CN101237366B - 一种协同感知能量有效的无线传感网实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种协同感知能量有效的无线传感网(WSN)实现方法，它包括以下步骤：A、分簇，确定各节点成为簇头或者簇成员；B、簇头之间形成到达sink节点的树型拓扑，并且完成簇头之间的同步，簇头节点收集簇内的数据然后多跳转发给sink节点；C、当需要多传感器协同感知目标时，目标附近相关节点进入协同感知状态，并且在另一个信道上交互信息，节点之间使用以数据为中心的路由，完成目标定位和跟踪。本发明具有无线传感器网络整体数据汇聚、局部协同感知和数据融合的特点，能有效降低通信的能量消耗，同时又保证协同感知的灵活性。

Description

一种协同感知能量有效的无线传感网实现方法

技术领域

本发明涉及一种无线传感网，特别是一种协同感知能量有效的无线传感网(WSN)实现方法。

背景技术

随着传感器技术、无线通信技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术的飞速发展和日益成熟，具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器和网络开始大范围出现。无线传感器网络能够协作地实时检测、跟踪和采集网络布设区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行协同、融合处理，获得较为准确的结论，然后传送至用户。它在军事、环境监测、医疗卫生、工业自动化、公共安全等方面具有广泛的应用前景。

无线传感网中的微型传感器节点一般采用电池供电，这使得无线传感器网络的一大特点就是能量受限，而节点无线收发通信耗费的能量最多。为了延长网络寿命首要考虑因素是提高能量效率，使节点在无需参与网络工作或获取传感数据时尽量进入睡眠状态。传感器网络的另一个重要特点是应用特定性，为了提高上传数据信息熵和事件准确率，网络节点间常需要多类型传感器、多节点协同信息处理，并要求实现被监测区域的无缝覆盖，因此，传感器网络具有节点布设密度高，节点感知信息具有冗余性等特点。

针对以上特点，无线传感器网络需要协同感知目标，同时要将结果以最低的开销传递到sink节点。从整体上看无线传感器网是一个数据向sink节点汇聚的网络，而局部区域需要多个传感器交换信息协同感知。对于数据向sink汇聚现有很多的路由协议，如平面式路由可靠性高，但是需要维护很多邻居链路信息，能量耗费大，如按需路由数据量少时可以降低网络功耗，但是延迟太大。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种协同感知能量有效的无线传感器实现方法。

本发明要解决的现有无线传感网络存在的网络功耗大、使用生命周期短的问题。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：它包括以下步骤：

A、分簇，确定各节点成为簇头或者簇成员；

B、簇头之间形成到达sink节点的树型拓扑，并且完成簇头之间的同步，簇头节点收集簇内的数据然后多跳转发给sink节点；

C、当需要多传感器协同感知目标时，目标附近相关节点进入协同感知状态，并且在另一个信道上交互信息，节点之间使用以数据为中心的路由，完成目标定位和跟踪；

该实现方法中采用两个信道，其一用于信息向sink节点汇聚，记为CH1，其二用于多传感器协同感知时信息交互，记为CH2；该实现方法中的网络节点包括数据汇聚状态和协同感知状态，网络中没有需要协同感知的目标时，节点工作于CH1，处于数据汇聚状态，当传感器检测到有目标进入，传感器输入超过预设门限时，节点切换到CH2，进入协同感知状态。

本发明具有无线传感器网络整体数据汇聚、局部协同感知和数据融合的优点，能有效降低通信的能量消耗，同时又保证协同感知的灵活性。

附图说明

图1本发明分簇控制流程图。

图2本发明成树和同步流程图。

图3本发明簇内簇间通信流程图。

图4本发明无目标形成的拓扑图。

图5本发明目标跟踪形成的拓扑图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的说明。

如图所示，本发明的一种协同感知能量有效的无线传感器实现方法，具体包括一下周期性步骤：

A、分簇，确定各节点成为簇头或者簇成员；

B、簇头之间形成到达sink节点的树型拓扑，并且完成簇头之间的同步，簇头节点收集簇内的数据然后多跳转发给sink节点。

C、当需要多传感器协同感知目标时，目标附近相关节点进入协同感知状态，并且在另一个信道上交互信息，节点之间使用以数据为中心的路由，完成目标定位和跟踪。

作为本发明的一种优选方式，所述步骤A具体包括以下步骤：

a1、分簇开始后，各节点广播自己的剩余能量值；

a2、接收邻居节点的广播消息，计算平均信号强度 $\mathrm{AVG}\_\mathrm{Str}=\underset{n=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Radio}\_\mathrm{Str}/m;$

