CN102006607A - 一种无线传感网络群移动节点的统计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线传感网络群移动节点的可靠统计方法。通过基于概率的方法构建簇并选择簇首节点，由簇首节点将多个节点的信息组装成一个或多个消息包并发送至信标节点，降低了消息传输的冲突干扰。该方法通过侦听、重传和冗余机制，提高了统计方法的可靠性，实现了节点信息的实时可靠统计，为无线传感网络群移动节点的统计提供了一种有效的方法。

Description

一种无线传感网络群移动节点的统计方法

技术领域

本发明涉及一种基于成簇(Cluster)机制的无线传感网络群(Group)移动节点统计方法。

背景技术

无线传感网络已逐步应用于矿山井下人员定位与安全管理中，以实现对井下人员的日常生产管理，也有利于矿难后的应急救援。在这类应用中，每个矿工都带有一个传感节点(或标签)，而矿井的巷道内布置了固定的信标节点。信标节点周期地发送探测信号，传感节点根据收集的探测信号强度来实现对自身的定位。在井下定位管理应用中，一个重要的需求是如何实现大批矿工下井时实时、正确地统计其人数及其矿工相应的信息。

在矿工下井时，大批的矿工人员通过升降机进入井下工作环境。通常，在井上与井下各布置一个信标节点，也用于识别有多少矿工下井工作。进入工作环境的矿工通过井下的信标节点时，要求能够实时地统计出全部矿工的信息(包括矿工数及矿工的ID等)，并将统计结果传送至地面服务器。

由于大批矿工人员在离开升降机口时，仅有很短的时间(约3秒)可以与信标节点进行良好的通讯，如图1所示。由于同时下井的矿工人数众多，通常都在50人以上，如果让每个矿工都将自己的信息直接发送至信标节点，则会产生严重的无线传输冲突干扰，导致大量数据包的丢失，进而使得节点信息统计的不正确，如图2(a)所示；若使用集中式算法，所有信息汇集到一个节点则使得该节点成为瓶颈，也降低了统计方法的可靠性，如图2(b)所示。

为了实现无线传感网络群移动节点的可靠统计，必须将统计信息以少量的数据包发送至信标节点。为了实现实时可靠的统计，我们设计了基于多簇(cluster)的统计算法，其关键在于将移动节点划分成适量的簇并选择簇首节点，由簇首节点将统计信息发送至信标节点进行汇总。在整个过程中，由于无线传输的不可靠性，因此设计了多种机制来提高该方法的容错能力，如图2(c)所示。

发明内容

本发明目的是：提供一种无线传感网络群移动节点的可靠统计方法。通过基于概率的方法构建簇并选择簇首节点，由簇首节点将多个节点的信息组装成一个或多个消息包并发送至信标节点，降低了消息传输的冲突干扰。该方法通过侦听、重传和冗余机制，提高了统计方法的可靠性，实现了节点信息的实时可靠统计，为无线传感网络群移动节点的统计提供了一种有效的方法。

本发明的技术方案是：一种无线传感网络群移动节点的统计方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将无线传感网络群移动节点以自组织的方式划分成多个簇，每个簇都选举产生一个簇首节点(Cluster Head Node)；

(2)这些簇首节点用于统计簇内其他节点的ID并最终负责将信息发送至信标节点(Beacon Node)；

(3)完成所有移动节点的信息(节点数及对应的ID)统计。

进一步的，所述步骤(1)包括以下步骤：

a.初始化，此阶段由初始信标节点发送消息来触发；每个接收到触发消息的节点u启动一个选举定时器T_u；

b.选举定时器结束，若节点定时器结束时未收到其他节点的成簇消息，则该节点广播成簇消息<MyId，BCAST，I am a leader node>，并将自己置为簇首节点，准备接收其他节点的注册消息；

c.收到成簇广播消息，若节点的定时器结束前收到了其他节点的<OtherId，BCAST，I am a leader node>成簇消息，一定概率p加入该簇，并设置其簇首节点为OtherId；否则，增大概率p；

d.若成功设置了簇首节点，则将自己置为普通节点，定时器停止；在节点加入簇以后再次收到其他节点发送的成簇消息时，将其作为备份簇首节点保存，以提高统计方法的容错性；

e.否则继续簇首节点选举过程。

进一步的，所述步骤(2)包括以下步骤：

a.普通节点，该节点发送<MyId，OtherId，I am registering to you>注册消息给簇首节点，同时采用Ack确认机制提高传输的可靠性；若发送失败，则向备份簇首节点发送注册消息<MyId，OtherId，I am registering to you>；若两次注册都失败，则认为簇首节点失效，因此该节点将发送成簇消息<MyId，BCAST，I am a leader node>，宣布自己成为簇首节点，并启动簇首节点的接收机制；否则，设置一个统计失败定时器，开始侦听簇首节点向信标节点的发送；

