本發(fā)明涉及wsn(無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，wirelesssensornetworks)領(lǐng)域，特別涉及一種基于備份節(jié)點(diǎn)的wsn的組網(wǎng)方法。

背景技術(shù)：

在wsn中，無線傳感器節(jié)點(diǎn)一般采用電池供電，且無法更換，同時(shí)由于wsn一般部署后，使得網(wǎng)絡(luò)幾乎不能維護(hù)，所以需要盡量延長wsn壽命。因此，如何在不影響功能的前提下，最大限度地利用能源、減小網(wǎng)路能量消耗是wsn設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題。

一種好的無線傳感器組網(wǎng)方式無疑是wsn中一種有效的節(jié)能方法。一方面，針對密集節(jié)點(diǎn)部署的樹形結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于wsn的情況；另一方面，在不影響數(shù)據(jù)可靠性前提下，有針對性地減少工作中的wsn節(jié)點(diǎn)就可以滿足需求，這樣形成的樹形層次性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能最大限度的保證采集區(qū)域中的節(jié)點(diǎn)向上層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量是最小的，同時(shí)能達(dá)到有效采集的目的。目前缺少一種基于備份節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)wsn的組網(wǎng)的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是實(shí)現(xiàn)一種通過確定節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)、設(shè)置備份節(jié)點(diǎn)等方法最終實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)，達(dá)到減少wsn冗余和增加wsn壽命的wsn組網(wǎng)方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：基于備份節(jié)點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方法：

1)設(shè)定wsn組網(wǎng)具有sink節(jié)點(diǎn)、主節(jié)點(diǎn)、備份節(jié)點(diǎn)、普通節(jié)點(diǎn)；

2)基于樹形拓?fù)渌惴ㄉ蓋sn，選取距離父節(jié)點(diǎn)最近且距離小于設(shè)定的最小通訊距離的子節(jié)點(diǎn)作為為其備份節(jié)點(diǎn)，同時(shí)父節(jié)點(diǎn)設(shè)置為主節(jié)點(diǎn)；

3)當(dāng)主節(jié)點(diǎn)失效或者能量到達(dá)設(shè)定的警戒值時(shí)；

4)備份節(jié)點(diǎn)接替主節(jié)點(diǎn)。

所述2)為初始階段包括以下步驟：

步驟1:普通節(jié)點(diǎn)通過定位技術(shù)確定自身位置，跳數(shù)值初始化為無窮大，sink節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)值初始化為0；

步驟2:sink節(jié)點(diǎn)向感知范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)廣播跳數(shù)值，接收到sink節(jié)點(diǎn)的傳感器節(jié)點(diǎn)跳數(shù)值設(shè)為1；

步驟3:跳數(shù)值為1的節(jié)點(diǎn)，依次向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播跳數(shù)值，如果節(jié)點(diǎn)ni收到節(jié)點(diǎn)nj傳輸?shù)奶鴶?shù)值小于本身跳數(shù)值且本身跳數(shù)值為無窮大，則節(jié)點(diǎn)ni將到節(jié)點(diǎn)nj設(shè)為父節(jié)點(diǎn)，并將自己跳數(shù)值設(shè)為節(jié)點(diǎn)nj跳數(shù)值加1，每個(gè)父節(jié)點(diǎn)選擇距離最近的子節(jié)點(diǎn)，如果該子節(jié)點(diǎn)距離小于設(shè)定的最小通訊距離rmin,則該子節(jié)點(diǎn)擁有成為備份節(jié)點(diǎn)的資格，然后把該子節(jié)點(diǎn)設(shè)置為備份節(jié)點(diǎn)，父節(jié)點(diǎn)設(shè)置為主節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)同備份節(jié)點(diǎn)完成備份信息的同步；如果該節(jié)點(diǎn)距離大于或者等于設(shè)定的最小通訊距離rmin,則父節(jié)點(diǎn)成為普通節(jié)點(diǎn)；

步驟4:每個(gè)節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)重復(fù)上述步驟，直至沒有其他節(jié)點(diǎn)加入傳感器網(wǎng)絡(luò)；

步驟5:葉節(jié)點(diǎn)設(shè)置為普通節(jié)點(diǎn)。

所述3)為主節(jié)點(diǎn)工作階段，主節(jié)點(diǎn)處于傳感器網(wǎng)絡(luò)之中，備份節(jié)點(diǎn)不處于傳感器網(wǎng)絡(luò)中，備份節(jié)點(diǎn)定期從休眠狀態(tài)喚醒，發(fā)送查詢消息給主節(jié)點(diǎn)，如果主節(jié)點(diǎn)失效或者能量低于預(yù)設(shè)的警告能量值則開始執(zhí)行交換程序，將主節(jié)點(diǎn)剔除，此備份節(jié)點(diǎn)成為主節(jié)點(diǎn)，接管原主節(jié)點(diǎn)的功能，成為原wsn中的一枚節(jié)點(diǎn)。

