CN103260228A - 应用高能设备辅助无线传感器网络节能方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种应用高能设备辅助无线传感器网络节能方法，包括步骤：向无线传感器网络中引入高能设备，高能设备依据路由关系将覆盖范围内的传感器节点划分为源节点和转发节点两种类型，源节点随时向高能设备发送数据，高能设备选择某一个转发节点处于工作时间用来承担数据转发工作，其它转发节点可以进入休眠时间。本发明的高能设备辅助无线传感器网络节能方法具有灵活性好、绿色节能的优点。

Description

应用高能设备辅助无线传感器网络节能方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种应用高能设备辅助无线传感器网络节能方法。

背景技术

无线传感器网络是目前的研究热点，它是由分布在特定区域内的众多传感器节点组成，这些传感器节点能够感知周围环境或监听特定事件，并且具备无线通信能力。节点收集到信息后，采用单跳或多跳的方式将数据发送到数据汇聚点，数据汇聚点可以存储数据供本地使用或上传到其它网络（如互联网）之中。自上世纪末被提出之后，无线传感器网络得到了迅速的发展，基于传感器网络的应用广泛分布在军事、交通、环境监测等领域，极大地影响了人们的生活、工作方式。

传感器网络在不断地扩大影响的同时，也面临着很多实际问题，传感器节点能量极其受限就是其中最为严峻的挑战之一。这种挑战主要由以下几个因素造成：一是绝大多数情况下传感器节点依靠电池供电，本身能量就不丰富；二是传感器一般部署在人类难以到达的地域，更换电池十分困难；三是传感器网络中节点数量众多，更换电池需要耗费大量的人力。

近几年，传感器网络面临的能量受限的挑战正在由于其应用场景的变化而发生改变。基于传感器网络的应用正逐步从军事、科研等专门领域进入到人们的日常生活之中，传感器网络在医疗健康、智能家居、动作识别等方面的应用开始成为新的研究热点，传感器节点的部署也越来越靠近人们的生活和工作场所。因此传感器节点的节能问题就愈发显得重要。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一或至少提供一种有用的商业选择。为此，本发明的目的在于提出一种应用高能设备辅助无线传感器网络节能方法，该方法具有灵活性好、绿色节能的优点。

根据本发明的应用高能设备辅助无线传感器网络节能方法，包括以下步骤：A1：定义所述无线传感器网络中的每一个传感器节点为普通节点并初始化，引入所述高能设备并初始化；A2：确定所述高能设备覆盖区域内的传感器节点，所述覆盖范围内的所述高能设备与多个传感器节点互为邻居高能设备或邻居传感器节点；A3：所述高能设备判断覆盖范围内的传感器节点的节点类型，计算所述高能设备与所述覆盖范围内的传感器节点的邻居差异度diff_d,s，并且封装成休眠信息分组发送至各个所述覆盖范围内的传感器节点，其中，所述节点类型包括转发节点和源节点；A4：各个所述覆盖范围内的传感器节点获取各自的所述休眠信息分组，如果自身为转发节点，则执行步骤A5-A7，如果自身为源节点则执行步骤A8；A5：多个所述转发节点协调地轮流地间歇工作，每个转发节点根据所述节点类型和邻居差异度diff_d,s计算工作时间

和休眠时间

，并封装成休眠通知分组，发送至所述转发节点覆盖范围内的传感器节点，其中所述工作时间

包括第一工作时间

、第二工作时间t_slot以及第三工作时间t_tail；A6：当所述高能设备覆盖范围外的普通节点接收到所述休眠通知分组时，如果所述转发节点为所述普通节点的下一跳，则所述普通节点的节点类型变为受影响节点；A7：所述转发节点在第一工作时间

时，所述受影响节点将数据发送至所述转发节点，所述转发节点在第二工作时间t_slot时，所述高能设备将所述数据发送至所述转发节点，然后被选中的所述转发节点将所述数据向数据汇聚点方向传递；A8：多个所述源节点持续工作，每个源节点实时地将数据发送至所述高能设备，然后所述高能设备将数据发送给当前处于第二工作时间t_slot的所述转发节点，然后被选中的转发节点将所述数据向数据汇聚点方向传递。

