CN103118110A - 基于无线传感器网络的多移动代理组迁移方法 - Google Patents

Abstract

一种基于无线传感器网络的多移动代理组迁移策略，提出了一种拥有三种不同类型的移动代理形态的体系结构来分时分角色的处理在通信过程中的协作和迁移问题；同时设计了可行的迁移步骤来支撑此应用体系。本发明采用自行研发的中间件软件和有效的移动代理迁移方式，缩短了大量传感器节点通信时网间的拥塞，提高了通信效率，减少了能耗，并且为未来的移动代理迁移技术提供了有益的参考。

Description

基于无线传感器网络的多移动代理组迁移方法

技术领域

本发明是一种对于无线传感器网络中节点部署移动代理后进行动态迁移的解决策略。主要用于解决传统程序烧写部署后难以实时修改的问题，并提供了一种代理迁移的策略，进而服务普适传感网中的智能代理系统，属于传感网和智能移动代理领域。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，简称WSNs)是将传感器系统，计算系统和通信系统相结合的产物。随着无线通信技术和电子器件技术的快速发展，低成本、低功耗、多功能的无线传感器应用领域变得极为广泛，这同时也促动了由成百上千微型传感器节点自组织构成的无线传感器网络的应用，主要表现在军事、环境监测、医疗、智能建筑和其他商业领域。然而，现在的无线传感器网络只针对指定应用进行构建，这些被指定的应用需要在编码后预安装在传感器节点上，然后再被部署在指定的物理环境下。这就导致在进行应用的升级和修改时需要回收部分节点，这就会终止一些其他正在节点上处于进行态的应用，因此造成很大的不便。未来操作系统需要为一个已存在的无线传感器网络来部署即时的应用，这会对无线传感器网络的优化和普及产生深远的影响。

移动代理是一种分布式网络系统中的解决方案，作为移动代码方法(如applet)的一种扩展，移动代理在不久的将来可能替代传统的客户机/服务器模型。该领域的众多研究者将移动代码概念扩展成可在主机间迁移的“移动实体”，即代码+数据。移动代理的概念是在此基础上把实体扩展成代码+数据+状态，这样，移动代理可以在一个地方执行以后，将数据，状态及代码迁移到另一台主机继续执行。移动代码和移动实体的迁移必须依赖于外部实体，而移动代理的迁移则可具有一定的自主性，如图1所示。无线传感器网络存在感知数据量大、无线通信带宽低、每个网络节点分配到的能量有限、所在环境不可靠等问题。利用移动代理技术可以将代码“插入”到网络的特定节点上，以定制网络的运作过程，这种定制代码不仅具有强大的表达能力，而且可以灵活地在网络中迁移，完成复杂的网内数据处理操作，实现了计算向数据的集中，大大简化以往复杂的通信规程，降低节点通信开销和数据流量，从而有效地延长网络寿命。

现存研究已经证明了在无线传感器网络中应用移动代理来使用即时应用的有效性。然而，在涉及到移动代理的协作和组迁移的两个问题使得移动代理的现存形式不实际。前者缺乏一个合适的体系使得代理之间能协作和交互；后者是缺乏有效的方式来实现移动代理的组迁移。为了处理这些问题，需要一个体系结构来组织移动代理并且使得多代理的组迁移成为可能。

 

发明内容

技术问题：本发明的目的是在无线传感器网络使用移动代理的基础上，提供了一种多移动代理组迁移策略，用于解决当前在无线传感网上进行多代理迁移困难等问题。本发明可高效的进行移动代理组迁移，进而服务于无线传感器网络。

技术方案：本方案基于无线传感器网络和移动代理技术，首先给出如下定义：

本地集中码段应用程序（locally centralized applications）：部署在无线传感器网络中的指定移动代理进程。本地集中码段应用与传感数据相关，需要对传感数据进行评估，并且根据程序需要进行合作和交互。另一方面，需要具备自身重部署能力。

