CN100358311C - 一种支持唤醒机制的异构传感器网络系统的实现方法 - Google Patents

Abstract

一种支持唤醒机制的异构传感器网络系统的实现方法，其特征在于：简单媒体节点一直处于工作状态，对环境进行实时监测，并定期将感知数据以多跳无线传输方式传送到数据汇聚节点；同时，每个简单媒体节点上设置的规则实时分析感知数据，一旦判断有异常事件发生，就启动唤醒机制：该简单媒体节点唤醒周边的复杂媒体节点，一起协同监测该异常事件，以便将简单媒体节点和复杂媒体节点采集到的多类型感知数据一并传回到数据汇聚节点，数据汇聚节点对这些不同类型感知数据进行分析和融合处理，及时做出正确决策。本发明介绍的节能唤醒的实现方法，较好地解决了在节点性能差异且资源有限的异构传感器网络中对复杂多变环境实现全面、实时监测的问题。

Description

一种支持唤醒机制的异构传感器网络系统的实现方法

技术领域

本发明涉及一种支持唤醒机制的异构传感器网络系统的实现方法，属于无线自组织网络系统技术领域。

背景技术

传感器、微机电系统、现代网络和无线通信等技术的进步，推动了现代无线传感器网络的产生和发展。目前，涉及众多学科的无线传感器网络已经成为IT领域中的研究热点之一。由于互联网为人们提供了快捷的通信平台，极大地方便了人们的信息交流。无线传感器网络拓展了人们获取信息的能力，将客观世界的物理信息同传输网络连接在一起，在下一代互联网中将为人们提供最直接、最有效、最真实的消息。由于无线传感器网络能够获取客观世界的各种物理信息，可应用于军事国防、工农业控制、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等诸多领域，具有广阔的应用前景。无线传感器网络应用的诱人前景，引起了国内外的广泛关注，美国、欧洲等纷纷开展该领域的理论和应用研究，建设了很多演示系统。国内的科研院所和高校也开展了相关的研究。

从目前的研究成果来看，大部分无线传感器网络的原型系统都属于同构传感器网络。在此类传感器网络中，各个传感器节点的传感类型、通信能力、处理能力都完全相同，通常只具有传感某一类媒体信息的能力；比如温度传感器网络就只能对监测场景中的温度数据进行感知、转发和处理。由于监测环境的日趋复杂多变，使得只有单一功能和有限能力的同构传感器网络日益暴露其不足之处。另外，有别于传统网络，传感器网络是能量受制网络。对数目众多，广泛分布的传感器节点进行充电或更换电池是不现实的，尤其是某些恶劣环境下的特殊场合。然而，对于大多数监测系统而言，长期监测是必须的。因此，如何节约网络能量也成为目前传感器网络亟待解决的问题。

由多种类型传感任务的传感器节点所组成的异构传感器网络能够有效解决上述问题，实现多角度、多层面感知监测环境的状态；而且，不同类型传感器节点具有不同的运行模式和处理能力，它们的协同实现了资源和处理的互补，使得异构传感器网络具有强大的功能，引起人们的关注。

异构传感器网络通常是由多种类型传感任务的传感器节点、数据汇聚节点通过无线通信方式形成的一个多跳自组织的网络系统，各个传感器节点协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的多种媒体信息，并及时向观察者发布监测结果。异构传感器网络的特点是：提供监测环境的多种类型媒体信息(如温度、湿度、气味、光强、音频及视频等)的异构节点同时存在于传感器网络中，节点异构性不仅表现在传感不同的媒体类型上，还表现在运行模式、处理能力、电池能量以及工作能耗等多方面，通过这些异构节点间的协作实现资源和处理的互补。

参见图1，介绍异构传感器网络系统的结构组成，包括：多个异构传感器节点和采用无线方式与各个传感器节点进行通信交互的数据汇聚节点。异构传感器节点按照感知媒体类型可以分为简单媒体节点或低端节点(图示为小圆)和复杂媒体节点或高端节点(图示为小方框)两类。其中，简单媒体节点的成本低廉、资源有限，以较低能耗感知近距离范围内单一数值的媒体信息，比如温度、湿度、光强等信息。复杂媒体节点则成本较高、资源丰富，以较高能耗感知相当范围内信息量丰富的媒体信息，比如音频/视频信息。每类传感器节点都能以设定的无线发送和接收距离(即通信半径)进行通讯，每类传感器节点也能够感知设定距离(即传感半径)内的被监测对象的信息。如图1所示，带箭头虚线和带箭头实线分别表示简单媒体节点和复杂媒体节点通过多跳方式与数据汇聚节点进行通信交互。

在异构传感器网络中，一种采用异构节点对环境进行协同监测的有效节能方法是：让无需工作的节点处于低能耗的休眠状态，在需要时对其进行唤醒。即通常所谓的“唤醒机制”：网络中的每个传感器节点具有休眠和工作两种状态，且两种状态之间可相互转换；传感器节点处于休眠状态时，以低功耗模式对无线信道进行侦听；一旦接收到唤醒指令或传输来的数据，即转换为工作状态。通过唤醒休眠节点的方式来节约网络能量。近年来，对具有唤醒机制的异构传感器网络的研究已经成为业内人士的关注焦点。

