CN108430088A - 一种无线传感网络系统及其节点唤醒方法 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种无线传感网络系统及其节点唤醒方法，本系统的各无线传感器节点均有与微处理器连接的一个射频收发模块和一个低频收发模块。本节点唤醒方法，监测区域内各子区域的节点为一个簇，选择簇头。采用模拟退火法得到唤醒各节点的最短路径。侦测状态节点侦测到目标即用低频信号按所得最短路径唤醒其它节点，被唤醒的节点捕捉侦测数据记录存储，并预测，根据各节点记录数据和预测数据，采用层次分析法确定各个节点的权重，调整初始最短路径，最终唤醒本网络内所有节点进入侦测状态。本法控制网络中大部分节点处于睡眠状态，这些节点的低频收发模块处于待机状态，消耗电量极小，降低了整个传感器网络的功耗，延长系统寿命。

Description

一种无线传感网络系统及其节点唤醒方法
技术领域
本发明属于无线传感技术领域，具体涉及一种无线传感网络系统及其节点唤醒方法。
背景技术
近年来，随着微机电系统，片上系统，无线通信和低功耗嵌入式技术的发展，无线传感器网络的应用范围变得愈发广泛。目前，在众多的实际应用中发展最成熟的是环境监测，其他方面比如军事，智能家居，健康护理，道路交通等，大多还处于研究阶段。
目标追踪是无线传感网络典型应用之一。由于传感器节点具有自组织性，鲁棒性和隐蔽性的特点，使其很适合对移动目标进行跟踪。
目前用于无线传感网目标跟踪的方法有很多，例如基于粒子滤波的跟踪方法，基于压缩感知的跟踪方法，基于概率预测的跟踪方法。这些方法都各有优缺点。然而这些方法对功耗的考虑较少。故急需一种低功耗的无线传感网络的目标跟踪方法。
发明内容
本发明的目的是设计一种无线传感网络系统，各无线传感器节点均有与微处理器连接的一个射频收发模块和一个低频收发模块。
本发明的另一目的提供上述无线传感网络系统的节点唤醒方法，多个无线传感器节点分布在待监测区域形成网络，处于侦测状态的节点在侦测到目标后及时发出唤醒信号，使周围节点进入跟踪状态。本网络为分簇结构，监测区域划分为若干子区域，每个子区域的节点为一个簇，基于剩余能量选择一个节点作为簇头管理本簇的节点。在巡逻侦测过程中，簇内少数节点处于侦测状态。簇头记录各个节点坐标，采用模拟退火法得到遍历全局各个节点的最短路径，依此路径决定唤醒各个节点的顺序。侦测状态节点侦测到目标后，按所得最短路径用低频信号唤醒其它节点，被唤醒的节点捕捉侦测数据记录存储，并预测，根据各节点记录数据和预测数据，采用层次分析法确定各个节点的权重，调整初始最短路径，最终唤醒本网络内所有节点进入侦测状态。本法控制网络中大部分节点处于睡眠状态，这些节点的低频收发模块处于待机状态，消耗电量极小，降低了整个传感器网络的功耗，延长系统寿命。
本发明设计的一种无线传感网络系统，包括多个相同的无线传感器节点，各无线传感器节点包括微处理器和与微处理器连接的传感器及信号接收发送模块，无线传感器节点分布于监测区域，本发明的无线传感器节点的信号接收发送模块为一个射频收发模块和一个低频收发模块，均与微处理器连接。无线传感网络监测区域划分为6～8个子区域，每个子区域内的节点组成网络内的一个簇，每一个簇内至少有8个节点，每个簇选出簇头，簇头负责簇内各个节点的管理和控制。
本发明的无线传感网络系统的节点唤醒方法的主要步骤如下：
Ⅰ、划分子区域，选择簇头
所述无线传感网络系统的多个无线传感器节点分布于监测区域形成网络，网络覆盖区域划分为6～8个子区域，，每个子区域内的节点组成网络内的一个簇，即形成分簇结构的网络。每个簇选出的簇头负责该簇内各个节点的管理。
所述无线传感网络中各节点的能量消耗被建模为线性系统。
