一种人际互动关系数据采集系统及其数据采集方法

【技术领域】

本发明涉及社会计算数据采集领域，特别涉及一种基于Zigbee的无线传感 器网络采集样本间的人际互动关系数据的系统及其数据采集方法，为社会计算提 供真实、完整的社会关系数据。

【背景技术】

社会计算是计算机技术与社会科学理论相互融合的交叉科学，不仅关注计算 机或更广义的信息技术在社会活动中的应用；而且研究社会知识，或更具体的人 文知识在计算机或信息技术中的使用与嵌入，进而认识和发现社会科学的各种问 题，研究其发展规律并给出相应的解决方案，以提高社会活动的效益和水平。

在中国经济社会转型期的特定环境下，社会阶层快速分化，新旧社会矛盾相 互交织，可能出现的非常规突发群体性事件、公共卫生事件等公共安全问题不断 涌现，直接影响社会稳定和谐，成为中国社会可持续发展面临的重大问题，因而 这些问题受到了政府和学界高度关注。但是，已有的有关研究大多集中在定性描 述分析或案例剖析等方面，缺乏定量的系统性研究，因而很难对这些社会问题的 特点及规律进行科学描述和研究。同时受限于大规模、复杂性的人际互动关系数 据的收集困难，对这类问题的预测、干预和控制以及提出较为有效地政策变得十 分困难。因此如何获得群体间的人际互动关系数据来研究上述复杂社会问题变得 十分迫切。这既是研究解决复杂社会问题的学术需要，也是加强社会稳定，促进 和谐社会的构建的现实需要。

数据与实验是作为社会计算准确刻画社会问题的基础和搭建技术平台的必 要条件。与自然科学一样，社会科学的研究数据获得也需要实验，但是与工科实 验不同，社会实验的实验对象是人或者组织，由于社会的复杂性，使得常规的实 验手段难以满足社会科学研究的需要，目前可行的社会实验手段有社会调查、问 卷、参与者观察等传统方法。然而这些传统方法又都存在一些不足，文献（1） 王飞跃、曾大军、毛文吉，社会计算的意义、发展与研究状况，e-Science论坛， 2010.7；（2）盛昭瀚、张军、杜建国等，社会科学计算实验理论与应用，上海 三联书店，2009.7；（3）王飞跃，人工社会、计算实验、平行系统——关于复 杂社会经济系统计算研究的讨论，复杂系统与复杂性科学，2004.10中都有相关 阐述。文献（1）指出，社会调查等传统方法需要投入巨大的人力、物力、财力 和社会关系，成本高且难以重复；其次由于人为主观因素的存在，使获得的数据 往往严重失真。文献（2）指出，传统方法多侧重定性描述分析或案例剖析等方 面，缺乏定量的系统性研究，因而很难对这些社会问题的特点及规律进行科学描 述和研究。文献（3）指出，传统方法需要实验人员的积极参与，可能涉及个人 隐私，影响人的正常生活，以致在道德上难以接收此类实验。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种人际互动关系数据采集系统及其数据采集方法， 在不干扰样本的正常活动下，准确的收集样本间的互动关系数据。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种人际互动关系数据采集系统，包括上位机、Zigbee协调器和多个Zigbee 节点；Zigbee节点用于实验人员佩戴，用来采集人际互动关系数据；Zigbee协调 器和上位机相连，用于收集并上传Zigbee节点所采集的信息。

本发明进一步的改进在于：Zigbee协调器包括第一主控模块和连接第一主控 模块的第一RF收发模块和串口通信模块；Zigbee节点包括第二主控模块和连接 第二主控模块的第二RF收发模块、超声波收发模块、实时时钟模块和存储模块； Zigbee节点间通过第二RF收发模块进行通信，找到附近的Zigbee节点，然后第 二RF模块和超声波模块共同作用，根据RF信号与超声波信号的到达时间差及 两者速度计算两Zigbee节点间的距离，若该距离不大于2m，则认为两样本在交 互，将对方Zigbee节点编号、本Zigbee节点编号、距离值及当前时间信息存储 于存储模块中，实现人际关系数据的采集；Zigbee节点将采集到的信息通过第二 RF模块传至Zigbee协调器，Zigbee协调器再通过第一串口通信模块上传至上位 机，实现人际互动数据的采集与传输。