在《无线传感器网络中一种分布协同计算的分层模型》(“A HierarchicalModel for Distributed Collaborative Computation in Wireless Sensor Networks”  发表于并行与分布式处理国际研讨会’03)文章中，作者指出异构传感器网络中采用唤醒机制便于网络的能量管理，通过异构传感器网络簇结构中的簇头节点唤醒本簇内其他节点，实现整个簇内部从休眠状态到工作状态的转换。该文仅仅从节点能量的异构角度讨论异构传感器网络中唤醒机制的问题。

在《无线传感器网络中数据传输的节能策略》(“Power Conservation Schemesfor Energy Efficient Data Propagation in Heterogeneous Wireless Sensor Networks”发表于第38届仿真研讨会’05)文章中，提出基于休眠一工作思想设计的几种能量节约的策略，主要研究不同调度策略在唤醒机制实现过程中性能及其与网络能耗、网络覆盖率之间的关系。

从申请人目前掌握的专利资料来看，尚无发现如何具体解决异构传感器网络中唤醒机制实现方法的相关材料。而且，现有的异构传感器网络中唤醒机制的各种研究都没有充分考虑节点传感类型、传感及通信能力方面的异构特征，而这些显著特点理应赋予唤醒机制更为丰富的表现形式和内涵，成为异构传感器网络系统的重要技术特征。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种支持唤醒机制的异构传感器网络系统的实现方法，本发明区别于传统的簇头节点唤醒簇内节点的模式，提出一种节能唤醒的新思路和实现方法，较好地解决了在节点性能差异且资源有限的异构传感器网络中对复杂多变环境实现全面、实时监测的问题。

为了达到上述目的，本发明提供了一种支持唤醒机制的异构传感器网络系统的实现方法，其特征在于：简单媒体节点一直处于工作状态，对环境进行实时监测，并定期将感知数据以多跳无线传输方式传送到数据汇聚节点；同时，每个简单媒体节点上设置的规则实时分析感知数据，一旦判断有异常事件发生，就启动唤醒机制：该简单媒体节点唤醒周边的复杂媒体节点，一起参与对该异常事件的协同监测，以便将简单媒体节点和复杂媒体节点采集到的多类型感知数据一并传回到数据汇聚节点，数据汇聚节点对这些不同类型感知数据进行分析和融合处理，及时做出正确决策；该方法包括下列步骤：

(1)初始化阶段：为每个复杂媒体节点分别建立其传感范围内的各个简单媒体节点到达其的路由信息，为实现唤醒机制提供网络拓扑基础；

(2)异常感知阶段：简单媒体节点长期处于实时监测的工作状态，按设定采样频率将感知数据传送到数据汇聚节点；每个简单媒体节点中设置有对感知数据进行实时分析的规则，一旦判断有异常事件发生，就启动唤醒机制；

(3)唤醒实施阶段：简单媒体节点依据设定路由唤醒周边的一个或多个复杂媒体节点，一起协同监测该异常事件，并将其各自感知数据一并传回数据汇聚节点，由数据汇聚节点对这些不同类型感知数据进行综合分析、处理和判断。

所述步骤(1)进一步包括下列操作内容：

(11)消息扩散：根据复杂媒体节点的发射功率是否可调，复杂媒体节点采用两种不同方式逐级扩散消息，建立其传感区域内的所有简单媒体节点到达其的路由；

(12)梯度建立：在消息扩散操作中，以每条传输路径的数据传输延迟参数ΔT作为该路径被选择用于数据链路的权重参数，其中ΔT∈[0，1]，且ΔT为实数，其数值越大，则该路径被选作加强路径的可能性越大；

(13)路径加强：逐级遍历简单媒体节点的本地列表，并选用前述步骤中传输路径上权重数值较大的方向，为简单媒体节点建立通向复杂媒体节点的加强路径。

所述步骤(11)中，如果复杂媒体节点的发射功率可调时，调节发射功率来改变复杂媒体节点的通信半径，实现消息扩散；具体步骤为：

(1101)将网络中的复杂媒体节点通信半径调整为其传感半径数值，复杂媒体节点以该通信半径广播消息；

(1102)所有收到该广播消息的简单媒体节点都对其本地列表中“隶属复杂媒体节点标识”表项值进行修改，以表明其位于该复杂媒体节点感知区域内；

(1103)将复杂媒体节点通信半径调整为简单媒体节点的通信半径数值，复杂媒体节点再以该通信半径逐级进行消息扩散；

(1104)当简单媒体节点收到步骤(1103)的广播消息时，先检查是否为首次收到该消息，若是，执行下述三项操作：修改其本地列表中“隶属复杂媒体节点标识”表项值；修改简单媒体节点的本地列表中“下一跳节点标识”，建立反向的路由信息；将该消息扩散给所有与之通信可达的简单媒体节点；否则，丢弃该消息，不作任何处理；

