CN103826265A - 一种基于数据流划分的无线传感器网络节能方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数据流划分的能量均衡的节能方法。为了解决具有时延限制的无线传感器网络节能问题，对节点能耗和数据传输时延有效地均衡。在不需要收发数据时将数据收发模块关闭，使其避免长时间处于等待状态，从而大量减少电池能源消耗；在需要数据收发时，传感节点根据不同链路下一跳节点的使用情况，设置相应的链路权值，将数据流按权值划分进入对应的链路，从而使得数据经过不同链路的节点到达汇聚节点，避免传感器节点因转发大量的数据而消耗过多的能量，使各节点的能量消耗达到平衡。既大量减少了数据收发模块的耗能时间，也均衡了各节点的能量消耗，从而达到了节约无线传感器节点能源的目的。

Description

一种基于数据流划分的无线传感器网络节能方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络能量管理领域，特别是涉及一种基于数据流划分的能量均衡的节能方法。

背景技术

无线传感器网络作为一种新型的信息获取和处理技术，因此自身的特点以及广泛的应用前景，在最近几年受到广泛的关注。可生存性是无线传感器网络首先要考虑的基本问题之一。无线传感器网络一般要维持较长的生命周期，而传感节点大多由能量十分有限的电池供电，且数量多、分布区域较广、所处环境十分复杂，因此，通过更换电池的方式来补充能量是不现实的。目前，采用有效的节能策略降低节点的能耗，以延长网络的生命周期是无线传感器网络研究领域中的热点问题。

在无线传感器节点的能源消耗中，数据计算处理所使用的能量很少，绝大部分的能源消耗在传感器节点数据收发模块的数据接收与发送工作上。数据收发模块在通电后，收发数据状态和等待状态所消耗的能量大致相同，所以传感器节点的节能关键问题在于使数据收发模块降低能耗，在不需要收发数据时将数据收发模块关闭，使其避免长时间处于等待状态，从而大量减少电池能源消耗。从目前的技术角度看，因为无线传输受信道、功率、信号强度等多方面因素的影响，单纯的降低数据收发所消耗的能源量，而不影响传输信号的强度和传输质量是不现实的。

现有技术方案中，文献[林闯，田源，姚敏.绿色网络和绿色评价：节能机制、模型和评价.计算机学报，2011，34(4)：593～612]研究了下一代网络中的实时Quality of Service(QoS)保障方法，提出概率可调度性的新概念，刻画某些弹性实时应用对QoS延时要求，通过研究某一时间间隔到达网络系统的累积分组的最坏情况延时，测试其是否满足相应的概率可调度性条件来实现实时QoS保证性能评价。文献[王高才，李伟，赖明星.基于分组可调度性的实时QoS保证性能评价.计算机学报，2010，33(9)：1653～1662]将能量看成一种系统资源，从资源分配和任务管理角度对绿色网络的机制和策略进行了综述，提出了基于随机模型的绿色评价框架，为构建绿色网络和节能机制的评价体系奠定了基础。文献[Chen Li，Li Yu.End-to-End Delay Bound Analysis in MultimediaSensor Network using Stochastic Network Calculus.In：Proceedings of thel the IEEE International Conference on Communications，Beijing，China，2012，126～131]利用随机网络演算理论分析多媒体传感器网络端到端延时上界。文献[刘安丰，段晴，任君，陈志刚.无线传感器网络通信性能确定上界研究.小型微型计算机系统，2011，32(10)：1959～1966]利用网络演算理论对无线传感器网络为保证实时数据优先的数据转发调度策略进行了性能分析与评价，建立了基于网络演算的通信流的端到端延时框架，研究通信流的最坏时延。文献[陈昕，张磊，向旭东，万剑雄.基于随机网络演算的LTE网络端到端时延分析.计算机学报，2012，35(1)：46～52]利用随机网络演算对LTE网络中不同数据流的到达和服务进行建模，建立了对LTE网络数据传输时端到端的时延分析框架。文献[Yao Min，Lin Chuang，Tian Yuan.Energy and DelayMinimization in Cluster-Based Wireless Sensor Networks.In：Proceedingsof the IEEE International Conference on Green Computing andCommunications，Besancon，France，2012，588～594]在基于簇的网络中，研究聚集流的能量消耗和服务质量的关系，在减少能量消耗的同时，保证数据流的服务质量。文献[Gu Yu，He Tian.Bounding Communication Delay in EnergyHarvesting Sensor Networks.In：Proceedings of the30the InternationalConference on Distributed Computing Systems，Genova，Italy，2010，837～847]考虑了能量自采集的低占空比的无线传感器网络，通过改变节点调度表的方案来提供通信时延保障。然而在上述现有技术中，考虑到网络能量节约和各节点能量均衡的文献相对较少，大部分的研究都侧重于节约网络能耗，并评估其在最坏情况下的性能，忽视了整个网络的能量均衡，致使能量消耗较多的节点提前失效，而影响网络的整体性能。

