CN110139234B - 一种基于结点分组的无线传感器网络休眠调度方法 - Google Patents

一种基于结点分组的无线传感器网络休眠调度方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种基于结点分组的无线传感器网络休眠调度方法，传感器结点统计历史周期内收到的监测数据请求数量，并将其发送给分组内的组长结点，组长结点再计算出各类监测数据的概率信息，分组内的从属结点根据概率信息进行休眠，有效整合了历史数据，同时选择电量最多的组长进行概率计算也最大程度保证了分组中的传感器结点的资源分配合理，计算得到的概率信息可以指导无线传感器网络中的传感器结点更有效的选择对应时间片段进行休眠，从而在保持较小的传输延迟的同时，实现结点最大限度的节能。

Description

一种基于结点分组的无线传感器网络休眠调度方法
技术领域
本发明属于无线传感器网络领域，主要涉及一种基于结点分组的无线传感器网络休眠调度方法。
背景技术
近年来，随着无线传感器网络在环境监测、医疗护理、军事等众多领域的逐步深入应用，其给人们的生活与生产等带来了深远的影响。无线传感器网络是一种无基础设施的无线网络，能够实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些数据进行处理，最后将信息通过自组织网络传送给用户。
传感器网络结点数量庞大，而且往往分布在环境恶劣的地区，不方便随时充电或更换电池，但是网络又要求具有较长的寿命，因此，如何合理利用传感器结点能量，设计低能耗的网络协议，延长传感器网络寿命，是无线传感器网络研究的一个重要问题。
无线传感器网络中的传感器结点由于受体积以及成本等方面的限制，其处理能力、无线带宽以及电池容量都十分有限，特别是传感器结点的电池电量在大多数情况下是无法得到补充的。为了避免因为部分传感器结点失效而导致整个网络无法正常工作，无线传感器网络中会存在一些冗余结点，这让结点存在轮替工作的可能。这里的结点轮替工作是指网络结点周期性地在如下两种状态不断进行转变：活动和休眠。传感器结点处于活动状态时要承担感知、计算和通讯工作，此时传感器结点能量消耗最高；而当结点处于休眠状态时，不承担任何工作，此时结点能量消耗最低。
为了高效地利用能量，如何合理地安排网络运行中各结点的休眠与工作时段是设计高质量的结点休眠调度机制的关键。
发明内容
本发明目的在于针对现有方法的缺陷，提供一种基于结点分组的无线传感器网络休眠调度方法，有效整合了历史数据，同时选择电量最多的组长进行概率计算也最大程度保证了分组中的传感器结点的资源分配合理，计算得到的概率信息可以指导无线传感器网络中的传感器结点更有效的选择对应时间片段进行休眠，从而在保持较小的传输延迟的同时，实现结点最大限度的节能。
为解决上述技术问题，本发明通过以下方案进行实施：
一种基于结点分组的无线传感器网络休眠调度方法，包括以下步骤：
S1、将无线传感器网络中的所有传感器结点分成若干个分组；
S2、所述分组内的所有所述传感器结点记录请求数量信息；所述请求数量信息为若干个历史时间周期的各个时间片段内所述传感器结点收到的各类监测数据请求的数量，所述时间周期包括多个相等的时间片段；
S3、每到一个时间周期的结尾，所述分组内的所有所述传感器结点将组内剩余电量最多的传感器结点选定为所述分组的组长结点，所述分组内除所述组长结点外的其他传感器结点为从属结点，所述从属结点将所述请求数量信息和监测参数信息发送至所述组长结点；
S4、所述组长结点根据预设的概率计算公式，通过对所述请求数量信息和监测参数信息进行计算，得到各类监测数据请求在下一时间周期的各时间片段不会出现的概率信息，并将所述概率信息发送至所述从属结点；
S5、所述从属结点获取各类监测数据请求在下一时间周期的各时间片段不会出现的概率信息，并根据所述概率信息进行休眠。
进一步的，所述步骤S1中，按照传感器结点所处的地理区域，将无线传感器网络中的所有传感器结点分成若干个分组。
进一步的，所述步骤S2中还包括：
所述传感器结点通过对若干个历史时间周期内各个时间片段内收到各类监测数据请求的数量进行平均计算，得到其在各个时间片段内收到的各类监测数据请求的平均数量。
进一步的，步骤S4中，所述组长结点根据以下公式计算所述概率信息：
Figure BDA0002051394680000031
其中，Pi为一类监测数据请求在下个时间周期的第i个时间片段中不会出现的概率；b为所述分组内所述监测参数相同的传感器结点的数量；pi,j表示第j个所述传感器结点在第i时间片段接收到的该类监测数据请求的平均数量。
进一步的，所述步骤S5包括：