(1105)调整复杂媒体节点通信半径为正常值，保证复杂媒体节点在监测过程中的正常通信。

所述步骤(11)中，如果复杂媒体节点的发射功率不可调时，选取距离该复杂媒体节点最近的一个简单媒体节点，以该简单媒体节点代替复杂媒体节点实现多级消息扩散；具体步骤为：

(1111)复杂媒体节点以其通信半径广播消息，所有收到该消息的简单媒体节点返回应答消息ACK，复杂媒体节点选取最快返回应答消息ACK的简单媒体节点作为替代该复杂媒体节点的扩散源点，以将异构传感器网络中的不同节点间的路由问题转化为一个同构传感器网络中的路由问题；

(1112)计算扩散级数

其中n是自然数，用于控制该扩散源点的扩散消息的规模，以节约网络能耗和有效区别复杂媒体节点传感区域内、外的不同简单媒体节点，仅为复杂媒体节点感知区域内的简单媒体节点建立其到该复杂媒体节点的路由信息，然后，该扩散源点携带包括但不限于复杂媒体节点标识、扩散级数n信息进行有限多级扩散；

(1113)当简单媒体节点收到上述扩散消息时，首先，扩散消息中携带的扩散级数n自动减1，若此时扩散级数n为零，则结束消息扩散操作；否则，检查是否为首次收到该消息，若是，执行下述三项操作：修改其本地列表中“隶属复杂媒体节点标识”表项值；修改简单媒体节点的本地列表中“下一跳节点标识”，建立反向的路由信息；将该消息扩散给所有与之通信可达的简单媒体节点；否则，丢弃该消息，不作任何处理；

(1114)检查简单媒体节点列表中“下一跳节点标识”表项值，若“下一跳节点标识”表项值为扩散源点标识，则替换为复杂媒体节点标识；

(1115)检验步骤(1114)中进行路由替换的简单媒体节点的通信半径是否可达复杂媒体节点，如果是，结束消息扩散操作；否则，进行路由修补：将“下一跳节点标识”表项值重新修改为扩展源点标识，再增加扩展源点到复杂媒体节点的一跳路由信息。

所述简单媒体节点是成本低廉、资源有限，以较低能耗感知近距离范围内单一数值的媒体信息的传感器节点，复杂媒体节点是成本较高、资源丰富，以较高能耗感知设定范围内信息量丰富的媒体信息的传感器节点；简单媒体节点均在本地存储有一个列表，该列表中的每个表项记录包括但不限于其所隶属的复杂媒体节点标识、下一跳节点标识、梯度和时间戳信息；当一个简单媒体节点对应多个邻居节点时，则对应每个邻居节点都设有一个表项。

所述简单媒体节点的本地列表中“隶属复杂媒体节点标识”表项值的修改规则是：判断简单媒体节点的本地列表项中“隶属复杂媒体节点标识”取值是否为空？若取值为空，说明该简单媒体节点尚未被复杂媒体节点传感覆盖，则将“隶属复杂媒体节点标识”表项值直接修改为当前复杂媒体节点标识；否则，在列表中添加一个新表项，用于记录简单媒体节点与该复杂媒体节点间的隶属关系。

所述步骤(13)中，逐级遍历简单媒体节点的本地列表并选用传输路径上权重数值较大的方向的具体操作可酌情采取下述两种处理步骤：

如果简单媒体节点列表中“隶属复杂媒体节点标识”取值唯一时，即该简单媒体节点只被一个复杂媒体节点感知覆盖，则先按照通信链路权重参数大小将多个表项降序排列，再将具有最大权重参数的通信路径标识为加强路径；

如果简单媒体节点列表中“隶属复杂媒体节点标识”取值多个时，即该简单媒体节点被多个复杂媒体节点感知覆盖，则先按照“隶属复杂媒体节点标识”取值不同进行分组，再在各分组中按通信链路权重参数大小将多个表项降序排列，然后，将各分组中具有最大权重参数的通信路径标识为加强路径。

所述步骤(2)中，简单媒体节点中设置的对感知数据进行实时分析的规则的定义形式为：P→Q，或IF P THEN Q；式中，前件P为环境情况的描述，结论Q为该简单媒体节点所要执行的具体操作。

所述步骤(3)中进一步包括下列操作内容：

(31)简单媒体节点监测到异常事件发生时，立即发出唤醒消息，该唤醒消息沿本地列表中加强路径方向进行跳转，同时将该唤醒消息及当前时间戳信息缓存在本地数据缓冲池内；

(32)简单媒体节点接收到每条唤醒消息时，先与本地数据缓冲池中历史数据进行比对，如果在数据缓冲池中发现与接收到的唤醒消息匹配的副本，且时间戳差值小于设定的阈值，则表明刚才已经转发过该唤醒消息，为避免出现冗余传输而丢弃之；否则，沿本地列表中加强路径方向进行跳转，直至抵达复杂媒体节点；

(33)复杂媒体节点接收到唤醒消息后，由休眠状态转为监测状态；

(34)复杂媒体节点通过多跳方式将其的感知数据传回到数据汇聚节点；

(35)数据汇聚节点对来自简单媒体节点和复杂媒体节点的不同类型感知数据进行综合分析、处理和判断。

本发明是一种支持唤醒机制的异构传感器网络系统的实现方法，用于解决在节点性能差异且资源有限的异构传感器网络中对复杂多变环境实现全面、实时监测。以下从唤醒机制和具体实现两方面说明本发明方法的显著优势：