主组件代理（master agent）：主组件代理管理所有组件的迁移信息和其他组件代理的活动周期。主组件代理根据本地集中码段应用的需求处理其他代理提供的感知数据，同时收集和交换子组件代理的信息。每一个本地集中码段应用有且仅有一个主组件代理。

子组件代理 (slave agent)：子组件代理用于获取传感器数据，并上报给主组件代理。多个子组件代理可以共存于一个本地集中码段应用。每个本地集中码段应用可以包含多个子组件代理。

通信组件代理（communication agent）：通信组件代理用于交换无线传感器网络实体信息，需要通过迁移来收集和交换信息。每个本地集中码段应用可以有一个或更多的通信组件代理。

中间件软件（middleware）：屏蔽物理层和操作系统层，用于运行行动代理机制的软件实体，如图2所示。

方法流程：该方法包括的步骤为：   

        步骤1). 分布在各个传感器节点上的一个主组件代理、通信组件代理和若干个子组件代理共同构成运行在无线传感器网络中的本地集中应用程序；

步骤2). 传感器节点在目标实体周围进行监测，第一个侦测到目标实体信息的节点成为簇头，主组件代理迁移至簇头；

步骤3). 节点根据选取接收信号强度指示RSSI选择目标实体周围的三个节点的位置坐标                                                

,

,

,以及目标实体到这三个节点的信号距离

，

，，根据三边定位公式：

          

，

计算出

时刻的目标实体的位置

，

为坐标系中关于

，

的二维向量，其中

，

为目标实体当前的二维位置向量；  

    步骤4). 定义某一时刻t第k个节点获得传感器的数据信息量为，根据高斯信息量采集公式

计算出

，其中

为在t时间内第K个节点到目标节点的欧几里得距离；π为圆周率常数；σ为正态分布的标准差，描述了正态分布资料数据分布的离散程度；е为自然对数；定义信息量门限阈值为

，令

;

步骤5). 主组件代理生成新的通信组件代理并将

和信息量门限阈值Threshold_UP这两个值传递给通信组件代理，通信组件代理随之进行迁移；

     步骤6). 通信组件代理在某一个时间T _i 到达第K个节点时，再次利用步骤3）中的质心定位算法计算出此时目标实体的位置，利用高斯信息量采集公式计算出

，并且令

；若Threshold_UP超过某个设定的阈值Threshold，则跳转步骤7)，否则令重新执行步骤4)，其中，i=1,2,3,…K, K=1,2,3…K  ;

    步骤7). 通信组件代理存储上述行径的节点信息，将其组成两个特定序列组

和其它相关信息并与主组件代理进行交互，将节点信息的序列组发送至主组件代理；

     步骤8). 主组件代理向下层中间件软件发送完成指令，中间件软件接收指令预先定义好的方法函数回收分布在各个节点上的原通信组件代理和子组件代理；

     步骤9). 主组件代理迁移到目的节点，若迁移失败，向基站发送失败信息终止此次迁移；否则生成新的通信组件代理和子组件代理，本次迁移结束。

有益效果：本发明提出了一种无线传感器网络中的多移动代理组迁移策略，该方案相比于现有的方案具有如下优势：

（1）目前国内还没有针对于适合无线传感器网络的移动代理迁移策略技术的成熟方案，本方案在此领域提供了一种较为先进的，可行的参考；

（2）在无线传感器网络中基于移动代理的计算模式较之传统的客户/服务器模式拥有多种优点：其一可以较大的减轻网络上的原始数据流量；其二对于某种重要的实时系统，可以克服网络隐患；其三移动代理可以异步，自主的进行。其四移动代理具有坚定性和较强的容错能力；

（3）本方案的多个子组件代理分布预先分布在各个节点，可进行前期运算，通信组件代理仅进行存储和比较，迁移序列形成后主组件代理根据序列进行迁移，一方面可以较为有效的减少移动代理在整个网内进行作业的时间，另一方面，也可以减少因为盲目迁移所带来的能耗。

