CN103428834B - 一种降低wsn系统功耗的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种降低WSN系统功耗的方法，包括无线传感器网络的布置步骤、数据包的格式设计步骤、无线传感器网络的部分功能初始化步骤和数据包的过滤筛选步骤。本发明提供的降低WSN系统功耗的方法，可以有效的降低网线传感网络中节点的能耗，延长无线传感网络的生命周期。

Description

一种降低WSN系统功耗的方法
技术领域
本发明涉及WSN（无线传感器网络）技术，尤其涉及一种降低WSN系统功耗的方法。
背景技术
由于无线传感器网络工作在比较恶劣的环境中，节点能量一般由电池供应，电源无法更换；但是无线传感器网络的生存时间需要长达数月甚至数年，因此，节点能量受限成为其最大制约因素。
传感器节点是WSN的基本构成单位，由其组成的硬件平台和具体的应用要求密切相关，因此节点的设计将直接影响到整个WSN的性能。WSN通常包括传感器节点、汇聚节点（SinkNode）；大量传感器节点随机部署在感知区域内部或者附近，能够通过自组织方式构成网络，传感器节点将采集到的数据沿着其他传感器节点逐跳进行传输，在传输过程中所采集到的数据可能被多个传感器节点处理，经过多跳路由后到汇聚节点，再由汇聚节点通过外部网络把数据传送到服务器端进行集中处理。
如图1所示，WSN节点主要有4大组成块：MCU（微控制单元）模块、传感器模块、通信模块（一般为无线通信模块）、电源模块（能量供应模块）。传感器模块负责监测区域内采集信息和转换数据；MCU模块负责控制整个传感器节点的操作、存储和处理本身采集的数据与其他节点发来的数据；通信模块负责与其他传感器节点进行通信，交换控制信息和收发采集的数据；电源模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池。由于传感器节点体积微小，通常携带的电池能量十分有限；由于传感器节点个数多，成本低，分布区域广，而且部署区域环境复杂，有些区域甚至人员不能到达；所以，传感器节点通过更换电池的方式来补充能源是不现实的，如何高效使用能量来最大化网络生命周期是传感网络面临的重要挑战。
据研究表明，节点的瞬时功耗主要来源于无线通信模块。图2所示是传感器节点各部分能量消耗的情况，从图中可知，传感器节点的绝大部分能量消耗都是在无线通信模块，传感器节点传输信息时要比执行计算时消耗更多的电能。无线通信模块存在发送、接收、空闲和睡眠4种状态，无线通信模块在发送状态的能量消耗最大，在空闲状态和接收状态的能量消耗接近，略少于发送状态的能量消耗，而在睡眠状态的能量消耗最小。无线通信功耗计算如下式：
Pc＝NT[PT(TON+TST)+POUTTON]+NR[PR(RON+RST)]
其中，Pc为无线通信功耗，PT和PR分别为发送和接收的器件功耗，POUT为发送功耗，TON和RON分别为发送和接收的时长，TST和RST分别为发送和接收的启动时长，NT和NR为单位时间内接收和发送的次数。
WSN节点处于发送状态、接收状态以及空闲状态都要消耗大量的能量，表1、2为典型的无线通信模块的工作电流以及典型处理器的工作电流比较。
表1典型的无线通信模块性能参数
芯片信号 发射模式电流（mA） 接收模式电流（mA）
nRF905 11 12.5
CC1100 14.3 15.6
CC2420 17.4 19.7
表2典型处理器模块性能参数
处理器系列 工作模式电流
AVR系列 2.3～5.5mA
MSP430系列 220～560uA
目前处理器己成功进入低功耗阶段，在一个典型WSN节点中，相对于无线通信模块接收、发送的功耗，MCU模块上的功耗要小得多。无线传感器网络的网络不稳定、不可靠，节点自身硬件能力有限、容易失效或发生故障，信号处理不够精确，加之建模误差、外部噪声扰动性、诸如此类对其主观认知和客观量测处理技术水平及手段的局限性因素，使得无线传感器网络存在着多种与传感测量和信息处理相关的数据不确定性现象。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种降低无线传感器网络节点功耗的方法，旨在降低网络中节点能耗，达到延长网络生命周期的目的，同时也能够为评估网络的有效性提供一定的研究基础。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种降低WSN系统功耗的方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）无线传感器网络的布置：在自然环境中布置网络所需的普通节点和基站节点，实现组网和局域网通信；所述普通节点用于数据采集及数据包的路由转发，所述基站节点用于将普通节点汇聚过来的数据交付上位机使用；