本发明方法充分考虑到异构传感器网络中节点间传感类型、通信能力、处理能力等方面的异构性能，提出一种不同于传统的簇头节点唤醒簇内节点模式的异构传感器网络中异构节点唤醒的新思路：利用一直保持监测状态的简单媒体节点唤醒处于休眠状态的复杂媒体节点，实现对异常区域的协同监测。该唤醒机制不仅能有效节约网络能量消耗，延长网络的工作寿命，而且显著提高异构传感器网络对监测环境的智能感知和快速响应能力；尤其适用于对复杂多变环境的事实监测。

从唤醒机制实现方法角度上来看，本发明为唤醒实现的关键阶段-初始化阶段提供了两种解决方案。当复杂媒体节点发射功率不可调时，选取与复杂媒体节点位置最接近的一个简单媒体节点，以此代替复杂媒体节点实现消息扩散。路由建立过程中增加路由替换和路径修改两步，既减少了扩散源点因频繁转发其他简单媒体节点数据而造成的能量过快耗尽，又减少了其他简单媒体节点到复杂媒体节点的通信跳数，进而节约网络能量。另外，还建立了简单媒体节点到相应一个或多个复杂媒体节点的加强路径，保证了唤醒消息可以沿着该加强路径快速、可靠地实现对复杂媒体节点的唤醒。

附图说明

图1为本发明异构传感器网络系统的结构组成示意图。

图2为本发明异构传感器网络系统中唤醒机制的工作流程图。

图3为本发明支持唤醒机制的异构传感器网络系统的实现方法流程图。

图4为本发明简单媒体节点/复杂媒体节点传感半径及通信半径的示意图。

图5(A)、(B)分别为本发明通过调节发射功率改变复杂媒体节点通信半径、建立异构传感器网络间路由信息的实现方法示意图。

图6(A)、(B)分别为本发明选取与复杂媒体节点位置最接近的一个简单媒体节点，以此代替其进行消息扩散，构建异构传感器网络间路由信息的方法示意图。

图7为本发明方法中路径加强步骤的实施例示意图。

图8为本发明方法中当一个简单媒体节点同时被多个复杂媒体节点感知覆盖时，路径加强步骤的实施例示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

参见图2，本实施例中，分别以温度传感器节点和视频传感器节点表示简单媒体节点和复杂媒体节点，描述本发明支持唤醒机制的异构传感器网络系统的实现方法：温度传感器节点长期处于监测状态，实时感测外界环境，感知外界是否发生异常突发事件，并定期将感知的温度数据以多跳传输方式传送到数据汇聚节点。每个温度传感器节点上设有规则，用于对感知到的温度数据进行分析判断。一旦温度值超过某预先设定的阈值，即断定有异常事件发生(如火灾)，就启动唤醒机制：该温度传感器节点唤醒周边的一个或多个视频传感器节点，一起对异常事件区域进行协同监测。最终将温度传感器节点和视频传感器节点采集到的温度和视频数据一并传回到数据汇聚节点，数据汇聚节点对这两种不同类型的感知数据进行分析和融合处理，及时做出相应的正确决策。因此，所谓唤醒机制就是由感知到异常事件发生的温度传感器节点“吵醒”具有更高感知能力的视频传感器节点，再由两者一起对异常事件区域进行协同监测，以满足人们对所监测环境的及时感知、全面理解和控制。

参见图3，介绍本发明支持唤醒机制的异构传感器网络系统的实现方法的具体操作步骤的三个阶段：(1)初始化阶段；(2)异常感知阶段；(3)唤醒实施阶段；其中初始化阶段是本发明中的重点。下面简要说明之：

步骤(1)的初始化阶段：为每个复杂媒体节点分别建立其传感范围内的各个简单媒体节点到达其的路由信息，为实现唤醒机制提供网络拓扑基础。

在异构传感器网络中，不仅要考虑异构节点间通信半径R_C差异，还要考虑另一个常被忽略的重要参数：异构节点间传感半径R_S差异。一般情况下，传感器节点的传感区域和通信区域都满足全向模型(参见图4)；即以节点为圆心，传感半径R_S(通信半径R_C)为半径的一个球形区域(图4中用二维平面的圆表示之)。而且，通常同一传感器节点R_S与R_C满足如下关系：R_C∝k×R_S，(k≥2，且k为实数)；即传感器节点的传感区域小于通信区域。同构传感器网络通常采用多级扩散建立多传感器节点间的路由信息。然而，异构传感器网络中节点间异构性使得传统的解决方法遇到了问题。复杂媒体节点通过一级扩散向其通信区域内所有简单媒体节点广播，并不是所有收到来自复杂媒体节点广播消息的简单媒体节点都有资格唤醒复杂媒体节点。非传感区域内的简单媒体节点即使感知到异常事件，由于复杂媒体节点无法对其进行有效感知，也不具备被唤醒的资格，因此，无需建立非传感区域内的简单媒体节点到该复杂媒体节点的路由信息。

