CN103619033A - 基于贪心路径的移动sink节点数据收集方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种移动sink的WSN和基于贪心路径的移动sink数据收集方法。该WSN包括一个移动sink节点和两个以上的sensor节点；该方法包括：将WSN分成若干大小均衡的簇；移动sink节点确定一条顺序访问各簇头的贪心路径；移动sink以确定的路径重复访问各簇头节点，并收集信号；簇头节点的信号以一跳或多跳方式通过路径中相邻簇头传递至移动sink；在数据收集过程中采用定时器机制避免处理重复数据，降低sensor节点能耗。本发明在减少数据采集的时延同时，均衡网络能耗，延长网络寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)，特别是一种采用移动sink节点的WSN的数据收集方法。
背景技术
典型的WSN主要由大量具有感知能力的传感器节点(sensor)和汇聚节点(sink)构成。sensor通过单跳或多跳的方式传递信息给sink。在sink节点固定的场合，sink节点近端的sensor由于要大量的转发远端sensor的信息，导致能耗远大于远端，形成了“热区”问题，缩短了WSN的寿命。移动sink的引入很好解决了“热区”问题：移动sink在网络控制下，主动地访问sensor节点收集数据，避免了WSN能耗集中在局部区域，均衡了网络的能耗，进而延长网络的寿命。通常移动sink节点按照一定的路径顺序访问各sensor节点，在sensor的通信范围内时，sensor节点将感知信息传给移动sink节点，但当移动sink移动周期较长时，会带来较长的时延，不利于紧急数据的传递。
申请号为201110070863.2，申请日期为2011年3月23日的国内发明专利申请公开了一种混合sink节点WSN及其数据收集方法，采用移动sink结合固定sink节点方式。其中移动sink以能量最佳移动半径在固定圆轨道移动收集数据包，固定sink保证实时数据的传递，对延时容忍型数据,sensor把它暂存其缓存区，之后通过移动sink收集或固定路由发送至固定sink，一定程度上解决了WSN“热区”问题并能满足不同类型的数据传递要求。但由于移动sink节点的覆盖区域有时效性，当WSN内实时数据量较大时，主要还是通过固定路由方式，“热区”问题并没有根本解决。
申请号为201210053320.4，申请日期为2012年3月3日的国内发明专利申请公开了一种移动无线传感器网络sink节点的开发方法。首先对WSN分簇，然后通过最优哈密尔顿算法确定移动sink节点的访问各簇头飞行航迹。簇头节点融合感知节点的数据后暂存，等收到移动sink的收集信号后再将存储数据转发给移动sink，完成数据收集。最优哈密尔顿路径可以保证移动sink访问各簇头的总体代价最低，但完成一次遍历收集需较长时间，对紧急型数据不能保证其实时性要求。
在WSN的实际应用中，有的信息，例如环境监测中传感器周期性上传的监测数据，允许一定程度延迟。而在突发情况下，例如煤矿井下环境监测中，当温度或瓦斯浓度超标时，sensor感知的数据必须尽快上传至监控中心，对数据采集的可靠性和实时性都有严格要求。如何在满足不同类型数据传递需要同时又能均衡网络节点能耗，延长网络寿命是迫切需要研究者解决的新课题。
发明内容
本发明主要针对移动sink采集信号时延较大的问题，提出一种基于移动sink贪心路径的WSN数据采集方法，在减少数据采集的时延同时，均衡网络能耗，延长网络寿命。
为了避免固定sink导致的“热区”问题，本发明采用一个移动sink节点和多个sensor的组织方式；假设sensor均匀分布在所述WSN范围内,每个sensor节点已经通过定位技术事先确定了自己的位置信息，而且可以根据通信距离大小动态调整自己的通信半径，移动sink节点的能量不受限制，并且可以实时按照预设的路径移动，不断收集sensor的信号,每个sensor有唯一的标识ID。
WSN事先分成若干簇，簇内节点将感知到的信号发给簇头节点，后者把收到信号融合处理后通过一跳或多跳方式,按照预设的路径发送给移动sink节点。移动sink节点在采集过程中以贪心路径依次访问各簇头节点并收集数据。具体步骤为：
步骤1：首先将WSN分成若干大小均衡的簇。
