CN103338203A - 一种低功耗的集约化水产养殖物联网介质访问控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种低功耗的集约化水产养殖物联网介质访问控制方法。提出了一种采用基于事件驱动低功耗的感知节点成簇方法，该方法面向集约化水产养殖物联网，能够减少感知节点的能量损耗，一种采用基于事件驱动低功耗的感知节点成簇方法，该方法面向集约化水产养殖物联网，能够减少感知节点的能量损耗，缩短了数据报文的平均传输延时，提高了对特定养殖环境事件的感知可靠性。
Description
技术领域
本发明属于养殖物联网介质访问控制方法,特别涉及一种低功耗的集约化水产养殖物联网介质访问控制方法。
背景技术
集约化水产养殖物联网是由一定数量的监测不同养殖环境数据且储能有限的无线感知节点构成。基于传统的无线传感网络（WSN）介质访问控制（MAC）方法，所有感知节点都会直接向汇聚节点发送信息，各节点能量消耗较大，缩短了网络生存时间；由于汇聚节点被迫接收大量的冗余信息，造成报文冲突发生频繁、传输延时增加、报文丢失严重。
集约化水产养殖物联网的介质访问控制（MAC）层由感知节点的无线通信模块实现。该模块是感知节点中的主要耗能部件，因此MAC层对集约化水产养殖物联网的生存时间产生重要的影响。集约化水产养殖物联网的路由层完成从感知节点向汇聚节点转发养殖环境消息，路由层的性能直接影响着网络的报文传输延时、感知节点能耗以及对多源养殖环境的融合等性能。
在传统WSN的路由层，普遍应用了低功耗自适应集簇分层型协议（LEACH）。即由簇中的感知节点先将数据发送到簇头节点，再由簇头节点转发数据到汇聚节点。LEACH协议假设所有感知节点在任何时刻都会有数据发送，这种机制并未考虑到突发事件型消息。
在LEACH协议基础上提出的事件驱动型协议却忽略了规律不变型消息。在传统WSN的MAC层，以周期性休眠的方式使感知节点工作在低功耗周期，采用RTS/CTS/DATA/ACK机制以减少报文冲突及其它额外开销。但是当通信负载较重的情况下，报文冲突的现象就会变得非常严重。
在基于调度的MAC层协议中，时分多路复用（TDMA）提供了一种无冲突且避免空闲侦听的通信机制。能量有效的TDMA允许没有待发送数据的感知节点在给其指派的时隙内关闭无线通信以减少能量消耗。但是，当感知节点有数据需要发送时，只能拥有获得较低的信道利用率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种低功耗的集约化水产养殖物联网介质访问控制方法。提出了一种采用基于事件驱动低功耗的感知节点成簇方法，该方法面向集约化水产养殖物联网，能够减少感知节点的能量损耗，缩短了数据报文的平均传输延时，提高了对特定养殖环境事件的感知可靠性。
本发明的技术方案是：
一种低功耗的集约化水产养殖物联网介质访问控制方法，其特征在于：
本方法中定义两种集约化水产养殖物联网感知节点工作状态：不变状态和事件状态；
1）不变状态：即没有养殖环境事件发生时；
该状态下为了降低能耗，感知节点进入定期休眠/唤醒的低功耗循环；
2）事件状态：即有特定的养殖环境事件发生；
所有感知到特定的养殖环境事件的节点组织成一个簇；依据簇中剩余的能量级别选举簇中的簇头，所有非簇头感知节点采用能量有效TDMA机制将环境监测事件消息发送到簇头节点，簇头融合多源数据后再发送到远程的汇聚节点；
在成簇的过程中，采用本发明提出的事件驱动低能耗成感知节点簇方法保证了养殖环境事件消息以低功耗、低延时的方式被有效地发送到汇聚节点；
感知节点的路由层计算环境感知数据率，判断特定的养殖环境监测事件是否发生；感知节点发送成簇指示消息到MAC层以改变其休眠/唤醒周期性运行机制，并且在路由层执行感知节点成簇方法；感知节点成簇方法分为簇建立、数据传输和簇撤销三个阶段，流程如下：
簇建立阶段：
当一个侦听周期到来时，感知到特定养殖环境事件的节点广播包含节点ID及剩余能量的HELLO报文，同时该节点不再进入休眠/唤醒周期；