上述分析为初始化阶段提出了解决具体方案，将其再分为三个操作步骤：

(11)消息扩散：该步骤中，复杂媒体节点通过消息逐级扩散的方式，建立其传感区域内所有简单媒体节点到达其的路由信息。本发明根据复杂媒体节点的发射功率可调与否，提供两种实现方法。

第一种方法：当复杂媒体节点发射功率可调时，调节发射功率改变复杂媒体节点通信半径以实现消息扩散。

(1)调整网络中复杂媒体节点通信半径为其传感半径大小，复杂媒体节点以此广播消息；

(2)所有收到广播消息的简单媒体节点修改其本地列表中“隶属复杂媒体节点标识”表项值，以表明其位于当前复杂媒体节点感知区域内；

(3)调整复杂媒体节点通信半径为简单媒体节点通信半径大小，复杂媒体节点以此逐级进行消息扩散；

(4)当简单媒体节点收到广播消息时，首先检查是否是第一次收到该消息，若是，顺序执行下列三项操作：a)修改其本地列表中“隶属复杂媒体节点标识”表项值；b)修改简单媒体节点本地列表中“下一跳节点标识”，建立反向的路由信息；c)将该消息扩散给所有与之通信可达的简单媒体节点；否则，简单丢弃该消息，不作任何处理；

(5)调整复杂媒体节点通信半径至正常值，以保证复杂媒体节点在正常监测过程中通信。

参见图5，介绍通过调节发射功率改变复杂媒体节点通信半径建立异构传感器网络间路由信息的实施例：

图5(A)所示为一异构传感器网络局部节点部署的示意图，其中方框1代表复杂媒体节点，圆圈2～18代表简单媒体节点。

首先，将节点1的通信半径调整至节点1的传感半径数值，向其感知区域内的简单媒体节点进行广播，所有收到广播消息的节点2～18修改当前“隶属复杂媒体节点标识”表项值为当前复杂媒体节点标识。只有节点2～8才有必要建立到该复杂媒体节点的路由信息。因为对于节点9～18来说，即使感知到突发事件，由于异常情况并不在节点1的感知区域内，唤醒节点1毫无意义。

然后，将节点1的通信半径调整至简单媒体节点通信半径进行多跳扩散，建立所有节点2～8到节点1的路由信息；如图5(B)所示。

第二种方法：当复杂媒体节点发射功率不可调时，选取与复杂媒体节点位置最接近的一个简单媒体节点，以此代替复杂媒体节点实现消息扩散。

需要解释的是：复杂媒体节点发射功率不可调时，下述两个关键因素会影响复杂媒体节点消息扩散建立其传感区域内所有简单媒体节点到其路由信息：

扩散源点：复杂媒体节点的通信半径取值较大，这样就决定了不可能以其作为扩散源点。本发明选取与复杂媒体节点距离最接近的一个简单媒体节点，以此代替该复杂媒体节点进行多级消息扩散，从而将异构传感器网络中的简单媒体节点到复杂媒体节点的路由信息的建立问题转化为一个同构传感器网络中的路由问题。具体方法为：复杂媒体节点以其通信半径进行消息广播，收到消息的所有简单媒体节点发回的应答消息ACK后，复杂媒体节点选取最快返回ACK响应的简单媒体节点作为复杂媒体节点的替代，进行多级消息扩散。

扩散级数：用扩散级数来控制替代简单媒体节点消息扩散的规模，这样不仅节约网络能耗，还可有效区别该复杂媒体节点传感区域内和非传感区域的不同简单媒体节点，仅为传感区域内的简单媒体节点建立到该复杂媒体节点的路由信息。因此提供了扩散级数的计算公式： 其中扩散级数n是自然数。

(1)复杂媒体节点广播消息，所有收到消息的简单媒体节点发回响应消息ACK，选取最快返回ACK响应的简单媒体节点作为替代复杂媒体节点的扩散源点；

(2)计算扩散级数n，扩散源点携带复杂媒体节点标识、扩散级数n等信息进行有限多级扩散；

(3)当简单媒体节点收到扩散消息时，首先，扩散消息中携带的扩散级数n自动减1，若此时扩散级数n为零，则结束消息扩散操作；否则，检查是否是第一次收到此消息，若是，顺序执行下列三项操作：a)修改其本地列表中“隶属复杂媒体节点标识”表项值；b)修改简单媒体节点本地列表中“下一跳节点标识”，建立反向的路由信息；c)将该消息扩散给所有与之通信可达的简单媒体节点；否则，简单丢弃该消息，不作任何处理；

(4)检查简单媒体节点列表中“下一跳节点标识”表项值，若“下一跳节点标识”表项值为扩散源点标识，则替换为复杂媒体节点标识；

(5)检验步骤(4)中进行路由替换的简单媒体节点是否为通信可达复杂媒体节点，如果是，消息扩散步骤结束；否则，进行路由修补，将“下一跳节点标识”表项值重新修改为扩展源点标识，再增加扩展源点到复杂媒体节点的一跳路由信息。

