CN101494919B - 实现无线传感器网络数据查询的路由切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现无线传感器网络数据查询路由切换方法和系统以及网络密度收集方法，其中，路由切换方法为：基站节点接收用户设定的查询请求；然后基站发出网络密度查询指令；获得网络密度信息后，基站综合用户输入的查询指令的类别，选择路由协议来处理当前查询；将路由信息附在查询指令中，发送查询指令给传感器网络；网络中的传感器节点收到查询指令后，根据查询指令中附带的路由信息切换到相应的路由协议；网络按照该路由协议进行组网，并将查询结果返回到基站。采用该方法和系统能够减少无线传感器网络数据查询的能量消耗，延长网络生命周期。

Description

实现无线传感器网络数据查询的路由切换方法

【技术领域】

本发明涉及无线传感器网络技术，尤其涉及无线传感器网络的数据查询方法和系统以及路由切换。

【背景技术】

无线传感器网络是由布置在监测区域内大量的微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳的自组织的网络系统，其主要工作是对网络内的数据进行采集、融合、分析、理解以及根据对数据的初期处理进行决策。这一切都是以数据查询为基础的，绝大部分基于无线传感器网络的应用系统都离不开感知数据的查询。

现有的数据查询系统假定树状的网络拓扑，如康奈尔大学的Couger和加州大学伯克利分校的TinyDB都采用单一的路由协议(MintRoute)来处理所有的查询。同样大量路由协议也不考虑数据查询。但传感器网络数据查询系统的性能和路由协议紧密相关，因为查询命令的发布、数据返回都是由路由协议来完成的。同一路由协议在不同的查询及网络状态下的性能不同。传感器网络需要在相同监测区域内完成不同的数据查询任务，在高效完成查询任务的同时，需要尽量减少能耗，延长网络生命周期。为了能够能量高效地适用于多种查询，传感器网络需要根据应用环境和网络条件自主选择节能、可靠、低延时的路由协议。

现有路由协议按拓扑结构可以分为平面路由协议、簇形路由协议、树形路由协议。数据查询分为两个阶段：查询分发，数据返回。从查询的角度来看，平面路由通常适合用于查询分发，而簇形及树形路由协议适合于数据返回。由于每次查询只需一次查询分发，而数据返回则是持续的、长时间的操作。不同的查询分发路由协议对网络能耗影响有限，而数据返回路由协议则对网络能耗的影响明显，所以本发明针对层次路由和树形路由协议的切换。

在簇形结构的网络中，将网络划分成簇。在簇内有一个簇头节点，其余节点为簇成员节点，簇头节点负责簇成员节点的管理和通信。簇形结构的路由有LEACH、PEGASIS、TEEN、AEC、HEED等。在树形路由协议中，网络组成一颗以汇聚节点为根的树，树形路由协议有MintRoute，EADAT等。

Ossama Younis等人提出了HEED组簇路由协议，其簇头选择主要依据主、次两个参数。主参数依赖于剩余能量，用于随机选取初始簇头集合。具有较多剩余能量的节点有较大的概率成为簇头。次参数依赖于簇内通信代价，用于确定落在多个簇范围内的节点最终属于哪个簇。为了克服簇头通信能力的问题，HEED协议采用MintRoute算法让簇头组成树形结构，簇头数据通过多跳的方式传给基站。

Alec Woo等人提出了MintRoute路由协议，MintRoute是最著名的，应用最广泛的无线传感器网络树形拓扑路由协议，它是TinyOS系统自带的路由协议。它建立一颗以基站为根的树，基站周期性向网络广播路由信息，收到基站广播信息的节点为树形的第一层节点，把自己的父节点设为基站，然后这些节点向邻居广播路由信息。每个节点选择到基站跳数最少的节点作为自己父节点，如果有多个可选择的父节点，则节点选择通信质量最好的节点作为自己的父节点。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种实现无线传感器网络数据查询的路由切换方法和系统，采用该方法能够减少数据查询的能量消耗，提高数据传输的可靠性，使无线传感器网络更具实用性。

