CN106304185A - 一种基于传感节点能量获取的电力物联网路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于传感节点能量获取的电力物联网路由方法，包括步骤：(l)节点接收基站广播的上一轮节点的电池电量以及能源获取状态；(2)判断网络节点处于哪种工作状态；(3)确定无线传输半径，调节网络的发射功率；(4)计算组网，选择簇首阈值；(5)数据传输开始，(6)簇首节点将融合后数据传递到基站；(7)基站接收到全网数据,根据传来数据包中的节点剩余能耗和存储能量信息计算这一轮的节点平均能耗值和储能值。本发明方法根据节点的能量以及能源获取的情况，自动判断节点自身状态，选择不同的工作模式，节约能量的同时增加了网络的生存能力、工作效率和鲁棒性。

Description

一种基于传感节点能量获取的电力物联网路由方法

技术领域

本发明属于物联网技术领域，特别是一种基于传感节点能量获取的电力物联网路由方法。

背景技术

电力物联网与传统的物联网一样，在应用过程中，能源需求受到严格限制。物联网节点的能源供给将决定整个网络的生命周期。传统的电力物联网节点采用电池供电,但是更换电池因受成本或工作环境限制而不可能或得不偿失。若节点能自动补给能量,则可缓解无线传感器网络终端节点节能与性能之间的矛盾,有利于满足应用需求。因此,节点自主从环境采集能量实现电能补给已成为提高无线传感器网络性能、延长生命周期的必要和有效途径。在人们研究利用采能技术开发的光、热、风和机械运动等环境能源中,太阳能和机械振动式无线传感器网络一般应用环境中普遍存在的。能充分、适时地将具有环境能量采集的节点从环境获得的能量在通信等耗能环节加以有效利用并转化为无线传感器网络的性能改善,结合节点能量采集技术来研究有能量与采集感知的无线传感器网络的分簇路由问题,将会取得更高的能效和收益。

太阳能技术目前相对成熟,但太阳能电池能否取代无线传感器网络节点的化学电池还取决于光照强度和采光面积。太阳能技术在具体环境中的时空局限和节点全天候的使用需求使太阳能只宜作为辅助能源,不可完全取代电池。太阳能的能量供给特点是：同一天中,夜间无太阳光照,无能量补给,正午左右太阳光照最强,能量补给率达到最大,从日出到正午到日落,太阳能补给随时间的变化为上升到达一天中最大值持续一段时间再下降；同一时间,不同位置的节点由于可能受到遮蔽、太阳入射角不同等外界因素影响,采光率会不同。

振动也是环境中普遍存在的一种现象,它并没有像太阳能那样充足,且受地理位置影响随机性大。因此路由算法的设计应考虑让得到能量补给的节点尽可能多的充当簇首,充分利用补给的能量,充分考虑太阳能和振动能的不同特性，同时也要达到全网节点能耗均衡且能效显著的目的。

振动能的能量供给特点是：节点具有环境振动能量采集的能力后,其能量水平因补给而发生起伏变化,不再是单一降低,但是振动能量补给并不像太阳能那样充足并有一定规律可循,振动采能受地理位置影响,不稳定因素多,随机性很大,可能有的节点补充了大量能量,而有的节点则无能量补给。由于振动能量补给本身的随机性,会导致网络节点能量分布不均衡,而且振动能量补给并不像太阳能那样充足。但是，振动能不像太阳能那样只有白天可以工作，只要条件许可，晚上也可以获取能量。因此将太阳能收集与振动能收集结合起来，将更能够保障物联网节点的能量供给。在无线传感器网络本身方面,随着节点技术的研究和发展提高,传感器节点的能耗也进一步降低,到现在为止,一些无线传感器节点产品的工作时期能耗和休眠时期能耗己经分别降到了几十毫瓦特和几微瓦特的级别。这就意味着可以广泛的在无线传感器网络中的低功耗设备中应用振动机械能量的采集来满足能源的供应。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，而提出一种基于传感节点能量获取的电力物联网路由方法。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于传感节点能量获取的电力物联网路由方法，包括步骤如下：

(l)每轮开始,节点接收基站广播的上一轮节点的电池电量以及能源获取状态；

(2)判断网络节点处于哪种工作状态，如果电池电量达到最大值，且此时还有能源补充，则为性能优先状态；如果电池电量大于阈值，且此时有能源补充，则处于正常工作状态；如果电池电量大于阈值，但无能源补充，则进入节能优先状态；如果电池电量低于阈值，则网络节点进入节能优先状态；