步骤2：移动sink节点确定一条顺序访问各簇头的贪心路径。
步骤3：移动sink节点将路径信息在WSN中广播，每个簇头确定路径中自己的相邻簇头集合，分别作为前驱集合和后继集合，并确定自己和相邻簇头的通信半径。
步骤4：移动sink以确定的路径重复访问各簇头节点，并收集信号。
步骤5：簇头节点的信号以一跳或多跳方式通过路径中相邻簇头传递至移动sink。
作为本发明的一种优选方案，步骤1中的分簇，WSN可以采用HEED或基于voronoi图等均衡的分簇方法，得到簇节点数目比较接近的分簇。各簇头节点的位置信息通过洪泛广播方式告诉移动sink节点，这样任意两个簇头之间距离可以确定，移动sink节点最终得到一个由各簇头和簇头之间边组成的无向完全连通图G。
作为本发明的另一种优选方案，步骤2中移动sink节点确定贪心路径的过程为：
步骤201：初始化路径队列S为空；
步骤201：选择G中一个最短边，分别把两个簇头（队头和队尾）加入路径队列S；
步骤202：在图G中选择一个簇头o，且o距离对头或者队尾簇头最近，如果o距离原队头更近，把o插入队头之前成为新队头；否则插入队尾成为新队尾；如果有多个簇头距离对头和队尾距离相同，则可以任取一个作为新队头。
步骤203：重复步骤202，直到所有簇头都在路径队列S中为止。
作为本发明的再一种优选方案，步骤3中移动sink节点将队列S在网络中广播，其广播范围可以覆盖整个WSN，每个簇头节点收到队列S信息后，确定路径中自己的前驱和后继簇头集合，并分别根据自己到前驱、后继两个簇头的距离确定相应通信半径R1，R2。队头和队尾簇头分别只确定通信半径R2和R1。
作为本发明的再一种优选方案，为了减少移动sink节点的移动时延，步骤4中移动sink节点按路径S序列访问完队尾簇头后立即按原路返回，即以S序列的反序访问簇头，以此方式不断循环访问队列中的簇头，完成数据的收集。
作为本发明的再一种优选方案，在步骤5中，为了实现消息转发，在消息中加入源簇头ID和转发簇头ID两个字段，分别表示消息源簇头标识和上一跳簇头标识。源簇头收到本簇节点感知的信号后，分别在源簇头ID和转发簇头ID加入自己的ID，再以通信半径R1,R2的较大者对邻居簇头广播，让消息沿路径S向两端传递，尽快到达移动sink节点。
作为本发明的再一种优选方案，收到信息的簇头通过消息的转发簇头ID确定消息的来源，如果消息来至前驱集合，则以R2发送至后继簇头，否则以R1发送至前驱簇头。而路径S序列中两端的簇头（队头和队尾）收到信号直接丢弃。
作为本发明的再一种优选方案,为了避免重复信息，减小能耗，移动sink对每个簇头分别设定相应定时器T，收到某个源簇头的消息后启动相应定时器T，在T时间内不再处理具有相同源簇头ID的重复消息。
作为本发明的再一种优选方案，移动sink节点收到消息后马上发出广播，通知让相关簇头在T时间内不再传递消息源ID标识的消息。
作为本发明的再一种优选方案，当某个簇头节点能量低于某个门限值，启动簇头选举轮换，原簇头将新簇头的信息(ID，位置)等广播给邻居簇头，通知它们修改自身的前驱后继和相应通信半径等信息。广播的消息同样通过在路径S中双向传递至移动sink，后者修改路径序列并设定新簇头的定时器，以新路径序列继续访问收集数据。
如上所述，本发明中所述的贪心路径数据采集方法，具有以下有益效果：
本发明在均衡分簇基础上采用移动sink在贪心路径往复移动的方式，同时簇头节点采用双向传递方式传递信号，最大程度减少了数据的延迟，避免了固定sink引起的“热区”效应，均衡了网络能耗，延长网络寿命。
附图说明
图1为本发明中移动sink节点确定的贪心路径及sink节点移动示意图。
图2为贪心路径确定流程图。
图3为移动sink节点收到消息后的处理流程图。
图4为簇头节点收到转发消息后的处理流程图。
具体实施方式
以下结合说明书附图及具体实施例进一步说明本发明的技术方案。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本发明还可以通过其它不同的实例实施方式进行应用。
图1表示本发明中移动sink节点的贪心路径示意图，其中●表示簇头节点，◎表示移动sink节点，○表示一般sensor节点，所述贪心路径即为从队头簇头到队尾簇头的簇头节点序列，移动sink节点不断在队头和队尾之间往复移动，并接受簇头节点发送的消息，数据源簇头节点发送数据前，首先确定和相邻节点的通信半径，其中和前驱簇头的通信半径记为R1，和后继簇头节点的通信半径记为R2，源簇头节点以R1，R2较大者发送，确保消息可以分别从前驱、后继簇头向两端传递，尽快让移动sink节点接收。