S51、所述从属结点获取所述概率信息中，所述监测数据请求在下一时间周期的各时间片段里不出现的概率；
S52、所述从属结点在下一时间周期的各时间片段以对应的所述概率执行休眠，休眠的时间长度为所述时间片段。
进一步的，所述步骤S5前还包括：
所述从属结点判断自己的射频信号范围是否被其他邻居结点的射频信号范围所覆盖，若覆盖，则进入步骤S5。
进一步的，所述监测参数包括监测对象、监测数据类型或传感器结点类型中的一种或多种。
进一步的，所述历史时间周期的数量大于或等于2。
与现有方法相比，本发明的有益方法效果如下：
本发明公开的一种基于结点分组的无线传感器网络休眠调度方法，传感器结点统计历史周期内收到的监测数据请求数量，并将其发送给分组内的组长结点，组长结点再计算出各类监测数据的概率信息，分组内的从属结点根据概率信息进行休眠，有效整合了历史数据，同时选择电量最多的组长进行概率计算也最大程度保证了分组中的传感器结点的资源分配合理，计算得到的概率信息可以指导无线传感器网络中的传感器结点更有效的选择对应时间片段进行休眠，从而在保持较小的传输延迟的同时，实现结点最大限度的节能。
附图说明
图1为本发明实施例1中所述的无线传感器网络休眠调度方法的步骤示意图；
图2为本发明实施例1中所述的无线传感器网络的结构示意图；
图3为本发明实施例2中所述的传感器结点的具体工作流程示意图。
具体实施方式
为了充分地了解本发明的目的、特征和效果，以下将结合附图与具体实施方式对本发明的构思、具体步骤及产生的方法效果作进一步说明。
实施例1
如图1所示，本实施例公开了一种基于结点分组的无线传感器网络休眠调度方法，包括以下步骤：
S1、将无线传感器网络中的所有传感器结点分成若干个分组；具体的，按照传感器结点所处的地理区域，将无线传感器网络中的所有传感器结点分成若干个分组，如在图2所示的无线传感器网络中，虚线椭圆区域内的结点如结点B、C、D等均属于组号为1的组；划分后，组内结点数量不多且结点间的网络距离也较短从而通信较为方便；
S2、分组内的所有传感器结点记录请求数量信息；请求数量信息为若干个历史时间周期的各个时间片段内传感器结点收到的各类监测数据请求的数量，时间周期包括多个相等的时间片段；
S3、每到一个时间周期的结尾，分组内的所有传感器结点将组内剩余电量最多的传感器结点选定为分组的组长结点，分组内除组长结点外的其他传感器结点为从属结点，从属结点将请求数量信息和监测参数信息发送至组长结点；具体的，监测参数包括监测对象、监测数据类型或传感器结点类型中的一种或多种。
S4、组长结点根据预设的概率计算公式，通过对请求数量信息和监测参数信息进行计算，得到各类监测数据请求在下一时间周期的各时间片段不会出现的概率信息，并将概率信息发送至从属结点；
S5、从属结点获取各类监测数据请求在下一时间周期的各时间片段不会出现的概率信息，并根据概率信息进行休眠。
通过上述公开的休眠调度方法，传感器结点统计历史周期内收到的监测数据请求数量，并将其发送给分组内的组长结点，组长结点再计算出各类监测数据的概率信息，分组内的从属结点根据概率信息进行休眠，有效整合了历史数据，同时选择电量最多的组长进行概率计算也最大程度保证了分组中的传感器结点的资源分配合理，计算得到的概率信息可以指导无线传感器网络中的传感器结点更有效的选择对应时间片段进行休眠，从而在保持较小的传输延迟的同时，实现结点最大限度的节能。
具体的，步骤S2中还包括：
传感器结点通过对若干个历史时间周期内各个时间片段内收到各类监测数据请求的数量进行平均计算，得到其在各个时间片段内收到的各类监测数据请求的平均数量，例如图1中，结点B在已经历的5个时间周期中的第1时间片段内合计收到A类监测数据请求数量为3，则结点B在第1时间片段内收到的A类监测数据请求的平均数量M＝3/5；具体的，历史时间周期的数量可以由实际情况确定，但要求它大于或等于2。
具体的，步骤S4中，组长结点根据以下公式计算概率信息：
Figure BDA0002051394680000061
其中，Pi为一类监测数据请求在下个时间周期的第i个时间片段中不会出现的概率；b为分组内监测参数相同的传感器结点的数量；pi,j表示第j个传感器结点在第i时间片段接收到的该类监测数据请求的平均数量。
具体的，步骤S5包括：
S51、所述从属结点获取所述概率信息中，所述监测数据请求在下一时间周期的各时间片段里不出现的概率；
S52、所述从属结点在下一时间周期的各时间片段以对应的所述概率执行休眠，休眠的时间长度为所述时间片段。
具体的，步骤S52中，从属结点以该概率执行休眠，可以通过编程的方式实现。
进一步的，步骤S5前还包括：
