CN103228024A - 雾霾气候环境监测网络基于能耗均衡的数据路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种雾霾气候环境监测网络基于能耗均衡的数据路由方法，该方法通过构建涉及距离和能耗参数的指标函数来将不同的网络节点动态地划分为不同的指标域，该方法根据待选下一跳节点是否归属于较低指标域且待选下一跳节点的指标函数值是否最大且距离目标节点更近判断是否为下一跳节点；当待选下一跳节点归属于较低指标域且待选下一跳节点的指标函数值最大且距离目标节点更近时，该待选下一跳节点作为下一跳节点进行数据转发。通过构建指标域来动态的划分网络中的传感器节点，在转发数据的时候通过计算相应节点的指标值来相对平均的分配转发任务，降低单一节点能耗过快的风险，达到全网络节点能耗均衡的目的，该方法使构建网络节点的部署灵活多变，能够很好的满足雾霾气候环境的监测的要求。

Description

雾霾气候环境监测网络基于能耗均衡的数据路由方法

技术领域

本发明属于环境监测技术领域，具体涉及一种雾霾气候环境监测网络基于能耗均衡的数据路由方法。

技术背景

近年来，中国城市雾霾天气的出现频率已经越来越高。据监测2004年中国广州全年雾霾天气为144天，中国深圳全年雾霾天气为175天，到了2007年，广州全年的雾霾天气天数为153天，而深圳则达到了惊人的231天，特别是在2012年底在全国范围内爆发了持续多月的雾霾天气，其中首都北京的空气质量更是降到了近年来的最低值，人民群众的日常生活受到了极大的影响。从这些数据能够清晰的反映出近些年来雾霾天气越来越严重的变化趋势。

雾霾天气的成因和治理越来越受到人们的关注。在雾霾天气日渐加重的今天，我们国家的气候监测手段仍然非常有限，监测PM2.5的设备依然放置在天气天文监测台里，监测数据需要定期人为收集，导致监测数据实时性差。另一方面，气象监测台往往建在城市开阔处或高山上，可以相对正确的预测出城市的天气变化情况，但是对于在城市内各地区分布并不均匀的PM2.5的浓度监测往往是比较模糊和笼统的，检测出来的数值往往只能反映大体情况，政府相关部门无法细致的了解每个城区PM2.5的值，从而更好地定位污染源并有重点的治理。

近年来发展迅速的无线传感器组网技术的灵活部署和实时传输特性恰好可以满足细致的采集每个城区PM2.5值的要求。本发明正因此而来。

发明内容

本发明提供了一种雾霾气候环境监测网络基于能耗均衡的数据路由方法，解决了目前无线传感器网络节点可靠和有效性时常得不到保证、数据不能有效转发等问题。

为了解决现有技术中的问题，本发明提供的技术方案是：

一种雾霾气候环境监测网络基于能耗均衡的数据路由方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

（1）采用洪泛法构建雾霾气候环境监测网络的网络拓扑，根据构建的网络拓扑每个节点的指标函数f(x)，其中f(x)=(α*H+β*P)/N，α为跳数参数，β为能量参数，其中α+β=1，N为全网络的节点数，P为每个节点的初始化能量量化值，其中P=N，H为每个网络节点距离唯一的信息汇集节点sink节点的跳数；

（2）计算网络中每个节点指标函数f(x)，根据每个节点指标函数的计算值确定节点在雾霾气候环境监测网络区域的指标等级m和指标域；其中m由f(x)的统计值来确定，目的sink节点的指标等级为0级，距离目标sink节点越远，等级m越高；初始确定等级时根据f(x)的统计分布来自行确定等级数k以及确定每个节点归属于相应的指标域（m∈[1,k]）；

（3）根据指标等级m动态调整节点的跳数参数α和能量参数β；其中α值与等级参数m成正比，β值与等级参数m成反比；

（4）汇总当前节点选出的待选下一跳的指标函数值f(x)，选出指标函数值最大的节点作为下一跳节点，并且保证转发之后数据离目的节点更近；如此循环直至数据转发结束。

优选的，所述方法步骤（4）中计算待选下一跳节点的指标函数值时能量量化值P采用预测值p′_n,其中p′_n＞=p_n，p_n为现实节点中的能量量化真实值。

优选的，所述方法步骤（4）中现实节点中的能量量化真实值p_n设置有70%，30%，10%三个临界值，当节点的能量量化值低于三个边界值任意一个时，节点会向指标等级较高的相邻域内的节点广播本节点的能量信息p_n，并更新这个域内所有节点对于当前节点的能量预测值p′_n。

