CN102595546B - 基于事件驱动的无线传感器执行器网络数据收集分簇方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于事件驱动的无线传感器执行器网络数据收集分簇方法，其特征在于，包括：路径建立及信息交互，分簇建立及数据传输，路径及分簇调整。本发明的基于事件驱动的无线传感器执行器网络数据收集分簇方法基于时延感知进行数据收集簇的划分，有效地提升了以事件为驱动的数据收集过程的效率，优化了无线传感器执行器网络中无线传感器与执行器之间协调的实时性。

Description

基于事件驱动的无线传感器执行器网络数据收集分簇方法

技术领域

本发明涉及无线网络协议的技术领域，具体地，涉及一种基于事件驱动的无线传感器执行器网络数据收集分簇方法。

背景技术

带有执行器的无线传感器网络被称为无线传感器执行器网络(Wireless Sensorand Actor Networks，WSANs)，是近年来无线传感器领域的一个研究热点。在无线传感器执行器网络中，传感器节点负责侦测周围的物理环境，将采集到的数据上传到执行器节点，而执行器节点则负责收集这些数据，并根据数据中包含的信息做出决策并执行相应的动作。这种异构的网络继承了无线传感器网络分布采集数据、自组网传输的优势，且配合执行器基于采集的信息执行动作的特点，在军事、工业、环保、交通等诸多领域均有巨大的应用价值。在应用场景中往往要求执行器节点在事件发生之后能够快速收集事件信息并及时有效地对所发生的事件做出反应。因此，减少事件数据收集过程中的时延就成为实现传感器与执行器间实时协作的关键，也是执行器节点能够迅速执行相应动作的基础。

相关理论文献已经证明，将数据收集的任务进行划分，可以有效降低每个执行器节点数据收集的负载，提升网络容量，改善网络性能。传统的无线传感器网络分簇方法往往以能量感知作为数据收集过程中的主要策略，以节点的剩余能量作为重要的指标。一方面网络根据节点的剩余能量选择簇首可以均衡负载，防止一些节点由于负载过重而过早死亡，导致整个网络生命周期的降低；另一方面节点根据数据收集过程中的能耗建立路由，可以保证整个网络的能耗优化。但是能量感知的策略在以事件驱动为背景的数据收集过程中往往存在缺陷。以事件为驱动的数据收集过程的主要特点是仅当无线传感器节点检测到事件发生后，处于事件区域内的节点才进行数据的收集以及分簇等相关操作；而未有事件发生时，节点则处于本地侦测或休眠等低能耗状态，因此能耗不再是以事件为驱动的数据收集过程首要考虑的网络指标。此外，在网络中一些能耗低，剩余能量高的节点往往会承担更多的网络负载，但是当有事件发生、大量数据产生的时，在这些节点处产生数据拥塞的可能性大大增加，导致一些数据不能迅速传至执行器节点，从而影响执行器节点对事件信息的判断。因此，在以事件为驱动的数据收集过程中，时延感知的分簇策略能够对能量感知策略的不足做出补充，并能够更好地满足无线传感器执行器网络中实时性的要求。

经对现有文献检索发现，中国专利申请号为：200710171801.4，发明名称为：基于二叉树的无线传感器网络分簇能量均衡路由确定方法的专利申请中提供了一种基于二叉树和后序遍历及传感器网络能量均衡机制的分簇路由协议，该协议能够有效地降低和均衡能耗。中国专利申请号为：200910111662.5，发明名称为：无线传感器分簇多跳通信方法的专利申请利用小世界模型对传感器网络进行分簇，并控制簇内节点和平均跳数，从而平衡每个簇的负载，均衡能量的消耗，提高了网络的健壮性。但是以上的方法均是基于能量感知的策略，均未考虑数据收集过程的时延，因此往往不能有效实现数据的快速收集。