基于能量剩余、选择各簇的某个节点为簇头并决定另一节点成为簇头的时间。
设一个簇由k个节点组成，k表示该簇集群中节点的数量，矩阵A表示该簇中每个节点的能量消耗，aij表示当该簇中的节点j是簇头，该簇中节点i消耗的能量。另外，bi表示节点i的剩余能量，xi表示节点i成为簇头的时间。k个节点的bi形成矩阵B，k个节点的xi形成矩阵X，令A·X＝B，得到基于能量剩余的簇头选择方程式如下：
运用线性代数矩阵高斯消去法，解出每轮侦测结束各个节点成为簇头时间，进而确定下一轮成为簇头的节点。
Ⅱ、簇头记录本簇各节点坐标，并求出最短唤醒路径
各簇的簇头收集本簇内各节点的坐标信息。并采用最小路径巡逻侦测策略的模拟退火法进行最短路径的近似求解。此路径作为最初处于侦测状态下的节点唤醒本簇所有处于睡眠状态下节点的顺序。
模拟退火求最短唤醒路径具体包括如下子步骤：
Ⅱ-1、温度初始化
生成一个满足最短唤醒路径条件的解，即可行的解，作为当前解S输入迭代过程，当前解S为各个无线传感器节点的距离值的子集。该子集中距离值的个数为5～8个，距离值表征唤醒无线传感器节点的顺序，即距离值大的节点先唤醒，距离值小的节点后唤醒。并定义一个10000～20000足够大的数值作为初始温度T0。
Ⅱ-2、迭代产生新解
Ⅱ-21、进入迭代过程产生新解
产生函数为edE/kT，其中dE为能量差，取值为50～300；k是常数，取值为1～5；T为变量，其取值范围为步骤Ⅱ-1所定义的初始温度T0至最低值0.01。
在T取值不同时，上述产生函数产生新的距离值，并将产生的距离值加入到步骤Ⅱ-1所生成的当前解中，并进行简单的变换产生一个位于解空间的新解S'；以便于后续的计算和接受，减少算法耗时。
所述简单的变换包括对当前解的全部或部分距离值进行置换或互换。
计算新解S'中经过变换的距离值与当前解中该距离值的差，即新解S'所对应的目标函数差。产生新解S'的变换方法决定了当前新解的邻域结构，因而对冷却进度表的选取有影响。因为目标函数差仅由新解中经过变换的距离值产生，所以对大多数应用而言，上述计算目标函数差的方法最快。
Ⅱ-22、判断新解是否被接受
如果目标函数差小于或等于0，直接接受新解S'；否则按Metropolis准则接受新解。
所述Metropolis准则为：若△t'<0则接受S'为当前新解S，否则以概率e(-△t'/T)接受S'作为当前新解S，Δt’是温度的增量。
Ⅱ-3、停止迭代接受最优解
迭代过程的停止准则：当温度T降至最低值0.01，或者完成15000次的迭代却未得到被接受的新解，停止迭代，接受当前得到的最优解为最终解，所述最优解为当前得到的距离最短的唤醒路径。
Ⅲ、低频唤醒
本网络系统的各无线传感器节点均有一个射频收发模块和一个低频收发模块。本网络使用射频段传输数据，使用低频段传输唤醒信号，使无需传输数据的节点的低频收发模块处于待机侦听模式，即处于超低功耗状态，当节点需要传输数据时，再将其调整到射频收发模块工作的大功耗状态，提高无线传感器网络节点能量利用率，降低能耗，延长系统寿命。
在巡逻侦测过程中一个簇内包括簇头的1或2个节点处于侦测状态。当处于侦测状态的作为簇头的某个节点M侦测到目标后，按步骤Ⅱ得到的新解，根据与节点M的距离值，依次选择周围的节点发出唤醒信号，使之也进入侦测状态。收到节点M低频唤醒信号的节点，其微处理器被唤醒进入侦测状态，接收其传感器的侦测数据，并用其射频收发模块将侦测数据射频发送给节点M，节点M的微处理器对接收数据进行处理。
以节点M向另一个节点N发出唤醒信号为例，节点M的低频收发模块向节点N发送125KHz低频的唤醒信号。节点N的低频收发模块收到的唤醒信号后，唤醒节点N的微处理器，节点N的微处理器接收其传感器的侦测数据，并使该节点的射频收发模块处于工作状态，节点N的射频收发模块发送接收的侦测数据，节点M的射频收发模块接收侦测数据并传送到节点M的微处理器，由节点M微处理器进行数据处理。