优选的，所述方法步骤（4）中当节点能量值低于30%临界值时，节点自动进入相邻指标等级较低的指标域内，重新计算当前节点f(x)的值，计算时采用最新进入的指标域所对应的α和β的值，同时将这个指标更新状态告知相邻域内的所有节点。

优选的，所述方法步骤（4）中当节点能量值低于10%的时候，进入能量预警状态，节点暂时性休眠，同时将状态广播告知邻居指标域内的所有节点。

优选的，所述方法步骤（4）中当下一跳节点选定后，当前节点不能直接发送数据给下一跳节点，则在同一个指标域内寻找中间节点，接力发送信息，并同时在数据帧中间加入距离标志位进行距离监测。

本发明技术方案考虑到无线传感器网络节点的自身特性是体积小，计算能力和存储空间有限，只能靠小容量的电池供电，而且由于时常放置在未知环境中，节点的可靠和有效性时常得不到保证。这种自身条件的限制很大程度上负面地影响了无线传感器网络的应用环境和范围，如果用于监测PM2.5的无线网络传感器节点的能量过快耗尽导致无法实时监测的话，其实施意义就大大降低。因此在保证雾霾气候环境监测网络有效工作的前提下，高效的存储、转发数据，并尽量延长网络生存时间是技术突破的关键问题，即雾霾气候环境监测网络中最大化网络生存时间的数据路由方法的设计问题是技术的关键。

本发明技术方案在雾霾天气监测网络节点的部署问题上，可以采用如下方法：将网络节点放置在建筑物楼顶，在选择放置楼栋的时候，选择方圆百米内较高的建筑物，用以保证雾霾监测网络节点在传输的时候能够视距传输.并且现在已经存在商用的PM2.5检测器，可以动态的跟随监测网络节点进行部署，因此，部署雾霾天气监测网络是有效可行的。

目前在国内外的关于雾霾天气无线传感器监测网络的研究基本处于空白状态，通过在不同城区各个地点放置PM2.5监测传感器采集实时信息，并通过构建雾霾天气监测网络来实时的交互信息以便获取第一手且准确细致的天气情况。

本发明用于雾霾气候环境监测网络的基于能耗均衡的无线传感器数据路由方法，弥补了之前用于雾霾气候环境监测网络路由算法的空白。本发明的算法借鉴了物理学中原子理论中电子分布能级的概念以及一致性哈希方法的思想，将当前节点和目标节点的距离以及节点剩余能量量化为参数值，通过哈希运算之后，将得出的指标划分为若干个指标等级，目的节点的指标等级设置为最低级（类比于原子的最内层质子），其余每个等级包含一部分网络节点构成指标域（类比于原子的每一层电子）。算法规定转发数据的时候，当前节点选择相邻较高指标域内的节点进行转发数据，参照这种路由方法，数据包就可以按照指标等级由高到低来一级一级的逼近目标节点。如果某一指标域内的某些节点能耗过快并超过算法规定阈值，这些节点会自动进入相邻高指标等级以保证节点能耗均衡。这种算法使得雾霾气候监测网络具有灵活的拓扑结构，可以较为有效的延长网络的生命期。

基于能耗均衡的雾霾气候环境监测网络的路由实现步骤如下：

1.网络初始化，在整个网络中利用洪泛法Flooding建立网络初始拓扑.网络拓扑建立完成之后，全网所有节点都已掌握整个网络拓扑。

2.（1）根据建立好的网络拓扑可以获取全网络的节点数N,通过N计算出每个节点的初始化能量量化值P，其中P＝N。以及每个网络节点离目标sink节点的跳数H。（这里默认一块无线传感器区域只包含一个目标sink节点，可以理解为信息汇集点）。

（2）引入跳数参数α和能量参数β，其中α+β＝1，构造指标函数f(x)＝(α*H+β*P)/N，初始化的时候α＝β＝0.5.计算出每一个网络节点的f(x)值。

3.确定雾霾监测网络区域固定的指标等级m，其中m由f(x)的统计值来确定，目的sink节点的指标等级为0级，距离目标sink节点越远，等级m越高.初始确定等级时可以根据f(x)的统计分布来自行确定等级数k以及确定每个节点归属于相应的指标域，（m∈[1，k]）。

4.根据确定完成的指标等级来对应调整每一个等级的α值和β值，其中α值与等级参数m成正比，β值与等级参数m成反比.按照这种规定计算f(x)值的时候，离目标节点较远的节点的f(x)受距离参数的影响较大，而离目标节点较近的节点的f(x)受能量参数的影响较大，如此就能达到距离和能量参数占f(x)计算时比重的动态平衡。