所述4)為備份節(jié)點(diǎn)接管階段，備份節(jié)點(diǎn)升級為新的主節(jié)點(diǎn)，通知原主節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)原主節(jié)點(diǎn)已死亡，并更新網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?。完成網(wǎng)絡(luò)更新后，新主節(jié)點(diǎn)進(jìn)入工作狀態(tài)。

本發(fā)明wsn的組網(wǎng)方法能夠在不影響節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)收集的情況下，能夠減少密集部署區(qū)域的正常工作時(shí)節(jié)點(diǎn)數(shù)量，形成一種高效的樹形層次拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該方法具有節(jié)省能量、組網(wǎng)方式簡單的特點(diǎn)，有效的延長網(wǎng)絡(luò)壽命。

附圖說明

下面對本發(fā)明說明書中每幅附圖表達(dá)的內(nèi)容作簡要說明：

圖1為傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期圖；

圖2為樹形結(jié)構(gòu)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提出一種基于備份節(jié)點(diǎn)的wsn的組網(wǎng)方法，主要目的是通過確定傳感器節(jié)點(diǎn)位置、確定傳感器節(jié)點(diǎn)感知范圍內(nèi)兩節(jié)點(diǎn)之間的通信距離、通過廣播命令層層傳遞生成樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及在廣播過程中除sink節(jié)點(diǎn)外的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都判斷距離最近的子節(jié)點(diǎn)是否具有成為備份節(jié)點(diǎn)的資格來設(shè)置備份節(jié)點(diǎn)；最終在樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上減少在網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目來達(dá)到有效的延長wsn的使用壽命的目的。

組網(wǎng)方法通過對無線傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初始化，然后通過一種基于樹形拓?fù)渌惴ㄉ蓋sn，在生成wsn的時(shí)候，通過選取距離父節(jié)點(diǎn)最近且距離小于設(shè)定的最小通訊距離rmin的子節(jié)點(diǎn)設(shè)置為其備份節(jié)點(diǎn)，同時(shí)父節(jié)點(diǎn)設(shè)置為主節(jié)點(diǎn)。接著在主節(jié)點(diǎn)失效或者能量到達(dá)設(shè)定的警戒值時(shí)，備份節(jié)點(diǎn)接替主節(jié)點(diǎn)。本方法適用于隨機(jī)部署環(huán)境下密集部署區(qū)域的wsn，既能減少wsn冗余又能增加wsn壽命。

具體來來說，將無線傳感器節(jié)點(diǎn)分為sink節(jié)點(diǎn)、主節(jié)點(diǎn)、備份節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)四種，如圖2所示，sink節(jié)點(diǎn)由標(biāo)記為a的圓點(diǎn)表示，主節(jié)點(diǎn)由標(biāo)記為b的圓點(diǎn)表示，備份節(jié)點(diǎn)由標(biāo)記為c的圓點(diǎn)表示，普通節(jié)點(diǎn)由標(biāo)記為d的圓點(diǎn)表示。

sink結(jié)點(diǎn):sink結(jié)點(diǎn)是數(shù)據(jù)采集的匯聚結(jié)點(diǎn)，在初始化階段，由sink結(jié)點(diǎn)發(fā)起組網(wǎng)信號，實(shí)現(xiàn)wsn組建工作；在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行階段，wsn中的結(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)經(jīng)匯聚到sink結(jié)點(diǎn)。

主節(jié)點(diǎn):wsn中正常運(yùn)行且有備份節(jié)點(diǎn)的普通結(jié)點(diǎn)，當(dāng)主節(jié)點(diǎn)能量達(dá)到警戒線時(shí)，主動(dòng)喚醒備份結(jié)點(diǎn)，同時(shí)告知備份節(jié)點(diǎn)修改父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)的信息。

備份結(jié)點(diǎn):備份結(jié)點(diǎn)大部分的時(shí)候處于休眠狀態(tài)，確保主節(jié)點(diǎn)能量達(dá)到警戒線時(shí)，及時(shí)被主節(jié)點(diǎn)喚醒，然后接管主節(jié)點(diǎn)的工作；當(dāng)一定周期沒有收到主節(jié)點(diǎn)發(fā)來的確認(rèn)信息，主動(dòng)發(fā)信息查詢主節(jié)點(diǎn)，如沒收到主節(jié)點(diǎn)的信息，啟動(dòng)交接程序。一個(gè)主節(jié)點(diǎn)只有一個(gè)備份結(jié)點(diǎn)，離主節(jié)點(diǎn)越近，同時(shí)低于最低通訊半徑的一個(gè)結(jié)點(diǎn)可設(shè)置為備份結(jié)點(diǎn)。當(dāng)主節(jié)點(diǎn)發(fā)生能量耗盡時(shí)，備份結(jié)點(diǎn)被喚醒升級為主節(jié)點(diǎn)，并負(fù)責(zé)發(fā)送消息給原主節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)和子結(jié)點(diǎn)，然后進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。

