一種無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)匯聚方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)匯聚方法，包括以下步驟：1.建立路由階段：由匯聚節(jié)點發(fā)起建立分層級的網(wǎng)絡，其它節(jié)點按照本文所述的規(guī)則建立路由。所有節(jié)點維護其層級，鄰居節(jié)點和父節(jié)點列表。節(jié)點的層數(shù)等于節(jié)點到匯聚節(jié)點的跳數(shù)；2.數(shù)據(jù)傳輸階段：從最高層的節(jié)點開始，所有節(jié)點依據(jù)規(guī)則決定是否成為源節(jié)點（源節(jié)點采集數(shù)據(jù)，非源節(jié)點不采集數(shù)據(jù)），然后節(jié)點以一定的概率在其鄰居節(jié)點或者父節(jié)點中隨機選擇一個作為下一跳路由節(jié)點。所有源節(jié)點的數(shù)據(jù)通過鄰居節(jié)點或父節(jié)點的路由最終發(fā)送至匯聚節(jié)點；3.數(shù)據(jù)重構階段，利用BP算法對網(wǎng)絡中所有節(jié)點的數(shù)據(jù)進行重構。本發(fā)明能夠實現(xiàn)網(wǎng)絡中節(jié)點能耗均衡，延長無線傳感器網(wǎng)絡壽命。
【專利說明】一種無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)匯聚方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡【技術領域】，特別是涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)匯聚方法。
【背景技術】
[0002]無線傳感器網(wǎng)絡是20世紀90年代末期興起的技術，如圖1所示，通過在目標區(qū)域內(nèi)(如橋梁，河流，湖泊，監(jiān)測區(qū)域等)布設大量的網(wǎng)絡節(jié)點(node)可以實現(xiàn)監(jiān)測目標的狀態(tài)和安全。如圖2所示，網(wǎng)絡節(jié)點由處理器，存儲器，傳感器，無線傳輸模塊和電源組成，節(jié)點具有數(shù)據(jù)采集、信息處理和無線通信功能，既可以是數(shù)據(jù)源，也可以是路由節(jié)點。網(wǎng)絡中的節(jié)點布設完成后自組織形成網(wǎng)絡，網(wǎng)絡中的節(jié)點互相協(xié)作周期或根據(jù)監(jiān)測任務變化不定時的采集監(jiān)測目標某些屬性數(shù)據(jù)(如溫度，壓力，光照，水體電導、溶氧、PH等)，監(jiān)測數(shù)據(jù)由網(wǎng)絡節(jié)點以多跳方式傳輸至匯聚節(jié)點(sink)。無線傳感器網(wǎng)絡具有能量受限，存儲能力受限，運算能力受限，帶寬受限等特征，網(wǎng)絡通常運行在無人值守的環(huán)境中，只能由小型電池供電，大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)匯聚至sink過程中，接近sink的節(jié)點會承擔更大的負載,節(jié)點壽命嚴重衰減，因此研究能量均衡的數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議具有重要意義。
[0003]現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)匯聚方法包括:1.單跳傳輸；該協(xié)議中所有節(jié)點的數(shù)據(jù)通過一跳發(fā)送至sink節(jié)點；2.分簇路由協(xié)議。該類協(xié)議將網(wǎng)絡所有節(jié)點分簇，在每一個簇中選出一個節(jié)點作為簇頭，進而將網(wǎng)絡內(nèi)的通信劃分為簇內(nèi)通信和簇間通信。簇頭節(jié)點完成區(qū)域內(nèi)的節(jié)點數(shù)據(jù)匯聚，然后把聚合后的數(shù)據(jù)傳送給sink節(jié)點。代表協(xié)議有LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy),該協(xié)議分為簇的建立階段和傳輸數(shù)據(jù)的穩(wěn)定階段。在建立階段，每個節(jié)點隨機生成(0，I)之間的隨機數(shù)，該值與節(jié)點閾值進行對比，確定該節(jié)點是否作為簇頭。節(jié)點閾值是由節(jié)點剩余能量決定的一個函數(shù)。然后所有簇頭節(jié)點在網(wǎng)絡中隨機選擇一部分節(jié)點作為簇頭節(jié)點，其余節(jié)點選擇最近的簇頭加入簇，形成分簇網(wǎng)絡拓撲。簇內(nèi)采用TDMA-MAC協(xié)議，給每個節(jié)點分配相應時隙；簇間采用CDMA-MAC協(xié)議減少了簇間數(shù)據(jù)碰撞，另外還有利用簇內(nèi)節(jié)點數(shù)據(jù)的相關性進行數(shù)據(jù)融合。