优选的，所述步骤A1具体包括：A11：所述传感器节点设置第一设定阈值N₀、第三设定阈值N₂、初值为零的到达分组数量SNum_s,d和邻居差异度diff_d,s；A12：所述高能设备设置到达分组广播周期T、第二设定阈值N₁和初值为零的高能设备设置参数DNum_d。

优选的，步骤A2进一步包括：A21：所述高能设备将高能设备标识Addr_d封装成到达分组，并以所述到达分组广播周期T将所述到达分组向周围发送；A22：当传感器节点每收到一次所述到达分组时，所述到达分组数量SNum_s,d自增1，当所述到达分组数量SNum_s,d大于所述第一设定阈值N₀时，则执行步骤A23；A23：所述传感器节点将传感器节点标识Addr_s、下一跳传感器节点标识NextHopAddr_s和传感器节点标识邻居表Neib_s封装成邻居信息分组，并发送至所述高能设备，所述高能设备确定覆盖区域内的传感器节点；A24：所述高能设备根据所述邻居信息分组构建邻居信息表NeibTab_d，所述邻居信息表NeibTab_d包括所述高能设备覆盖范围内的传感器节点标识Neib_d，所述高能设备覆盖范围内的传感器节点的下一跳传感器节点标识NeibNextHop_d，以及所述高能设备覆盖范围内的每个传感器节点覆盖范围内的传感器节点标识NeibNeib_d；A25：所述高能设备在第一次收到所述邻居信息分组后，每发送一次所述到达分组，所述高能设备设置参数DNum_d自增1，当所述高能设备设置参数DNum_d大于所述第二设定阈值N₁时，则执行步骤A3。

优选的，所述邻居表Neib_s中第i个元素Neib_i的邻居差异度diff_d,i的计算公式为：

${\mathrm{diff}}_{d,i}=1-\frac{{\mathrm{SimNum}}_{d,i}}{H_i}$

SimNum_d,i为所述Neib_d和Neib_i中相同元素的个数，H_i为Neib_i中元素的个数。

优选的，所述工作时间

和休眠时间的计算公式为：

T_period=N_f×t_slot

$T_{\mathrm{wakeup}}^s=t_{\mathrm{aff}}^s+t_{\mathrm{slot}}+t_{\mathrm{tail}}$

$t_{\mathrm{aff}}^s=\frac{{\mathrm{diff}}_{d,s}\×T_{\mathrm{period}}}{N_s}$

$T_{\mathrm{sleep}}^s=T_{\mathrm{period}}=-T_{\mathrm{wakeup}}^s$

其中T_period为工作/休眠周期，N_f为所述转发节点的数目，N_s为所述源节点的数目。

优选的，步骤A5还包括：所述转发节点根据所述邻居差异度diff_d,s计算所述转发节点在全部N_f个转发节点中的转发次序rank_s。

优选的，步骤A7还包括：当所述转发节点处于所述休眠时间时，所述受影响节点缓存所述数据，等待到当所述转发节点处于下一周期的第一工作时间

时，所述受影响节点再将所述数据发送至所述转发节点。

优选的，步骤A8还包括：所述高能设备按所述转发节点的转发次序rank_s将所述数据发送至处于第二工作时间t_slot的所述转发节点。

优选的，如果所述源节点和所述转发节点在N₂×T时间内没有收到所述高能设备的到达分组，则证明所述高能设备已经离开。

优选的，所述高能设备为具有恒定电源的传感器、笔记本电脑、平板电脑或者手机。

优选的，步骤A7还包括：所述高能设备还可以使得每一时刻至少一个所述转发节点处于所述第二工作时间t_slot用来承担数据转发工作，其它的转发节点可以进入所述休眠时间。

根据本发明的高能设备辅助无线传感器网络节能方法具有灵活性好、绿色节能的优点。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明实施例的高能设备出现之前的无线传感器网络拓扑图；