(3)根据网络工作状态，确定无线传输半径，调节网络的发射功率；

(4)计算组网，选择簇首阈值；确定簇首；

(5)数据传输开始，簇内节点监测到数据,将数据包发送到簇首,簇首节点将接收到的数据进行融合；

(6)簇首节点将融合后数据传递到基站,数据传输采用簇间多跳的方式；

(7)基站接收到全网数据,根据传来数据包中的节点剩余能耗和存储能量信息计算这一轮的节点平均能耗值和储能值。

而且，所述步骤(3)根据网络工作状态，确定无线传输半径，调节网络的发射功率，具体方法为：

①用能耗与储能比控制簇数目，从而控制通信距离，充分利用补充的能量，使能耗与储能处于平衡状态，避免了能量溢出浪费和储能设备附加损耗；

②设置能量上升阈值E，使得节点在耗能期进入储能期后，没有立即扩大通信半径，能有时间补充自身能量；

③成簇时，节点判断与簇首和基站的距离大小，使得一些距基站较近的节点直接发送数据到基站而非经过簇首，在网络区域划分机制中，设置不同通信半径，并且外层通信半径>中层通信半径>里层通信半径，以此节省的能量用于转发大量的外层节点数据，从而平衡网络能量分布；

④每十轮分簇，每轮簇内选簇首；

⑤网络从无能量补给到充足能量补给再到无能量补给为一个周期，在一个周期内，节点自适应能量变化。

而且，所述步骤(4)计算组网，选择簇首阈值；确定簇首，具体方法为：

①节点接收基站的初始广播数据包,根据时间差计算出所在网络区域；

②基站计算各区域的簇首与区域内节点总数比率p_k,并广播到全网节点；

③各区域节点根据自己所在区域的p_k值,计算阈值T_k(i)，产生0-1之间的随机数a，若a小于阈值T_k(i)，则i节点当选簇首，并广播当选信息，广播数据包格式为：ID，距基站距离，剩余能量，存储能量，所处区域及通信半径；

其中，在节能工作状态，节点当选簇首的阈值为:

$T\left(i\right)=\frac{p}{1-p\·\mathrm{mod}(r,round(1/p\left)\right)}\·\frac{E{\left(i\right)}_{residual}}{E{\left(i\right)}_{direct-to-\sin k}}$

公式中，p为簇首节点占节点总数的百分比，r为当前轮次,E(i)_residual为当前节点的剩余能量，E(i)_{direct-to-sink}为节点与基站直接通信需消耗的能量，

其中，在正常的工作状态下，节点当选簇首的阈值为：

$T_w\left(i\right)=T\left(i\right)\·\left(\frac{C}{E_{up-eve}-E_{use-\min }}\right)$

其中,E_up-eve为本次分簇距上次分簇时间段内节点平均储能值,E_use-min为节能模式工作时节点平均能耗值，C取决于电池的储能能力为电池最大采能值。

其中，网络工作在性能优先状态下，某些节点具有持久稳定的外界能源供给，同时电池已经充满电，此时此类节点被选为簇首的概率为1，因此设定a＝0。

④未当选簇首的节点成为非簇首节点，等待来自簇首节点的广播信息，接收到簇首节点广播信息的节点，选择离自己最近的节点作为自己的簇首节点，向该簇首节点发送确认加入信息，等待簇首的调度信息；

⑤簇首节点接收邻节点信息，若为非簇首节点请求加入簇信息，转⑥步；若为邻簇首节点信息，转⑦步；

⑥将该节点加入簇内成员信息表中，并发送确认信息；所有节点都加入簇后，簇首节点建立TDMA调度表，并发送给成员节点；

⑦判断是否为同一区域的邻簇簇首节点信息，若为同一区域，则将该簇首节点加入邻簇簇首节点信息表中，并向该邻簇簇首节点发送确认信息；若为不同区域簇首信息，转⑧；

⑧判断区域位置，若为自己所处区域外层区域，则增大发送功率，以此外围区域的通信半径向该簇首节点发送成为邻居确认信息，并将此簇首加入邻居簇首信息表中；若为所处区域内层区域，则向该邻簇簇首发送确认信息，并将此簇首加入邻居簇首信息表中；

⑨节点开始数据传输。

本发明的优点和积极效果是：

本发明方法根据节点的能量以及能源获取的情况，自动判断节点自身状态，选择不同的工作模式。这种设计能够高效利用环境的太阳能和振动能补给能量，节约能量的同时增加了网络的生存能力、工作效率和鲁棒性。