本发明进一步的改进在于：所述串口通信模块为RS232串口模块；该RS232 串口模块通过DB9串口线与上位机相连接。

本发明进一步的改进在于：所述第一主控模块和第二主控模块均为MCU。

本发明进一步的改进在于：所述存储模块为flash存储器。

本发明进一步的改进在于：Zigbee节点通过Zigbee技术将采集到的信息传 至Zigbee协调器。

一种人际互动关系数据采集系统的数据采集方法，包括以下步骤：

第一步，将Zigbee协调器与上位机相连接，打开上位机的接收窗口并启动 Zigbee协调器；每个实验人员佩戴一个Zigbee节点，并启动实验人员佩戴的 Zigbee节点；

第二步，Zigbee协调器与Zigbee节点各自独立、同时运行：

I、Zigbee协调器工作流程：

a、Zigbee协调器的主控模块控制其RF收发模块向外发送查询指令，循环 查询Zigbee节点，命令查询的Zigbee节点上传收集到的信息；

b、若Zigbee协调器接收到Zigbee节点上传的信息，则向Zigbee节点反馈 一条信息，表示接收成功，并将接收到的信息通过RS232串口上传到上位机； 若在规定的时间内没有收到查询的Zigbee节点回复的信息，则查询下一个Zigbee 节点；

П、Zigbee节点工作流程：

Zigbee节点依次循环切换三种工作状态：发送状态、接收状态以及休眠状态；

1.1、在发送状态，Zigbee节点通过其RF收发模块广播发送信息查询附近有 无其它Zigbee节点；

1.2、若Zigbee节点接收到其它Zigbee节点的回复信息，则向该回复信息的 Zigbee节点发送RF信号及超声波信号，等待接收对方发送的信息；

1.3、当Zigbee节点接收到对方RF信号后开启超声波收发模块接收对方发 射的超声波信号，然后根据接收到的RF信号与超声波信号的到达时间差及两者 速度计算两Zigbee节点间的距离，若该距离不大于2m，则认为两样本在交互， 将对方Zigbee节点编号、本Zigbee节点编号、距离值及当前时间信息存储于其 存储模块中，然后跳转到接收状态；

2、在接收状态下，若Zigbee节点的RF收发模块接收到信息，其主控模块 分析该信息的来源，如果该信息来源于Zigbee协调器则跳转至步骤2.1；如果该 信息来源于其它Zigbee节点则跳转至步骤2.2；若在规定的时间内没有接收到任 何信息，跳转到休眠状态；

2.1、Zigbee节点的RF收发模块接收到Zigbee协调器的请求，则Zigbee节 点的主控模块先查询本节点的存储模块中是否有存储的信息而尚未上传，若有， 则Zigbee节点的主控模块读取一条信息然后通过Zigbee节点的RF收发模块上 传至Zigbee协调器；若无则跳过，然后跳转到休眠状态；

2.2、Zigbee节点接收到其它Zigbee节点的请求，则先反馈一条包含本Zigbee 节点的节点编号信息，当再次接收到同一Zigbee节点的RF信号后开启超声波收 发模块等待接收超声波信号，根据本Zigbee节点接收到的RF信号与超声波信号 的到达时间差及两者速度计算两节点间的距离，若该距离不大于2m，则认为两 样本在交互，将对方Zigbee节点编号、本Zigbee节点编号、距离值及当前时间 信息存储于存储模块中，然后跳转到休眠状态；

3、在休眠状态下，Zigbee节点停止一切活动；休眠的时间由Zigbee节点的 主控模块的随机数发生器产生的随机数决定，休眠结束后，跳转到发送状态。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：一是由于传感器（Zigbee节点） 不干扰样本的正常活动，不但可以有效的摒除由于主观原因造成的人际互动关系 数据的失真，提高社会实验的准确性，可以根据需要，像自然科学实验一样，随 时获得研究者需要的数据，从技术上解决目前社会计算数据收集的信度、效度、 隐私保护以及可能存在的制度障碍等问题；其次，该采集平台可以根据需要进行 重复性实验，对实验数据进行定量分析，进而对社会问题的特点及规律进行科学 描述和研究。最后，该平台的硬件系统可以重复使用，可以减少人力资源的投入， 有效节约成本。

【附图说明】

图1为人际互动关系数据采集平台结构示意图。

图2为Zigbee协调器结构框图。

图3为Zigbee节点结构框图。

图4为Zigbee协调器工作流程图。

图5为Zigbee节点工作流程图。

【具体实施方法】

如图1所示，本发明一种人际互动关系数据采集系统，包括上位机、Zigbee 协调器和多个Zigbee节点；每个Zigbee节点都有自己的节点编号。Zigbee协调 器和上位机相连，用于收集并上传采集到的信息；Zigbee节点用于实验人员佩戴， 以采集人际互动关系数据。Zigbee协调器及Zigbee节点各自独立运行又互相联 系，共同作用实现信息采集功能。