图2是本发明实施例的高能设备辅助无线传感器网络节能方法的示意图；

图3是本发明实施例的应用高能设备辅助无线传感器网络节能方法的流程图；

图4是本发明实施例的转发节点休眠周期示意图；

图5是本发明实施例的转发节点工作/休眠规律的示意图；

图6是本发明实施例的高能设备选择处于第二工作时间的转发节点的示意图；

图7是本发明实施例的转发节点休眠时间占总时间比例的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

如图1所示，为高能设备出现之前的无线传感器网络拓扑图。在图1中，左下角的小方块表示传感器网络中的数据汇聚点（sink），所有的数据都最终发送到数据汇聚点。小圆圈表示的是编号从0到13的传感器节点，每一个传感器节点都会产生数据，也能转发其它传感器节点的数据。其中箭头表示数据的发送方向，例如传感器节点12将获得的数据发送给自己的下一跳，即传感器节点4，传感器节点4将自己产生的数据和接收的来自传感器节点12的数据发送给传感器节点2，以此类推。

如图2所示，为高能设备辅助无线传感器网络节能方法的示意图，并结合如图3所示的应用高能设备辅助无线传感器网络节能方法的流程图，包括以下步骤：

A1：定义无线传感器网络中的每一个传感器节点为普通节点并初始化，引入高能设备并初始化。

在本发明实施例中，为高能设备增加与传感器节点相同的无线通信模块，使高能设备和传感器节点之间能够直接通信。其中高能设备为具有恒定电源的传感器、笔记本电脑、平板电脑或者手机等。同时，传感器网络中的每一个传感器节点（用s表示，s=1,2,3,…,G，G表示传感器网络中的传感器节点总数）都要将自己的节点类型设置为普通节点，即Type_s=normal。

步骤A1进一步包括：

A11：传感器节点设置第一设定阈值N₀、第三设定阈值N₂、初值为零的到达分组数量SNum_s,d和邻居差异度diff_d,s。

A12：高能设备设置到达分组广播周期T、第二设定阈值N₁和初值为零的高能设备设置参数DNum_d。

A2：确定高能设备覆盖区域内的传感器节点，覆盖范围内的高能设备与多个传感器节点互为邻居高能设备或邻居传感器节点。

步骤A2进一步包括：

A21：高能设备将高能设备标识Addr_d封装成到达分组，并以到达分组广播周期T将到达分组向周围发送。

结合图2所示，假设用菱形表示的高能设备一直停留在如图2所示的网络区域中，此高能设备以到达分组广播周期T向周围发送到达分组，位于其覆盖范围内（即大圆范围内）的传感器节点3至12记录收到的来自高能设备的到达分组数量。

A22：当传感器节点每收到一次到达分组时，到达分组数量SNum_s,d自增1，当到达分组数量SNum_s,d大于第一设定阈值N₀时，则执行步骤A23。

其中设置第一设定阈值N₀的目的在于确保每一个传感器节点都接收若干次到达分组，这意味着高能设备已经稳定加入到网络中。只有当传感器节点收到的到达分组数量超过阈值N₀时，传感器节点才会选择该高能设备经加入到传感器网络中。

A23：传感器节点将传感器节点标识Addr_s、下一跳传感器节点标识NextHopAddr_s和传感器节点标识邻居表Neib_s封装成邻居信息分组，并发送至高能设备，高能设备确定覆盖区域内的传感器节点。

当该数量超过第一设定阈值N₀后，传感器节点3至12向高能设备发送邻居信息分组，其中包含传感器节点标识Addr_s、下一跳传感器节点标识NextHopAddr_s、传感器节点标识邻居表Neib_s。

例如，节点8发出的邻居信息分组内容为{Addr₈,NextHopAddr₈,Neib₈}={8,5,{4,5,9,11}}。其中，

Neib_s={NeibAddr_s,1,NeibAddr_s,2,…,NeibAddr_s,Hs}，Hs表示传感器节点覆盖范围内的传感器节点数量。

进一步的，邻居信息分组进行一次二进制指数回退后发送给传感器节点的介质访问层（MAC），然后再发送给高能设备。

A24：高能设备根据邻居信息分组构建邻居信息表NeibTab_d，邻居信息表NeibTab_d包括高能设备覆盖范围内的传感器节点标识Neib_d，高能设备覆盖范围内的传感器节点的下一跳传感器节点标识NeibNextHop_d，以及高能设备覆盖范围内的每个传感器节点覆盖范围内的传感器节点标识NeibNeib_d。