Ⅳ、记录侦测数据并预测数据
节点M对接收到的已被唤醒处于侦测状态的节点发送的传感器侦测数据进行记录储存。
节点M的微处理器依据数据之间的规律对记录储存的数据进行预测。当数据量少于10个，采用针对小样本数据的灰色预测方法进行预测。当数据具有随时间增或减的特征，采用时间序列的方法预测。不属于小样本也不具有时间变化特征的数据，采用曲线拟合的方法预测数据。
Ⅴ、动态调整唤醒策略
以被唤醒处于侦测状态的节点记录的数据以及预测数据作为参数指标，采用层次分析法对传感器所收集到的各个参数的数据设置重要性权重，所述参数包括温度，湿度，地理位置坐标，振动频率和压力中的一种或多种，最终在步骤Ⅱ所得的最短路径的基础上依据各个节点的权重动态调整唤醒路径。层次分析法(Analytic Hierarchy Process，简称AHP)是将与决策总是有关的元素分解成目标、准则、方案等层次，在此基础之上进行定性和定量分析的决策方法。
各簇反复进行步骤Ⅲ，Ⅳ和Ⅴ，直到监测范围内本网络的所有节点被唤醒。
与现有技术相比，本发明一种无线传感网络系统及其节点唤醒方法的优点为：1、各节点配置了射频收发模块和低频收发模块，对节点采用低频唤醒，射频传输数据，网络中大部分节点控制在睡眠状态，只有节点的低频收发模块处于待机状态，消耗电量极小，降低了整个传感器网络的功耗，延长系统寿命；2、基于能量剩余选择分簇结构中各簇的簇头，最优化均衡整个无线传感网络系统的能量；3、采用基于模拟退火的最小路径巡逻侦测策略，实现在规定时间内唤醒监测范围内的节点的最优唤醒策略；4、层次分析法将各节点的预测数据作为参数，参与唤醒策略的调整，提高了整个无线传感网络系统的实时监控能力，便于在最短的时间内进行目标跟踪。
附图说明
图1为本无线传感网络系统实施例中两个节点的结构示意图；
图2为本无线传感网络系统的节点唤醒方法实施例的总流程图；
图3为本无线传感网络系统的节点唤醒方法实施例的步骤V层次分析法动态调整唤醒路径的阶梯层次结构图。
具体实施方式
下面用实施例和附图详细描述本发明方案，所述实施例和附图仅为解释本发明的示例，本发明的方案不受实施例的限制。
无线传感网络系统实施例
本无线传感网络系统实施例，包括多个相同的无线传感器节点。图1所示为本实施例中两个节点的结构。每个无线传感器节点包括微处理器和与微处理器连接的传感器及信号接收发送模块，无线传感器节点分布于监测区域，本无线传感器节点的信号接收发送模块为一个射频收发模块和一个低频收发模块，均与微处理器连接。本例无线传感网络监测区域划分为8个子区域，每个子区域内的节点组成网络内的一个簇，每一个簇内至少有8个节点，每个簇选出簇头，簇头负责簇内各个节点的管理和控制。
无线传感网络系统的节点唤醒方法实施例
本无线传感网络系统的节点唤醒方法实施例是在上述无线传感网络系统实施例上实施的节点唤醒方法，其流程如图2所示，主要步骤如下：
Ⅰ、划分子区域，选择簇头
本例无线传感网络系统的多个无线传感器节点分布于监测区域形成网络，网络覆盖区域划分为8个子区域，，每个子区域内的节点组成网络内的一个簇，即形成分簇结构的网络。每个簇选出的簇头负责该簇内各个节点的管理；
本例无线传感网络中各节点的能量消耗被建模为线性系统。
基于能量剩余、选择各簇的某个节点为簇头并决定另一节点成为簇头的时间。
设一个簇由k个节点组成，k表示该簇集群中节点的数量，矩阵A表示该簇中每个节点的能量消耗，aij表示当该簇中的节点j是簇头，该簇中节点i消耗的能量。另外，bi表示节点i的剩余能量，xi表示节点i成为簇头的时间。k个节点的bi形成矩阵B，k个节点的xi形成矩阵X，令A·X＝B，得到基于能量剩余的簇头选择方程式如下：