5.数据路由过程：

（1）网络中任意一个节点需要将数据发送给sink节点的时候，首先计算出自身的f(x)值，确定该节点属于网络中哪一个指标域。

（2）网络中某一节点计算下一跳指标域内各个可能节点的f(x)值的时候，能量量化值采用预测值p′_n,而现实节点中的能量量化真实值为p_n,两者的关系为p′_n＞＝p_n

其中p_n拥有三个边界值，分别位于70%，30%，10%处.每当节点的能量量化值低于这三个边界值时，都会向指标等级较高的相邻域内的节点广播本节点的能量信息p_n，更新这个域内所有节点对于当前节点的能量预测值p′_n。节点实际能量值p_n和预测能量值p′_n会随着时间和承担的转发任务而成比例递减。

（3）当节点能量值低于30%的时候，会自动进入相邻指标等级较低的指标域内，重新计算当前节点f(x)的值，计算时采用最新进入的指标域所对应的α和β的值。同时将这个指标更新状态告知相邻域内的所有节点，当节点能量值低于10%的时候，进入能量预警状态，节点暂时性休眠以节省能量，同时将状态广播告知邻居指标域内的所有节点。

（4）在寻找下一跳节点的时候，利用自身掌握的网络拓扑图从指标等级较低的域内寻找下一跳节点，在下一跳域内找到f(x)值最大的节点作为下一跳节点.如果当前节点不能直接发送数据给下一跳节点，可以在同一个指标域内寻找中间节点，接力发送信息.同时在数据帧中间加入距离标志位，确保每一跳路由都距离目标节点更近，防止出现循环路由的情况。

6.算法结束。

相对于现有技术中的方案，本发明的优点是：

本发明是一种适用于雾霾气候环境的无线传感器网络数据路由算法，相比现有的技术，这种算法通过构建指标域来动态的划分网络中的传感器节点，在转发数据的时候通过计算相应节点的指标值来相对平均的分配转发任务，降低单一节点能耗过快的风险，达到全网络节点能耗均衡的目的。在网络初始化的时候采用洪泛法建立全网络拓扑，避免了基于遗传变异的路由算法有可能造成的网络风暴的设计缺陷。在实现网络节点能耗均衡目的的时候没有像分簇算法那样需要选出簇节点来大量承担转发任务而导致节点能耗过快并失效；也没有如同DEER算法那样以大计算量为代价来找出最优跳数和下一跳节点.算法通过少量有效的指标计算就可以得出可行的路由路径，方案实现简明易懂，网络节点的部署灵活多变，能够很好的满足雾霾气候环境的监测的要求。

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为雾霾环境监测网络广域分布图；

图2为雾霾气候环境监测网络的初始态网络拓扑图；

图3为雾霾气候环境监测网络的工作态网络拓扑图；

图4为本发明技术方案雾霾气候环境监测网络基于能耗均衡的数据路由方法流程图。

图5为本发明技术方案雾霾气候环境监测网络基于能耗均衡的数据路由方法的数据帧格式。

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

实施例

如图1所示，为雾霾气候环境监测网络的广域分布图示例，该无线传感器网络可以应用于雾霾天气监测。其中该示例假设设置有4个雾霾气候环境监测网络（无线传感器网络），每个雾霾气候环境监测网络设置有若干个节点和1个sink节点（代理AP）。进行指标等级划分后，这些节点具有不同等级，目的节点的指标等级设置为最低级，其余每个等级包含一部分网络节点构成指标域。每块监测区域的代理AP将收集好的雾霾天气信息通过有线线路发送给终端服务器，由服务器来处理并发布消息。

本实施例中当采用洪泛法构建雾霾气候环境监测网络的网络拓扑时，其构建的雾霾气候环境监测网络的网络拓扑初始态如图2所示，在某一块监测区域里，不同曲线围成的区域指示当前位置雾霾天气PM2.5的浓度，最内层由虚曲线包围的区域的雾霾浓度最高，由实曲线和虚曲线围成的区域的浓度次之，最外层雾霾浓度最低。不同的雾霾气候网络监测节点根据计算出来的自身的f(x)的值被划分为不同等级的节点。节点颜色的表示上，其中黑色代表节点位于指标等级较高的小区域，带斜纹的节点所位于的区域指标等级次之，白色节点位于指标等级相对最低的区域。

进行数据路由传输时，雾霾气候环境监测网络的网络拓扑可能发生变化，如图3所示为网络节点经过一段时间工作过后的工作态的雾霾气候环境监测网络的网络拓扑。从图3中可以看到有的节点因为能耗较快而进入了指标较低的区域（从斜纹变为白色，或者从黑色变为斜纹）。另外有些缺少无线信号发射标识的节点指示节点能耗已经低于预警值，暂时性休眠以减少能耗，暂时不参与数据路由活动。