发明内容

鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的在于针对目前数据分簇收集策略的不足，基于数据收集过程中单跳的平均时延，以事件为驱动构造由无线传感器节点到执行器节点的时延感知数据收集树，从而对网络建立以执行器节点为簇首的簇的划分，该方法能够有效地减少以事件为驱动的数据收集过程的时延，提升了无线传感器与执行器之间协作的实时性。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于事件驱动的无线传感器执行器网络数据收集分簇方法，其包括以下步骤：路径建立及信息交互，分簇建立及数据传输，路径及分簇调整，其中，所述路径建立及信息交互是指在未有事件发生时，执行器节点和无线传感器节点之间建立可行的通信路径并交互分簇所需信息；所述分簇建立及数据传播是指当有事件发生时，各无线传感器节点按照路由表中标记的路径进行数据的上传，从而完成以执行器节点为簇首的簇的划分；所述路径及分簇调整是指执行器节点根据上传信息的时延，对不适合的路径和簇的划分进行调整，直至各个簇的划分达到相对稳定，即各个簇的成员没有改变自身所在簇的趋势。

进一步地，上述的基于事件驱动的无线传感器执行器网络数据收集分簇方法，其中，执行器节点将泛洪路径查询信息，路径查询信息的数据帧中包含执行器节点ID(ActorID)、曾接收到所述路径查询信息的节点ID(SensorID)、接收到所述路径查询信息的节点到执行器节点的距离(Hops)及所述路径查询信息发出的时间戳(TimeStamp)，所述路径建立及信息交互具体包括以下步骤：

11)各执行器节点设置所述路径查询信息的数据帧中的ActorID为本地的ID，SensorID为空，设置Hops为1，并保存发出所述路径查询信息的时间点到TimeStamp，设置完成后，各执行器节点将所述路径查询信息进行广播；

12)无线传感器节点在接收到所述路径查询信息后，将所述路径查询信息数据帧中的ActorID，SensorID保存至本地路由表中，并根据所述路径查询信息的本地到达时间和数据帧中TimeStamp保存的时间计算出所述路径查询信息沿该条路径传播的时延，并将时延保存至本地路由表中；然后，无线传感器节点将本地ID添加至所述路径查询信息的数据帧的SensorID域中，并将Hops域中的数值加1；完成以上操作，无线传感器节点将所述路径查询信息进行转发；

13)各执行器节点的路径查询信息将以泛洪的方式传播至整个观测区域，当这一过程完成后每个无线传感器节点将保存在本地路由表中的路径信息按照时延升序排列，并将时延最小的路径进行标记，作为信息传播的首选路由。

进一步地，上述的基于事件驱动的无线传感器执行器网络数据收集分簇方法，其中，所述分簇建立及数据传播过程具体包括以下步骤：

21)无线传感器节点在检测到事件发生后，对所述事件信息进行采集并将采集到的数据放置在上传信息的数据帧的数据信息域(InfoData)内，所述上传信息的数据帧还包含有如下信息域：时间戳(TimeStamp)，上传路径跳数(Hops)，数据源节点ID(SourceID)，源节点的下一跳节点ID(FatherID)，源节点根据本地信息设置好所述上传信息的各个信息域并将所述上传信息沿标记的路由发送；

22)执行器节点在接收到所述上传信息后，首先保存所述上传信息的数据信息域内的信息，并根据所述上传信息的到达时间和TimeStamp域保存的时间计算出本次数据收集的时延；之后再将所述时延除以Hops中的数值，计算出指本路径中单跳的平均时延，并将所述平均时延同SourceID，FatherID，Hops保存至所述执行器节点的本地寄存器内；

23)事件区域内的所有无线传感器节点完成一次数据上传，则执行器节点根据收集的SourceID，FatherID和Hops信息建立数据收集树，同时完成事件区域的簇的划分。

进一步地，上述的基于事件驱动的无线传感器执行器网络数据收集分簇方法，其中，所述路径及分簇调整具体的步骤如下：

31)经过N轮的数据收集，执行器节点将计算所述执行器节点上的本地寄存器内相同数据源节点ID(SourceID)的N轮时延的平均值，并将结果进行排序，对于平均时延最长的SourceID，执行器节点将反馈路径更改的控制信息，其中，路径更改控制信息包括数据源节点ID(SourceID)，当前执行器的ID(ActorID)以及计算得到的平均时延(Delay)；