b.簇首节点，当收到其他节点发送的注册消息<OtherId，MyId，I amregistering to you>时，将该节点的ID放入待发送的缓存区内。

进一步的，所述步骤(3)包括以下步骤：

a.簇首节点，将自己收到的所有节点信息组装成一个或多个数据包，并依次发给信标节点；

b.普通节点，侦听周围所有发送至信标节点的数据包，并重新设置一个随机定时器。若定时器结束时还未收到自身ID的信息，则将自己的ID信息打包发送至信标节点。

本发明的优点是：

1.随机的簇首节点选举：通过在簇首节点选举的分布式算法中引入随机定时器，大大避免了算法在节点间的协同，从而降低了算法的时间复杂度和消息复杂度。

2.容错机制：在该方法中，通过侦听、重传和冗余机制来提高统计方法的容错性；特别地，普通节点在第四阶段中的侦听机制保障了节点信息统计的完整性。

3.本发明特别适合于在短时间内快速统计大量密集无线传感网络节点信息，如矿山井下人员考勤系统及矿山井下的应急管理系统等。由此可见，本发明为本领域的技术进步拓展了空间，实施效果好。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为矿山井下人员信息统计需求示意图。

图2不同的统计方法示意图。

图3为移动节点端的状态转换图。

图4为信标节点端的状态转换图。

具体实施方式

从群移动的传感网络中选出若干簇首节点，这些簇首节点用于统计其他节点的ID信息并最终负责发送至信标节点。该方法的实现过程中，消息格式为：<source_id，dest_id，msg_content>。其中source_id表示源节点的ID，dest_id表示目的节点ID，如果需要广播消息，则目的节点标记为BCAST，msg_content表示消息的内容。每个节点用MyId表示自身的标识信息(ID)。

1.初始化：

此阶段由初始信标节点发送消息来触发。每个接收到触发消息的节点u启动一个选举定时器T_u。由于在传感网络中节点的能量是受限的，系统希望能量较高的节点以较大的概率成为簇首节点，因此定时器的长短与节点能量成反比。

2.簇首节点选举：

2.1选举定时器结束：

若节点定时器结束时未收到其他节点的成簇消息，则该节点广播成簇消息<MyId，BCAST，I am a leader node>，并将自己置为簇首节点，准备接收其他节点的注册消息。

2.2收到成簇广播消息：

若节点的定时器结束前收到了其他节点的<OtherId，BCAST，I am aleader node>成簇消息，一定概率p加入该簇，并设置其簇首节点为OtherId；否则，增大概率p：

2.2.1若成功设置了簇首节点，则将自己置为普通节点，定时器停止；在节点加入簇以后再次收到其他节点发送的成簇消息时，将其作为备份簇首节点保存，以提高统计方法的容错性。

2.2.2否则继续簇首节点选举过程。

3.节点统计：

3.1普通节点：

该节点发送<MyId，OtherId，I am registering to you>注册消息给簇首节点，同时采用Ack确认机制提高传输的可靠性；若发送失败，则向备份簇首节点发送注册消息<MyId，OtherId，I am registering to you>；若两次注册都失败，则认为簇首节点失效，因此该节点将发送成簇消息<MyId，BCAST，Iam a leader node>，宣布自己成为簇首节点，并启动簇首节点的接收机制；否则，设置一个统计失败定时器，开始侦听簇首节点向信标节点的发送。

3.2簇首节点：

当收到其他节点发送的注册消息<OtherId，MyId，I am registering toyou>时，将该节点的ID放入待发送的缓存区内。

4.簇首节点发送消息至信标节点：

4.1簇首节点：

将自己收到的所有节点信息组装成一个或多个数据包，并依次发给信标节点。

4.2普通节点：

侦听周围所有发送至信标节点的数据包，并重新设置一个随机定时器。若定时器结束时还未收到自身ID的信息，则将自己的ID信息打包发送至信标节点(此处可加入簇首节点的ID，以提高算法的容错性)。

工作状态时，首先引入随机方法来构建簇，选举簇首节点；然后簇内的普通节点尽力让簇首节点代为统计信息，在失败的情况下则自己发送信息。总体而言，以分布式的算法实现节点信息统计，通过多种容错机制保障信息统计的正确性与完整性。