其中，修改简单媒体节点本地列表中“隶属复杂媒体节点标识”表项值的规则为：判断简单媒体节点本地列表表项中“隶属复杂媒体节点标识”取值是否为空？若取值为空，则表明该简单媒体节点尚无被其他复杂媒体节点传感覆盖，可直接修改“隶属复杂媒体节点标识”表项值为当前复杂媒体节点标识；否则，在列表中添加一个新表项，用于记录简单媒体节点与该复杂媒体节点间的隶属关系。

参见图6，介绍当复杂媒体节点发射功率不可改变时，通过选取与复杂媒体节点位置最接近的一个简单媒体节点，以此代替其进行消息扩散建立异构传感器网络间路由信息的上述方法的实施例：

图6(A)所示为一异构传感器网络局部节点部署情况的示意图，其中方框1代表复杂媒体节点，圆圈2～18代表简单媒体节点。首先，节点1广播消息，节点2～18在收到来自节点1的消息后均返回ACK响应。最快返回ACK响应的节点5被认定是距离节点1最近的简单媒体节点，选取节点5代替节点1进行多级扩散。然后，以节点5为扩散源点第一级扩散，建立节点3→节点5、节点6→节点5和节点8→节点5的路由信息；再分别以节点3、节点6、节点8为源点作第二级扩散，先后建立节点2→节点3、节点7→节点3和节点4→节点8的路由信息(如图6(A)所示)。

参见图6(B)，按照路由替换策略，将节点3→节点5、节点6→节点5和节点8→节点5的路由信息替换为节点3→节点1、节点6→节点1和节点8→节点1的路由信息；再检验进行路由替换的节点3、节点6和节点8是否通信可达节点1。因为节点3、节点8通信可达节点1，所以路由替换成功(图示为带箭头的粗实线)；因为节点6通信不可达节点1，需要进行路由修补，重新修改为节点6→节点5，再增加节点5→节点1的一跳路由信息(图示为带箭头的粗实线)，整个建立过程结束。

(2)梯度建立：在消息扩散中，以数据传输延迟ΔT作为参数，为每条传输路径设定相应的权重参数。其中ΔT∈[0，1]，且ΔT为实数。ΔT取值越大，说明当前路径被选作加强路径的可能性越大。当然，也可定义其它不同参数以适应不同的应用需求。

(3)路径加强：在此步骤中，逐级遍历简单媒体节点的本地列表，并沿步骤(2)中传输路径上权值较大的方向，为简单媒体节点建立通向复杂媒体节点的加强路径。具体方法如下：

若简单媒体节点列表中“隶属复杂媒体节点标识”取值唯一时，说明该简单媒体节点只被一个复杂媒体节点感知覆盖；进行下列操作：先按通信链路权重参数大小将多个表项降序排列，再将最大权重参数的通信路径标识为加强路径。

若简单媒体节点列表中“隶属复杂媒体节点标识”取值多个时，说明该简单媒体节点被多个复杂媒体节点感知覆盖；进行下列操作：先按“隶属复杂媒体节点标识”取值不同进行分组，再在各分组中按通信链路权重参数大小将多个表项降序排列，最后将各分组中具有最大权重参数的通信路径标识为加强路径。

参见图7，介绍初始化阶段路径加强步骤的实施例情况。该实施例如图5(B)所示，其中方框1代表复杂媒体节点，圆圈2～8代表简单媒体节点。该实施例以数据传输延迟作为梯度参数，为节点2～8中任一节点唤醒节点1提供一条加强路径(图示为带箭头的粗实线)。传输路径的数据传输延迟越小，其对应的梯度参数取值越大，说明该路径被选作加强路径的可能性越大。

参见图8，说明当一个简单媒体节点同时被多个复杂媒体节点感知覆盖时，唤醒路径加强的实施例情况。其中方框1和2为复杂媒体节点，圆圈3为同时被节点1和节点1感知覆盖的简单媒体节点，圆圈4～7为简单媒体转发节点。

对于节点1而言，节点3只有一条路径：节点3→节点4→节点1，直接将其标识为加强路径。

对于节点2而言，节点3有两条路径：一条是节点3→节点5→节点7→节点2，另一条是节点3→节点6→节点7→节点2。此时需要比较节点3→节点5和节点3→节点6两条路径上的梯度参数值。由于节点3→节点6的梯度参数值0.7大于节点3→节点5的梯度参数值0.5，故选择节点3→节点6→节点7→节点2作为节点3到节点2的加强路径(图示为带箭头的粗实线)。

步骤(2)的异常感知阶段：简单媒体节点长期处于实时监测状态，按设定采样频率将感知数据传送到数据汇聚节点。每个简单媒体节点上设有简单规则，用于对感知数据进行分析判断。一旦判断有异常事件发生，就启动唤醒机制。本发明定义的规则形式如下：P→Q，或IF P THEN Q；其中，前件P描述环境情况，Q则表示简单媒体节点所要执行的具体操作。

步骤(3)的唤醒实施阶段：简单媒体节点依据设定路由唤醒周边的一个或多个复杂媒体节点，一起协同监测该异常事件，并将其各自感知数据一并传回数据汇聚节点，数据汇聚节点对这些不同类型感知数据进行综合分析、处理和判断。包括下列操作：