32)无线传感器节点在接收到所述路径更改控制信息后，所述无线传感器节点将对本地路由表中未标记的路径求取单跳平均时延，并将所述单跳平均时延与收到的路径更改控制信息的Delay域中的数值进行比较：(a)如果Delay域中的数值仍是这组时延的最小值，则表示所述无线传感器节点没有改变传输路径的趋势，所述无线传感器节点仍将按此路径进行上传数据，当执行器节点再次收到来自该SourceID的数据时，标记所述无线传感器节点为无调整趋势的节点，将不再参加此后的时延排序；(b)如果本地路由中存在平均时延更小的路径，则无线传感器节点将标记此路径为首选路由，此后将按照此路径进行数据传输；

33)当执行器节点将全部的SourceID都进行了标记，则调整过程完成。

与现有的技术相比，本发明基于事件驱动的无线传感器执行器网络数据收集分簇方法，在以事件为驱动的数据收集过程中按照时延感知进行簇的划分，有效地提升了以事件为驱动的数据收集过程的效率，优化了无线传感器执行器网络中无线传感器与执行器之间协调的实时性。

附图说明

图1是本发明中路径查询信息数据帧的结构示意图；

图2是本发明中上传信息数据帧的结构示意图；

图3是本发明中路径更改控制信息的结构示意图；

图4是本发明基于事件驱动的无线传感器执行器网络数据收集分簇方法的实施例的分簇结果的示意图；

图5是本发明基于事件驱动的无线传感器执行器网络数据收集分簇方法的实施例的分簇过程路径更改的示意图；

图6是本发明基于事件驱动的无线传感器执行器网络数据收集分簇方法的流程图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

本发明基于数据传输过程中平均时延信息，构建时延感知的数据收集树，从而完成在事件区域数据内进行以执行器节点为簇首的数据收集簇的划分，其中，数据源节点基于反馈信息优化上传信息的路径选择，完善簇的划分。

本发明基于事件驱动的无线传感器执行器网络数据收集分簇方法主要包括以下三个步骤：路径建立及信息交互，分簇建立及数据传输，路径及分簇调整。参照图6，下面详细介绍一下本发明基于事件驱动的无线传感器执行器网络数据收集分簇方法的具体流程。

首先，路径建立及信息交互是指在事件发生之前，在执行器节点和无线传感器节点之间建立可行的通信路径并交互分簇所需信息。执行器节点将泛洪路径查询信息，如图1所示，路径查询信息的数据帧包含如下几个域：执行器节点ID(ActorID)、曾接收到该路径查询信息的节点ID(SensorID)、接收该路径查询信息的节点距离执行器节点的距离(Hops)及该路径查询信息发出的时间戳(TimeStamp)，具体的步骤如下：

11)各执行器节点设置路径查询信息的数据帧中的ActorID为本地的ID，SensorID为空，设置Hops为1，并保存发出信息的时间点到TimeStamp，设置完成后，各执行器节点将该路径查询信息进行广播；

12)当无线传感器节点接收到上述路径查询信息，将路径查询信息的数据帧中的ActorID，SensorID保存至本地路由表中，并根据路径查询信息到达时间和TimeStamp中保存的时间计算出路径查询信息沿该条路径传播的时延，并将保存至本地路由表中；之后无线传感器节点将本地ID添加至路径查询信息的SensorID域中，并将Hops域中的数值加1；完成以上操作，无线传感器节点将路径查询信息进行转发；

13)各执行器节点的路径查询信息将以泛洪的方式传播至整个观测区域。当这一过程完成后每个无线传感器节点将保存在本地路由表中的路径信息按照时延升序排列，并将时延最小的路径进行标记，作为信息传播的首选路由。

接着，分簇建立及数据传播是指当有事件发生之后，各无线传感器节点按照路由表中标记的路径进行数据的上传，因此将形成时延感知的数据收集树，完成以执行器节点为簇首的事件驱动簇的划分。具体的步骤如下：