（4）本方案采用中间件软件平台支撑整组移动代理迁移过程，其优势在于屏蔽传感器节点在物理层的异构性，拥有较强的跨平台性；同时提供了针对于移动代理的接口和开发工具集，使得程序拥有较好的可重写性。

（5）本方案的体系结构简单明了，三种不同类型的移动代理分工明确，这为该方案的可行性和健壮性奠定了良好的基础。

附图说明

图1是客户服务器模式和移动代理模式比较图。

图2是支撑迁移策略的中间件软件组件图。

图3是T=0时间迁移步骤流程图。

图4是T=t时间迁移步骤流程图。

图5是酒窖传感器节点示意图。

 

具体实施方式

     以一家酒庄的葡萄酒酒窖为例说明该多移动代理迁移策略的实施方式，假设葡萄酒的酒窖覆盖了保证能够检测到每一瓶葡萄酒状态的无线传感器节点，酒窖节点部署如图5所示，这里定义葡萄酒的四种参数：瓶周边的的温度，木塞规格，光照强度和酒架位置这四个参数。酒庄拥有中央管理系统来统筹节点，中央管理系统具有基站功能。

    当酒窖主需要将某个种类的酒的贮藏温度由15摄氏度提升到16摄氏度时，或者需要加强光照强度时，通过中央管理系统设置加温或加光命令。此类酒周边的第一个检测到温度和光度增加后的传感器节点，询问中央信息系统，得到返回的温度或光度增加后，需要将红酒的更新信息迁移给周边传感器节点，具体迁移步骤如下：

步骤1 在未得到加温或加光指令之前，酒窖中传感器节点上运行各个初始时的移动代理：一个主组件代理Master，通信组件代理comm1和若干个子组件代理slave。三类移动代理构成运行在无线传感器网络中的本地集中应用程序，在此将之命名为APP_ORIG1；

步骤2 第一个检测到酒瓶周边温度上升的节点在接收到中央信息系统反馈的确认信息后，主组件代理迁移到此节点。

步骤3 根据选取接收信号强度指示RSSI选择目标实体周围的三个节点的位置坐标

,

,

以及目标实体到这三个节点的信号距离

，

，

，根据三边定位公式

          

，

计算出时刻的目标实体的位置

，计算此时(设为

)的红酒位置信息

，

    步骤4 根据高斯信息量采集公式计算

，，并且初始化Threshold_UP为

，生成

 ，

步骤4 主组件代理master生成新的通信组件代理comm2，并且记录和Threshold_UP；

步骤5 通信组件代理在第二个时间

到达第K个节点时，同样利用目标定位算法计算出，利用高斯信息量采集公式计算出

，以及

；若Threshold_UP超过某个设定的阈值Threshold，则跳转步骤5，否则记录第三个时间

，以此类推，此时所有节点构成的本地集中应用程序命名为APP_ORIG1#；

    步骤6 主组件代理与通信组件代理交互信息，将节点信息序列

交付给主组件代理。

    步骤7 主组件代理master后告知中间件软件回收以前分布在各个节点上的通信组件代理comm1和子组件代理slave。

    步骤8 主组件代理迁移到序列尾部，若迁移失败，向基站发送失败信息，否则生成新的通信组件代理comm2和子组件代理slave，此时构成新的本地集中应用程序APP_NEW1，然后跳转步骤1，继续进行监测。

当酒窖需要加入新酒，取出已经储存的旧酒，或者酒安放的位置发生改变时，传感器节点同样需要进行信息更新，以酒变换位置为例，中央信息系统将木塞规格标识发送至主组件代理所在的传感器节点，主组件代理与通信组件代理交互将木塞规格标识发送给通信组件代理，通信组件代理迁移到有移动葡萄酒木塞规格标识的子组件代理的节点上，与子组件代理交互获得此葡萄酒的所有信息，随后通信组件代理将通过一系列迁移步骤产生一组序列将信息发送至新的子组件代理：