进行数据路由时，可以按照如下步骤进行：

（1）采用洪泛法构建雾霾气候环境监测网络的网络拓扑，根据构建的网络拓扑每个节点的指标函数f(x)，其中f(x)=(α*H+β*P)/N，α为跳数参数，β为能量参数，其中α+β=1，N为全网络的节点数，P为每个节点的初始化能量量化值，其中P=N，H为每个网络节点距离唯一的信息汇集节点sink节点的跳数；

（2）计算网络中每个节点指标函数f(x)，根据每个节点指标函数的计算值确定节点在雾霾气候环境监测网络区域的指标等级m和指标域；其中m由f(x)的统计值来确定，目的sink节点的指标等级为0级，距离目标sink节点越远，等级m越高；初始确定等级时根据f(x)的统计分布来自行确定等级数k以及确定每个节点归属于相应的指标域（m∈[1,k]）；

（3）根据指标等级m动态调整节点的跳数参数α和能量参数β；其中α值与等级参数m成正比，β值与等级参数m成反比；

（4）汇总当前节点选出的待选下一跳的指标函数值f(x)，选出指标函数值最大的节点作为下一跳节点，并且保证转发之后数据离目的节点更近。如此循环直至数据转发结束。

如图4所示，传输的数据帧的格式被定义为三部分，帧的头部控制信息（Frame Header）包含了区域网络号，目的地址，下一跳地址和当前与目的地址的距离这几项信息.以及帧的数据部分（Data-Part），还有用于检错的校验和信息字段（Checksum）。

以下就基于能耗均衡的雾霾气候环境监测网络的实现进行具体说明，具体步骤如下：

1.网络初始化，在整个雾霾监测网络中利用洪泛法建立网络初始拓扑.网络拓扑建立完成之后，全网所有节点都已掌握整个网络拓扑。

2.（1）根据建立好的网络拓扑可以获取全网络的节点数N，实例中网络节点数N＝10，通过N计算出每个节点的初始化能量量化值P，其中P＝N＝10.以及每个网络节点离目标sink节点的跳数H.H₁＝1;H₂＝1;H₃＝1;H₄＝2;H₅＝2;H₆＝3;H₇＝3;H₈＝4;H₉＝4;H₁₀＝4;（这里默认一块无线传感器区域只包含一个目标sink节点，可以理解为信息汇集点）。

（2）引入跳数参数α和能量参数β，其中α+β＝1，构造指标函数f(x)＝(α*H+β*P)/N，初始化的时候α＝0.6，β＝0.4.计算出每一个网络节点的f(x)值.

f(x₁)＝0.46;f(x₂)＝0.46;f(x₃)＝0.46;f(x₄)＝O.52;f(x₅)＝0.52;f(x₆)＝0.58;f(x₇)＝0.58;f(x₈)＝0.64;f(x₉)＝0.64;f(x₁₀)＝0.64;

3.初始确定等级时根据f(x)的统计分布来自行确定等级数k。实例中k＝3。确定无线传感网络区域固定的指标等级m，m₁＝0.48;m₂＝0.55;m₃＝0.62，目的sink节点的指标等级为0级，距离目标sink节点越远，等级m越高（m∈[l，k]）。

4.根据确定完成的指标等级来对应调整每一个等级的α值和β值，其中α值与等级参数m成正比，β值与等级参数m成反比.α₁＝0.5，β₁＝0.5；α₂＝0.6，β₂＝0.4；α₃＝0.7，β₃＝0.3。

5.转发数据：

（1）网络中任意一个节点需要将数据发送给sink节点的时候，首先计算出自身的f(x)值，确定该节点属于网络中哪一个指标域.在实例中节点x₁～x₃∈m₁；x₄～x₇∈m₂；x₈～x₁₀∈m₃。

（2）网络中某一节点计算下一跳指标域内各个可能节点的f(x)值的时候，能量量化值采用预测值p′_n，而现实节点中的能量量化真实值为p_n,两者的关系为p′_n＞=p_n。初始化的时候，{p′₁...p′₁₀}＝10。

p′_n。的估测方法步骤如下，在初始化的时候，p′_n'的值等于节点的能量初值，在进入工作态的时候，p′_n的值随着时间成比例递减，且影响因子只有时间，不受转发任务多少的影响，因为是预测值，无须收集到相应节点的任务承担量。

