与汇聚集中器连接；该无线传感器两次搜网，这是因为传感器间歇性工作，搜网时长与休眠时长为1∶1，无线传感器两次搜网均无法与汇聚集中器连接；采用如图3所示的以下步骤进行控制；

步骤S10，无线传感器控制发送功率组件开始工作，提高发送功率；

步骤S11，发送功率选择组件每次提高一定的发送功率(如2dBm)，重复两次搜网过程；

步骤S12，若提高到一定功率，无线传感器与汇聚集中器连接上，按照当前的连接链路，根据5分钟内接收的信号强度指示(RSSI)和可靠性连接系数{100*(1-丢包数/(丢包数+发包数))}，综合判断该链路质量；

步骤S13，若信号强度指示(RSSI)>-85dBm或可靠性连接系数＜75％，判断目前链路质量差，无线传感器控制发送功率选择组件继续增加发射功率，直至链路质量良好或发射功率达到上限；

步骤S14，若发射功率达到无线传感器的上限，仍无法连接上汇聚集中器，开始路由选择功能；

步骤S15，设定无线传感器一的发射功率达到上限且无法连接上汇聚集中器，无线传感器一搜索附近的无线传感器节点，优选的搜索到了无线传感器二，并向无线传感器二发生临时连接指令；需要说明是，一般情况下，无线传感器只与汇集集中器连接，且属于点对点传播；

步骤S16，无线传感器二接收到临时连接指令后，首先判断自身是否与汇聚集中器连接；

步骤S17，若无线传感器二未连接上汇聚集中器，则向无线传感器一发生终止连接指令并结束连接，其中，指令包含无线传感器二的地址及关闭原因标志，无线传感器一会根据接收到的结束连接指令中的信息，将无线传感器二的地址存放进黑名单中；

步骤S18，无线传感器一会继续搜索附近的无线传感器，但不再向在黑名单中的无线传感器发生临时连接指令，如此循环，直至搜索到与汇聚集中器连接成功的无线传感器；

步骤S19，若搜索到与汇聚集中器连接成功的无线传感器三；

步骤S20，无线传感器一主动发生打开路由模式的指令，请求打开无线传感器三的路由模式；

步骤S21，打开路由模式的无线传感器三，将成为无线传感器一与汇聚集中器连接的信号中继，通过中继上送的模式，最终将本来连接不上的无线传感器一数据上送；

步骤S22，无线传感器一在两个搜网周期内，未能搜索到附近有无线传感器，则无线传感器一进入休眠模式(低功耗运行)，等待下一个搜网周期，休眠机制能保证无线传感器的运行时间。

(2)、无线传感器远程升级

远程升级前进行握手，判断无线传感器连接状态以及链路质量；

自动选择最佳链路进行远程升级；

判断是否选择备份中继模式进行远程升级；

采取分段式下发程序升级数据包、或其他连接正常的无线传感器作为远程升级程序的备用数据下发端，将整个远程升级流程进行合理分割；

每进行一段流程，对升级包进行校验比对，若有误则重新该段流程；

无线传感器记录自身远程升级状态、并对自身升级状态进行判断，自动判断选择是否主送召唤升级包继续升级流程；如升级过程中断时，根据实际升级状态继续升级流程；

升级数据包传输完成后，对数据包进行整体校验；

若有误，则传感器主动上送状态信息并主动重新开始升级流程。

该步骤(2)的无线传感器远程升级中，具体包括以下步骤：

步骤S23，后台服务端向汇聚集中器下发无线传感器升级程序，升级程序暂时存放在汇聚集中器的存储区中，由汇聚集中器下发给无线传感器，从而形成了一个三级结构；

步骤S24，后台服务端将程序按照一定的大小(如512字节)分割成小数据包，再将分割完成的小数据包一次下发给汇聚集中器，每次报文下发都会比对循环冗余校验，全部数据包传输完成后，将对收到的远程的升级程序进行加密算法MD5校验，确保升级程序传输正确的从后台服务端传输到了汇聚集中器；

步骤S25，汇聚集中器将所有的无线传感器远程升级程序接收完成并且校验通过后，获取升级程序里面的程序版本信息；

汇聚集中器通过指令查询各无线传感器当前的版本信息，与接收到的升级程序里面的程序版本信息进行比对，确定无线传感器的升级列表，并对升级列表内的所有无线传感器下发远程升级标志，将无线传感器切换至远程升级模式；所谓远程升级模式，一般是以无线传感器升级成功为终点，即升级成功才切换至普通模式。