(31)监测到异常事件的简单媒体节点发出唤醒消息，该唤醒消息沿本地列表中加强路径方向进行跳转，同时，该唤醒消息及当前时间戳信息被缓存在本地数据缓冲池内；

(32)对于到来的每条唤醒消息，简单媒体节点要先与本地的数据缓冲池中历史数据进行比对；如果在数据缓冲池中发现与接收到的唤醒消息匹配的副本，且时间戳差值小于设定的阈值，说明刚才已经转发过这条唤醒消息，为避免出现冗余传输而丢弃这条唤醒消息；否则，沿本地列表中加强路径方向进行跳转直至复杂媒体节点；

(33)接收到唤醒消息的复杂媒体节点由休眠状态转为监测状态；

(34)复杂媒体节点通过多跳方式将感知数据传回到数据汇聚节点。

(35)数据汇聚节点对来自简单媒体节点和复杂媒体节点的不同类型感知数据进行综合分析、处理和判断。

Claims (9)

1、一种支持唤醒机制的异构传感器网络系统的实现方法，其特征在于：简单媒体节点一直处于工作状态，对环境进行实时监测，并定期将感知数据以多跳无线传输方式传送到数据汇聚节点；同时，每个简单媒体节点上设置的规则实时分析感知数据，一旦判断有异常事件发生，就启动唤醒机制：该简单媒体节点唤醒周边的复杂媒体节点，一起参与对该异常事件的协同监测，以便将简单媒体节点和复杂媒体节点采集到的多类型感知数据一并传回到数据汇聚节点，数据汇聚节点对这些不同类型感知数据进行分析和融合处理，及时做出正确决策；该方法包括下列步骤：

(1)初始化阶段：为每个复杂媒体节点分别建立其传感范围内的各个简单媒体节点到达其的路由信息，为实现唤醒机制提供网络拓扑基础；

(2)异常感知阶段：简单媒体节点长期处于实时监测的工作状态，按设定采样频率将感知数据传送到数据汇聚节点；每个简单媒体节点中设置有对感知数据进行实时分析的规则，一旦判断有异常事件发生，就启动唤醒机制；

(3)唤醒实施阶段：简单媒体节点依据设定路由唤醒周边的一个或多个复杂媒体节点，一起协同监测该异常事件，并将其各自感知数据一并传回数据汇聚节点，由数据汇聚节点对这些不同类型感知数据进行综合分析、处理和判断。

2、根据权利要求1所述的支持唤醒机制的异构传感器网络系统的实现方法，其特征在于：所述步骤(1)进一步包括下列操作内容：

(11)消息扩散：根据复杂媒体节点的发射功率是否可调，复杂媒体节点采用两种不同方式逐级扩散消息，建立其传感区域内的所有简单媒体节点到达其的路由；

(12)梯度建立：在消息扩散操作中，以每条传输路径的数据传输延迟参数ΔT作为该路径被选择用于数据链路的权重参数，其中ΔT∈[0，1]，且ΔT为实数，其数值越大，则该路径被选作加强路径的可能性越大；

(13)路径加强：逐级遍历简单媒体节点的本地列表，并选用前述步骤中传输路径上权重数值较大的方向，为简单媒体节点建立通向复杂媒体节点的加强路径。

3、根据权利要求2所述的支持唤醒机制的异构传感器网络系统的实现方法，其特征在于：所述步骤(11)中，如果复杂媒体节点的发射功率可调时，调节发射功率来改变复杂媒体节点的通信半径，实现消息扩散；具体步骤为：

(1101)将网络中的复杂媒体节点通信半径调整为其传感半径数值，复杂媒体节点以该通信半径广播消息；

(1102)所有收到该广播消息的简单媒体节点都对其本地列表中“ 隶属复杂媒体节点标识”表项值进行修改，以表明其位于该复杂媒体节点感知区域内；

(1103)将复杂媒体节点通信半径调整为简单媒体节点的通信半径数值，复杂媒体节点再以该通信半径逐级进行消息扩散；

(1104)当简单媒体节点收到步骤(1103)的广播消息时，先检查是否为首次收到该消息，若是，执行下述三项操作：修改其本地列表中“隶属复杂媒体节点标识”表项值；修改简单媒体节点的本地列表中“下一跳节点标识”，建立反向的路由信息；将该消息扩散给所有与之通信可达的简单媒体节点；否则，丢弃该消息，不作任何处理；

(1105)调整复杂媒体节点通信半径为正常值，保证复杂媒体节点在监测过程中的正常通信。

4、根据权利要求2所述的支持唤醒机制的异构传感器网络系统的实现方法，其特征在于：所述步骤(11)中，如果复杂媒体节点的发射功率不可调时，选取距离该复杂媒体节点最近的一个简单媒体节点，以该简单媒体节点代替复杂媒体节点实现多级消息扩散；具体步骤为：

(1111)复杂媒体节点以其通信半径广播消息，所有收到该消息的简单媒体节点返回应答消息ACK，复杂媒体节点选取最快返回应答消息ACK的简单媒体节点作为替代该复杂媒体节点的扩散源点，以将异构传感器网络中的不同节点间的路由问题转化为一个同构传感器网络中的路由问题；