21)当无线传感器节点检测到事件发生，对事件信息进行采集并将其放置在上传信息的数据帧的数据信息域(InfoData)内，如图2所示，该上传信息的数据帧还包含有时间戳(TimeStamp)，路径跳数(Hops)，源节点ID(SourceID)，源节点的下一跳节点ID(FatherID)等几个信息域，分别用以记录数据包发送的时间戳，数据源节点到该执行器节点的距离，源节点的ID及标记路由中源节点的下一跳节点ID。源节点根据本地信息设置好以上信息域并将该上传信息沿标记路由发送；

22)当执行器节点接收到该上传信息，首先保存上传信息的数据信息域内的信息，并根据上传信息的到达时间和TimeStamp域保存的时间计算出本次数据收集的时延。之后再将此时延除以Hops中的数值，计算出指本路径中的每一跳的平均时延，并将平均时延同SourceID保存至执行器节点的本地寄存器内；

23)事件区域内的所有无线传感器节点完成一次数据上传，则执行器节点即可以根据收集的SourceID，FatherID和Hops等信息建立数据收集树，同时完成事件区域内的簇的划分。

最后，路径及分簇调整是指执行器节点根据上传信息的时延，对不适合的路径和簇的划分进行调整，直至每个无线传感器节点均没有调整的趋势，则调整完成。具体的步骤如下：

31)经过N轮的数据收集，执行器节点将计算其上的本地寄存器内相同SourceID的N轮时延的平均值，并将结果进行排序，对于平均时延最长的SourceID，执行器节点将反馈路径更改的控制信息。如图3所示，路径更改控制信息包括有如下几个域：源节点ID(SourceID)，该执行器节点ID(ActorID)以及计算得到的平均时延(Delay)。

32)当无线传感器节点接收到路径更改控制信息，该无线传感器节点将对本地路由表中的未标记的路径求取平均时延，并将这些平均时延与收到的路径更改控制信息的Delay域中的数值进行比较：(a)如果Delay域中的数值仍是这组时延的最小值，则表示该无线传感器节点没有改变传输路径的趋势，该节点仍将按此路径进行上传数据。当执行器节点再次收到来自该SourceID的数据时，标记该无线传感器节点为无调整趋势的节点，将不再参加此后的时延排序；(b)如果本地路由中存在平均时延更小的路径，则无线传感器节点将标记此路径为首选路由，此后将按照此路径进行数据传输。

33)当执行器节点将全部的SourceID都进行标记，则认为调整的过程完成。

下面参照图4和图5详细说明本发明建立以事件为驱动基于时延感知的数据收集簇的过程。其中方框表示观测区域；点划圆表示事件区域；圆表示无线传感器节点；五边形表示执行器节点。下面以执行器节点A2簇的建立为应用实例。

首先执行器节点A2对整个观测区域泛洪路径查询信息。执行器节点A2执行步骤11)。其中在路径查询信息的数据帧中，设置ActorID为A2，设置Hops为1，并将发送路径查询信息时的本地时间保存至TimeStamp，完成路径查询信息的封装之后将其进行广播。

参照步骤12)，无线传感器节点23，25，17，18和20均将收到由A2发出的路径查询信息。上述各无线传感器节点将路径查询信息的数据帧中的ActorID、SensorID及Hops保存至本地路由表中，并根据接收到该路径查询信息的本地时间和数据帧的TimeStamp中保存的时间计算出路径查询信息由A2出发到达本节点的时延，并将计算结果保存至本地路由表中。完成上述操作后，各无线传感器节点将本地ID添加至SensorID域，并将Hops值加1，之后将路径查询信息转发出去。以节点18为例，其转发的路径查询信息将会被21，29，20和23接收到，接收到路径查询信息的各无线传感器节点再次执行步骤12)。

参照步骤13)，各执行器节点完成路径查询信息的泛洪，则各无线传感器节点的路由表内保存了一组可行的数据上传路径。以节点29为例，保存的上传路径有29→18→A2，29→32→A3，29→43→A3，29→21→18→A2，29→21→17→25→A1，29→18→20→23→25→A1。节点29按照时延大小对以上路径进行排序，并标记时延最小的29→18→A2为信息传输的首选路由。

