CN103346975A - 基于无线传感器网络的数据转发和存储方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于无线传感器网络的数据转发和存储方法，包括步骤：对无线传感器网络中每个节点进行初始化，每个节点建立缓存表；当节点接收到上级节点发送的数据请求报文时，根据数据请求报文的目的节点进行回复或者转发；判断新监测的数据发送至根节点或者非根节点，根据缓存表对新监测的数据进行处理；每个节点的缓存表中的生存时间周期性地加1，当生存时间达到生存时间阈值时，则删除缓存表。本发明能够大大降低网络不稳定对数据传输带来的影响，并且能使传感器网络更快的响应上级节点的查询请求，避免了由多跳网络带来的延时。

Description

基于无线传感器网络的数据转发和存储方法

技术领域

本发明属于物联网路由技术领域，具体涉及一种基于无线传感器网络的数据转发和存储方法。

背景技术

无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是由大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，以协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息，并最终把这些信息发送给网络所有者。

无线传感网络的核心功能是将各个传感器节点的监测数据高效、可靠的传给上级节点网络并支持用户实时访问。由于无线传感网具有硬件资源有限、网络可靠性差等特点，传统的分布式数据库的存储和查询机制不能适用于无线传感网，所以需要研究专门针对无线传感网的数据存储策略。

目前无线传感网的存储策略主要有以下几类：外部存储、本地存储、以数据为中心的存储。外部存储是把所有传感器节点的监测数据发送到根节点进行存储，具有查询方便的特点，但要求根节点有很大的存储能力，本地存储中所有数据直接存储在本地，特点是存储方便，开销小，但是后期数据查询效率低，以数据为中心的存储策略是将数据按照不同类型存储到相应节点，使得所有数据在网络中有序存放，具有较高的存储和查询效率。

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基于无线传感器网络的数据转发和存储方法，包括以下步骤：S1对所述无线传感器网络中每个节点进行初始化，所述每个节点建立缓存表，所述缓存表包括节点标识、跳数、数据和生存时间，所述节点标识用于区分所述无线传感器网络中的节点，所述跳数表述所述数据从监测节点到根节点需要跳跃的次数，所述数据为所述监测节点监测的数据，所述生存时间表示所述数据未更新的时间；S2当所述节点接收到上级节点发送的数据请求报文时，根据所述数据请求报文的目的节点进行回复或者转发；S3判断所述新监测的数据发送至根节点或者非根节点，根据所述缓存表对所述新监测的数据进行处理；S4所述每个节点的缓存表中的生存时间周期性地加1，当所述生存时间达到生存时间阈值时，则删除所述缓存表。

优选的，步骤S2进一步包括：S2.1分析并判断目的节点为本地节点或非本地节点；S2.2若所述目的节点为本地节点，则所述本地节点监测数据并将所述新监测的数据发送至上级节点；S2.3若所述目的节点为非本地节点，则所述本地节点查找自己的缓存表，如果所述目的节点的表项存在，则将所述缓存表发送至上级节点，如果所述目的节点的表项不存在，则将所述数据请求报文转发至下级节点。

优选的，步骤S3进一步包括：S3.1所述新监测的数据逐级发送至根节点，所述根节点查询自身的所述缓存表，进入步骤S3.3.1至S3.3.3；S3.2所述新监测的数据发送至非根节点，判断所述监测节点的跳数是否小于或者等于所述非根节点自身的跳数，如果是，则丢弃所述数据，如果否，则执行步骤S3.3.1至S3.3.3；S3.3.1判断缓存表的原始数据是否已经存在，如果存在，则将新监测的数据替换原始数据存入所述缓存表，如果原始数据不存在，则进入S3.3.2；S3.3.2判断所述缓存表状态，如果所述缓存表未满，则将所述新监测的数据存入所述缓存表，如果所述缓存表已满，则进入3.3.3；S3.3.3将所述新监测的数据的跳数与所述缓存表中跳数最小的数据比较，将跳数较小的数据发送至下级节点，将跳数较大的数据存入缓存表，所述下级节点为到所述监测节点的下一跳路由。

优选的，将所述新监测的数据存入所述缓存表时，如果新监测的数据不包含生存时间，则将所述缓存表中的生存时间设置为0。

优选的，所述生存时间加1的周期优选值为1分钟。

优选的，所述生存时间阈值优选值为30。

本发明能够大大降低网络不稳定对数据传输带来的影响，并且能使传感器网络更快的响应上级节点的查询请求，避免了由多跳网络带来的延时。

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是本发明实施例的基于无线传感器网络的数据转发和存储方法的流程图；

