CN102025611A - 一种无线传感网络的数据传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线传感网络的数据传输方法。该方法要求无线传感网络节点在获取到监控数据后，首先获取各邻居节点的期望传输值，根据得到的期望传输值计算本节点的期望传输值；然后选择所有使本节点期望传输值小于一个阈值的邻居节点为下一跳的候选节点；再根据该节点到根节点的路径能量统计值得到下一跳的能量概率；通过得到的能量概率在候选节点中选择数据传输的下一跳的节点。无线传感网络中的节点依次通过该方法不断将数据往根节点传输，完成数据收集任务。本发明ICTP的传输效率相对于传统数据收集协议得到了很大的提高，ICTP的数据包正确到达率也略高于传统数据收集协议，在网格拓扑时，平均高出了20％的到达率。

Description

一种无线传感网络的数据传输方法

技术领域

本发明涉及无线传感网络的一种数据采集方法，属于网络通信中网络路由协议技术领域。

背景技术

随着无限传感网络(WSN)技术的不断发展，它的实际应用越来越广，在应用中，数据采集是最重要的功能部分。

数据采集问题是无线传感器网络的主要研究课题之一。数据采集问题就是研究外界用户如何通过无线传感器网络从监控区域采集感应数据。在数据采集问题中，用户先在监测区域中放置大量特定用途的传感器节点，监测区域人的传感器节点自适应地以Ad-hoc方式组成无线传感器网络。由于监测区域可能比较远，另外传感器节点的无线通信距离比较小，为了能够及时从无线传感器网络中获得感应数据，通常还要在监测区域内配置一个基站(Sink节点或者称为根节点)，Sink节点(根节点)负责把无线传感器网络中的感应数据转发给外界用户。移动无线传感器网络的每个传感器节点采集本地的感应数据处理这些感应数据，将有用的信息传送给Sink节点(根节点)。由于传感器节点的无线通信距离比较短，通常无线传感器网络是多跳传输的，即传送数据给Sink节点(根节点)常要经过中间其它传感器节点的转发。

发明内容

本发明的目的在于提供一种路由效率高、可靠性好的无线传感网络的数据传输方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种无线传感网络的数据传输方法，包括如下步骤：

(1)将无线传感网络节点随机部署在监控区域；

(2)各无线传感网络节点通过传感器获取监控数据，或接受到其他节点发送到的数据后，通过如下步骤获取数据传输的下一跳信息：

a)获取由各邻居节点作为父节点而得到的该节点的期望传输值ETX；

A_etx＝neibor(A)_etx+link(neibor(A)_etx，A)    (1)

其中，A_etx表示A节点的期望传输值；neibor(A)_etx表示A的邻居节点的期望传输值；link(neibor(A)，A)表示A节点和A节点邻居节点的双向动态链路的估计值；该估计值通过发包的成功率统计；

b)定义一个阈值，将通过步骤a)得到各邻居节点作为父节点时该节点的期望传输值ETX，同该阈值进行比较，所有小于阈值的ETX值的邻居节点就是该节点的一个候选节点；阈值的计算为： $\mathrm{Threshold}\left(\mathrm{candidate}\right)=\max (A_{\mathrm{etx}}^{/},\mathrm{miPath})---\left(2\right)$

其中，

表示A节点通过上次路由选择的ETX值，miPath值当前情况下的最优路径ETX值，即min(A_etx)；

c)获取该节点到根节点各候选路径能量状况，使用路径的统计能量来衡量，路径能量统计值由公式(3)获得： $E_{i\_\mathrm{statistical}}=E_i+\underset{j=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{P}_j*E_{j\_\mathrm{statistical}}---\left(3\right)$

其中，E_{i_statistical}表示i节点的统计能量，E_i表示i节点的剩余能量，P_j表示选择j节点为下-跳的概率，N为候选节点的数量；计算通过i节点到达根节点路径的能量期望；

d)通过候选节点的能量统计以概率方式选择下一跳节点，能量概率计算公式如下：

$P_j=\frac{E_{j\_\mathrm{statistical}}*C{\mathrm{ongested}}_j}{\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}(E_{k\_\mathrm{statistical}}*{\mathrm{Congested}}_k)}---\left(4\right)$