高能设备收到来自传感器节点的邻居信息分组后，记录下传感器节点标识Addr_s、下一跳传感器节点标识NextHopAddr_s和传感器节点标识邻居表Neib_s，然后基于上述信息构建一张邻居信息表NeibTab_d，NeibTab_d={Neib_d,NeibNextHop_d,NeibNeib_d}。

其中Neib_d表示高能设备覆盖范围内的传感器节点标识，Neib_d={Addr₁,Addr_s,…,Addr_K}，(K表示高能设备覆盖范围内的传感器节点数量。NeibNextHop_d表示高能设备覆盖范围内的传感器节点的下一跳传感器节点标识，

NeibNextHop_d={NextHopAddr₁,NextHopAddr₂,…,NextHopAddr_K}，

NeibNeib_d表示高能设备覆盖范围内的每个传感器节点覆盖范围内的传感器节点标识，

NeibNeib_d={Neib₁,Neib₂,…,Neib_K}

A25：高能设备在第一次收到邻居信息分组后，每发送一次到达分组，高能设备设置参数DNum_d自增1，当高能设备设置参数DNum_d大于第二设定阈值N₁时，则执行步骤A3。

其中设置第二设定阈值N₁的目的在于确保所有高能设备覆盖区域内的传感器节点都已经向高能设备发送了自己的邻居信息分组，这是为了避免因数据丢失而导致的传感器节点操作不一致的情况。

A3：高能设备判断覆盖范围内的传感器节点的节点类型，计算高能设备与覆盖范围内的传感器节点的邻居差异度diff_d,s，并且封装成休眠信息分组发送至各个覆盖范围内的传感器节点，其中，节点类型包括转发节点和源节点。

高能设备根据传感器节点之间的路由关系来判断节点类型，例如，结合图1和图2所示，对于传感器节点12，高能设备发现传感器节点12的下一跳传感器节点4是在高能设备的覆盖范围内，于是认为传感器节点12为源节点，即Type₁₂=source。对于传感器节点4，高能设备发现传感器节点4的下一跳传感器节点2并不在高能设备的覆盖范围内，于是判断传感器节点4为转发节点，即Type₄=forward。对于判断其他传感器节点的节点类型的情况与此相同，在此不再一一赘述。

计算高能设备与覆盖范围内的传感器节点的邻居差异度diff_d,s，首先计算Neib_d与Neib_i中相同元素的数量，记为SimNum_d,i，Neib_i为Neib_s中的一个元素，则：

${\mathrm{diff}}_{d,i}=1-\frac{{\mathrm{SimNum}}_{d,i}}{H_i}$

其中H_i为Neib_i中元素的个数，i的取值范围为1到K。

例如，对于传感器节点4，Neib₄={2,3,5,6,7,8,11,12}，对于高能设备，Neib_d={3,4,5,6,7,8,9,10,11,12}，Neib₄与Neib_d中相同元素数量SimNum_d,4=7，则：

${\mathrm{diff}}_{d,4}=1-\frac{{\mathrm{SimNum}}_{d,4}}{H_4}=1-\frac{7}{8}=0.125$

高能设备将每个覆盖范围内的传感器节点的节点类型NeibType_d={Type₁,Type₂,…,Type_K}和与邻居差异度NeibDiff_d={diff_d,1,diff_d,2,…,diff_d,K}封装成休眠信息分组，并广播给每个覆盖范围内的传感器节点，同时记录下广播时刻t₀。