（2）数据包的格式设计：将数据统一按照下表格式封装：
表3数据包封装格式
数据包头类型：按照发送数据包的应用类型，由发送源节点负责对应生产；
目标网络地址：发送目的节点的网络地址；
源网络地址：发送源节点网络地址；
Seq包次序：用于检查是否重复接收同一数据包；
数据属性值i：对应数据属性i的采集值，i＝1,2,3,...,n；所述数据属性指传感器的监测指标，例如温度、压强、湿度等；
（3）无线传感器网络的部分功能初始化：通过上位机向基站节点发送相关数据，用于无线传感器网络的部分功能初始化；所述相关数据包含下表所示的网络应用的数据包头类型与数据属性类型集合的对应列表：
表4数据包头类型-数据属性类型集合的对应列表
其中，PSj表示数据包头类型，j＝1,2,3,...,m；TYi表示数据属性类型，i＝1,2,3,...,n；Sj_TYi表示数据包头类型为PSj的数据包中是否包含有数据属性类型TYi，是数据属性类型TYi在数据包头类型PSj上的映射；
网关节点在无线传感器网络中广播上表，使无线传感器网络中每个节点均含有上表的一个备份，各节点在上表的基础上进行数据包的封装与筛选转发工作；
（4）数据包的过滤筛选：传感数据不确定性反映出对传感数据真实值及其处理的不确定，从所涉及原始传感数据项类不确定性输入到综合性处理信息类输出不确定性，其具体表现形式主要划分如下：①节点故障；②数据项缺失，即不完整数据项或数据项值；③建模误差；④属性数据项冗余，包括空间相关性与时间相关性冗余；⑤属性数据项不一致；⑥全局信息不确定性，包括条件属性融合约简与规则挖掘不确定性；⑦规则潜在性冲突。所有这些不确定性传感数据在发送与接收中将消耗节点的一部分能量。综合上述分析，可以将传感器网络中数据按数据有效性主要分为三种类型：
a.有效数据：数据包格式正确、内容正确、有使用价值的数据；
b.无效数据：数据包格式正确、内容不正确或者没有使用价值的数据；
c.干扰数据：数据包格式不正确的数据；
针对上述三种类型的数据，按如下顺序步骤过滤掉不必要的发送、接收数据，降低节点通信能耗：
（41）检查数据包头字段，若节点无法识别，则直接丢弃该数据包，否则继续；
（42）根据数据包头类型，检查数据属性类型与数据属性值，判断数据属性值与数据属性类型是否一致，若不一致则丢弃该数据包，否则继续；举例来说，若数据属性类型为A，对应的数据类型为a，而实际获得的数据类型为b，那么实际的数据类型与数据属性类型不一致，丢弃该数据；
（43）根据数据包头类型与Seq包次序，判断该数据包是否重复接收，若为重复接收的数据包则丢弃该数据包，否则继续；
（44）根据数据项与数据阈值，判断数据包是否溢出，若溢出则丢弃该数据包，否则发送该数据包。
所述步骤（1）中，利用ZigBee网络技术实现组网和局域网通信；当然也可以利用。
有益效果：本发明提供的降低WSN系统功耗的方法，可以有效的降低网线传感网络中节点的能耗，延长无线传感网络的生命周期。
附图说明
图1为WSN节点主要的4大组成模块；
图2为传感器节点各部分能量消耗情况；
图3为本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
一种降低WSN系统功耗的方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）无线传感器网络的布置：在自然环境中布置网络所需的普通节点和基站节点，利用ZigBee网络技术实现组网和局域网通信；所述普通节点用于数据采集及数据包的路由转发，所述基站节点用于将普通节点汇聚过来的数据交付上位机使用；
（2）数据包的格式设计：将数据统一按照表3格式封装：
数据包头类型：按照发送数据包的应用类型，由发送源节点负责对应生产；
目标网络地址：发送目的节点的网络地址；
源网络地址：发送源节点网络地址；
Seq包次序：用于检查是否重复接收同一数据包；
数据属性值i：对应数据属性i的采集值，i＝1,2,3,...,n；所述数据属性指传感器的监测指标，例如温度、压强、湿度等；
（3）无线传感器网络的部分功能初始化：通过上位机向基站节点发送相关数据，用于无线传感器网络的部分功能初始化；所述相关数据包含表4所示的网络应用的数据包头类型与数据属性类型集合的对应列表：
网关节点在无线传感器网络中广播表4，使无线传感器网络中每个节点均含有表4的一个备份，各节点在表4的基础上进行数据包的封装与筛选转发工作；