运用线性代数矩阵高斯消去法，解出每轮侦测结束各个节点成为簇头时间，进而确定下一轮成为簇头的节点。
Ⅱ、簇头记录本簇各节点坐标，并求出最短唤醒路径
各簇的簇头收集本簇内各节点的坐标信息。并采用最小路径巡逻侦测策略的模拟退火法进行最短路径的近似求解。此路径作为最初处于侦测状态下的节点唤醒本簇所有处于睡眠状态下节点的顺序。
模拟退火求最短唤醒路径具体包括如下子步骤：
Ⅱ-1、温度初始化
生成一个满足最短唤醒路径条件的解，作为当前解S输入迭代过程，当前解S为各个无线传感器节点的距离值的子集。该子集中距离值的个数为8个，距离值表征唤醒无线传感器节点的顺序，即距离值大的节点先唤醒，距离值小的节点后唤醒。本例定义15000作为初始温度T0。
Ⅱ-2、迭代产生新解
Ⅱ-21、进入迭代过程产生新解
产生函数为edE/kT，其中dE为能量差，本例取值为100；k是常数，本例取值为1；T为变量，其取值范围为步骤Ⅱ-1所定义的初始温度T0至最低值0.01。
在T取值不同时，上述产生函数产生新的距离值，并将产生的距离值加入到步骤Ⅱ-1所生成的当前解中，并进行简单的变换产生一个位于解空间的新解S'；以便于后续的计算和接受，减少算法耗时。
所述简单的变换包括对当前解的全部或部分距离值进行置换或互换。
计算新解S'中经过变换的距离值与当前解中该距离值的差，即新解S'所对应的目标函数差。
Ⅱ-22、判断新解是否被接受
如果目标函数差小于或等于0，直接接受新解S'；否则按Metropolis准则接受新解。
所述Metropolis准则为：若△t'<0则接受S'为当前新解S，否则以概率e(-△t'/T)接受S'作为当前新解S，Δt’是温度的增量。
Ⅱ-3、停止迭代接受最优解
迭代过程的停止准则：当温度T降至最低值0.01，或者完成15000次的迭代却未得到被接受的新解，停止迭代，接受当前得到的最优解为最终解，所述最优解为当前得到的距离最短的唤醒路径。
Ⅲ、低频唤醒
本网络系统的各无线传感器节点均有一个射频收发模块和一个低频收发模块。本网络使用射频段传输数据，使用低频段传输唤醒信号，使无需传输数据的节点的低频收发模块处于待机侦听模式，即处于超低功耗状态，当节点需要传输数据时，再将其调整到射频收发模块工作的大功耗状态，提高无线传感器网络节点能量利用率，降低能耗，延长系统寿命。
在巡逻侦测过程中一个簇内包括簇头的1或2个节点处于侦测状态。当处于侦测状态的作为簇头的某个节点M侦测到目标后，按步骤Ⅱ得到的新解，根据与节点M的距离值，依次选择周围的节点发出唤醒信号，使之也进入侦测状态。收到节点M低频唤醒信号的节点，其微处理器被唤醒进入侦测状态，接收其传感器的侦测数据，并用其射频收发模块将侦测数据射频发送给节点M，节点M的微处理器对接收数据进行处理。
以节点M向另一个节点N发出唤醒信号为例，节点M的低频收发模块向节点N发送125KHz低频的唤醒信号。节点N的低频收发模块收到的唤醒信号后，唤醒节点N的微处理器，节点N的微处理器接收其传感器的侦测数据，并使该节点的射频收发模块处于工作状态，节点N的射频收发模块发送接收的侦测数据，节点M的射频收发模块接收侦测数据并传送到节点M的微处理器，由节点M微处理器进行数据处理。
Ⅳ、记录侦测数据并预测数据
节点M对接收到的已被唤醒处于侦测状态的节点发送的传感器侦测数据进行记录储存。
节点M的微处理器依据数据之间的规律对记录储存的数据进行预测。当数据量少于10个，采用针对小样本数据的灰色预测方法进行预测。当数据具有随时间增或减的特征，采用时间序列的方法预测。不属于小样本也不具有时间变化特征的数据，采用曲线拟合的方法预测数据。
Ⅴ、动态调整唤醒策略