综上，如何避免传感器节点因转发大量的数据而消耗过多的能量，使各节点的能量消耗达到平衡，提高网络的整体性能是当前迫切需要解决的技术问题。

发明内容

本发明主要解决具有时延限制的无线传感器网络节能问题，对节点能耗和数据传输时延有效地均衡。针对采用睡眠-唤醒节能机制的无线传感器网络，根据网络各链路所配置的权值，对进入传感节点的数据流进行划分，从而使得数据经过不同链路的节点到达汇聚节点，避免传感器节点因转发大量的数据而消耗过多的能量，使各节点的能量消耗达到平衡。另一方面，根据通信流的到达以及节点为数据流提供的服务保障模型，建立基于网络演算理论的端到端时延分析框架。传感节点根据其活动时间以及链路可接受的最大容量为数据流提供基于Rate-Latency模型的服务保障。数值分析结果表明在满足时延限制的前提下，调节传感节点的占空比可使节点的能量消耗达到最小，延长传感网络的生命周期。

根据本发明的一种实施方式，公开了一种无线传感器节点基于数据流划分的节能方法，该方法包括：

S1、初始化无线传感器节点，设定无线传感器节点的数据收发模块定时器值和各项数据的触发阀值；

S2、无线传感器节点判断当前是否有数据达到所述触发阀值；是，执行步骤S3；否，执行步骤S4；

S3、无线传感器节点停止定时器等待，立即启动数据收发模块进行数据收发；并根据不同链路下一跳节点的使用情况，设置相应的链路权值，将数据流按权值划分进入对应的链路；

S4、无线传感器节点处于判断等待状态；

S5、数据收发结束，重新设定据收发模块定时器值和各项数据的触发阀值，关闭数据收发模块。

根据本发明的一个优选实施方式，所述步骤S1具体包括：

S11、无线传感器节点加电进行自检测，设定数据收发模块定时器初始值，同时设定各项数据的触发阀值为空；数据处理模块生成初始报文，启动数据收发模块，通过网关向服务器发送加入系统信息；

S12、服务器同意传感器节点加入，将确认加入信息通过网关发送给传感器节点；

S13、数据收发模块接收到确认加入信息，向网关广播所述初始报文，网关接收所述初始报文并转发服务器；

S14、服务器收到所述初始报文，通过网关向数据收发模块发送控制报文；

S15、数据收发模块接收到所述控制报文，重新设定数据收发模块定时器值和各项数据的触发阀值，关闭数据收发模块。

根据本发明的一个优选实施方式，步骤S3中所述无线传感器节点启动数据收发模块以及链路权值设置进行流划分具体包括：

S31、关闭定时器，停止其等待状态，所述无线传感器节点启动数据收发模块，通过网关向服务器发送数据收发模块激活信息，告知服务器目前标识为ID的无线传感器节点需要发送已达到触发阀值的数据，并等待服务器通过网关转发的确认报文；若间隔5秒没有收到来自服务器的确认报文，则传感节点再次通过网关向服务器发送数据收发模块激活信息；

S32、所述无线传感器节点收到步骤531中的确认报文后，无线传感器节点根据不同链路下一跳节点的使用情况，设置相应的链路权值，并将设置的信息通过网关转发给服务器；若间隔5秒没有收到来自服务器的确认设置信息，则传感节点再次通过网关向服务器发送链路设置信息；