图2是本发明实施例的基于无线传感器网络的数据转发和存储方法的数据转发过程流程图；

图3是本发明实施例的基于无线传感器网络的数据转发和存储方法的数据的存储过程图；

图4是应用了本发明实施例方法的数据转发和存储结果的示例图。

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，为本发明实施例的基于无线传感器网络的数据转发和存储方法的流程图，缓存的决策基于数据发送的跳数以及节点的存储容量。其应用前提是网络拓扑已经形成，每个节点已确定自己的向上路由和向下路由。本发明实施例的基于无线传感器网络的数据转发和存储方法在节点访问率相同的情况下能够保证最小的平均查找深度。具体包括以下步骤：

S1对无线传感器网络中每个节点进行初始化，每个节点建立缓存表，缓存表包括节点标识、跳数、数据和生存时间，节点标识用于区分无线传感器网络中的节点，跳数表述数据从监测节点到根节点需要跳跃的次数，数据为监测节点监测的数据，生存时间表示数据未更新的时间。

缓存表的容量由节点的存储能力决定，可以每个节点根据自己存储能力设定缓存容量，也可以整个网络设定统一的缓存容量，容量的大小不影响本发明实施例的执行。在这里需要说明的是，缓存表初始都为空。

S2当节点接收到上级节点发送的数据请求报文时，根据数据请求报文的目的节点进行回复或者转发。如图2所示，为本发明实施例的基于无线传感器网络的数据转发和存储方法的数据转发过程流程图。当本地节点收到数据请求报文时，有三种可能：目的节点为本地节点，此时本地节点利用传感器检测数据并回复，目的节点在本地节点的缓存表中，此时将缓存表回复给上级节点，目的节点是下级节点且未存储在缓存表中，此时本节点无法回复数据，向下级节点继续发送数据请求报文。具体包括以下步骤：

S2.1分析并判断目的节点为本地节点或非本地节点。

S2.2若目的节点为本地节点，则本地节点监测数据并将新监测的数据发送至上级节点。

S2.3若目的节点为非本地节点，则本地节点查找自己的缓存表，如果目的节点的表项存在，则将缓存表发送至上级节点，如果目的节点的表项不存在，则将数据请求报文转发至下级节点。

S3判断新监测的数据发送至根节点或者非根节点，根据缓存表对新监测的数据进行处理。

数据的存储过程如图3所示，数据从监测节点发送至根节点之后才开始存储过程，中间节点收到下级节点传来的数据时只进行转发。网络中所有节点的数据都优先存储在根节点的缓存表中，只有当缓存表满的时候才会给下级节点存储。非根节点接收到上级节点发送的数据时，说明上级节点缓存表已满，请求本节点对数据进行存储。此时要先比较数据监测节点和非根节点的跳数，如果数据监测节点的跳数与非根节点相等或者更小，那么对该数据进行缓存没有任何意义，不会提高访问效率，将该数据丢弃。当需要对数据进行存储时，还是重复根节点的流程，将数据存入缓存表或向下级节点转发。具体包括以下步骤：

S3.1新监测的数据逐级发送至根节点，根节点查询自身的缓存表，进入步骤S3.3.1至S3.3.3。

S3.2新监测的数据发送至非根节点，判断监测节点的跳数是否小于或者等于非根节点自身的跳数，如果是，则丢弃数据，如果否，则执行步骤S3.3.1至S3.3.3。

S3.3.1判断缓存表的原始数据是否已经存在，如果存在，则将新监测的数据替换原始数据存入缓存表，如果原始数据不存在，则进入S3.3.2。

S3.3.2判断缓存表状态，如果缓存表未满，则将新监测的数据存入缓存表，如果缓存表已满，则进入3.3.3。

S3.3.3将新监测的数据的跳数与缓存表中跳数最小的数据比较，将跳数较小的数据发送至下级节点，将跳数较大的数据存入缓存表，下级节点为到监测节点的下一跳路由。

其中，需要说明的是，将新监测的数据存入缓存表时，如果新监测的数据不包含生存时间，则将缓存表中的生存时间设置为0。

S4每个节点的缓存表中的生存时间周期性地加1，当生存时间达到生存时间阈值时，则删除缓存表。

需要说明的是，生存时间加1的周期优选值为1分钟，生存时间阈值优选值为30。

如图4所示，为应用了本发明实施例方法的数据转发和存储结果的示例图。假设网络中节点缓存表都为空，此时上级节点发来一个针对节点g的数据请求，由于根节点、a和c在缓存表中查不到节点g的表项，则将查询报文依次转发，节点g发现目的节点是本地节点，将监测数据发送至上级节点，节点a和c将数据转发给根节点，根节点缓存表未满，将g节点的数据存储在缓存表中。这样当上级节点再有针对节点g的数据请求时，根节点就可以直接将缓存表中的数据回复给上级节点。