本发明中移动sink节点事先部署在WSN网络的中心位置，分簇完成后，各个簇头节点通过洪泛方式广播自己ID和位置信息，具体方式如下：每个簇头节点在含有自身信息的帧上设定最大转发次数M，然后广播。收到转发帧的簇头节点将M减1，当M为零时停止转发，否则继续转发，如果收到ID重复的转发帧直接丢弃。经过洪泛广播后，移动sink节点获得所有簇头的位置和ID，形成无向完全连通图G，然后根据步骤2确定访问各簇头的贪心路径。最大转发次数M值与WSN规模及节点通信半径有关，可以事先测定。
图2表示移动节点生成贪心路径的流程图，本实施例中，具体包含以下步骤：
步骤S21：移动节点创建并初始化队列S为空；
步骤S22：选择无向图G中的最距离短边，分别将其顶点对应的两个簇头插入队列；
步骤S23：分别在图G中寻找距离队列中队头或者队尾最近的顶点A，如果其距离队头最近转步骤S24，否则转S25；
步骤S25：将A插入队列头成为新队头；
步骤S26：将A插入队列尾成为新队尾；
步骤S27：判断如果图G所有顶点都在队列中，结束；否则转步骤S23。
以上步骤得到的路径序列中，队头和队尾两簇头的实际距离可能较远，为了减少移动时延，移动sink节点按路径S序列访问完队尾簇头后立即以路径S序列的反序返回，以此方式不断循环访问队列中的簇头。
移动sink在移动过程中，如果收到簇头发送的消息，sink节点从消息中获得消息的源簇头ID，并广播通知其他簇头一段时间内停止转发指定源簇头ID的消息。如图1所示，由于贪心路径的不规则性，当簇头X把消息转发给前驱W时，簇头R也在其通信范围内，R转发的消息可能会先到达sink节点，sink以后收到重复源簇头ID的消息直接丢弃。而簇头S收到移动sink的通知后不再处理簇头X通过簇头T、U、V的转发来的消息。
图3表示移动sink节点收到消息后的处理流程图，具体包含以下步骤：
步骤S31：移动sink节点获得消息源簇头ID；
步骤S32：判断之前是否收到过该源簇头ID的消息，如果收到过转步骤S33；否则转步骤S34；
步骤S33：判断本次收到的消息是否在定时器T时间以内，如果是则结束；否则转步骤S34；
步骤S34：移动sink节点启动定时器T并发出广播，通知所有簇头在时段T内停止转发该源簇头ID的消息，结束。
移动sink的广播帧内含有收到消息的源簇头ID、时段T长度、T的起始时间，移动sink把时段T以内的收到消息视为重复消息，之后则为簇头产生的新消息。时段T的长度与WSN规模、簇头数量、sink移动速度有关。
图4表示簇头节点收到转发消息后的处理流程图，具体包含以下步骤：
步骤S41：如果本簇头是路径中队头或队尾簇头，结束；否则转步骤S42；
步骤S42：簇头节点获得消息的源簇头ID；
步骤S43：如果已收到移动sink通知停止转发对应源簇头ID的消息，转步骤S44；否则转步骤S45：
步骤S44：如果收到移动sink的停止转发消息在时段T内，结束；否则转步骤S45；
步骤S45：获得消息的转发ID，并将转发ID字段修改为簇头节点自身ID；
步骤S46：如果消息的转发ID来自前驱集合，用通信半径R2传给后继簇头，结束；否则转步骤S47：
步骤S47：用通信半径R1传给前驱簇头，结束。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非限制本发明的专利范围，凡利用本发明说明书及附图所做的等效结构或者流程变换，均包括在本发明的保护范围内。
Claims (11)
1.一种基于移动sink节点贪心路径的WSN数据采集方法,采用一个移动sink节点和多个sensor的组织方式，其特征在于，sensor均匀分布在所述WSN范围内；
所述移动sink节点按照预设的路径移动，不断收集sensor的信号；
所述sensor节点通过簇头一跳或多跳的方式，按照预设的路径发给所述移动sink节点。
2.根据权利要求1所述基于移动sink节点贪心路径的WSN数据采集方法，其特征在于，所述移动sink节点在采集过程中以贪心路径依次访问各簇头节点并收集数据。所述方法具体步骤为：
