CN113453184A - 基于多移动数据收集车合作机制的无线传感器网络数据收集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于多移动收集车合作机制的无线传感器网络数据收集方法.该方法包括如下步骤：S1，初始路径构建阶段：将给定区域划分各个子区域，并将每个区域划分为多个网格，每个子区域构建路径穿过每一个网格，并将每个子区域中分配一个移动收集车收集数据。S2，路径调整阶段：在初始路径基础上，对每一个网格进一步细化为更小的小网格，计算每个小网格中的传感器节点个数，将路径调整到传感器节点最多的小网格，各个网格内的路径进行连接构成调整后的路径。S3，合作阶段：每个子区域中的移动收集车计算各自子区域中传感器数量和路径长度，然后考虑是否帮助邻居子区域，本发明能够减少数据收集的延迟，延长整个网络的生命周期。

Description

基于多移动数据收集车合作机制的无线传感器网络数据收集 方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络技术领域，具体是基于多移动数据收集车合作机制的无线传感器网络数据收集方法。

背景技术

无线传感器网络被广泛应用在智能家居、火灾监测、健康照护、环境监控、智能交通等各个领域，无线传感器网络是由大量的传感器节点构成的，每个传感器节点是有电池供电，电池的能量是有限的，为了节约能量，很多学者采取各种方法与措施来降低无线传感器节点的能耗，提高传感器网络的生命周期，如充电、部署覆盖和数据收集等，其中在无线传感器网络(WSN)的数据收集中，不少文献中研究在一个监控区域中部署大量的静态传感器节点，传感器节点采用多跳的方式将数据传递给基站，这种做法会使得基站周围的节点由于数据的转发，耗费大量的耗能，很快就死掉了，导致网络不连接，产生空洞的问题，为了解决这个问题，研究人员采用移动数据收集车如机器人、公交车等进行数据收集，采用移动移动数据收集车进行数据收集，可以将目前的有关这方面的文献分成两类，一类是单移动数据收集车进行数据收集，另一类则是多个数据收集车进行数据收集，单个数据收集车进行数据转发主要是在一个监控区域内部署大量的传感器节点，由移动数据收集车收集每一个传感器节点或者部分传感器节点的数据，这种方法在一定情况下减少了空洞问题，降低了传感器节点的能耗，然而，移动数据收集车要收集每个传感器节点或者部分传感器节点的数据，在部署大量的传感器节点情况下，增加了路径的长度和时间的延迟，造成数据的滞后性与不及时性，因此为了解决这个问题，很多研究者研究考虑采用多移动数据收集车收集数据，这种类型的数据收集主要是将部署的传感器节点划分为多个子区域，每个子区域分配一个数据收集车，每个数据收集车在各自区域选择数据收集点，并构建路径，每个数据收集车将其各自区域的传感器数据进行接收，然后多个数据收集车合作将其所接收到的数据发送给基站，这种方式在一定程度上缓解了时间延迟的问题，但随着传感器网络规模的变大，合作传递数据给基站，仍然会存在时间延迟的问题。目前，通过移动数据收集车对无线传感器网络进行数据采集的相关研究文献如下：

(1)Hamidreza Salarian等人在2014年的《IEEE TRANSACTIONS ONVEHICULARTECHNOLOGY》上发表的“An Energy-Efficient Mobile-Sink Path SelectionStrategyfor Wireless Sensor Networks”，采取加权汇聚点调度策略WRP算法，将监控区域中的每个传感器赋予一个权值，通过不断迭代选择权值最大的传感器节点作为数据汇聚点，然后将依次将所有的数据汇聚点连接起来构成移动数据收集车的数据收集路径，这个WRP算法在一定程度上平衡了节点能量，避免了网络黑洞的问题，但会导致两个数据汇聚点之间路径长度过长，增加了数据的延迟性。

(2)刘徐迅等人在2020年的《IEEE Transactions on Industrial Informatics》上发表的“Latency-aware path planning for disconnected sensor networks withmobile sinks”，采用移动接收器的轨迹规划算法，该算法是在多个不连通的隔离区域中进行的，算法首先找到每个区域的中心位置，然后将所有的隔离区域中心点位置连接起来，构成移动数据收集车的路径，同时为了减少移动数据收集车行走的长度，对每个隔离区域中心点位置进行优化，然后，每个隔离区域中的所有传感器以多跳的方式将数据转发到该所属中心点。移动数据收集车沿所构建路径从每个隔离区域中心点收集数据。这种做法在一定程度上能够降低数据的传输能耗，但多跳转发可能会导致每个隔离区域中离中心点位置较近的传感器节点由于转发大量数据导致能耗过大，导致隔离区域内的网络不连贯。