現(xiàn)有的協(xié)議都需要所有節(jié)點采集數(shù)據(jù)，然后根據(jù)設計的協(xié)議傳輸至sink節(jié)點，由于所有節(jié)點都需要采集數(shù)據(jù)，因此節(jié)點的傳輸數(shù)據(jù)量和網(wǎng)絡負載都過大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)匯聚方法，能夠對大規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點數(shù)據(jù)進行實時的匯聚，實現(xiàn)網(wǎng)絡中節(jié)點能耗均衡，延長無線傳感器網(wǎng)絡壽命，并具有可擴展性和魯棒性等優(yōu)點，同時不會帶來更多的計算量和附加幀頭。
[0005]本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是:提供一種無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)匯聚方法，包括以下步驟:
[0006](I)建立路由階段，由匯聚節(jié)點發(fā)起建立分層級的網(wǎng)絡，節(jié)點維護其層級，鄰居節(jié)點和父節(jié)點列表，節(jié)點的層數(shù)等于節(jié)點到匯聚節(jié)點的跳數(shù)；所有節(jié)點按照本文所述的規(guī)則
建立路由。
[0007](2)數(shù)據(jù)傳輸階段，節(jié)點依據(jù)規(guī)則決定是否成為源節(jié)點，然后節(jié)點以一定的概率在其鄰居節(jié)點或者父節(jié)點中選擇一個作為下一跳路由節(jié)點，其中，源節(jié)點采集數(shù)據(jù)，非源節(jié)點不采集數(shù)據(jù)；所有源節(jié)點的數(shù)據(jù)通過鄰居節(jié)點或父節(jié)點的路由最終發(fā)送至匯聚節(jié)點。
[0008]所述步驟(2)后還包括:數(shù)據(jù)重構階段，利用BP算法對網(wǎng)絡中所有節(jié)點的數(shù)據(jù)進行重構。
[0009]所述步驟(I)中將所有節(jié)點的初始層級設為-1，匯聚節(jié)點的層級設為0，由匯聚節(jié)點發(fā)送組網(wǎng)命令幀，其他節(jié)點接收到匯聚節(jié)點發(fā)送的組網(wǎng)命令幀后把自己的層級設為1，然后已經(jīng)設置層級為I的節(jié)點依次發(fā)送組網(wǎng)命令幀，接收到的節(jié)點判斷自己的層級是否為-1，如果是則將自己的層級設為接收層級加一，并將發(fā)送節(jié)點ID加入到父節(jié)點，如果不是則判斷自己的層級是否與接收層級相同，如果相同則將發(fā)送節(jié)點ID加入到鄰居節(jié)點，如果不相同則判斷節(jié)點等級是否大于接收層級一級，如果是則將發(fā)送節(jié)點ID加入到父節(jié)點，否則忽略該命令，再由層級為2的節(jié)點依次發(fā)送組網(wǎng)命令幀，采用上述同樣的規(guī)則直到所有節(jié)點都確定層級完成組網(wǎng)。
[0010]所述步驟(2)中在數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點開始時，每個節(jié)點產(chǎn)生0至I之間的第一隨機數(shù)，并與預先設定的第一常數(shù)進行比較，如果第一隨機數(shù)小于或等于第一常數(shù)，則該節(jié)點成為源節(jié)點；若第一隨機數(shù)大于第一常數(shù)，則該節(jié)點只作為路由節(jié)點。
[0011]所述步驟(2)中，每個節(jié)點產(chǎn)生0至I之間的第二隨機數(shù)，并與預先設定的第二常數(shù)進行比較，如果第二隨機數(shù)大于第二常數(shù)，則節(jié)點從自身的父節(jié)點中以等概率選擇一個父節(jié)點作為下一跳路由節(jié)點，如果第二隨機數(shù)小于或等于第二常數(shù)，則節(jié)點從自身的鄰居節(jié)點中以等概率選擇一個鄰居節(jié)點作為下一跳路由節(jié)點。
[0012]所述步驟(2)中源節(jié)點在收到數(shù)據(jù)幀后產(chǎn)生0至I之間的第三隨機數(shù)，并把自己的ID和第三隨機數(shù)加入到數(shù)據(jù)幀的路由節(jié)點及數(shù)據(jù)字段，發(fā)送至下一跳路由節(jié)點；非源節(jié)點在收到數(shù)據(jù)幀后直接轉發(fā)至下一跳路由節(jié)點。
[0013]數(shù)據(jù)在路由過程中，如果路由節(jié)點同樣為源節(jié)點則對路由節(jié)點的數(shù)據(jù)乘以一個隨機產(chǎn)生的系數(shù)進行累加。
[0014]有益效果