将所述WSN分成若干大小均衡的簇；
所述移动sink节点确定一条顺序访问各簇头的贪心路径；
所述移动sink节点将路径信息在所述WSN中广播，每个簇头确定路径中自己的相邻簇头集合，分别作为前驱集合和后继集合，并确定自己和相邻簇头的通信半径；
所述移动sink以确定的路径重复访问各簇头节点，并收集信号；
簇头节点的信号以一跳或多跳方式通过路径中相邻簇头传递至所述移动sink。
3.根据权利要求1或2所述的WSN，其特征在于，所述WSN采用HEED或基于voronoi图等均衡的分簇方法，得到簇节点数目比较接近的分簇；各簇头节点的位置信息通过洪泛广播方式告诉所述移动sink节点，所述移动sink节点最终得到一个由各簇头和簇头之间边组成的无向完全连通图G。
4.根据权利要求2所述的基于移动sink节点贪心路径的WSN数据采集方法，其特征在于，所述移动sink节点确定贪心路径的步骤为：
初始化路径队列S为空；
选择无向完全连通图G中一个最短边，分别把两个簇头（队头和队尾）加入路径队列S；
在图G中选择一个簇头o，且o距离对头或者队尾簇头最近，如果o距离原队头更近，把o插入队头之前成为新队头；否则插入队尾成为新队尾；如果有多个簇头距离对头和队尾距离相同，则可以任取一个作为新队头；
重复上一步骤，直到所有簇头都在路径队列S中为止。
5.根据权利要求2所述的基于移动sink节点贪心路径的WSN数据采集方法，其特征在于，所述移动sink节点确定贪心队列S以后将队列S在网络中广播，其广播范围可以覆盖整个WSN，每个簇头节点收到队列S信息后，确定路径中自己的前驱和后继簇头集合，并分别根据自己到前驱、后继两个簇头的距离确定相应通信半径R1，R2。队头和队尾簇头分别只确定通信半径R2和R1。
6.根据权利要求2所述的基于移动sink节点贪心路径的WSN数据采集方法，其特征在于，所述移动sink节点按路径S序列访问完队尾簇头后立即以S序列的反序返回访问簇头，以此方式不断循环访问队列中的簇头，完成数据的收集。
7.根据权利要求2所述的基于移动sink节点贪心路径的WSN数据采集方法，其特征在于，所述传递的消息中包括源簇头ID和转发簇头ID两个字段，分别表示消息源簇头标识和上一跳簇头标识。源簇头收到本簇节点感知的信号后，分别在源簇头ID和转发簇头ID加入自己的ID，再以通信半径R1,R2的较大者对邻居簇头广播，让消息沿路径S向两端传递，尽快到达移动sink节点。
8.根据权利要求2所述的基于移动sink节点贪心路径的WSN数据采集方法，其特征在于，收到信息的簇头通过消息的转发簇头ID确定消息的来源，如果消息来至前驱集合，则以R2发送至后继簇头，否则以R1发送至前驱簇头。而路径S序列中两端的簇头（队头和队尾）收到信号直接丢弃。
9.根据权利要求2所述的基于移动sink节点贪心路径的WSN数据采集方法，其特征在于，所述移动sink对每个簇头分别设定相应定时器T，收到某个源簇头的消息后启动相应定时器T，在T时间内不再处理具有相同源簇头ID的重复消息。
10.根据权利要求2所述的基于移动sink节点贪心路径的WSN数据采集方法，其特征在于，所述移动sink节点收到消息后马上发出广播，通知相关簇头在时间T内不再传递消息源ID标识的消息。
11.根据权利要求2所述的基于移动sink节点贪心路径的WSN数据采集方法，其特征在于，当某个簇头节点能量低于某个门限值，启动簇头选举轮换，原簇头将新簇头的信息(ID，位置)等广播给邻居簇头，通知它们修改自身的前驱后继和相应通信半径等信息。广播的消息同样通过在路径S中双向传递至所述移动sink，后者修改路径序列并设定新簇头的定时器，以新路径序列继续访问收集数据。
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| Verma et al. | A method for improving data delivery efficiency in vehicular adhoc networks | |
| Oh et al. | An opportunistic routing for real-time data in Wireless Sensor Networks |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20140305 |