A4：各个覆盖范围内的传感器节点获取各自的休眠信息分组，如果自身为转发节点，则执行步骤A5-A7，如果自身为源节点则执行步骤A8。

A5：多个转发节点协调地轮流地间歇工作，每个转发节点根据节点类型和邻居差异度diff_d,s计算工作时间

和休眠时间

，并封装成休眠通知分组，发送至转发节点覆盖范围内的传感器节点，其中工作时间

包括第一工作时间

、第二工作时间t_slot以及第三工作时间t_tail。

T_period=N_f×t_slot

$T_{\mathrm{wakeup}}^s=t_{\mathrm{aff}}^s+t_{\mathrm{slot}}+t_{\mathrm{tail}}$

$t_{\mathrm{aff}}^s=\frac{{\mathrm{diff}}_{d,s}\×T_{\mathrm{period}}}{N_s}$

$T_{\mathrm{sleep}}^s=T_{\mathrm{period}}-T_{\mathrm{wakeup}}^s$

其中T_period为工作/休眠周期，t_tail在这里优选值为12ms。

需要说明的是，转发节点根据休眠信息分组中的信息计算出的工作/休眠周期T_period，其所有转发节点的工作/休眠周期T_period相同。之后转发节点按照图4和图5所示的规律进行工作和休眠。转发节点保持工作时间

后进入休眠时间，在

后从休眠时间醒来，重新进入工作时间，如此反复。

转发节点将工作时间

和休眠时间

封装成休眠通知分组，发送至转发节点覆盖范围内的传感器节点。

进一步的，如果传感器节点属于转发节点类型，即Type_s=forward，则转发节点根据邻居差异度diff_d,s计算此转发节点在全部转发节点中的次序rank_s，所有转发节点按照该次序协调地轮流地间歇工作，rank_s=1,2,3,…,N_f，N_f表示休眠信息分组中的转发节点总数，同时源节点总数N_s=K-N_f。

A6：当高能设备覆盖范围外的普通节点接收到休眠通知分组时，如果转发节点为普通节点的下一跳，则普通节点的节点类型变为受影响节点。

高能设备、源节点和其他转发节点忽略休眠通知分组，普通节点收到休眠通知分组后检查该分组源标识，如果分组源标识为普通节点的下一跳，则将普通节点的节点类型变为受影响节点类型，并根据下一跳的状态调整自己的数据发送。例如：普通节点13收到来自普通节点13的下一跳转发节点6的休眠通知分组后，将普通节点13的节点类型变为受影响节点。

A7：转发节点在第一工作时间时，受影响节点将数据发送至转发节点，转发节点在第二工作时间t_slot时，高能设备将数据发送至转发节点，然后被选中的所述转发节点将所述数据向数据汇聚点方向传递。当转发节点处于休眠时间时，受影响节点缓存数据，等待到当转发节点处于下一周期的第一工作时间

时，受影响节点再将数据发送至转发节点。

当转发节点6处于休眠时间时，受影响节点13缓存数据，当转发节点6处于第一工作时间时，受影响节点13收到数据后先判断缓存是否为空，如果是，则将收到的数据直接发送给转发节点6，如果缓存不为空，则优先发送缓存的数据，等到缓存的数据发送完以后再发送刚刚接收到的数据。

A8：多个源节点持续工作，每个源节点实时地将数据发送至高能设备，然后高能设备将数据发送给当前处于第二工作时间t_slot的转发节点，然后被选中的转发节点将数据向数据汇聚点方向传递。

在这里需要说明的是，被选中的转发节点在第一、第二、第三工作时间内均可以将数据向数据汇聚点方向传递。第三工作时间的设立是为了避免某些特殊情况下可能导致的较大数据延迟，例如：假设没有第三工作时间且被选中的转发节点在第二工作时间末尾接收了来自高能设备的数据，转发节点发送该数据时会经历MAC介质访问时延，如果访问时延导致该数据没能在第二工作时间内成功发送，则转发节点进入休眠状态，该数据只能等到本次休眠时间结束后发送，这就会导致该数据延迟很大。设定第三工作时间后，就能保证在第一、第二工作时间内接收的数据都能在本次工作时间内发送。

多个源节点持续工作，把所有源节点产生和接收来自其它传感器节点的数据都转发给高能设备。如图6所示，为本发明实施例的高能设备选择处于第二工作时间的转发节点的示意图，高能设备同样使用步骤A5中的方法计算出覆盖范围内的每一个转发节点的工作时间和休眠时间。高能设备收到源节点发送过来的数据后，将数据发送给处于第二工作时间的转发节点，转发节点接着向数据汇聚点方向转发数据。