[0015]由于采用了上述的技術方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有以下的優(yōu)點和積極效果:本發(fā)明利用無線傳感網(wǎng)節(jié)點之間數(shù)據(jù)的相關性，設計一種全新的路由，可以實現(xiàn)網(wǎng)絡中只要部分節(jié)點采集和發(fā)送數(shù)據(jù)，從而顯著降低節(jié)點的傳輸數(shù)據(jù)量和網(wǎng)絡負載。另外本方法采用隨機路由的策略，可以實現(xiàn)節(jié)點能量消耗的均衡。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是現(xiàn)有技術中無線傳感器網(wǎng)絡示意圖；
[0017]圖2是現(xiàn)有技術中無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點組成圖；
[0018]圖3是實施例中無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點分布圖；
[0019]圖4是實施例中節(jié)點組網(wǎng)命令流程圖；
[0020]圖5是實施例中節(jié)點下一跳選擇策略流程圖；[0021]圖6是實施例中節(jié)點數(shù)據(jù)轉發(fā)流程圖；
[0022]圖7是實施例中節(jié)點數(shù)據(jù)匯聚示意圖。
【具體實施方式】
[0023]下面結合具體實施例，進一步闡述本發(fā)明。應理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領域技術人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定的范圍。
[0024]本發(fā)明的實施方式涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)匯聚方法，包括以下步驟:建立路由階段，由匯聚節(jié)點發(fā)起建立分層級的網(wǎng)絡，節(jié)點的層數(shù)等于節(jié)點到匯聚節(jié)點的跳數(shù)；數(shù)據(jù)傳輸階段，節(jié)點依據(jù)規(guī)則決定是否成為源節(jié)點，然后節(jié)點以一定的概率在其鄰居節(jié)點或者父節(jié)點中選擇一個作為下一跳路由節(jié)點，其中，源節(jié)點采集數(shù)據(jù)，非源節(jié)點不采集數(shù)據(jù)；所有源節(jié)點的數(shù)據(jù)通過鄰居節(jié)點或父節(jié)點的路由最終發(fā)送至匯聚節(jié)點。該方法能夠對大規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點數(shù)據(jù)進行實時的匯聚，可以實現(xiàn)網(wǎng)絡中節(jié)點能耗均衡，延長無線傳感器網(wǎng)絡壽命，并具有可擴展性和魯棒性等優(yōu)點，同時本方法不會帶來更多的計算量和附加幀頭。
[0025]如圖3所示，400個節(jié)點散布在400X400的范圍內(nèi)，區(qū)域分為20X20大小一致的網(wǎng)格，每個節(jié)點隨機分布在一個網(wǎng)格中。每個節(jié)點可以采集監(jiān)測區(qū)域的某種或幾種屬性，如溫度，光照，振動等。節(jié)點可以發(fā)送數(shù)據(jù)和接收其它節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)。節(jié)點可以對數(shù)據(jù)幀進行融合處理。匯聚節(jié)點(sink)位于區(qū)域中心，即(200，200)處。匯聚節(jié)點收集網(wǎng)絡中所有節(jié)點的數(shù)據(jù)。如圖3所示，網(wǎng)絡中節(jié)點A的數(shù)據(jù)分別經(jīng)過Al，A2，A3，A4，A5 (圖3中白色節(jié)點)路由至sink節(jié)點。節(jié)點B的數(shù)據(jù)分別經(jīng)過BI，B2, B3, B4 (圖3中白色節(jié)點)傳輸至sink節(jié)點。
[0026]網(wǎng)絡中每個節(jié)點擁有唯一的地址ID，節(jié)點存儲維護該節(jié)點層級，鄰居節(jié)點和父節(jié)點信息。所有節(jié)點的初始層級設為-1。Sink節(jié)點的層級為O。
[0027]本發(fā)明分為路由建立階段，節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸階段和節(jié)點數(shù)據(jù)重構階段。
[0028]A)路由建立階段:
[0029]由sink節(jié)點發(fā)起，sink節(jié)點發(fā)送組網(wǎng)命令幀。其中，組網(wǎng)命令幀格式見表1。
[0030]
【權利要求】