Congested_j表示一个常数，若节点j拥塞了值取0.5，若节点j没有拥塞则值取1。

(3)数据传输路径上的各节点通过上述步骤，采用公式(4)产生的概率选择数据传输的下一跳节点；

(4)各节点将收集到的数据发送到步骤(3)选定的下一跳；

(5)重复如上步骤，直至将待收集的数据发送到根节点；

(6)由根节点将数据传输到终端机上，完成数据收集任务。

本发明在现有数据收集协议的基础上，将负载均衡和概率选择路由结合到采集协议中，设计了一个基于负载均衡和概率选择路由结合的路由算法ICTP。ICTP协议中每一个WSN节点都维护一个ICTP路由表，ICTP路由表中每个表项分别维护了候选下一跳的信息，包括：邻居节点的地址、邻居节点的下一跳地址(用于检测路由环路问题)、由该邻居节点的ETX值得到的该节点的ETX值A_etx、邻居节点的ETX值(neibor(A)_etx)、邻居节点是否拥塞(Congested_j)、邻居节点剩余能量值(E_i)、邻居节点的能量统计值(E_{i_statistical})。其中A_etx由邻居节点的ETX值与该节点与邻居节点之间链路估计值之和确定，如公式(1)；拥塞系数Congested_j是通过计算发送缓冲的使用量来决定的，当节点发送缓冲的数据超过缓冲区最大值的一半，就标志节点拥塞了；邻居节点剩余能量E_i由邻居节点的总能量减去每进行一次数据传输消耗的能量之差决定；邻居节点的能量统计值由公式(3)确定，它用于对于该节点到根节点路径的能量估计。

ICTP使用期望传输值(ETX，Expected Transmissions)作为路由梯度。根节点的期望传输值ETX为0，其它节点的期望传输值ETX值的计算是一个迭代累加的过程，为其父节点的期望传输值ETX值加上到父节点链路的期望传输值ETX值(单跳的链路质量估计)。ETX值从根节点(EXT为0)开始扩散，每个节点通过Trickle算法广播ETX值，通过链路向各个节点扩散，迭代计算每个节点的ETX值，直到当前路由表的估计值能够近似表达当前网络拓扑和通信状态。ETX值的确定是一个迭代累加的过程，具体的计算方法如下：A_etx＝neibor(A)_etx+link(neibor(A)，A)；它是通过发包的成功率统计出来的一个值范围在0到40之间，值越小链路质量越好。

ICTP使用期望传输值ETX值以及阈值来确定其候选节点，将得到各邻居节点作为父节点时该节点的期望传输值ETX同该阈值进行比较，所有小于阈值的ETX值的邻居节点即为该节点的一个候选节点。阈值的计算为：

；候选节点的挑选首先要在网络稳定的情况下不引起网络的震荡，而且要满足路由梯度传播，不能随意传播。由于在每个节点路径是概率选择的，能量的计算应该反映整条路径上的能量状况，于是使用路径的统计能量来衡量：

计算通过i节点到达根节点路径的能量期望。

通过候选节点的能量统计以概率方式选择下一跳节点，能量概率计算公式如下：

$P_j=\frac{E_{j\_\mathrm{statistical}}*C{\mathrm{ongested}}_j}{\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}(E_{k\_\mathrm{statistical}}*{\mathrm{Congested}}_k)}$

拥塞的估计是通过计算发送缓冲的使用量来决定的，当节点发送缓冲的数据超过缓冲区最大值的一半，就标志节点拥塞了。这样将路径拥塞同能量统计结合起来。综合考虑丢包率，传播效率，能量估计，从而得到了下一跳的概率。统计能量大的，拥塞程度低的节点选择概率大，反之就小。

本发明与传统数据采集协议相比，具有以下显著优点：

(1)路由效率高：ICTP的传输效率相对于传统数据收集协议得到了很大的提高。如在线性拓扑中，ICTP数据传输效率是传统数据收集协议的1.5倍；而在网格拓扑中以及随机拓扑中，ICTP的数据传输效率是传统数据收集协议的2.0倍。

(2)可靠性好：ICTP的数据包正确到达率也略高于传统数据收集协议，特别是在网格拓扑时比较明显，平均高出了20％的到达率。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表示的范围。

实施例1：危化品监测现场数据采集

危化品的监测必须做到安全、及时、稳定、灵活，这涉及到危化品的生产，运输和存储等整个过程，而监测的重点是数据采集，采集各散布的危化品状况以及周边环境的状况进行统一处理，做到实时监控和警报。本发明能够将散布在监测区域的各WSN节点数据很好地采集起来，自组织整个网络而不需要专门地进行拓扑设计和路由限定。

一种无线传感网络(WSN)的数据采集方法，包括如下步骤：

1、将无线传感网络节点随机分布在危化品监控区域。

2、各无线传感网络节点通过传感器产生监控数据，或接受到其他节点发送的数据后，通过如下步骤获取数据传输的下一跳：

a)获取由各邻居节点作为父节点而得到的该节点的期望传输值ETX，期望传输值ETX由公式(1)获得：

A_etx＝neibor(A)_etx+link(neibor(A)_etx，A)       (1)