需要说明的是，尽管图6中每一时刻的高能设备的仅对应一个位于第二工作时间的转发节点，但实际应用中，还可以使得每一时刻有多个转发节点处于第二工作时间用来承担数据转发工作，其它的转发节点可以进入休眠时间。

以上讨论了应用高能设备辅助无线传感器网络节能的方法，即高能设备的加入改变了传感器节点的类型，根据传感器节点类型的不同采用不同的数据传输方式，达到了节约能耗的目的。但是高能设备的加入只是在某一段时间内，而高能设备可能随时离开无线传感器网络。如果源节点和转发节点在N₂×T时间内没有收到高能设备的到达分组，则证明高能设备已经离开网络区域。转发节点负责告知受影响节点高能设备已经离开的消息，之后，网络回到如图1所示的高能设备出现之前的初始状态。此时源节点不再把数据发送给高能设备，而是发送给自己本来的下一跳节点，受影响节点接到数据后直接发送给自己的下一跳，同时所有传感器节点也在等待下一个高能设备的到来。

如图7所示，为转发节点休眠时间占总时间的比例图，传感器节点3至6成为了可以休眠的转发节点，高能设备带来的能耗节省与转发节点的休眠时间直接相关。如图7所示，随着第二工作时间从20ms增加到1s，转发节点的休眠时间占总时间的比例从52.5%上升到67%。从理论上讲，这些转发节点的能耗相应地降低了52.5%—67%。

根据本发明实施例的应用高能设备辅助无线传感器网络节能方法，借助高能设备分担传感器节点承担的网络任务、协调传感器节点的休眠时间，达到了节约传感器节点能耗，延长传感器网络工作时间的目的。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (11)

1.一种应用高能设备辅助无线传感器网络节能方法，其特征在于，包括以下步骤：

A1：定义所述无线传感器网络中的每一个传感器节点为普通节点并初始化，引入所述高能设备并初始化；

A2：确定所述高能设备覆盖区域内的传感器节点，所述覆盖范围内的所述高能设备与多个传感器节点互为邻居高能设备或邻居传感器节点；

A3：所述高能设备判断覆盖范围内的传感器节点的节点类型，计算所述高能设备与所述覆盖范围内的传感器节点的邻居差异度diff_d,s，并且封装成休眠信息分组发送至各个所述覆盖范围内的传感器节点，其中，所述节点类型包括转发节点和源节点；

A4：各个所述覆盖范围内的传感器节点获取各自的所述休眠信息分组，如果自身为转发节点，则执行步骤A5-A7，如果自身为源节点则执行步骤A8；

A5：多个所述转发节点协调地轮流地间歇工作，每个转发节点根据所述节点类型和邻居差异度diff_d,s计算工作时间

和休眠时间，并封装成休眠通知分组，发送至所述转发节点覆盖范围内的传感器节点，其中所述工作时间

包括第一工作时间

、第二工作时间t_slot以及第三工作时间t_tail；

A6：当所述高能设备覆盖范围外的普通节点接收到所述休眠通知分组时，如果所述转发节点为所述普通节点的下一跳，则所述普通节点的节点类型变为受影响节点；

A7：所述转发节点在第一工作时间时，所述受影响节点将数据发送至所述转发节点，所述转发节点在第二工作时间t_slot时，所述高能设备将所述数据发送至所述转发节点，然后被选中的所述转发节点将所述数据向数据汇聚点方向传递；

A8：多个所述源节点持续工作，每个源节点实时地将数据发送至所述高能设备，然后所述高能设备将数据发送给当前处于第二工作时间t_slot的所述转发节点，然后被选中的转发节点将所述数据向数据汇聚点方向传递。

2.如权利要求1所述的应用高能设备辅助无线传感器网络节能方法，其特征在于，步骤A1具体包括：

A11：所述传感器节点设置第一设定阈值N₀、第三设定阈值N₂、初值为零的到达分组数量SNum_s,d和邻居差异度diff_d,s；

A12：所述高能设备设置到达分组广播周期T、第二设定阈值N₁和初值为零的高能设备设置参数DNum_d。

3.如权利要求1所述的应用高能设备辅助无线传感器网络节能方法，其特征在于，步骤A2进一步包括：

A21：所述高能设备将高能设备标识Addr_d封装成到达分组，并以所述到达分组广播周期T将所述到达分组向周围发送；

A22：当传感器节点每收到一次所述到达分组时，所述到达分组数量SNum_s,d自增1，当所述到达分组数量SNum_s,d大于所述第一设定阈值N₀时，则执行步骤A23；