步骤1 分布在各个传感器节点上的一个主组件代理master，通信组件代理comm1和若干个子组件代理slave，三类移动代理构成运行在无线传感器网络中的本地集中应用程序，在此将之命名为APP_ORIG2；

步骤2 主组件代理master设置一个用于确认木塞规格的标识mark，将其给予新生成的通信组件代理comm2； 

步骤3 通信组件代理comm2移动到第一个mark标识配对的节点时，根据前述方法计算并存储

时刻的目标实体位置

，

和

，

，并且初始化Threshold_UP为

，生成

；

步骤4 通信组件代理comm2在第二个时间t1到达第K个节点时，同样利用目标定位算法计算出

，

，

，

，访问此时的传感器节点，用mark标识配对节点的子组件代理有自己携带的木塞规格标识，若匹配成功，则令

，

，跳转步骤5，否则继续执行步骤4；

步骤5 若Threshold_UP超过某个设定的阈值Threshold，则跳转步骤6，记录第三个时间

，以此类推，此时所有节点构成的本地集中应用程序命名为APP_ORIG2#；

步骤6 主组件代理master与通信组件代理comm2交互信息，将节点信息序列

交付给主组件代理。

    步骤7 主组件代理master后告知中间件软件回收以前分布在各个节点上的通信组件代理comm1和子组件代理slave。

    步骤8 主组件代理迁移到序列尾部，若迁移失败，向基站发送失败信息，否则使用新的通信组件代理comm2，并生成新的子组件代理slave，此时构成新的本地集中应用程序APP_NEW2，然后跳转步骤1，继续进行监测。

Claims (1)

1.一种基于无线传感器网络的多移动代理组迁移方法，其特征在于该方法包括的步骤为： 

    步骤1). 分布在各个传感器节点上的一个主组件代理、通信组件代理和若干个子组件代理共同构成运行在无线传感器网络中的本地集中应用程序；

步骤2). 传感器节点在目标实体周围进行监测，第一个侦测到目标实体信息的节点成为簇头，主组件代理迁移至簇头；

步骤3). 节点根据选取接收信号强度指示RSSI选择目标实体周围的三个节点的位置坐标                                                

,

,

,以及目标实体到这三个节点的信号距离，

，

，根据三边定位公式：

         

，

计算出

时刻的目标实体的位置

，

为坐标系中关于，

的二维向量，其中

，

为目标实体当前的二维位置向量；  

    步骤4). 定义某一时刻t第k个节点获得传感器的数据信息量为

，根据高斯信息量采集公式

计算出

，其中为在t时间内第K个节点到目标节点的欧几里得距离；π为圆周率常数；σ为正态分布的标准差，描述了正态分布资料数据分布的离散程度；е为自然对数；定义信息量门限阈值为

，令

;

步骤5). 主组件代理生成新的通信组件代理并将

和信息量门限阈值Threshold_UP这两个值传递给通信组件代理，通信组件代理随之进行迁移；

    步骤6). 通信组件代理在某一个时间T _i 到达第K个节点时，再次利用步骤3）中的质心定位算法计算出此时目标实体的位置，利用高斯信息量采集公式计算出

，并且令

；若Threshold_UP超过某个设定的阈值Threshold，则跳转步骤7)，否则令

重新执行步骤4)，其中，i=1,2,3,…K, K=1,2,3…K  ;

    步骤7). 通信组件代理存储上述行径的节点信息，将其组成两个特定序列组

和其它相关信息并与主组件代理进行交互，将节点信息的序列组发送至主组件代理；

     步骤8). 主组件代理向下层中间件软件发送完成指令，中间件软件接收指令预先定义好的方法函数回收分布在各个节点上的原通信组件代理和子组件代理；

     步骤9). 主组件代理迁移到目的节点，若迁移失败，向基站发送失败信息终止此次迁移；否则生成新的通信组件代理和子组件代理，本次迁移结束。

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