如图2所示，Zigbee协调器包含以下组成模块：主控模块、RF收发模块、 RS232串口模块、电源模块。主控模块由MCU及其外围电路组成，用于控制整 个工作过程；RF收发模块用于和Zigbee节点间通信，以发送命令及传递信息； RS232串口模块用于与上位机通信，传递采集到的信息；电源模块用来提供正常 工作所需的电压。

如图3所示，Zigbee节点包含以下组成模块：主控模块、存储模块（flash 存储器）、RF收发模块、实时时钟模块、RS232串口模块、超声波收发模块、电 源模块。主控模块由MCU及其外围电路组成，用于控制整个工作过程；存储模 块用于存储采集到的信息，包含节点编号、距离、时间信息；RF收发模块的作 用：一是与Zigbee节点间通信，结合超声波模块进行信息的采集，二是与Zigbee 协调器通信，接收命令以及传递采集到的信息；RS232串口模块用于程序调试； 超声波模块和RF收发模块进行TDOA（time difference of arrival）测距，实现信 息的采集；实时时钟模块用于向系统提供准确的实时时间，包括年、月、日、时、 分、秒等；电源模块用来提供正常工作所需的电压。

本发明系统主要根据实验人员佩戴的Zigbee节点的通信状态，基于TDOA 测距技术获取样本间的人际互动关系数据，包括联系样本的编号、样本联系的时 长等信息，为社会计算提供真实、完整的社会关系数据，提高社会实验的准确性。

该系统的具体工作过程如下：

第一步，将Zigbee协调器的RS232串口模块通过DB9串口线与上位机相连 接，打开上位机的接收窗口并启动Zigbee协调器；每个实验人员佩戴一个Zigbee 节点，并启动实验人员佩戴的Zigbee节点。

第二步，Zigbee协调器与Zigbee节点各自独立运行。以下两部分同时运行。

I.Zigbee协调器工作流程。

1.Zigbee协调器的主控模块控制RF收发模块向外发送查询指令，循环查询 Zigbee节点，命令查询的Zigbee节点上传收集到的信息。

2.若协调器接收到信息，则向节点反馈一条信息，表示接收成功，并将接收 到的信息通过RS232串口上传到上位机；若在规定的时间内没有收到查询的 Zigbee节点回复的信息，则查询下一个Zigbee节点。

П.Zigbee节点工作流程。

Zigbee节点依次循环切换三种工作状态：发送状态、接收状态以及休眠状态。

1.1在发送状态，Zigbee节点通过RF收发模块广播发送信息查询附近有无 其它节点。

1.2若接收到回复信息，则向该回复信息的Zigbee节点发送RF信号及超声 波信号，等待接收对方发送的信息；

1.3当接收到对方RF信号后开启超声波收发模块接收对方发射的超声波信 号，然后根据接收到的RF信号与超声波信号的到达时间差（TDOA）及两者速 度计算两Zigbee节点间的距离，若该距离不大于2m，则认为两样本在交互，将 对方Zigbee节点编号、本Zigbee节点编号、距离值及当前时间信息存储于存储 模块中，然后跳转到接收状态。

2在接收状态下，若Zigbee节点的RF收发模块接收到信息，主控模块分析 该信息的来源，如果该信息来源于Zigbee协调器则跳转至步骤2.1；如果该信息 来源于其它Zigbee节点则跳转至步骤2.2；若在规定的时间内没有接收到任何信 息，跳转到休眠状态。

2.1、Zigbee节点的RF收发模块接收到Zigbee协调器的请求，则节点主控 模块先查询本节点的存储模块中是否有存储的信息而尚未上传，若有，则主控模 块读取一条信息然后通过RF收发模块（Zigbee技术）上传至Zigbee协调器；若 无则跳过，然后跳转到休眠状态；

2.2、Zigbee节点接收到其它Zigbee节点的请求，则先反馈一条信息（包含 本节点的节点编号），当再次接收到同一Zigbee节点的RF信号后开启超声波收 发模块等待接收超声波信号，根据RF信号与超声波信号的到达时间差（TDOA） 及两者速度计算两节点间的距离，若该距离不大于2m，则认为两样本在交互， 将对方节点编号、本节点编号、距离值及当前时间信息存储于存储模块中，然后 跳转到休眠状态。

3.在休眠状态下，Zigbee节点停止一切活动。休眠的时间由主控模块的随机 数发生器产生的在一定范围内的随机数决定，休眠结束后，跳转到发送状态。