其中p_n拥有三个边界值，分别位于70%，30%，10%处.每当节点的能量量化值低于这三个边界值时，都会向指标等级较高的相邻域内的节点广播本节点的能量信息p_n，更新这个域内所有节点对于当前节点的能量预测值p′_n.节点实际能量值p_n和预测能量值p′_n会随着时间和承担的转发任务而成比例递减。

（3）当节点能量值低于30%的时候，会自动进入相邻指标等级较低的指标域内，例如工作一段时间后，x₄和x₉的节点能量值都为2，x₄进入m₁指标域，x₉进入m₂指标域，重新计算当前节点f(x)的值，计算时采用最新进入的指标域所对应的α和β的值。x₄采用α₁和β₁进行计算，x₉采用α₂和β₂进行计算，同时将这个指标更新状态告知相邻域内的所有节点，当节点能量值低于10%的时候，进入能量预警状态，节点暂时性休眠以节省能量，同时将状态广播告知邻居指标域内的所有节点.

（4）寻找下一跳节点，假设某时刻节点x₈需要发送数据给sinknode节点，节点x₈首先计算出自身的f(x₈)=0.64,x₈归属于m3指标级，需要寻找m₂指标等级内的节点进行转发。查找路由表之后发现m₂指标等级内的节点x₅，x₇可达，而x₈中存储的p′₅＝8，p′₇＝7，计算得出f(x₅)＝0.44，f(x₇)＝0.46。f(x₅)＜f(x₇),选取x₇作为下一跳。数据转发到x₇后寻找位于m₁指标等级的节点进行转发，发现x₂，x₃可达，而x₇中存储的p′₂＝5，p′₃＝7，计算得出f(x₂)＝0.3，f(x₃)＝0.4.f(x₂)＜f(x₃)，选取x₃作为下一跳，而x₃可直达sinknode，这样数据包就沿着x₈-x₇-x₃-sinknode的路径转发成功.

6.算法结束。

上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种雾霾气候环境监测网络基于能耗均衡的数据路由方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

（1）采用洪泛法构建雾霾气候环境监测网络的网络拓扑，根据构建的网络拓扑确定每个节点的指标函数f(x)，其中f(x)=(α*H+β*P)/N，α为跳数参数，β为能量参数，其中α+β=1，N为全网络的节点数，P为每个节点的初始化能量量化值，其中P=N，H为每个网络节点距离唯一的信息汇集节点sink节点的跳数；

（2）计算网络中每个节点指标函数f(x)，根据每个节点指标函数的计算值确定节点在雾霾气候环境监测网络区域的指标等级m和指标域；其中m由f(x)的统计值来确定，目的sink节点的指标等级为0级，距离目标sink节点越远，等级m越高；初始确定等级时根据f(x)的统计分布来自行确定等级数k以及确定每个节点归属于相应的指标域（m∈[1,k]）；

（3）根据指标等级m动态调整节点的跳数参数α和能量参数β；其中α值与等级参数m成正比，β值与等级参数m成反比；

（4）汇总当前节点选出的待选下一跳的指标函数值f(x)，选出指标函数值最大的节点作为下一跳节点，并且保证转发之后数据离目的节点更近；如此循环直至数据转发结束。

2.根据权利要求1所述的数据路由方法，其特征在于所述方法步骤（4）中计算待选下一跳节点的指标函数值时能量量化值P采用预测值

其中

p_n汀为现实节点中的能量量化真实值。

3.根据权利要求2所述的数据路由方法，其特征在于所述方法步骤（4）中现实节点中的能量量化真实值p_n设置有70%，30%，10%三个临界值，当节点的能量量化值低于三个边界值任意一个时，节点会向指标等级较高的相邻域内的节点广播本节点的能量信息p_n，并更新这个域内所有节点对于当前节点的能量预测值

4.根据权利要求3所述的数据路由方法，其特征在于所述方法步骤（4）中当节点能量值低于30%临界值时，节点自动进入相邻指标等级较低的指标域内，重新计算当前节点f(x)的值，计算时采用最新进入的指标域所对应的α和β的值，同时将这个指标更新状态告知相邻域内的所有节点。

5.根据权利要求3所述的数据路由方法，其特征在于所述方法步骤（4）中当节点能量值低于10%的时候，进入能量预警状态，节点暂时性休眠，同时将状态广播告知邻居指标域内的所有节点。

6.根据权利要求3所述的数据路由方法，其特征在于所述方法步骤（4）中当下一跳节点选定后，当前节点不能直接发送数据给下一跳节点，则在同一个指标域内寻找中间节点，接力发送信息，并同时在数据帧中间加入距离标志位进行距离监测。

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