以被唤醒处于侦测状态的节点记录的数据以及预测数据作为参数指标，采用层次分析法对传感器所收集到的各个参数的数据设置重要性权重，所述参数包括温度，湿度，地理位置坐标，振动频率和压力中的一种或多种，最终在步骤Ⅱ所得的最短路径的基础上依据各个节点的权重动态调整唤醒路径；
本例步骤Ⅴ的动态调整唤醒路径的方法具体如下：
Ⅴ-1、层次分析法作出决策
Ⅴ-11、本例用层次分析法将步骤Ⅳ中各个节点所得m组参数数据及m/2组预测参数数据作为准则层，m为8～10；将本网络的各个节点是否要被唤醒作为方案层，建立阶梯层次结构，如图3所示。
Ⅴ-12、对各个参数之间进行两两对比之后，然后按9分位比率排定各参数评价指标的相对优劣顺序，依次构造出评价指标的判断矩阵B。
其中B为判别矩阵，bij是参数i与参数j重要性比较结果，并有如下关系：
如前所述，所述参数为温度，湿度，地理位置坐标，振动频率和压力5种，故n＝5。
Ⅴ-13、计算唤醒路径各备选方案的权重。
Ⅴ-2、针对某一个参数重要程度，计算各备选参数的权重，比较权重大小，并对各个唤醒路径方案权重之间求差，若所有权重之差小于阈值，则按照步骤Ⅱ求出的最短唤醒路径方案进行唤醒。若有任何两个唤醒路径方案之间权重大于或等于阈值则改变唤醒路径。所述阈值取0.1～0.3，本例阈值取0.2。
各簇反复进行步骤Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ，直到监测范围内本网络的所有节点被唤醒。
本发明大多数节点被控制处于睡眠状态，消耗极小的电量。睡眠状态的节点的低频收发模块中的芯片都处于待机侦听模式，功耗很低。当通过天线接收到低频唤醒信号，才唤醒该节点的微处理器开始进入侦测状态。故本发明的无线电传感器网络，用电极少，且可按最佳唤醒路径迅速使全部节点进入侦测状态。
上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种无线传感网络系统，包括多个相同的无线传感器节点，各无线传感器节点包括微处理器和与微处理器连接的传感器及信号接收发送模块，无线传感器节点分布于监测区域，其特征在于：
所述无线传感器节点的信号接收发送模块为一个射频收发模块和一个低频收发模块，均与微处理器连接。
2.根据权利要求1所述的无线传感网络系统，其特征在于：
所述无线传感网络监测区域划分为6～8个子区域，每个子区域内的节点组成网络内的一个簇，每一个簇内至少有8个节点，每个簇选出簇头，簇头负责簇内各个节点的管理和控制。
3.根据权利要求1或2所述的无线传感网络系统的节点唤醒方法，其特征在于主要步骤如下：
Ⅰ、划分子区域，选择簇头
所述无线传感网络系统的多个无线传感器节点分布于监测区域形成网络，网络覆盖区域划分为6～8个子区域，，每个子区域内的节点组成网络内的一个簇，即形成分簇结构的网络；每个簇选出的簇头负责该簇内各个节点的管理；
所述无线传感网络中各节点的能量消耗被建模为线性系统；
基于能量剩余、选择各簇的某个节点为簇头并决定另一节点成为簇头的时间；
设一个簇由k个节点组成，k表示该簇集群中节点的数量，矩阵A表示该簇中每个节点的能量消耗，aij表示当该簇中的节点j是簇头，该簇中节点i消耗的能量；另外，bi表示节点i的剩余能量，xi表示节点i成为簇头的时间；k个节点的bi形成矩阵B，k个节点的xi形成矩阵X，令A·X＝B，得到基于能量剩余的簇头选择方程式如下：
运用线性代数矩阵高斯消去法，解出每轮侦测结束各个节点成为簇头时间，进而确定下一轮成为簇头的节点；
Ⅱ、簇头记录本簇各节点坐标，并求出最短唤醒路径
各簇的簇头收集本簇内各节点的坐标信息，并采用最小路径巡逻侦测策略的模拟退火法进行最短路径的近似求解；此路径作为最初处于侦测状态下的节点唤醒本簇所有处于睡眠状态下节点的顺序；