S33、服务器收到传感节点设置的权值信息后，将确认设置信息通过网关发送给传感器节点；

S34、传感器节点中的数据收发模块将收集的数据根据链路的权值划分以报文的形式发送至相应的链路。

根据本发明的另一个优选实施方式，步骤S32中无线传感器节点根据不同链路下一跳节点的使用情况，设置相应的链路权值具体实现方式如下：

S321、传感器节点基于网络链路中的特征参数L(e(i，j))、P(e(i，j))、T(e(i，j))、V(e(i，j))，对每条网络链路赋予一定的选择权值S(e(i，j))，其中 $S\left(e(i,j)\right)=\frac{d*V\left(e(i,j)\right)}{a*L\left(e(i,j)\right)+b*P\left(e(i,j)\right)+c*T*\left(e(i,j)\right)},$ 其中e(i，j)表示传感器节点i和多个下一跳节点j之间的网络链路，L(e(i，j))、P(e(i，j))、T(e(i，j))、V(e(i，j))分别表示链路e(i，j)的业务负荷、功率消耗、时延和传输速率，满足L(e(i，j))∈R，P(e(i，j))∈R，T(e(i，j))∈R，V(e(i，j))∈R，a，b，c，d为各参数在链路权值的比例因子，满足a+b+c+d=1；

S322、根据上述计算的各个链路的权值S，建立一个基于各链路e(i，j)的映射表M，所述映射表记录了传感器节点和各个下一跳节点之间链路的权值的对应关系；

S323、所述传感器节点向各个下一跳节点发送侦测数据包，每次选择权值最高的下一跳节点作为转发数据的下一跳节点，若权值最高的下一跳节点拒绝接收数据包，则选择权值次高的下一跳节点作为转发数据的下一跳节点，依次确定可以参与转发数据的所有下一跳节点；

S324、更新上述映射表M，保留可以转发数据的下一跳节点对应的链路及其权值。

根据本发明的一个优选实施方式，所述步骤S5具体包括：

无线传感器节点数据转发完毕，通过网关向服务器发送数据收发模块状态报文，服务器收到传感节点发来的状态报文以后，重新设定数据收发模块定时器值和各项数据的阀值，并发送新的控制报文，其包括：收发模式新的各项数据的触发阀值以及关闭指令；若间隔10秒没有收到来自服务器的控制报文，则传感节点再次通过网关向服务器发送2次状态报文。

有益效果

本发明在单位时间内数据收发模块耗能一定的前提下，通过更合理的方式分配数据收发模块的工作时间，此外，传感节点根据不同链路下一跳节点的使用情况，设置相应的链路权值，将数据流按权值划分进入对应的链路实现能源的节约和各节点能量的均衡。在不需要收发数据时将数据收发模块关闭，使其避免长时间处于等待状态，从而大量减少电池能源消耗；在需要数据收发时，传感节点根据不同链路下一跳节点的使用情况，设置相应的链路权值，将数据流按权值划分进入对应的链路，从而使得数据经过不同链路的节点到达汇聚节点，避免传感器节点因转发大量的数据而消耗过多的能量，使各节点的能量消耗达到平衡。既大量减少了数据收发模块的耗能时间，也均衡了各节点的能量消耗，从而达到了节约无线传感器节点能源的目的。

附图说明

附图1示出了根据本发明的一种实施方式的基于数据流划分的无线传感器网络节能方法的流程图；

附图2示出了根据本发明的一种实施方式的数据流划分流程图；

附图3示出了根据本发明的一种实施方式的设置转发链路权值的流程图。

具体实施方式

本发明提供一种无线传感器节点基于数据流划分的节能方法，如附图1所示，该方法包括：

S1、初始化无线传感器节点，设定无线传感器节点的数据收发模块定时器值和各项数据的触发阀值；

S2、无线传感器节点判断当前是否有数据达到所述触发阀值；是，执行步骤S3；否，执行步骤S4；

S3、无线传感器节点停止定时器等待，立即启动数据收发模块进行数据收发；并根据不同链路下一跳节点的使用情况，设置相应的链路权值，将数据流按权值划分进入对应的链路；

S4、无线传感器节点处于判断等待状态；

S5、数据收发结束，重新设定据收发模块定时器值和各项数据的触发阀值，关闭数据收发模块。

优选的，所述步骤S1具体包括：

S11、无线传感器节点加电进行自检测，设定数据收发模块定时器初始值，同时设定各项数据的触发阀值为空；数据处理模块生成初始报文，启动数据收发模块，通过网关向服务器发送加入系统信息；