当有事件发生时，处于事件区域内的无线传感器节点按照本地路由表中标记的首选路由向执行器节点上传事件信息，收到事件信息的执行器节点则根据收到的相关信息建立数据收集树，完成分簇。

参照步骤21)，检测到事件的无线传感器节点采集事件信息，并设置上传信息的数据帧的各域内容。以无线传感器节点29为例，该节点将采集到的数据信息放入InfoData内，设置SourceID为本地ID(29)，设置FatherID为标记路由中下一跳节点ID(18)，保存本地路由表中标记路由的Hops值(3)至上传信息的数据帧的Hops域，同时保存本地时间至TimeStamp。完成上传信息的封装之后，按照本地标记路由29→18→A2上传信息。

参照步骤22)，当执行器节点A2接收到无线传感器节点29的上传信息之后，首先将InfoData，SourceID，FatherID保存至本地寄存器，同时根据接收到上传信息的时间和TimeStamp内的值计算该上传过程的时延，并将该时延除以Hops值以计算平均每跳的时延，并将计算结果保存至执行器节点A2的本地寄存器。

当执行器节点接收到的数据中不再有新的SourceID产生，则认为一轮数据收集完成。如步骤23)，执行器节点可根据本地寄存器内的信息建立以自身为根节点的数据收集树，同时完成对事件区域内源节点簇的划分。

经过N轮数据收集，执行器节点对不适合的路径和簇的划分进行调整，调整过程将伴随数据收集过程进行，至每个数据源节点均没有改变自身状态的趋势，则调整过程完成，具体的步骤如下：

参照步骤31)，N轮数据收集过后，各执行器节点计算本地寄存器内相同SourceID的N个时延值的均值，并对簇内所有SourceID的时延均值进行排序，对时延最长的SourceID进行标记，并反馈路径修改信息。在路径更改控制信息中设置ActorID为本地ID，SourceID作为标记ID，Delay记录标记SourceID的平均时延。

参照步骤32)，当本地ID为SourceID的无线传感器节点收到路径更改控制信息后，将计算本地路由表内未标记的各条路径每跳的平均时延，并与Delay域内的值进行比较。

如果不存在平均时延更小的为标记路径，则认为该无线传感器节点没有更改路径的趋势，该节点将继续按照原标记路由进行数据上传。以无线传感器节点12为例，其上传平均时延是A1的所有源节点中最大的，但是由于其路由表内只有一条可行路径，所以没有更改路由的趋势，因此无线传感器节点12仍将按照标记路径传输。

如果本地路由表内存在平均时延更优的路径，则将放弃原有路径，标记新路径为首选路由；如果出现多条路径可选，则仍将选择其中时延最小的路径传输，同时无线传感器节点将Delay中的值保存为原标记路径的平均时延。以无线传感器节点29为例，由于标记的路径29→32→A3的时延均值优于Delay域中的值，则选择该路径为新的首选路径，并开始按照新的路径进行数据上传。原标记路径29→18→A2的平均时延将被更新为Delay域内的值。

当执行器节点在发出路径更改控制信息之后，仍然收到该SourceID的无线传感器上传的数据，参照步骤33)，则执行器节点认为该源节点没有更改其路径的趋势。执行器节点将标记该SourceID为固定无线传感器节点，将不再参加平均时延的排序。如果不再收到来自原SourceID的数据则认为源节点已经将路径更改，执行器节点将删除寄存器内该SourceID的相关数据。

再经过N轮的数据收集，各执行器节点将重复步骤31)-33)，至各簇内的无线传感器节点全部被标记，则调整的过程将最终完成。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (1)

1.一种基于事件驱动的无线传感器执行器网络数据收集分簇方法，其特征在于，包括以下步骤：路径建立及信息交互，分簇建立及数据传输，路径及分簇调整，其中，所述路径建立及信息交互是指在未有事件发生时，执行器节点和无线传感器节点之间建立可行的通信路径并交互分簇所需信息；所述分簇建立及数据传输是指当有事件发生时，检测到事件的无线传感器节点按照路由表中标记的路径进行数据的上传，从而完成以执行器节点为簇首的簇的划分；所述路径及分簇调整是指执行器节点根据上传信息的时延，对不适合的路径和簇的划分进行调整，直至各个簇的划分达到相对稳定，即各个簇的成员没有改变自身所在簇的趋势；