由于算法设计时采用了消息响应式的状态转换方式，为避免不必要的无线传输冲突，在算法中多处引入了随机延迟。采用多簇机制有利于提高算法的稳定性及容错性，实现中采用可变概率以判断是否加入簇的方式来控制簇数(或簇首节点数)。为使各簇节点数较为均匀，概率p需以一定的规律变化，当节点总数N较大而簇数目为C较小时，p可以近似地按如下序列变化：

$\frac{1}{C},\frac{1}{C-1},...\frac{1}{C-n}(n<C)$

其中，n为不超过C的一个整数。系统的运行状态编号为0～9，9号状态为通用的随机延迟状态，其信号灯显示为黄灯闪烁；0～8号状态对应D4D3D2的二进制(灯亮表示1)。移动节点端的状态转换如图3所示。

图3说明：

在测试阶段，我们采用一个信标节点，简要说明如下：

初始时，节点ID为0(起始信标节点)，当在此状态完成R轮的信标节点广播后，自动转换ID为1(终止信标节点)，并在此阶段的R轮中完成统计数据的收集和融合。当R轮结束后其将数据发至UART口，完成整个统计算法的测试。信标节点端的状态转换如图4所示。

图4说明：

本发明为无线传感网络(Wireless Sensor Network，WSN)群移动节点的可靠统计设计的方法。其中，该方法的测试支撑平台(包括移动节点和信标节点)的节点类型为CrossBow公司生产的Mica系列节点，如Mica2、MicaZ等，基站采用CrossBow公司生产的MIB510板。该机制为无线传感网络群移动节点的快速统计提供了一种有效的方法。尽管移动节点和信标节点采用相同类型的硬件平台，系统可以通过加载不同的软件以实现不同的功能。

综上所述，采用本发明后，能够实现基于多簇的节点信息统计，通过引入概率因子可以快速地选举出簇首节点，完成簇内的信息统计，向信标节点发送较少的数据包即可完成信息统计，实现了无线传感网络群移动节点有效的信息统计。

Claims (4)

1.一种无线传感网络群移动节点的统计方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将无线传感网络群移动节点以自组织的方式划分成多个簇，每个簇都选举产生一个簇首节点(Cluster Head Node)；

(2)这些簇首节点用于统计簇内其他节点的ID并最终负责将信息发送至信标节点(Beacon Node)；

(3)完成所有移动节点的信息(节点数及对应的ID)统计。

2.根据权利要求1所述的无线传感网络群移动节点的统计方法，其特征在于，所述步骤(1)包括以下步骤：

a.初始化，此阶段由初始信标节点发送消息来触发；每个接收到触发消息的节点u启动一个选举定时器T_u；

b.选举定时器结束，若节点定时器结束时未收到其他节点的成簇消息，则该节点广播成簇消息<MyId，BCAST，I am a leader node>，并将自己置为簇首节点，准备接收其他节点的注册消息；

c.收到成簇广播消息，若节点的定时器结束前收到了其他节点的<OtherId，BCAST，I am a leader node>成簇消息，一定概率p加入该簇，并设置其簇首节点为OtherId；否则，增大概率p；

d.若成功设置了簇首节点，则将自己置为普通节点，定时器停止；在节点加入簇以后再次收到其他节点发送的成簇消息时，将其作为备份簇首节点保存，以提高统计方法的容错性；

e.否则继续簇首节点选举过程。

3.根据权利要求1所述的无线传感网络群移动节点的统计方法，其特征在于，所述步骤(2)包括以下步骤：

a.普通节点，该节点发送<MyId，OtherId，Iam registering to you>注册消息给簇首节点，同时采用Ack确认机制提高传输的可靠性；若发送失败，则向备份簇首节点发送注册消息<MyId，OtherId，I am registering to you>；若两次注册都失败，则认为簇首节点失效，因此该节点将发送成簇消息<MyId，BCAST，I am a leader node>，宣布自己成为簇首节点，并启动簇首节点的接收机制；否则，设置一个统计失败定时器，开始侦听簇首节点向信标节点的发送；

b.簇首节点，当收到其他节点发送的注册消息<OtherId，MyId，I amregistering to you>时，将该节点的ID放入待发送的缓存区内。

4.根据权利要求1所述的无线传感网络群移动节点的统计方法，其特征在于，所述步骤(3)包括以下步骤：

a.簇首节点，将自己收到的所有节点信息组装成一个或多个数据包，并依次发给信标节点；

b.普通节点，侦听周围所有发送至信标节点的数据包，并重新设置一个随机定时器。若定时器结束时还未收到自身ID的信息，则将自己的ID信息打包发送至信标节点。

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