S12、服务器同意传感器节点加入，将确认加入信息通过网关发送给传感器节点；

S13、数据收发模块接收到确认加入信息，向网关广播所述初始报文，网关接收所述初始报文并转发服务器；

S14、服务器收到所述初始报文，通过网关向数据收发模块发送控制报文；

S15、数据收发模块接收到所述控制报文，重新设定数据收发模块定时器值和各项数据的触发阀值，关闭数据收发模块。

优选的，如附图2所示，步骤S3中所述无线传感器节点启动数据收发模块以及链路权值设置进行流划分具体包括：

S31、关闭定时器，停止其等待状态，所述无线传感器节点启动数据收发模块，通过网关向服务器发送数据收发模块激活信息，告知服务器目前标识为ID的无线传感器节点需要发送已达到触发阀值的数据，并等待服务器通过网关转发的确认报文；若间隔5秒没有收到来自服务器的确认报文，则传感节点再次通过网关向服务器发送数据收发模块激活信息；

S32、所述无线传感器节点收到步骤S31中的确认报文后，无线传感器节点根据不同链路下一跳节点的使用情况，设置相应的链路权值，并将设置的信息通过网关转发给服务器；若间隔5秒没有收到来自服务器的确认设置信息，则传感节点再次通过网关向服务器发送链路设置信息；

S33、服务器收到传感节点设置的权值信息后，将确认设置信息通过网关发送给传感器节点；

S34、传感器节点中的数据收发模块将收集的数据根据链路的权值划分以报文的形式发送至相应的链路。

优选的，如附图3所示，所述步骤S32中无线传感器节点根据不同链路下一跳节点的使用情况，设置相应的链路权值具体实现方式如下：

S321、传感器节点基于网络链路中的特征参数一业务负荷L、功率消耗P、时延T和传输速率V，对每条网络链路赋予一定的选择权值S；

其中，以e(i，j)表示传感器节点i和多个下一跳节点j之间的网络链路，则，上述特征参数表示为L(e(i，j))、P(e(i，j))、T(e(i，j))、V(e(i，j))，满足L(e(i，j))∈R，P(e(i，j))∈R，T(e(i，j))∈R，V(e(i，j))∈R，上述参数可以根据现有技术中的测定方式预先测定或者通过发送侦测信号的方式测定，所述路径选择权值为：

$S\left(e(i,j)\right)=\frac{d*V\left(e(i,j)\right)}{a*L\left(e(i,j)\right)+b*P\left(e(i,j)\right)+c*T*\left(e(i,j)\right)}---\left(1\right)$

其中a，b，c，d为各参数在链路权值的比例因子，满足a+b+c+d=1，a，b，c，d的取值可以根据经验或通过发送侦测信号预先设定；

S322、根据上述计算的各个链路的权值S，建立一个基于各链路e(i，j)的映射表M，所述映射表记录了传感器节点和各个下一跳节点之间链路的权值的对应关系；

S323、所述传感器节点向各个下一跳节点发送侦测数据包，每次选择权值最高的下一跳节点作为转发数据的下一跳节点，若权值最高的下一跳节点拒绝接收数据包，则选择权值次高的下一跳节点作为转发数据的下一跳节点，依次确定可以参与转发数据的所有下一跳节点；

S324、更新上述映射表M，保留可以转发数据的下一跳节点对应的链路及其权值。

如本领域技术人员所明了的，上述链路权值的确定方式只是一种优选方式，不能理解为对本申请技术方案的唯一限定。

优选方式继续参考附图2，所述步骤S5具体包括：无线传感器节点数据转发完毕，通过网关向服务器发送数据收发模块状态报文，服务器收到传感节点发来的状态报文以后，重新设定数据收发模块定时器值和各项数据的阀值，并发送新的控制报文，其包括：收发模式新的各项数据的触发阀值以及关闭指令；若间隔10秒没有收到来自服务器的控制报文，则传感节点再次通过网关向服务器发送2次状态报文。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于数据流划分的无线传感器网络节能方法，该方法包括：