对表4进一步说明，若数据包头类型PS1包含有数据属性类型TY1，则映射为S1_TY1，若数据包头类型PS2包含有数据属性类型TY2，则映射为S2_TY2，以此类推；
（4）数据包的过滤筛选：传感数据不确定性反映出对传感数据真实值及其处理的不确定，从所涉及原始传感数据项类不确定性输入到综合性处理信息类输出不确定性，其具体表现形式主要划分如下：①节点故障；②数据项缺失，即不完整数据项或数据项值；③建模误差；④属性数据项冗余，包括空间相关性与时间相关性冗余；⑤属性数据项不一致；⑥全局信息不确定性，包括条件属性融合约简与规则挖掘不确定性；⑦规则潜在性冲突。所有这些不确定性传感数据在发送与接收中将消耗节点的一部分能量。综合上述分析，可以将传感器网络中数据按数据有效性主要分为三种类型：
a.有效数据：数据包格式正确、内容正确、有使用价值的数据；
b.无效数据：数据包格式正确、内容不正确或者没有使用价值的数据；
c.干扰数据：数据包格式不正确的数据；
针对上述三种类型的数据，按如下顺序步骤过滤掉不必要的发送、接收数据，降低节点通信能耗：
（41）检查数据包头字段PSj，对照表4，若表中没有此项，则表示节点无法识别，直接丢弃该数据包，否则继续；
（42）根据表4，检查数据属性类型与数据属性值，若Sj_TYi对应的数据类型为a，而实际获得的数据类型为b，两者不一致，直接丢弃该数据包，若表中属性次序与实际的数据包中属性次序不符，则丢弃该数据包，否则继续；
（43）根据数据包头类型PSj、目标网络地址Addr_dist、源网络地址、Seq包序号，判断该数据包是否重复接收，若为重复接收的数据包则丢弃该数据包，否则继续；为加强网络可靠性，可能需要加入收发确认，不被确认的数据包，需要重复发送，单由于步骤（42）导致丢弃的数据包不做记录对比；
（44）根据数据项与数据阈值，判断数据包是否溢出，若溢作无效数据处理，直接丢弃该数据包，否则发送该数据包。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种降低WSN系统功耗的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)无线传感器网络的布置：在自然环境中布置网络所需的普通节点和基站节点，实现组网和局域网通信；所述普通节点用于数据采集及数据包的路由转发，所述基站节点用于将普通节点汇聚过来的数据交付上位机使用；
(2)数据包的格式设计：将数据统一按照如下表1格式封装：
表1数据包的封装格式
数据包头类型：按照发送数据包的应用类型，由发送源节点负责对应生产；
目标网络地址：发送目的节点的网络地址；
源网络地址：发送源节点网络地址；
Seq包次序：用于检查是否重复接收同一数据包；
数据属性值i：对应数据属性i的采集值，i＝1,2,3,...,n；所述数据属性指传感器的监测指标；
(3)无线传感器网络的部分功能初始化：通过上位机向基站节点发送相关数据，用于无线传感器网络的部分功能初始化；所述相关数据包含如下表2所示的网络应用的数据包头类型与数据属性类型集合的对应列表：
表2网络应用的数据包头类型与数据属性类型集合的对应列表
其中，PSj表示数据包头类型，j＝1,2,3,...,m；TYi表示数据属性类型，i＝1,2,3,...,n；Sj_TYi表示数据包头类型为PSj的数据包中是否包含有数据属性类型TYi，是数据属性类型TYi在数据包头类型PSj上的映射；
网关节点在无线传感器网络中广播表2，使无线传感器网络中每个节点均含有表2的一个备份，各节点在表2的基础上进行数据包的封装与筛选转发工作；
(4)数据包的过滤筛选：按如下顺序步骤过滤掉不必要的发送、接收数据，降低节点通信能耗：
(41)检查数据包头字段，若节点无法识别，则直接丢弃该数据包，否则继续；
(42)根据数据包头类型，检查数据属性类型与数据属性值，判断数据属性值与数据属性类型是否一致，若不一致则丢弃该数据包，否则继续；
(43)根据数据包头类型与Seq包次序，判断该数据包是否重复接收，若为重复接收的数据包则丢弃该数据包，否则继续；
(44)根据数据项与数据阈值，判断数据包是否溢出，若溢出则丢弃该数据包，否则发送该数据包。
2.根据权利要求1所述的降低WSN系统功耗的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，利用ZigBee网络技术实现组网和局域网通信。
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