Ⅲ、低频唤醒
本网络系统的各无线传感器节点均有一个射频收发模块和一个低频收发模块；本网络使用射频段传输数据，使用低频段传输唤醒信号，使无需传输数据的节点的低频收发模块处于待机侦听模式，即处于超低功耗状态，当节点需要传输数据时，再将其调整到射频收发模块工作的大功耗状态；
在巡逻侦测过程中一个簇内包括簇头的1或2个节点处于侦测状态；当处于侦测状态的作为簇头的某个节点M侦测到目标后，按步骤Ⅱ得到的新解，根据与节点M的距离值，依次选择周围节点发出唤醒信号，使之也进入侦测状态；收到节点M低频唤醒信号的节点，其微处理器被唤醒进入侦测状态，接收其传感器的侦测数据，并用其射频收发模块将侦测数据射频发送给节点M，节点M的微处理器对接收数据进行处理；
Ⅳ、记录侦测数据并预测数据
节点M对接收到的已被唤醒处于侦测状态的节点发送的传感器侦测数据进行记录储存；
节点M的微处理器依据数据之间的规律对记录储存的数据进行预测；
Ⅴ、动态调整唤醒策略
以被唤醒处于侦测状态的节点记录的数据以及预测数据作为参数指标，采用层次分析法对传感器所收集到的各个参数的数据设置重要性权重；所述参数包括温度，湿度，地理位置坐标，振动频率和压力中的一种或多种，最终在步骤Ⅱ所得的最短路径的基础上依据各个节点的权重动态调整唤醒路径；各簇反复进行步骤Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ，直到监测范围内本网络的所有节点被唤醒。
4.根据权利要求3所述的无线传感网络系统的节点唤醒方法，其特征在于：
所述步骤Ⅱ的模拟退火求最短唤醒路径具体包括如下子步骤：
Ⅱ-1、温度初始化
生成一个满足最短唤醒路径条件的解，作为当前解S输入迭代过程，当前解S为各个无线传感器节点的距离值的子集；该子集中距离值的个数为5～8个，距离值表征唤醒无线传感器节点的顺序，即距离值大的节点先唤醒，距离值小的节点后唤醒；并定义一个大于或等于10000的数值作为初始温度T0；
Ⅱ-2、迭代产生新解
Ⅱ-21、进入迭代过程产生新解
产生函数为edE/kT，其中dE为能量差，取值为50～300；k是常数，取值为1～5；T为变量，其取值范围为步骤Ⅱ-1所定义的初始温度T0至最低值0.01；
在T取值不同时，上述产生函数产生新的距离值，并将产生的距离值加入到步骤Ⅱ-1所生成的当前解中，并进行简单的变换产生一个位于解空间的新解S'；
所述简单的变换包括对当前解的全部或部分距离值进行置换或互换；
计算新解S'中经过变换的距离值与当前解中该距离值的差，即新解S'所对应的目标函数差；
Ⅱ-22、判断新解是否被接受
如果目标函数差小于或等于0，直接接受新解S'；否则按Metropolis准则接受新解；
所述Metropolis准则为：若△t'<0则接受S'为当前新解S，否则以概率e(-△t'/T)接受S'作为当前新解S，Δt’是温度的增量；
Ⅱ-3、停止迭代接受最优解
迭代过程的停止准则：当温度T降至最低值0.01，或者完成15000次的迭代却未得到被接受的新解，停止迭代，接受当前得到的最优解为最终解，所述最优解为当前得到的距离最短的唤醒路径。
5.根据权利要求4所述的无线传感网络系统的节点唤醒方法，其特征在于：
所述步骤Ⅱ-1定义的初始温度T0为10000～20000。
6.根据权利要求3所述的无线传感网络系统的节点唤醒方法，其特征在于：
所述步骤Ⅳ节点M的微处理器对记录储存的数据进行预测时，当数据量少于10个，采用针对小样本数据的灰色预测方法进行预测；当数据具有随时间增或减的特征，采用时间序列的方法预测；其它数据，采用曲线拟合的方法预测数据。
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