其中，A_etx表示A节点的期望传输值；neibor(A)_etx表示A的邻居节点的期望传输值；link(neibor(A)，A)表示A节点和A节点邻居节点的双向动态链路的估计值，它是通过发包的成功率统计出来的一个值范围在0到40之间，值越小链路质量越好。

b)定义一个阈值，将通过步骤a)得到各邻居节点作为父节点时该节点的期望传输值ETX，同该阈值进行比较，所有小于阈值的ETX值的邻居节点就是该节点的一个候选节点。阈值的计算为：

$\mathrm{Threshold}\left(\mathrm{candidate}\right)=\max (A_{\mathrm{etx}}^{/},\mathrm{miPath})---\left(2\right)$

其中，

表示A节点通过上次路由选择的ETX值，miPath值当前情况下的最优路径ETX值，即min(A_etx)；

c)获取该节点到根节点各候选路径能量状况，使用路径的统计能量来衡量，路径能量统计值由公式(3)获得：

$E_{i\_\mathrm{statistical}}=E_i+\underset{j=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{P}_j*E_{j\_\mathrm{statistical}}---\left(3\right)$

其中，E_{i_statistical}表示i节点的统计能量，E_i表示i节点的剩余能量，P_j表示选择j节点为下一跳的概率，N候选节点的数量。整体含义：计算通过i节点到达根节点路径的能量期望；

d)通过候选节点的能量统计以概率方式选择下一跳节点，能量概率计算公式如下：

$P_j=\frac{E_{j\_\mathrm{statistical}}*C{\mathrm{ongested}}_j}{\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}(E_{k\_\mathrm{statistical}}*{\mathrm{Congested}}_k)}---\left(4\right)$

Congested_j表示一个常数，若节点j拥塞了值为0.5，若节点j没有拥塞则值为1。

3、数据传输路径上的各节点通过上述步骤，采用公式(4)产生的概率选择数据传输的下一跳节点；

4、各节点将收集到的数据发送到步骤3选定的下一跳；

5、重复如上步骤，直至将待收集的数据发送到根节点；

6、由根节点将数据传输到终端机上，完成数据收集任务；

7、终端机通过统计分析或者计算等方法判断危化品现场情况，并作出预警与否的决定。

本发明用于危化品环境监控主要有如下优点：

首先，使用大范围、高密度、随机区域部署监测节点，既不需要固定节点位置，也不需要手动组织数据收集，更不需要传统网络搭建的繁琐过程。节点体积小，每个节点都有一定的处理能力，可以对从传感器获取的信息先作一定的处理，也可直接通过无线传输模式将监测到的数据上报，他们的自组织能力保证了网络的健壮性。

其次，由于数据可以从汇聚节点直接传输到主机上，直接使用主机强大的处理功能进行数据分析和处理避免了人工分析速度缓慢和错误的问题。因此，危化品环境监测数据从传感到收集到分析都十分灵活而准确。

再次，由于各感应器可以实时地监测多种环境数据并汇报分析，可以实时发现环境隐患，从而及时预警，将危化品事故防患于未然。

另外，使用ICTP还具有路由效率高的优势，如在线性拓扑中，ICTP数据传输效率是传统数据收集协议的1.5倍；而在网格拓扑中以及随机拓扑中，ICTP的数据传输效率是传统数据收集协议的2.0倍。

此外，使用ICTP协议具有可靠性好的优势，ICTP的数据包正确到达率高于传统数据收集协议，特别是在网格拓扑的时候非常明显，平均高出了20％的到达率。

实施例2：农业信息远程监控

农业覆盖范围大、地形复杂，作业环境比较恶劣，一般农业设备无法适应，而WSN以其节点高密度、大范围、强动态性特点，已成为实现农业信息采集与传输的有效方法。监控系统一般包括无线传感模块、汇聚节点和计算机系统。

1、将无线传感网络节点随机分布在农业信息监控区域。

2、各无线传感网络节点通过传感器产生监控数据，或接受到其他节点发送的数据后，通过如下步骤获取数据传输的下一跳：

a)获取由各邻居节点作为父节点而得到的该节点的期望传输值ETX，期望传输值ETX由公式(1)获得：

A_etx＝neibor(A)_etx+link(neibor(A)_etx，A)    (1)

其中，A_etx表示A节点的期望传输值；neibor(A)_etx表示A的邻居节点的期望传输值；link(neibor(A)，A)表示A节点和A节点邻居节点的双向动态链路的估计值，它是通过发包的成功率统计出来的一个值范围在0到40之间，值越小链路质量越好。

b)定义一个阈值，将通过步骤a)得到各邻居节点作为父节点时该节点的期望传输值ETX，同该阈值进行比较，所有小于阈值的ETX值的邻居节点就是该节点的一个候选节点。阈值的计算为：