a3、根据剩余能量和AVG_Str值竞争成为簇头节点，其余节点加入信号最强的簇头节点形成簇；

作为本发明的又一种优选方式，所述步骤B具体包括以下步骤：

b1、分簇结束后，sink节点广播自己到达sink节点的跳数为0，途径的节点为空

b2、收到消息后，簇头将消息跳数加1，记录途径的最后两跳节点ID，并将消息再次广播。如果再次接收到消息而跳数不是已收消息中最短的则抛弃该消息。

b3、全网广播结束后各簇头都知道自己到达sink节点的最短路径以及自己的上游节点ID，簇头申请以此节点为父节点，形成近似最少跳数汇聚树。

b4、簇头节点形成汇聚树之后，sink节点启动TPSN等同步协议实现簇头之间的同步。

b5、簇头同步之后，簇头根据簇内数据量的大小在合适的时段发起本簇的数据传输，各簇的簇内数据传输时间允许不同。

作为本发明的又一种优选方式，所述步骤C具体包括以下步骤：

c1、节点根据自身配备的传感器决定是否需要协同，需要协同的节点预设一个门限，无需协同的节点不设门限。

c2、无目标进入时，所有节点出于数据汇聚状态，簇内节点将数据传递给簇头，簇头进行本簇的数据融合，并通过汇聚树将数据传递给sink节点。

c3、当有目标进入时，非簇头节点检测到超过门限，节点进入数据融合状态，并切换到CH2。

c4、进入数据融合的节点根据融合算法的需要，使用新的拓扑和路由协议，将以数据为中心，以属性交互信息，有效跟踪目标。

c5、获得有意义的结果时，节点将切换到ch1，将数据传递给簇头并汇聚到sink节点，当目标远离节点时，节点检测到低于门限，节点回到数据汇聚状态。

本发明采用两个信道，其一用于信息向sink节点汇聚，记为CH1，其二用于多传感器协同感知时信息交互，记为CH2；该实现方法中的网络节点包括数据汇聚状态和协同感知状态，网络中没有需要协同感知的目标时，节点工作于CH1，处于数据汇聚状态，当传感器检测到有目标进入，传感器输入超过预设门限时，节点切换到CH2，进入协同感知状态。

本发明提出采用分簇结构和树型层次路由可以极大的降低网络的功耗，延长网络的生命周期。采用分时的方式进行簇内和簇间数据通信，降低数据冲突和重传的概率，降低能量损耗。本发明将传感器设定门限，以有效的定位和跟踪目标，目标附近的节点协同感知目标，根据融合算法的需要使用以数据为中心的路由，由于不受拓扑和路由的限制，协同感知具有足够的灵活性。本发明有效降低通信的能量消耗，同时又保证协同感知的灵活性。

Claims (6)

1.一种协同感知能量有效的无线传感网实现方法，其特征是该实现方法包括以下的周期性步骤：

A、分簇，确定各节点成为簇头或者簇成员；

B、簇头之间形成到达sink节点的最少跳数汇聚树，并且完成簇头之间的同步，簇头节点收集簇内的数据然后多跳转发给sink节点；

C、当需要多传感器协同感知目标时，目标附近相关节点进入协同感知状态，节点之间使用以数据为中心的路由，完成目标定位和跟踪；

该实现方法中采用两个信道，其一用于信息向sink节点汇聚，记为CH1，其二用于多传感器协同感知时信息交互，记为CH2；该实现方法中的网络节点包括数据汇聚状态和协同感知状态，网络中没有需要协同感知的目标时，节点工作于CH1，处于数据汇聚状态，当传感器检测到有目标进入，传感器输入超过预设门限时，节点切换到CH2，进入协同感知状态。

2.如权利要求1所述的一种协同感知能量有效的无线传感网实现方法，其特征在于步骤A主要参考节点的剩余能量以及与邻居节点平均通信损耗竞争成为簇头，其步骤具体为：

A1、任何节点根据自己的当前剩余能量得到一个成为簇头的概率；

A2、分簇阶段，所有节点广播剩余能量，任何节点都得到邻居节点的信号强度，由此计算信号强度的平均值；

A3、分簇结束时刻，剩余能量最大并且平均信号强度最大的节点成为簇头节点。

3.如权利要求1所述的一种协同感知能量有效的无线传感网实现方法，其特征在于步骤B所述簇头之间形成到达sink节点的树型数据汇聚链路，其步骤具体为：

B1、分簇结束后，sink节点首先广播自己的ID，并广播到达sink节点的跳数为0，到达sink途经的节点为空；

B2、簇头节点收到广播后将跳数加1，并记录往上两跳经过的节点ID，将消息再次广播；

B3、如果簇头再次收到广播消息，并且到达sink经过的跳数大于目前的最短跳数则丢弃该消息，当广播过程结束后，簇头节点最终保留到达sink节点的最短路径消息；

B4、簇头节点以最短路径消息的上游节点为父节点，最终形成最短汇聚的树型拓扑。

4.如权利要求1所述的一种协同感知能量有效的无线传感网实现方法，其特征在于步骤B所述簇头之间同步使用TPSN层次结构的定时同步协议。

5.如权利要求1所述的一种协同感知能量有效的无线传感网实现方法，其特征在于步骤B是簇头同步之后，数据传送分成簇头和簇间通信阶段，簇头发起本簇的数据传输。

6.如权利要求1所述的一种协同感知能量有效的无线传感网实现方法，其特征在于步骤C的具体步骤为：

C1、需要协同的非簇头节点预设一个门限，当有目标接近时，传感器检测超过门限，节点退出数据汇聚状态，进入协同感知状态；

C2、节点切换到CH2，节点根据目标的不同使用不同的数据融合策略，根据融合的需要使用SPIN路由策略；

C3、节点根据融合策略选出某一个节点切换到CH1，并将数据传输给某个簇头节点，由簇头多跳转发给sink节点。

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