普通結(jié)點(diǎn):處于wsn中沒有自己備份結(jié)點(diǎn)的普通節(jié)點(diǎn)。

主節(jié)點(diǎn)命令處理具體包括:

(1)當(dāng)父節(jié)點(diǎn)或者子節(jié)點(diǎn)發(fā)生變化時(shí)，主節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)送命令消息通知備份結(jié)點(diǎn)更新父節(jié)點(diǎn)和子結(jié)點(diǎn)的信息。

(2)當(dāng)主結(jié)點(diǎn)能量低于預(yù)先設(shè)置的值時(shí)，主動(dòng)發(fā)送消息喚醒備份結(jié)點(diǎn)，并與備份結(jié)點(diǎn)交接數(shù)據(jù)信息，并通知備份結(jié)點(diǎn)發(fā)送消息給父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)。

組網(wǎng)方法具體如下：

步驟1：在初始化階段，普通節(jié)點(diǎn)通過定位技術(shù)確定自身位置，并且跳數(shù)值初始化為無窮大。

步驟2：sink節(jié)點(diǎn)跳數(shù)值初始化為0。

步驟3：sink節(jié)點(diǎn)向鄰居結(jié)點(diǎn)廣播信息，信息為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)值。

步驟4：在通訊半徑內(nèi)接收到信息的結(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的跳數(shù)值，跳數(shù)值加一，然后設(shè)置為自身的跳數(shù)值。

步驟5：在通訊半徑內(nèi)中找到編號最小的結(jié)點(diǎn)，編號最小結(jié)點(diǎn)向鄰居結(jié)點(diǎn)廣播信息，如果接受到信息的結(jié)點(diǎn)跳數(shù)值為無窮大，則把收到的跳數(shù)值，跳數(shù)值加一，然后設(shè)置為自身的跳數(shù)值。如果和當(dāng)前節(jié)點(diǎn)跳數(shù)值相同的其他兄弟結(jié)點(diǎn)接收到信息，則不修改跳數(shù)值。

步驟6：通訊半徑內(nèi)接收到信息的結(jié)點(diǎn)跳數(shù)值大于等于自己跳數(shù)值，并且有低于最小通訊半徑的結(jié)點(diǎn)，則取其中最近的結(jié)點(diǎn)設(shè)置為自己的備份結(jié)點(diǎn),自己設(shè)置為主節(jié)點(diǎn)，在初始化階段不再接收信息。

步驟7：如果一個(gè)結(jié)點(diǎn)被設(shè)置為備份結(jié)點(diǎn)，則在初始化階段不再接收信息。

步驟8：接下來，大于當(dāng)前編號的最小值結(jié)點(diǎn)向鄰居結(jié)點(diǎn)廣播信息，如果接受到信息的結(jié)點(diǎn)跳數(shù)值為無窮大，則把收到的跳數(shù)值，跳數(shù)值加一后，設(shè)置為自身的跳數(shù)值。如果和當(dāng)前節(jié)點(diǎn)跳數(shù)值相同的其他兄弟結(jié)點(diǎn)接收到信息，則不修改跳數(shù)值。

步驟9：重復(fù)步驟6、步驟7、步驟8三步，直到?jīng)]有當(dāng)前跳數(shù)值結(jié)點(diǎn)。

步驟10：執(zhí)行步驟9直到?jīng)]有結(jié)點(diǎn)可以加入wsn。

步驟11：把除主節(jié)點(diǎn)和備份節(jié)點(diǎn)外的節(jié)點(diǎn)設(shè)置為普通節(jié)點(diǎn)。

根據(jù)組網(wǎng)方法，每個(gè)結(jié)點(diǎn)依次修改當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)信息。

在主節(jié)點(diǎn)工作階段。主節(jié)點(diǎn)處于wsn中，備份結(jié)點(diǎn)定期從休眠狀態(tài)喚醒，發(fā)送查詢消息給主節(jié)點(diǎn)，如果主節(jié)點(diǎn)沒有應(yīng)答，判斷主節(jié)點(diǎn)失效后，備份節(jié)點(diǎn)主動(dòng)升級為主節(jié)點(diǎn)，通知父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)的信息更新結(jié)點(diǎn)信息。如果主節(jié)點(diǎn)正常工作，則主節(jié)點(diǎn)返回一個(gè)正常工作的消息，備份結(jié)點(diǎn)接收到后，從當(dāng)前狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樾菝郀顟B(tài)。

在備份節(jié)點(diǎn)工作階段，備份節(jié)點(diǎn)升級為主節(jié)點(diǎn)，完成主節(jié)點(diǎn)的工作。

上面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行了示例性描述，顯然本發(fā)明具體實(shí)現(xiàn)并不受上述方式的限制，只要采用了本發(fā)明的方法構(gòu)思和技術(shù)方案進(jìn)行的各種非實(shí)質(zhì)性的改進(jìn)，或未經(jīng)改進(jìn)將本發(fā)明的構(gòu)思和技術(shù)方案直接應(yīng)用于其它場合的，均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。