感知节点选举剩余能量最小的感知节点为簇内唯一的簇头；
簇头节点广播报文，以公告簇头信息；
非簇头感知节点向簇头节点发送加入请求报文；
簇头节点生成TDMA进度表并发送给簇内感知节点；
簇内感知节点收到TDMA进度表后，簇建立结束；
数据传输阶段：
数据传输阶段采用TDMA机制，帧由簇内节点间通信帧和簇头节点到汇聚节点通信帧组成；
簇内感知节点在指派的时隙内，发送养殖环境事件消息到簇头节点；
簇头节点收到养殖环境事件消息后，进行多源数据融合，向汇聚节点发送养殖环境事件消息；
簇内感知节点在发送时隙周期之外，关闭无线通信以减少能量耗费；
撤销簇阶段：
当簇头节点所接收到的帧中不包含养殖环境事件消息时，意味着特定养殖环境事件结束，则撤销簇；
由簇头节点广播簇终止消息，以撤销该簇；
簇内各感知节点收到消息后，重新进入不变状态下的休眠/唤醒周期。
本发明效果是：
运用本方法具有较好的养殖环境事件的探测可靠性，平均包传输延时、节点能量损耗等方面均较优于传统技术。
当特定养殖环境事件发生时，运用本方法使得感知到养殖环境事件的节点迅速形成一个簇，此时感知节点能量消耗较快，一旦簇建立成功后该能耗即可趋势减慢。
由于采用能量有效的TDMA机制，使得养殖事件消息报文能够被有效地发送到汇聚节点，减少了数据传输阶段的报文冲突和传输延时，同时也减少了感知节点的能量消耗。
附图说明
图1是低功耗的集约化水产养殖物联网介质访问控制方法的之一成簇方法运行流程框图
图2是低功耗的集约化水产养殖物联网介质访问控制方法的之二感知节点工作流程框图
具体实施方式
集约化养殖水域的水质数据变化、养殖水产品跟踪以及水环境污染等构成了特定的养殖环境事件。本发明提出了一种采用基于事件驱动低功耗的感知节点成簇方法，该方法面向集约化水产养殖物联网，能够减少感知节点的能量损耗，缩短了数据报文的平均传输延时，提高了对特定养殖环境事件的感知可靠性。
本发明中定义了两种集约化水产养殖物联网感知节点工作状态：不变状态和事件状态。
1）不变状态：即没有养殖环境事件发生时。
该状态下为了降低能耗，感知节点进入定期休眠/唤醒的低功耗循环。
2）事件状态：即有特定的养殖环境事件发生。
所有感知到特定的养殖环境事件的节点组织成一个簇。依据簇中剩余的能量级别选举簇中的簇头，所有非簇头感知节点采用能量有效TDMA机制将环境监测事件消息发送到簇头节点，簇头融合多源数据后再发送到远程的汇聚节点。
在成簇的过程中，采用本发明提出的事件驱动低能耗成感知节点簇方法保证了养殖环境事件消息以低功耗、低延时的方式被有效地发送到汇聚节点。
感知节点的路由层计算环境感知数据率，判断特定的养殖环境监测事件是否发生。感知节点发送成簇指示消息到MAC层以改变其休眠/唤醒周期性运行机制，并且在路由层执行感知节点成簇方法。感知节点成簇方法分为簇建立、数据传输和簇撤销三个阶段，流程如图1所示。
簇建立阶段：
当一个侦听周期到来时，感知到特定养殖环境事件的节点广播包含节点ID及剩余能量的HELLO报文，同时该节点不再进入休眠/唤醒周期。
感知节点选举剩余能量最小的感知节点为簇内唯一的簇头。
簇头节点广播报文，以公告簇头信息。
非簇头感知节点向簇头节点发送加入请求报文。
簇头节点生成TDMA进度表并发送给簇内感知节点。
簇内感知节点收到TDMA进度表后，簇建立结束。
数据传输阶段：
数据传输阶段采用TDMA机制，帧由簇内节点间通信帧和簇头节点到汇聚节点通信帧组成。
簇内感知节点在指派的时隙内，发送养殖环境事件消息到簇头节点。
簇头节点收到养殖环境事件消息后，进行多源数据融合，向汇聚节点发送养殖环境事件消息。
簇内感知节点在发送时隙周期之外，关闭无线通信以减少能量耗费。
撤销簇阶段：
当簇头节点所接收到的帧中不包含养殖环境事件消息时，意味着特定养殖环境事件结束，则撤销簇。
由簇头节点广播簇终止消息，以撤销该簇。
簇内各感知节点收到消息后，重新进入不变状态下的休眠/唤醒周期。