步骤S26，汇聚集中器对升级程序进行分割以及分段，所谓“分割”即根据一定的大小(一般64字节)对无线传感器升级程序进行分割，所谓“分段”即对分割出来的数据包按照一定数量进行区分，如100个数据包为一段。经过分割以及分段后，能够得出该升级程序需要下发多少个数据报文以及总段数，每发射一个数据包报文，都会计算其报文的循环冗余校验；每发送完一段，都会进行补包情况的判断；每一段传输完成后，未产生补包数据且校验通过，将该段保存到存储区中，如此循环直至所有数据包都传输完毕，完成无线传感器的接收；

步骤S27，无线传感器升级程序传输完毕，无线传感器将计算升级程序的信息完整性代码(信息完整性代码简称MIC，四字节，通过文件(明文)计算AES-CBC的128位输出而得出，可替代使用其他校验方式，目的只在于确保升级文件的完整性)，无线传感器算出的信息完整性代码(MIC)与升级文件中下发的信息完整性代码(MIC)作比对，若一致则无线传感器开始升级，若出错则清空程序存储区，重新请求升级程序；

步骤S28，完成无线传感器的远程成功升级。

其中，步骤S26中，还包括无线传感器接收未完成的情况，具体包括以下步骤：

步骤S26.1，设定无线传感器四在升级过程中与汇聚集中器通信中断，远程升级过程中断；

无线传感器四继续搜索汇聚集中器(基站)并尝试连接；

无线传感器四与汇聚集中器恢复连接；

此时，若汇聚集中器还在对升级列表里面的其他无线传感器发送报文，则会向无线传感器四发送远程升级暂停指令并将无线传感器四添加进暂停升级列表内；

无线传感器四远程升级过程暂停，直至汇聚集中器把升级列表内的其他无线传感器的升级完再后，向暂停升级列表内的无线传感器四发送继续升级指令，并将无线传感器四从暂停升级列表中移除；

无线传感器四收到继续升级指令，会将当前记录的升级段数以及数据包号上送至汇聚集中器，汇聚集中器根据上送的无线传感器四状态继续向无线传感器四下发报文，继续升级流程；

步骤S26.2，若无线测温传感器四再连续两次搜网中无法与汇聚集中器连接，无线传感器四会搜索附近的无线传感器，并向搜索到的无线传感器请求升级程序包；

无线传感器四搜索并成功连接了无线传感器五，无线传感器五收到请求升级数据指令，会将自身路由模式打开，并将无线传感器四添加进自身的升级列表里面；

步骤S26.3，此时无线测温传感器五已经升级成功，则响应无线传感器四的请求，并下发继续升级指令；

步骤S26.4，无线传感器四收到继续升级指令，会将当前记录的升级段数以及数据包号上送至汇聚集中器，无线传感器五根据上送的无线传感器四状态继续向无线传感器四下发报文，继续升级流程；

步骤S26.5，若无线传感器五未升级完成，则下发暂停升级指令给无线传感器四，并将无线传感器四添加进暂停升级列表中，等待无线传感器五完成自身的升级后继续向无线传感器四发送升级数据包；

步骤S26.6，若无线传感器五在将无线传感器四添加进自身的暂停升级列表中，而无线传感器五在升级成功的时候与汇聚集中器断开连接，则无线传感器五向无线传感器四发送终止连接指令；

步骤S26.7，无线传感器四收到终止连接指令后，主动断开与无线传感器五的连接，并将无线传感器五列入黑名单，再次搜网时不再主动连接无线传感器五；

此时无线传感器四、无线传感器五都将重读搜网连接过程，具体过程与步骤S26.1至步骤S26.7的一致；

最后，直至无线传感器远程升级成功。

该实施例中，无线传感器升级程序的下发装置，将原来只有基站的汇聚集中器，优化成网络内其他所有的升级完成的无线传感器来完成升级程序的下发，对远程升级中优化连接性能的功能程序版本有重要意义，大大地提高了远程升级的可靠性。有效提高系统运行的稳定性和远程升级可靠性，具有成本低、易操作，数据传输量小、修复时间短，极大地方便了网络设备的升级维护，提高了管理效率，节约了升级成本；

以上所述实施例只是为本发明的较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，除了具体实施例中列举的情况外；凡依本发明之方法及原理所作的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围内。