S1、初始化无线传感器节点，设定无线传感器节点的数据收发模块定时器值和各项数据的触发阀值；

S2、无线传感器节点判断当前是否有数据达到所述触发阀值；是，执行步骤S3；否，执行步骤S4；

S3、无线传感器节点停止定时器等待，立即启动数据收发模块进行数据收发；并根据不同链路下一跳节点的使用情况，设置相应的链路权值，将数据流按权值划分进入对应的链路；

S4、无线传感器节点处于判断等待状态；

S5、数据收发结束，重新设定据收发模块定时器值和各项数据的触发阀值，关闭数据收发模块。

2.根据权利要求1所述的无线传感器节点基于数据流划分的节能方法，所述步骤S1具体包括：

S11、无线传感器节点加电进行自检测，设定数据收发模块定时器初始值，同时设定各项数据的触发阀值为空；数据处理模块生成初始报文，启动数据收发模块，通过网关向服务器发送加入系统信息；

S12、服务器同意传感器节点加入，将确认加入信息通过网关发送给传感器节点；

S13、数据收发模块接收到确认加入信息，向网关广播所述初始报文，网关接收所述初始报文并转发服务器；

S14、服务器收到所述初始报文，通过网关向数据收发模块发送控制报文；

S15、数据收发模块接收到所述控制报文，重新设定数据收发模块定时器值和各项数据的触发阀值，关闭数据收发模块。

3.根据权利要求1所述的无线传感器节点基于数据流划分的节能方法，步骤S3中所述无线传感器节点启动数据收发模块以及链路权值设置进行流划分具体包括：

S31、关闭定时器，停止其等待状态，所述无线传感器节点启动数据收发模块，通过网关向服务器发送数据收发模块激活信息，告知服务器目前标识为ID的无线传感器节点需要发送已达到触发阀值的数据，并等待服务器通过网关转发的确认报文；若间隔5秒没有收到来自服务器的确认报文，则传感节点再次通过网关向服务器发送数据收发模块激活信息；

S32、所述无线传感器节点收到步骤S31中的确认报文后，无线传感器节点根据不同链路下一跳节点的使用情况，设置相应的链路权值，并将设置的信息通过网关转发给服务器；若间隔5秒没有收到来自服务器的确认设置信息，则传感节点再次通过网关向服务器发送链路设置信息；

S33、服务器收到传感节点设置的权值信息后，将确认设置信息通过网关发送给传感器节点；

S34、传感器节点中的数据收发模块将收集的数据根据链路的权值划分以报文的形式发送至相应的链路。

4.根据权利要求3所述的无线传感器节点基于数据流划分的节能方法，步骤S32中无线传感器节点根据不同链路下一跳节点的使用情况，设置相应的链路权值具体实现方式如下：

S321、传感器节点基于网络链路中的特征参数L(e(i，j))、P(e(i，j))、T(e(i，j))、V(e(i，j))，对每条网络链路赋予一定的选择权值S(e(i，j))，其中 $S\left(e(i,j)\right)=\frac{d*V\left(e(i,j)\right)}{a*L\left(e(i,j)\right)+b*P\left(e(i,j)\right)+c*T*\left(e(i,j)\right)},$ 其中e(i，j)表示传感器节点i和多个下一跳节点j之间的网络链路，L(e(i，j))、P(e(i，j))、T(e(i，j))、V(e(i，j))分别表示链路e(i，j)的业务负荷、功率消耗、时延和传输速率，满足L(e(i，j))∈R，P(e(i，j))∈R，T(e(i，j))∈R，V(e(i，j))∈R，a，b，c，d为各参数在链路权值的比例因子，满足a+b+c+d=1；

S322、根据上述计算的各个链路的权值S，建立一个基于各链路e(i，j)的映射表M，所述映射表记录了传感器节点和各个下一跳节点之间链路的权值的对应关系；

S323、所述传感器节点向各个下一跳节点发送侦测数据包，每次选择权值最高的下一跳节点作为转发数据的下一跳节点，若权值最高的下一跳节点拒绝接收数据包，则选择权值次高的下一跳节点作为转发数据的下一跳节点，依次确定可以参与转发数据的所有下一跳节点；

S324、更新上述映射表M，保留可以转发数据的下一跳节点对应的链路及其权值。

5.根据权利要求1所述的无线传感器节点基于数据流划分的节能方法，所述步骤S5具体包括：

无线传感器节点数据转发完毕，通过网关向服务器发送数据收发模块状态报文，服务器收到传感节点发来的状态报文以后，重新设定数据收发模块定时器值和各项数据的阀值，并发送新的控制报文，其包括：收发模式新的各项数据的触发阀值以及关闭指令；若间隔10秒没有收到来自服务器的控制报文，则传感节点再次通过网关向服务器发送2次状态报文。

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