1.一種無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)匯聚方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)建立路由階段，由匯聚節(jié)點發(fā)起建立分層級的網(wǎng)絡，節(jié)點維護其層級，鄰居節(jié)點和父節(jié)點列表，節(jié)點的層數(shù)等于節(jié)點到匯聚節(jié)點的跳數(shù)； (2)數(shù)據(jù)傳輸階段，節(jié)點依據(jù)規(guī)則決定是否成為源節(jié)點，然后節(jié)點以一定的概率在其鄰居節(jié)點或者父節(jié)點中選擇一個作為下一跳路由節(jié)點，其中，源節(jié)點采集數(shù)據(jù)，非源節(jié)點不采集數(shù)據(jù)；所有源節(jié)點的數(shù)據(jù)通過鄰居節(jié)點或父節(jié)點的路由最終發(fā)送至匯聚節(jié)點。
2.根據(jù)權利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)匯聚方法，其特征在于，所述步驟(2)后還包括:數(shù)據(jù)重構階段，利用BP算法對網(wǎng)絡中所有節(jié)點的數(shù)據(jù)進行重構。
3.根據(jù)權利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)匯聚方法，其特征在于，所述步驟(I)中將所有節(jié)點的初始層級設為-1，匯聚節(jié)點的層級設為O，由匯聚節(jié)點發(fā)送組網(wǎng)命令幀，其他節(jié)點接收到匯聚節(jié)點發(fā)送的組網(wǎng)命令幀后把自己的層級設為1，然后已經(jīng)設置層級為I的節(jié)點依次發(fā)送組網(wǎng)命令幀，接收到的節(jié)點判斷自己的層級是否為-1，如果是則將自己的層級設為接收層級加一，并將發(fā)送節(jié)點ID加入到父節(jié)點，如果不是則判斷自己的層級是否與接收層級相同，如果相同則將發(fā)送節(jié)點ID加入到鄰居節(jié)點，如果不相同則判斷節(jié)點等級是否大于接收層級一級，如果是則將發(fā)送節(jié)點ID加入到父節(jié)點，否則忽略該命令，再由層級為2的節(jié)點依次發(fā)送組網(wǎng)命令幀，采用上述同樣的規(guī)則直到所有節(jié)點都確定層級完成組網(wǎng)。
4.根據(jù)權利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)匯聚方法，其特征在于，所述步驟(2)中在數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點開始時，每個節(jié)點產(chǎn)生O至I之間的第一隨機數(shù)，并與預先設定的第一常數(shù)進行比較，如果第一隨機數(shù)小于或等于第一常數(shù)，則該節(jié)點成為源節(jié)點；若第一隨機數(shù)大于第一常數(shù)，則該節(jié)點只作為路由節(jié)點。
5.根據(jù)權利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)匯聚方法，其特征在于，所述步驟(2)中，每個節(jié)點產(chǎn)生O至I之間的第二隨機數(shù)，并與預先設定的第二常數(shù)進行比較，如果第二隨機數(shù)大于第二常數(shù)，則節(jié)點從自身的父節(jié)點中以等概率選擇一個父節(jié)點作為下一跳路由節(jié)點，如果第二隨機數(shù)小于或等于第二常數(shù)，則節(jié)點從自身的鄰居節(jié)點中以等概率選擇一個鄰居節(jié)點作為下一跳路由節(jié)點。
6.根據(jù)權利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)匯聚方法，其特征在于，所述步驟(2)中源節(jié)點在收到數(shù)據(jù)幀后產(chǎn)生O至I之間的第三隨機數(shù)，并把自己的ID和第三隨機數(shù)加入到數(shù)據(jù)幀的路由節(jié)點及數(shù)據(jù)字段，發(fā)送至下一跳路由節(jié)點；非源節(jié)點在收到數(shù)據(jù)幀后直接轉發(fā)至下一跳路由節(jié)點。
7.根據(jù)權利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)匯聚方法，其特征在于，數(shù)據(jù)在路由過程中，如果路由節(jié)點同樣為源節(jié)點則對路由節(jié)點的數(shù)據(jù)乘以一個隨機產(chǎn)生的系數(shù)進行累加。
【文檔編號】H04W28/08GK103686855SQ201310578357
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年11月18日 優(yōu)先權日:2013年11月18日
【發(fā)明者】馬賽, 徐暢, 鮑星合, 許小樺, 樓亮亮, 何為, 張唯易, 王營冠 申請人:中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所