表1、表2和表3分别给出了图4中网络运行一段时间后各节点的缓存表，设置节点缓存表的容量为3。存储的规律是层次越深的节点数据存储在离根节点越近的节点。在这里需要说明的是，实际网络中节点缓存能力应更大，网络也更复杂，此处仅给出一个简单情况便于分析。

表1根节点缓存表

节点标识	跳数	数据	生存时间
				g	3	23℃	26
h	3	25℃	17
				i	3	21℃	33

表2节点a缓存表

节点标识	跳数	数据	生存时间
				c	2	26℃	38
d	2	25℃	21

表3节点b缓存表

节点标识	跳数	数据	生存时间
				e	2	21℃	24
f	2	20℃	7

如果网络对各个节点的访问几率相同，当不采用本发明实施例的基于无线传感器网络的数据转发和存储方法时，图4网络的平均查找深度为（1×2+2×4+3×3）/9=2.1，当采用本发明实施例的基于无线传感器网络的数据转发和存储方法时，可访问根节点和a、b节点的缓存表，平均查找深度为（0×3+1×6）/9=0.67。平均查找深度仅为原来的三分之一，可见本发明实施例大大提高了查找效率。

本发明实施例的基于无线传感器网络的数据转发和存储方法利用最接近根节点的节点的缓存能力，对深层节点的数据进行存储，使得对所有节点数据的访问都能在几跳内实现。缓存表中优先存储层次更深的节点数据，可以使整个网络最大程度的节约转发次数。本发明实施例降低了网络不稳定对数据传输带来的影响，使传感器网络更快的响应上级节点的查询请求，避免了由于网络多跳带来的延时。本发明实施例网络适应性较强，同样适用于多根节点的网络。

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 (6)

1.一种基于无线传感器网络的数据转发和存储方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1对所述无线传感器网络中每个节点进行初始化，所述每个节点建立缓存表，所述缓存表包括节点标识、跳数、数据和生存时间，所述节点标识用于区分所述无线传感器网络中的节点，所述跳数表述所述数据从监测节点到根节点需要跳跃的次数，所述数据为所述监测节点监测的数据，所述生存时间表示所述数据未更新的时间；

S2当所述节点接收到上级节点发送的数据请求报文时，根据所述数据请求报文的目的节点进行回复或者转发；

S3判断所述新监测的数据发送至根节点或者非根节点，根据所述缓存表对所述新监测的数据进行处理；

S4所述每个节点的缓存表中的生存时间周期性地加1，当所述生存时间达到生存时间阈值时，则删除所述缓存表。

2.如权利要求1所述的基于无线传感器网络的数据转发和存储方法，其特征在于，步骤S2进一步包括：

S2.1分析并判断目的节点为本地节点或非本地节点；

S2.2若所述目的节点为本地节点，则所述本地节点监测数据并将所述新监测的数据发送至上级节点；

S2.3若所述目的节点为非本地节点，则所述本地节点查找自己的缓存表，如果所述目的节点的表项存在，则将所述缓存表发送至上级节点，如果所述目的节点的表项不存在，则将所述数据请求报文转发至下级节点。

3.如权利要求1所述的基于无线传感器网络的数据转发和存储方法，其特征在于，步骤S3进一步包括：

S3.1所述新监测的数据逐级发送至根节点，所述根节点查询自身的所述缓存表，进入步骤S3.3.1至S3.3.3；

S3.2所述新监测的数据发送至非根节点，判断所述监测节点的跳数是否小于或者等于所述非根节点自身的跳数，如果是，则丢弃所述数据，如果否，则执行步骤S3.3.1至S3.3.3；

S3.3.1判断缓存表的原始数据是否已经存在，如果存在，则将新监测的数据替换原始数据存入所述缓存表，如果原始数据不存在，则进入S3.3.2；

S3.3.2判断所述缓存表状态，如果所述缓存表未满，则将所述新监测的数据存入所述缓存表，如果所述缓存表已满，则进入3.3.3；

S3.3.3将所述新监测的数据的跳数与所述缓存表中跳数最小的数据比较，将跳数较小的数据发送至下级节点，将跳数较大的数据存入缓存表，所述下级节点为到所述监测节点的下一跳路由。

4.如权利要求3所述的基于无线传感器网络的数据转发和存储方法，其特征在于，将所述新监测的数据存入所述缓存表时，如果新监测的数据不包含生存时间，则将所述缓存表中的生存时间设置为0。

5.如权利要求1所述的基于无线传感器网络的数据转发和存储方法，其特征在于，所述生存时间加1的周期优选值为1分钟。

6.如权利要求1所述的基于无线传感器网络的数据转发和存储方法，其特征在于，所述生存时间阈值优选值为30。

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