具体实施方式

以下对本发明实施例做进一步详述：需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其它实施方式，同样属于本发明保护的范围。

一种基于传感节点能量获取的电力物联网路由方法，该方法包括步骤如下：

(l)每轮开始,节点接收基站广播的上一轮节点的电池电量以及能源获取状态；

(2)判断网络节点处于哪种工作状态，如果电池电量达到最大值，且此时还有能源补充，则为性能优先状态，如果电池电量大于阈值，且此时有能源补充，则处于正常工作状态，如果电池电量大于阈值，但无能源补充，则进入节能优先状态，如果电池电量低于阈值，则网络节点进入节能优先状态；

(3)根据网络工作状态，确定无线传输半径，调节网络的发射功率；具体方法为：

(4)计算组网，选择簇首阈值；确定簇首，

B，其中，选择簇首阈值；确定簇首的具体方法为：

①节点接收基站的初始广播数据包,根据时间差计算出所在网络区域；

②基站计算各区域的簇首与区域内节点总数比率p_k,并广播到全网节点；

③各区域节点根据自己所在区域的p_k值,计算阈值T_k(i)，产生0-1之间的随机数a，若a小于阈值T_k(i)，则i节点当选簇首，并广播当选信息，广播数据包格式为：ID，距基站距离，剩余能量，存储能量，所处区域及通信半径；

其中，在节能工作状态，节点当选簇首的阈值为:

$T\left(i\right)=\frac{p}{1-p\·\mathrm{mod}(r,round(1/p\left)\right)}\·\frac{E{\left(i\right)}_{residual}}{E{\left(i\right)}_{direct-to-\sin k}}$

公式中，p为簇首节点占节点总数的百分比，r为当前轮次,E(i)_residual为当前节点的剩余能量，E(i)_{direct-to-sink}为节点与基站直接通信需消耗的能量，

其中，在正常的工作状态下，节点当选簇首的阈值为：

$T_w\left(i\right)=T\left(i\right)\·\left(\frac{C}{E_{up-eve}-E_{use-\min }}\right)$

其中,E_up-eve为本次分簇距上次分簇时间段内节点平均储能值,E_use-min为节能模式工作时节点平均能耗值，C取决于电池的储能能力为电池最大采能值。

其中，网络工作在性能优先状态下，某些节点具有持久稳定的外界能源供给，同时电池已经充满电，此时此类节点被选为簇首的概率为1，因此设定a＝0。

④未当选簇首的节点成为非簇首节点，等待来自簇首节点的广播信息，接收到簇首节点广播信息的节点，选择离自己最近的节点作为自己的簇首节点，向该簇首节点发送确认加入信息，等待簇首的调度信息；

⑤簇首节点接收邻节点信息，若为非簇首节点请求加入簇信息，转⑥步；若为邻簇首节点信息，转⑦步；

⑥将该节点加入簇内成员信息表中，并发送确认信息；所有节点都加入簇后，簇首节点建立TDMA调度表，并发送给成员节点；

⑦判断是否为同一区域的邻簇簇首节点信息，若为同一区域，则将该簇首节点加入邻簇簇首节点信息表中，并向该邻簇簇首节点发送确认信息；若为不同区域簇首信息，转⑧；

⑧判断区域位置，若为自己所处区域外层区域，则增大发送功率，以此外围区域的通信半径向该簇首节点发送成为邻居确认信息，并将此簇首加入邻居簇首信息表中；若为所处区域内层区域，则向该邻簇簇首发送确认信息，并将此簇首加入邻居簇首信息表中；

⑨节点开始数据传输。

(5)数据传输开始，簇内节点监测到数据,将数据包发送到簇首,簇首节点将接收到的数据进行融合；

(6)簇首节点将融合后数据传递到基站,数据传输采用簇间多跳的方式；

(7)基站接收到全网数据,根据传来数据包中的节点剩余能耗和存储能量信息计算这一轮的节点平均能耗值和储能值。

Claims (3)

1.一种基于传感节点能量获取的电力物联网路由方法，其特征在于包括步骤如下：

(l)每轮开始,节点接收基站广播的上一轮节点的电池电量以及能源获取状态；

(2)判断网络节点处于哪种工作状态，如果电池电量达到最大值，且此时还有能源补充，则为性能优先状态；如果电池电量大于阈值，且此时有能源补充，则处于正常工作状态；如果电池电量大于阈值，但无能源补充，则进入节能优先状态；如果电池电量低于阈值，则网络节点进入节能优先状态；