(1112)计算扩散级数

其中n是自然数，用于控制该扩散源点的扩散消息的规模，以节约网络能耗和有效区别复杂媒体节点传感区域内、外的不同简单媒体节点，仅为复杂媒体节点感知区域内的简单媒体节点建立其到该复杂媒体节点的路由信息，然后，该扩散源点携带包括但不限于复杂媒体节点标识、扩散级数n信息进行有限多级扩散；

(1113)当简单媒体节点收到上述扩散消息时，首先，扩散消息中携带的扩散级数n自动减1，若此时扩散级数n为零，则结束消息扩散操作；否则，检查是否为首次收到该消息，若是，执行下述三项操作：修改其本地列表中“隶属复杂媒体节点标识”表项值；修改简单媒体节点的本地列表中“下一跳节点标识”，建立反向的路由信息；将该消息扩散给所有与之通信可达的简单媒体节点；否则，丢弃该消息，不作任何处理；

(1114)检查简单媒体节点列表中“下一跳节点标识”表项值，若“下一跳节点标识”表项值为扩散源点标识，则替换为复杂媒体节点标识；

(1115)检验步骤(1114)中进行路由替换的简单媒体节点的通信半径是否可达复杂媒体节点，如果是，结束消息扩散操作；否则，进行路由修补：将“下一跳节点标识”表项值重新修改为扩展源点标识，再增加扩展源点到复杂媒体节点的一跳路由信息。

5、根据权利要求1或3或4所述的支持唤醒机制的异构传感器网络系统的实现方法，其特征在于：所述简单媒体节点是成本低廉、资源有限，以较低能耗感知近距离范围内单一数值的媒体信息的传感器节点，复杂媒体节点是成本较高、资源丰富，以较高能耗感知设定范围内信息量丰富的媒体信息的传感器节点；简单媒体节点均在本地存储有一个列表，该列表中的每个表项记录包括但不限于其所隶属的复杂媒体节点标识、下一跳节点标识、梯度和时间戳信息；当一个简单媒体节点对应多个邻居节点时，则对应每个邻居节点都设有一个表项。

6、根据权利要求3或4所述的支持唤醒机制的异构传感器网络系统的实现方法，其特征在于：所述简单媒体节点的本地列表中“隶属复杂媒体节点标识”表项值的修改规则是：判断简单媒体节点的本地列表项中“隶属复杂媒体节点标识”取值是否为空？若取值为空，说明该简单媒体节点尚未被复杂媒体节点传感覆盖，则将“隶属复杂媒体节点标识”表项值直接修改为当前复杂媒体节点标识；否则，在列表中添加一个新表项，用于记录简单媒体节点与该复杂媒体节点间的隶属关系。

7、根据权利要求2所述的支持唤醒机制的异构传感器网络系统的实现方法，其特征在于：所述步骤(13)中，逐级遍历简单媒体节点的本地列表并选用传输路径上权重数值较大的方向的具体操作可酌情采取下述两种：

如果简单媒体节点列表中“隶属复杂媒体节点标识”取值唯一时，即该简单媒体节点只被一个复杂媒体节点感知覆盖，则先按照通信链路权重参数大小将多个表项降序排列，再将具有最大权重参数的通信路径标识为加强路径；

如果简单媒体节点列表中“隶属复杂媒体节点标识”取值多个时，即该简单媒体节点被多个复杂媒体节点感知覆盖，则先按照“隶属复杂媒体节点标识”取值不同进行分组，再在各分组中按通信链路权重参数大小将多个表项降序排列，然后，将各分组中具有最大权重参数的通信路径标识为加强路径。

8、根据权利要求1所述的支持唤醒机制的异构传感器网络系统的实现方法，其特征在于：所述步骤(2)中，简单媒体节点中设置的对感知数据进行实时分析的规则的定义形式为：P→Q，或IF P THEN Q；式中，前件P为环境情况的描述，结论Q为该简单媒体节点所要执行的具体操作。

9、根据权利要求2所述的支持唤醒机制的异构传感器网络系统的实现方法，其特征在于：所述步骤(3)中进一步包括下列操作内容：

(31)简单媒体节点监测到异常事件发生时，立即发出唤醒消息，该唤醒消息沿本地列表中加强路径方向进行跳转，同时将该唤醒消息及当前时间戳信息缓存在本地数据缓冲池内；

(32)简单媒体节点接收到每条唤醒消息时，先与本地数据缓冲池中历史数据进行比对，如果在数据缓冲池中发现与接收到的唤醒消息匹配的副本，且时间戳差值小于设定的阈值，则表明刚才已经转发过该唤醒消息，为避免出现冗余传输而丢弃之；否则，沿本地列表中加强路径方向进行跳转，直至抵达复杂媒体节点；

(33)复杂媒体节点接收到唤醒消息后，由休眠状态转为监测状态；

(34)复杂媒体节点通过多跳方式将其的感知数据传回到数据汇聚节点；

(35)数据汇聚节点对来自简单媒体节点和复杂媒体节点的不同类型感知数据进行综合分析、处理和判断。

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