本发明的基本构思是采用基站节点集中控制的方法来实现路由切换：基站节点接收用户输入的查询指令，选择路由协议来处理当前查询，将路由信息发送给传感器网络；网络中的传感器节点收到查询指令后，根据路由信息进行路由切换；网络进行组网，将查询结果返回到基站。

本发明提供一种路由切换方法中，该方法包括：

A、基站接收查询指令；

B、基站节点发出网络密度查询指令，获取网络密度信息；

C、判断查询指令是属于数据融合还是数据收集操作；查询指令中包含avg，max，min，sum等关键字时，该查询为数据融合操作，否则为数据收集操作。

D、结合网络密度信息选择路由协议：在稠密网络中，当查询为数据融合操作时，选择簇形路由协议；当查询为数据收集操作时，选择树形路由协议。在稀疏网络中，不管是数据融合操作还是数据收集操作，都使用树形路由协议。

E、将路由信息附加在查询指令中，广播给传感器网络。

本发明提供一种传感器网络数据查询路由切换系统，该系统包括：一台PC机、一个基站节点、以及多个传感器节点；

PC机利用串口与基站连接，用户通过PC机发送查询指令给基站；

基站是路由协议切换的决策者，其接收到查询指令后，根据查询类别和网络密度选择路由协议，将路由协议信息附在查询指令中发送给传感器网络；

网络中的传感器节点是路由协议切换的执行者，其收到查询指令后，取出路由协议信息，执行路由切换；节点根据切换后的路由协议进行组网，将查询结果返回到基站；

基站通过串口将数据传给用户。

本发明还提供了一种网络密度信息收集方法，该方法包括：

A、基站节点向传感器网络广播查询网络密度指令；

B、传感器节点接收到密度查询指令后，子节点统计其子树坐标范围和节点个数，上传到父节点；

C、父节点收到所有来自其子节点的数据后，进行数据融合，得到其子树坐标范围和节点个数，上传到下一跳节点；

D、基站将收到整个网络的节点个数和坐标范围，从而可以算得传感器网络的平均密度。

采用该路由协议切换方法，比采用单一的路由协议可以减少数据查询的能量消耗，在实验中我们实现了HEED与MintRoute两种路由协议的切换，实验表明：

当数据查询类别为数据融合操作时，路由切换选择HEED路由协议，此时路由切换和HEED比MintRoute节省50％的能耗；

当数据查询为数据收集操作时，路由切换选择MintRoute路由协议，此时路由切换和MintRoute比HEED节省30％的能耗；

当用户输入两条数据查询指令，第一条指令为数据融合操作，第二条指令为数据收集操作，路由切换先选择HEED执行数据融合操作，然后选择MintRoute执行数据收集操作，此时路由切换比HEED和MintRoute要节能30％左右。

【附图说明】

图1是无线传感器网络查询过程示意图；

图2是本发明中实现路由切换的原理方框图；

图3是本发明中基站节点选择路由协议的流程图；

图4是树形路由协议拓扑图；

图5是簇形路由协议拓扑图；

图6是本发明中HEED与MintRoute路由协议模块化设计图；

图7是本发明中HEED的工作流程图；

图8是本发明中实现无线传感器网络路由切换流程图；

图9是本发明中无线传感器网络节点处理查询流程图。

图10是本发明中网络密度查询过程示意图；

【具体实施方式】

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明提供一种实现无线传感器网络基于数据查询的路由切换方法和系统以及网络密度查询方法。传统的无线传感器网络数据查询系统的处理过程如图1所示：用户通过PC给无线传感器网络广播查询指令；节点收到查询指令后，进行数据采集；利用路由协议将数据返回到基站。采用一种路由算法来处理所有的查询请求。本发明的关键创新之处在于利用跨层优化技术对无线传感器网络查询系统的性能进行改进，如图2所示。根据查询语义和网络状态来自主地选择路由协议，这样可以大大减少数据查询过程的能量消耗，延长无线传感器网络生命周期。