从属结点判断自己的射频信号范围是否被其他邻居结点的射频信号范围所覆盖，若覆盖，则进入步骤S5。这样可以保证在该从属结点休眠时，其信号范围内的数据监测任务可以由邻居结点负责，从而保障整个无线传感器网络的连通性。
实施例2
如图3所示，本实施例公开了在实施上述实施例1所述的无线传感器网络休眠调度方法时，传感器结点的具体工作流程：
传感器结点在开始工作后，检测是否收到监测数据请求；
若是，则根据网络路由协议将自己的监测数据转发给其他结点，并记录已经历时间周期各时间片中收到的平均监测数据请求数量；
在正在经历的时间周期接近结束时，分组内剩余电量最多的传感器结点被选举为组长结点；
传感器结点监测自己是否被选为组长结点；
若是则接收组内各结点的监测对象与参数以及平均收到的监测数据请求数量分布，计算并发送组内各结点的下周期各时间片不会收到监测数据请求的概率分布；
若否，则将自己的监测对象等参数以及平均收到的监测数据请求数量分布发给组长，并接收组长发送的下周期各时间片不会收到监测数据请求的概率分布；
传感器结点检测自己射频信号范围是否可以被邻居结点的射频信号覆盖；
若是，则在下一周期周期的各时间片段以不会接收到监测数据请求的概率休眠；
传感器结点在结束休眠后，回到第一步。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例，应当理解，本领域的普通方法人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本方法领域中方法人员依本发明构思在现有方法基础上通过逻辑分析、推理或者根据有限的实验可以得到的方法方案，均应该在由本发明所确定的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种基于结点分组的无线传感器网络休眠调度方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将无线传感器网络中的所有传感器结点分成若干个分组；
S2、所述分组内的所有所述传感器结点记录请求数量信息；所述请求数量信息为若干个历史时间周期的各个时间片段内所述传感器结点收到的各类监测数据请求的数量，所述时间周期包括多个相等的时间片段；所述传感器结点通过对若干个历史时间周期内各个时间片段内收到各类监测数据请求的数量进行平均计算，得到其在各个时间片段内收到的各类监测数据请求的平均数量；
S3、每到一个时间周期的结尾，所述分组内的所有所述传感器结点将组内剩余电量最多的传感器结点选定为所述分组的组长结点，所述分组内除所述组长结点外的其他传感器结点为从属结点，所述从属结点将所述请求数量信息和监测参数信息发送至所述组长结点；
S4、所述组长结点根据预设的概率计算公式，通过对所述请求数量信息和监测参数信息进行计算，得到各类监测数据请求在下一时间周期的各时间片段不会出现的概率信息，并将所述概率信息发送至所述从属结点；所述组长结点根据以下公式计算所述概率信息：
Figure FDA0003296754330000011
其中，Pi为一类监测数据请求在下个时间周期的第i个时间片段中不会出现的概率；b为所述分组内所述监测参数相同的传感器结点的数量；pi,j表示第j个所述传感器结点在第i时间片段接收到的该类监测数据请求的平均数量
S5、所述从属结点获取各类监测数据请求在下一时间周期的各时间片段不会出现的概率信息，并根据所述概率信息进行休眠；
所述步骤S5包括：
S51、所述从属结点获取所述概率信息中，所述监测数据请求在下一时间周期的各时间片段里不出现的概率；
S52、所述从属结点在下一时间周期的各时间片段以对应的所述概率执行休眠，休眠的时间长度为所述时间片段。
2.根据权利要求1所述的基于结点分组的无线传感器网络休眠调度方法，其特征在于，所述步骤S1中，按照传感器结点所处的地理区域，将无线传感器网络中的所有传感器结点分成若干个分组。
3.根据权利要求1所述的基于结点分组的无线传感器网络休眠调度方法，其特征在于，所述步骤S5前还包括：
所述从属结点判断自己的射频信号范围是否被其他邻居结点的射频信号范围所覆盖，若覆盖，则进入步骤S5。
4.根据权利要求1所述的基于结点分组的无线传感器网络休眠调度方法，其特征在于，所述监测参数包括监测对象、监测数据类型或传感器结点类型中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的基于结点分组的无线传感器网络休眠调度方法，其特征在于，所述历史时间周期的数量大于或等于2。
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