A23：所述传感器节点将传感器节点标识Addr_s、下一跳传感器节点标识NextHopAddr_s和传感器节点标识邻居表Neib_s封装成邻居信息分组，并发送至所述高能设备，所述高能设备确定覆盖区域内的传感器节点；

A24：所述高能设备根据所述邻居信息分组构建邻居信息表NeibTab_d，所述邻居信息表NeibTab_d包括所述高能设备覆盖范围内的传感器节点标识Neib_d，所述高能设备覆盖范围内的传感器节点的下一跳传感器节点标识NeibNextHop_d，以及所述高能设备覆盖范围内的每个传感器节点覆盖范围内的传感器节点标识NeibNeib_d；

A25：所述高能设备在第一次收到所述邻居信息分组后，每发送一次所述到达分组，所述高能设备设置参数DNum_d自增1，当所述高能设备设置参数DNum_d大于所述第二设定阈值N₁时，则执行步骤A3。

4.如权利要求3所述的应用高能设备辅助无线传感器网络节能方法，其特征在于，所述邻居表Neib_s中第i个元素Neib_i的邻居差异度diff_d,i的计算公式为：

${\mathrm{diff}}_{d,i}=1-\frac{{\mathrm{SimNum}}_{d,i}}{H_i}$

SimNum_d,i为所述Neib_d和Neib_i中相同元素的个数，H_i为Neib_i中元素的个数。

5.如权利要求1所述的应用高能设备辅助无线传感器网络节能方法，其特征在于，所述工作时间

和休眠时间的计算公式为：

T_period=N_f×t_slot

$T_{\mathrm{wakeup}}^s=t_{\mathrm{aff}}^s+t_{\mathrm{slot}}+t_{\mathrm{tail}}$ $t_{\mathrm{aff}}^s=\frac{{\mathrm{diff}}_{d,s}\×T_{\mathrm{period}}}{N_s}$

$T_{\mathrm{sleep}}^s=T_{\mathrm{period}}=-T_{\mathrm{wakeup}}^s$

其中T_period为工作/休眠周期，N_f为所述转发节点的数目，N_s为所述源节点的数目。

6.如权利要求1所述的应用高能设备辅助无线传感器网络节能方法，其特征在于，步骤A5还包括：所述转发节点根据所述邻居差异度diff_d,s计算所述转发节点在全部N_f个转发节点中的转发次序rank_s。

7.如权利要求1所述的应用高能设备辅助无线传感器网络节能方法，其特征在于，步骤A7还包括：当所述转发节点处于所述休眠时间时，所述受影响节点缓存所述数据，等待到当所述转发节点处于下一周期的第一工作时间

时，所述受影响节点再将所述数据发送至所述转发节点。

8.如权利要求6所述的应用高能设备辅助无线传感器网络节能方法，其特征在于，步骤A8还包括：所述高能设备按所述转发节点的转发次序rank_s将所述数据发送至处于第二工作时间t_slot的所述转发节点。

9.如权利要求3所述的应用高能设备辅助无线传感器网络节能方法，其特征在于，如果所述源节点和所述转发节点在N₂×T时间内没有收到所述高能设备的到达分组，则证明所述高能设备已经离开。

10.如权利要求1所述的应用高能设备辅助无线传感器网络节能方法，其特征在于，所述高能设备为具有恒定电源的传感器、笔记本电脑、平板电脑或者手机。

11.如权利要求1所述的应用高能设备辅助无线传感器网络节能方法，其特征在于，步骤A7还包括：所述高能设备还可以使得每一时刻至少一个所述转发节点处于所述第二工作时间t_slot用来承担数据转发工作，其它的转发节点可以进入所述休眠时间。

Images