感知节点工作过程如图2所示。
当特定养殖环境事件发生时，运用本方法使得感知到养殖环境事件的节点迅速形成一个簇，此时感知节点能量消耗较快，一旦簇建立成功后该能耗即可趋势减慢。
由于采用能量有效的TDMA机制，使得养殖事件消息报文能够被有效地发送到汇聚节点，减少了数据传输阶段的报文冲突和传输延时，同时也减少了感知节点的能量消耗。
运用本方法具有较好的养殖环境事件的探测可靠性，平均包传输延时、节点能量损耗等方面均较优于传统技术。
Claims (1)
1.一种低功耗的集约化水产养殖物联网介质访问控制方法，其特征在于：
本方法中定义两种集约化水产养殖物联网感知节点工作状态：不变状态和事件状态；
1）不变状态：即没有养殖环境事件发生时；
该状态下为了降低能耗，感知节点进入定期休眠/唤醒的低功耗循环；
2）事件状态：即有特定的养殖环境事件发生；
所有感知到特定的养殖环境事件的节点组织成一个簇；依据簇中剩余的能量级别选举簇中的簇头，所有非簇头感知节点采用能量有效TDMA机制将环境监测事件消息发送到簇头节点，簇头融合多源数据后再发送到远程的汇聚节点；
在成簇的过程中，采用本发明提出的事件驱动低能耗成感知节点簇方法保证了养殖环境事件消息以低功耗、低延时的方式被有效地发送到汇聚节点；
感知节点的路由层计算环境感知数据率，判断特定的养殖环境监测事件是否发生；感知节点发送成簇指示消息到MAC层以改变其休眠/唤醒周期性运行机制，并且在路由层执行感知节点成簇方法；感知节点成簇方法分为簇建立、数据传输和簇撤销三个阶段，流程如下：
簇建立阶段：
当一个侦听周期到来时，感知到特定养殖环境事件的节点广播包含节点ID及剩余能量的HELLO报文，同时该节点不再进入休眠/唤醒周期；
感知节点选举剩余能量最小的感知节点为簇内唯一的簇头；
簇头节点广播报文，以公告簇头信息；
非簇头感知节点向簇头节点发送加入请求报文；
簇头节点生成TDMA进度表并发送给簇内感知节点；
簇内感知节点收到TDMA进度表后，簇建立结束；
数据传输阶段：
数据传输阶段采用TDMA机制，帧由簇内节点间通信帧和簇头节点到汇聚节点通信帧组成；
簇内感知节点在指派的时隙内，发送养殖环境事件消息到簇头节点；
簇头节点收到养殖环境事件消息后，进行多源数据融合，向汇聚节点发送养殖环境事件消息；
簇内感知节点在发送时隙周期之外，关闭无线通信以减少能量耗费；
撤销簇阶段：
当簇头节点所接收到的帧中不包含养殖环境事件消息时，意味着特定养殖环境事件结束，则撤销簇；
由簇头节点广播簇终止消息，以撤销该簇；
簇内各感知节点收到消息后，重新进入不变状态下的休眠/唤醒周期。
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| CN1319343C (zh) * | 2005-05-26 | 2007-05-30 | 北京航空航天大学<Del/> | 一种用于短程无线网络的介质访问控制方法 |
| CN100429958C (zh) * | 2006-09-15 | 2008-10-29 | 北京航空航天大学 | 一种用于无线个人网的带宽预留式介质访问控制方法 |
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2013
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN104994558A (zh) * | 2015-07-14 | 2015-10-21 | 重庆邮电大学 | 无线认知传感器网络中基于事件驱动的分簇路由方法 |
| CN104994558B (zh) * | 2015-07-14 | 2018-08-10 | 重庆邮电大学 | 无线认知传感器网络中基于事件驱动的分簇路由方法 |
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