$\mathrm{Threshold}\left(\mathrm{candidate}\right)=\max (A_{\mathrm{etx}}^{/},\mathrm{miPath})---\left(2\right)$

其中，

表示A节点通过上次路由选择的ETX值，miPath值当前情况下的最优路径ETX值，即min(A_etx)；

c)获取该节点到根节点各候选路径能量状况，使用路径的统计能量来衡量，路径能量统计值由公式(3)获得：

$E_{i\_\mathrm{statistical}}=E_i+\underset{j=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{P}_j*E_{j\_\mathrm{statistical}}---\left(3\right)$

其中，E_{i_statistical}表示i节点的统计能量，E_i表示i节点的剩余能量，P_j表示选择j节点为下一跳的概率，N候选节点的数量。整体含义：计算通过i节点到达根节点路径的能量期望；

d)通过候选节点的能量统计以概率方式选择下一跳节点，能量概率计算公式如下：

$P_j=\frac{E_{j\_\mathrm{statistical}}*C{\mathrm{ongested}}_j}{\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}(E_{k\_\mathrm{statistical}}*{\mathrm{Congested}}_k)}---\left(4\right)$

Congested_j表示一个常数，若节点j拥塞了值为0.5，若节点j没有拥塞则值为1。

3、数据传输路径上的各节点通过上述步骤，采用公式(4)产生的概率选择数据传输的下一跳节点；

4、各节点将收集到的数据发送到步骤3选定的下一跳；

5、重复如上步骤，直至将待收集的数据发送到根节点；

6、由根节点将数据传输到终端机上，完成数据收集任务；

7、终端机通过统计分析或者计算等方法判断农作物生长环境情况，并作出必要的预警与措施。

Claims (3)

1.一种无线传感网络的数据传输方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)将无线传感网络节点随机部署在监控区域；

(2)各无线传感网络节点通过传感器获取监控数据，或接受到其他节点发送到的数据后，通过如下步骤获取数据传输的下一跳信息：

a)获取由各邻居节点作为父节点而得到的该节点的期望传输值ETX；

A_etx＝neibor(A)_etx+link(neibor(A)_etx，A)        (1)

其中，A_etx表示A节点的期望传输值；neibor(A)_etx表示A的邻居节点的期望传输值；link(neibor(A)，A)表示A节点和A节点邻居节点的双向动态链路的估计值；link(neibor(A)，A)通过发包的成功率统计；

b)定义一个阈值，将通过步骤a)得到各邻居节点作为父节点时该节点的期望传输值ETX，同该阈值进行比较，所有小于阈值的ETX值的邻居节点就是该节点的一个候选节点；阈值的计算为： $\mathrm{Threshold}\left(\mathrm{candidate}\right)=\max (A_{\mathrm{etx}}^{/},\mathrm{miPath})---\left(2\right)$

其中，

表示A节点通过上次路由选择的ETX值，miPath值当前情况下的最优路径ETX值，即min(A_etx)；

c)获取该节点到根节点各候选路径能量状况，使用路径的统计能量来衡量，路径能量统计值由公式(3)获得： $E_{i\_\mathrm{statistical}}=E_i+\underset{j=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{P}_j*E_{j\_\mathrm{statistical}}---\left(3\right)$

其中，E_{i_statistical}表示i节点的统计能量，E_i表示i节点的剩余能量，P_j表示选择j节点为下一跳的概率，N为候选节点的数量；

d)通过候选节点的能量统计以概率方式选择下一跳节点，能量概率计算公式如下：

$P_j=\frac{E_{j\_\mathrm{statistical}}*C{\mathrm{ongested}}_j}{\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}(E_{k\_\mathrm{statistical}}*{\mathrm{Congested}}_k)}---\left(4\right)$

Congested_j表示一个常数，若节点j拥塞了值取0.5，若节点j没有拥塞则值取1。

(3)数据传输路径上的各节点通过上述步骤，采用公式(4)产生的概率选择数据传输的下一跳节点；

(4)各节点将收集到的数据发送到步骤(3)选定的下一跳；

(5)重复如上步骤，直至将待收集的数据发送到根节点；

(6)由根节点将数据传输到终端机上，完成数据收集任务。

2.根据权利要求1所述的无线传感网络的数据传输方法，其特征在于：link(neibor(A)，A)为0-40。

3.根据权利要求1所述的无线传感网络的数据传输方法，其特征在于：所述无线传感网络节点都维护一个ICTP路由表，ICTP路由表中每个表项分别维护了候选下一跳的信息，该信息包括：邻居节点的地址、邻居节点的下一跳地址、由该邻居节点的ETX值得到的该节点的ETX值、邻居节点的ETX值、邻居节点是否拥塞、邻居节点剩余能量值和邻居节点的能量统计值。