执行器节点将泛洪路径查询信息，路径查询信息的数据帧中包含执行器节点ID ActorID、曾接收到所述路径查询信息的无线传感器节点的ID SensorID、接收到所述路径查询信息的节点到执行器节点的距离Hops及所述路径查询信息发出的时间戳TimeStamp，所述路径建立及信息交互具体包括以下步骤：

11)各执行器节点设置所述路径查询信息的数据帧中的ActorID为本地的ID，SensorID为空，设置Hops为1，并保存发出所述路径查询信息的时间点到TimeStamp，设置完成后，各执行器节点将所述路径查询信息进行广播；

12)无线传感器节点在接收到所述路径查询信息后，将所述路径查询信息数据帧中的ActorID，SensorID保存至本地路由表中，并根据所述路径查询信息到达本地的时间和数据帧中TimeStamp保存的时间计算出所述路径查询信息沿该条路径传播的时延，并将所述时延保存至本地路由表中；然后，无线传感器节点将本地ID添加至所述路径查询信息的数据帧中的SensorID域中，并将Hops域中的数值加1；完成以上操作，无线传感器节点将所述路径查询信息进行转发；

13)各执行器节点的路径查询信息将以泛洪的方式传播至整个观测区域，当这一过程完成后每个无线传感器节点将保存在本地路由表中的路径信息按照时延升序排列，并将时延最小的路径进行标记，作为信息传播的首选路由；

所述分簇建立及数据传播过程具体包括以下步骤：

21)无线传感器节点在检测到事件发生后，对所述事件的信息进行采集并将采集到的数据放置在上传信息的数据帧的数据信息域InfoData内，所述上传信息的数据帧还包含有如下信息域：时间戳，上传路径跳数，数据源节点ID SourceID，源节点的下一跳节点ID FatherID，源节点根据本地信息设置好所述上传信息的各个信息域并将所述上传信息沿标记的路由发送；

22)执行器节点在接收到所述上传信息后，首先保存所述上传信息的数据信息域InfoData内的信息，并根据所述上传信息的到达时间和时间戳域保存的时间计算出本次数据收集的时延；之后再将所述时延除以上传路径跳数中的数值，计算出指本路径中单跳的平均时延，并将所述平均时延同SourceID，FatherID，上传路径跳数保存至所述执行器节点的本地寄存器内；

23)事件区域内的所有无线传感器节点完成一次数据上传，则执行器节点根据收集的SourceID，FatherID和上传路径跳数信息建立数据收集树，同时完成事件区域的簇的划分；

所述路径及分簇调整具体的步骤如下：

31)经过N轮的数据收集，所述执行器节点将计算本地寄存器内相同数据源节点ID SourceID的N轮时延的平均值，并将结果进行排序，对于平均时延最长的SourceID，执行器节点将反馈路径更改的控制信息，其中，路径更改控制信息包括数据源节点ID SourceID，当前执行器节点的ID以及计算得到的平均时延Delay；

32)无线传感器节点在接收到所述路径更改控制信息后，所述无线传感器节点将对本地路由表中未标记的路径求取单跳平均时延，并将所述单跳平均时延与收到的路径更改控制信息的Delay域中的数值进行比较：如果Delay域中的数值仍是这组时延的最小值，则表示所述无线传感器节点没有改变传输路径的趋势，所述无线传感器节点仍将按此路径进行上传数据，当执行器节点再次收到来自该SourceID的数据时，标记所述无线传感器节点为无调整趋势的节点，将不再参加此后的时延排序；如果本地路由中存在平均时延更小的路径，则无线传感器节点将标记此路径为首选路由，此后将按照此路径进行数据传输；

33)当执行器节点将全部的SourceID都进行了标记，则调整过程完成。