由于簇形路由协议和树形路由协议种类众多，所以在本实施方案中选择HEED代表簇形路由协议，MintRoute代表树形路由协议，来介绍本发明的具体实施方式。

本发明实施例提供的传感器网络数据查询路由切换方法，如图3所示，其具体实施步骤如下：

1、基站节点接收来至用户的查询指令；

2、查看是否有最近更新的网络密度信息，如果没有网络密度信息或者网络密度信息过期(在实现的无线传感器网络中可以设置为每天更新一次网络密度)，基站节点发出查询网络密度指令，收集网络密度信息；

3、得到网络密度信息后，根据网络密度ρ的值判断网络状态。如果ρ＞0.25，网络为稠密网络；如果ρ≤0.25，网络为稀疏网络，跳转到7步执行；

4、对类SQL查询语句执行关键字匹配，当语句中包含avg，max，min，sum等关键字时，该查询为数据融合操作；数据融合指的是所有数据都可以完全融合，比如：“查询传感器网络的平均温度”属于数据融合操作；否则为数据收集操作，跳转到7步执行；数据收集指的是数据之间不进行融合操作，所有数据都传递到基站；比如：“查询每个节点的节点号和光强度值”属于数据收集操作。

5、基站节点判断当前路由协议是否为HEED路由协议，如果是则跳转到10步执行；

6、选择HEED路由协议，跳转到9步执行；

7、基站节点判断当前路由协议是否为MintRoute路由协议，如果是则跳转到10步执行；

8、选择MintRoute路由协议；

9、将路由信息附在查询中，其具体实现为，扩展类SQL语句，添加路由字段，比如：原有的SQL语句为：

SELECT AVG(temp)FROM SENSORS sample period 2 minute duration 4hours(查询网络的平均温度，每隔两分钟采样一次，持续4个小时)；

则扩展后的SQL语句为：

select avg(temp)from sensors sample period 2 minute duration 4hours usingHEED(查询网络的平均温度，每隔两分钟采样一次，持续4个小时，采用HEED路由协议)；

10、将查询语句广播给传感器网络。

路由选择是基于大量实验和理论分析得出的结论：在稠密的网络中ρ＞0.25，当查询为数据融合操作时，采用簇形路由比树形路由节省能耗40％-60％；当查询为数据收集操作时，用树形路由比簇形路由节省能耗35％-50％；当网络密度逐渐变得稀疏时ρ≤0.25，这两类路由协议的性能趋于接近，但树形路由比簇形路由的性能要稍微好一些。

下面对本发明实施例提供的传感器网络的数据查询路由切换系统进行详细描述。由于传感器节点存储空间十分有限，实现数据查询路由切换系统的前提条件是对路由层协议进行模块化设计。所述路由协议采用模块化设计，各模块之间相互独立，其中一个模块的关闭不影响其它模块的执行，协议之间共享变量和功能模块，提高代码利用率。

路由层协议的模块化设计：

MintRoute是目前数据查询系统采用的路由协议，其拓扑结构如图4所示，节点与基站组成树形结构，每个节点到基站的路径最优。HEED是无线传感器网络中最具代表性的组簇路由协议，其拓扑结构如图5所示，网络划分成簇，簇成员跟簇头之间一跳到达，簇头之间利用MintRoute路由协议组成树形结构，采用多跳通信。

如图6所示为HEED与MintRoute的模块化设计图。MintRoute路由协议只包含组树算法模块。HEED路由协议包含组簇算法模块和组树算法模块。HEED的工作过程如图7所示，当节点运行完组簇协议，如果节点是簇成员节点则选择簇头为它的父节点；当节点是簇头节点，则调用组树模块为其选择父节点。这种设计使得两种路由算法共享组树算法模块，这比对两个路由算法分别进行单独设计要节省大量的存储空间，也使得路由切换更加高效。如果当前路由为HEED路由，则只需关闭组簇模块就切换到MintRoute路由；如果当前路由为MintRoute路由，则只需开启组簇模块就可切换到HEED路由。

数据查询路由切换系统包一台PC机，一个基站，及一些传感器节点。该系统的工作流程如图8所示：

用户通过PC发送类SQL的查询指令到基站；基站接收查询指令，根据查询类别和密度信息选择路由协议，基站将路由信息附在查询指令中泛洪给传感器网络；传感器节点接收到查询指令，传感器节点判断查询指令中是否有路由信息，如果有路由信息则执行路由切换，传感器节点执行查询指令。