(3)根据网络工作状态，确定无线传输半径，调节网络的发射功率；

(4)计算组网，选择簇首阈值；确定簇首；

(5)数据传输开始，簇内节点监测到数据,将数据包发送到簇首,簇首节点将接收到的数据进行融合；

(6)簇首节点将融合后数据传递到基站,数据传输采用簇间多跳的方式；

(7)基站接收到全网数据,根据传来数据包中的节点剩余能耗和存储能量信息计算这一轮的节点平均能耗值和储能值。

2.根据权利要求1所述的基于传感节点能量获取的电力物联网路由方法，其特征在于：所述步骤(3)根据网络工作状态，确定无线传输半径，调节网络的发射功率，具体方法为：

①用能耗与储能比控制簇数目，从而控制通信距离，充分利用补充的能量，使能耗与储能处于平衡状态，避免了能量溢出浪费和储能设备附加损耗；

②设置能量上升阈值E，使得节点在耗能期进入储能期后，没有立即扩大通信半径，能有时间补充自身能量；

③成簇时，节点判断与簇首和基站的距离大小，使得一些距基站较近的节点直接发送数据到基站而非经过簇首，在网络区域划分机制中，设置不同通信半径，并且外层通信半径>中层通信半径>里层通信半径，以此节省的能量用于转发大量的外层节点数据，从而平衡网络能量分布；

④每十轮分簇，每轮簇内选簇首；

⑤网络从无能量补给到充足能量补给再到无能量补给为一个周期，在一个周期内，节点自适应能量变化。

3.根据权利要求1所述的基于传感节点能量获取的电力物联网路由方法，其特征在于：所述步骤(4)计算组网，选择簇首阈值；确定簇首，具体方法为：

①节点接收基站的初始广播数据包,根据时间差计算出所在网络区域；

②基站计算各区域的簇首与区域内节点总数比率p_k,并广播到全网节点；

③各区域节点根据自己所在区域的p_k值,计算阈值T_k(i)，产生0-1之间的随机数a，若a小于阈值T_k(i)，则i节点当选簇首，并广播当选信息，广播数据包格式为：ID，距基站距离，剩余能量，存储能量，所处区域及通信半径；

其中，在节能工作状态，节点当选簇首的阈值为:

$T\left(i\right)=\frac{p}{1-p\·\mathrm{mod}(r,round(1/p\left)\right)}\·\frac{E{\left(i\right)}_{residual}}{E{\left(i\right)}_{direct-to-\sin k}}$

公式中，p为簇首节点占节点总数的百分比，r为当前轮次,E(i)_residual为当前节点的剩余能量，E(i)_{direct-to-sink}为节点与基站直接通信需消耗的能量，

其中，在正常的工作状态下，节点当选簇首的阈值为：

$T_w\left(i\right)=T\left(i\right)\·\left(\frac{C}{E_{up-eve}-E_{use-min}}\right)$

其中,E_up-eve为本次分簇距上次分簇时间段内节点平均储能值,E_use-min为节能模式工作时节点平均能耗值，C取决于电池的储能能力为电池最大采能值。

其中，网络工作在性能优先状态下，某些节点具有持久稳定的外界能源供给，同时电池已经充满电，此时此类节点被选为簇首的概率为1，因此设定a＝0。

④未当选簇首的节点成为非簇首节点，等待来自簇首节点的广播信息，接收到簇首节点广播信息的节点，选择离自己最近的节点作为自己的簇首节点，向该簇首节点发送确认加入信息，等待簇首的调度信息；

⑤簇首节点接收邻节点信息，若为非簇首节点请求加入簇信息，转⑥步；若为邻簇首节点信息，转⑦步；

⑥将该节点加入簇内成员信息表中，并发送确认信息；所有节点都加入簇后，簇首节点建立TDMA调度表，并发送给成员节点；

⑦判断是否为同一区域的邻簇簇首节点信息，若为同一区域，则将该簇首节点加入邻簇簇首节点信息表中，并向该邻簇簇首节点发送确认信息；若为不同区域簇首信息，转⑧；

⑧判断区域位置，若为自己所处区域外层区域，则增大发送功率，以此外围区域的通信半径向该簇首节点发送成为邻居确认信息，并将此簇首加入邻居簇首信息表中；若为所处区域内层区域，则向该邻簇簇首发送确认信息，并将此簇首加入邻居簇首信息表中；

⑨节点开始数据传输。