数据查询路由切换系统包括多个传感器节点，如图9所示，传感器节点的实施过程执行以下操作：

1、接收到基站发送的查询指令后，

2、如果该节点是父节点，则继续广播查询指令给邻居节点，如果是叶子节点，则不需发送查询指令；

3、如果该查询是查询密度信息，则跳转到第9步执行；

4、判断该查询语句中是否包含路由切换信息，如果不包含，则跳转到9步执行；

5、判断是否是执行HEED切换，如果是则跳转到8步执行；

6、判断是否是执行MintRoute切换，如果不是则跳转到9步执行；

7、停止组簇模块，路由协议控制模块通过路由切换接口停止组簇模块的运行；

8、开启组簇模块，路由协议控制模块通过路由切换接口开启组簇模块的运行；

9、执行查询指令。

路由的性能与网络的密度情况紧密相关，在路由选择时，基站节点需要知道网络的当前密度情况。本发明提供一种实现无线传感器网络密度收集方法。如图10所示：

A、基站节点发送密度查询指令给传感器网络；

B、传感器网络中叶子节点收到查询指令后，将自己的坐标及节点数目上报给父节点；

C、父节点收到所有来自其孩子节点的数据后，进行数据融合，统计以它为根的子树的坐标范围及节点数量，然后将其数据上传给下一跳节点；

D、基站节点接收来至所有孩子节点的信息；

E、基站可以根据节点数量(Num)和节点的覆盖范围(Area)计算出网络的平均密度：ρ＝Num/Area。如图10所示，该网络的平均密度为0.04。

Claims (8)

1.一种实现无线传感器网络数据查询的路由切换方法，其特征在于，该方法包括：

基站节点接收用户输入的查询指令；

基站向网络输入密度查询指令，获取网络密度信息；

根据查询指令的类别和网络密度信息来选择相应的路由协议，具体是：在稠密的网络中，当查询为数据融合操作时，采用簇形路由；当查询为数据收集操作时，采用树形路由；在稀疏网络中，不管是数据融合操作还是数据收集操作，都采用树形路由；

基站节点将路由协议信息附在所述用户输入的查询指令中发送给传感器网络。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，无线传感器网络密度分为稠密网络和稀疏网络两类，稠密网络指的是网络的平均密度ρ＞0.25，稀疏网络指的是网络的平均密度ρ≤0.25。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，查询指令的类别分为数据融合与数据收集两类；数据融合指的是所有感知数据都可以完全融合；数据收集指的是感知数据之间不进行融合操作，所有数据都传递到基站。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述路由协议包括簇形和树形两类路由协议。

5.根据权利1或4所述的方法，其特征在于，路由切换的规则为：在稠密的网络中，当查询为数据融合操作时，如果当前网络路由协议为树形路由协议，则切换到簇形路由协议；当查询为数据收集操作时，如果当前网络路由协议为簇形路由协议，则切换到树形路由协议；在稀疏的网络中，不管是数据融合还是数据收集操作都使用树形路由协议。

6.一种传感器网络数据查询切换系统，其特征在于，该系统包括：

PC机，用于供用户发送查询指令；

基站作为路由切换的决策者，用于接收到查询指令后，向网络输入查询密度信息指令，获取网络密度信息，根据查询指令的类别和网络密度信息来选择路由协议；然后将路由协议信息附在用户发送的查询指令中发送给传感器网络；

传感器节点作为路由切换的执行者，用于收到查询指令后，取出路由协议信息，执行路由切换；根据切换后的路由协议进行组网，将查询结果返回到基站。

7.根据权利要求6所述的传感器网络数据查询切换系统，其特征在于，传感器节点的路由层分为路由服务和路由协议两部分：路由服务作为一个单独的模块存在，不依赖于特定的路由协议，它向上为应用层提供选路服务，向下控制路由协议的切换。

8.根据权利要求6所述的传感器网络数据查询切换系统，其特征在于：所述路由协议采用模块化设计，各模块之间相互独立，其中一个模块的关闭不影响其它模块的执行，协议之间共享变量和功能模块。

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