(3)Alhasanat等人在2019年《International Journal of Electrical andComputer Engineering》期刊上发表“Data collection algorithm for wireless sensornetworks using collaborative mobile elements”采用协作数据收集算法(CDCA)，旨在减少数据收集延迟，增加网络吞吐量和减少移动元素的数量。CDCA的主要思想是将网络域划分为几个分区，将每个移动sink分配到每个分区，然后协同收集传感器到基站的数据。然而，CDCA没有考虑收集数据的新鲜度。因此，在大规模的传感器网络中，协同数据采集的延迟时间很长。协同数据采集算法仍有改进空间。

前面所有的数据收据算法更多的强调改善能量的不平衡或者数据的时间延迟，但并没有考虑在节点分布不平衡的情况下多个移动数据收集车之间相互分担数据收集负担问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明提供基于多移动数据收集车合作机制的无线传感器网络数据收集方法，用于解决现有技术中对应大规模传感器网络数据采集延迟性较长和部分传感器节点转发大量数据能耗过大的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

所述的基于多移动数据收集车合作机制的无线传感器网络数据收集方法，包括下列步骤，

S1，初始路径构建阶段：在给定的区域中，分布一定数量的传感器节点，将给定区域划分各个子区域，并将每个子区域划分为多个网格，构建每个子区域中穿过每一个网格的初始路径，每个子区域中分配一个移动数据收集车收集数据；

S2，路径调整阶段：在初始路径基础上，对每一个网格进一步划分细化为更小的小网格，并对每个小网格中的传感器节点个数进行计算，在每一个网格中，按行找到每一行中节点个数最多的小网格，然后将路径调整到经过传感器节点最多的小网格中并在调整后将每一个子区域的网格内路径进行连接，构成调整后的路径；

S3，合作阶段：计算各自子区域中传感器数量和路径长度，然后考虑是否帮助邻居子区域的移动数据收集车，帮助邻居子区域时寻找能够帮助的合作对，调整路径经过的网格得到数据收集路径。

优选的，所述步骤S1具体为：给定的整个区域用R来表示，所述传感器节点的分布是不均匀的，将给定区域R划分大小相同的子区域h*z个，子区域分别用R_1，1，R_1，2...R_h，z表示，然后将每个子区域R_i，j进一步划分为q₁*q₂个大小相同的多个网格，子区域内所有网格用g_1，1，g_1，2，…，g_q1，q2表示，每个移动数据收集车沿着各网格的中间从起始点穿过所有网格再回到初始的起始点行走来收集数据。

优选的，所述步骤S2具体包括下列步骤，

S2.1，对每一个网格进一步划分细化为更小的小网格，对每一个小网格，计算落在该小网格内的传感器个数；

S2.2，选择每一行中传感器最多的小网格作为移动数据收集车的数据收集路径必经的区域，利用

来找出最优的行走路径，其中

表示在第a行第b列的小网格，

表示每一个小网格内的传感器数量，

定义为在i行中最优的小网格；

S2.3，连接网格内的所有最优的小网格，利用公式

其中p_x，y定义为网格内路径；

S2.4，然后连接所有网格内路径构成调整后的路径。

优选的，所述步骤S3具体包括下列步骤，

S3.1，计算每个区域中能够帮助邻居的路径长度；

S3.2，根据能够帮助邻居的路径长度寻找合作对；

S3.3，计算每个合作对能够帮助邻居区域；

S3.4，根据能够帮助邻居区域将整个区域内的合作对进行调整；

S3.5，根据调整后的合作对调整路径经过的网格得到数据收集路径。

优选的，所述步骤S3.1中，能够帮助邻居的路径长度的计算公式如下

其中

表示数据收集车收集完成本区域后还能帮助邻居收集数据可行走的长度；L_i，j表示数据收集车能够行走的最大长度，

表示初始路径的长度，

表示调整路径所需要的长度。

优选的，所述步骤S3.2中，移动数据收集车在它的上下邻居中寻找合作，利用布林变量τ_a，b来计算两个数据收集车是谁来帮助谁，让

表示a区域的移动数据收集车帮助邻居的路径长度，

表示b区域的数据收集车还能帮助邻居的路径长度，L_threshold表示移动数据收集车能够帮助邻居的阈值，τ_a，b表示布尔变量，如果τ_a，b＝1，也就是

表示a区域的移动数据收集车能够帮助b区域的移动数据收集车，如果τ_a，b＝-1就是b区域的移动数据收集车帮助a区域移动数据收集车来收集数据，将所有相邻区域都进行计算，找出所有能够帮助的合作对。

优选的，所述步骤S3.3中，计算每个合作对能够帮助邻居区域的公式如下：

其中，π_a，b表示按a区域的移动数据收集车帮助b区域移动数据收集车或者b区域移动数据收集车帮助a区域的移动数据收集车几行；l_g表示每个网格g_i，j的边长；α表示尺度参数。

优选的，所述步骤S3.4中，当τ_a，b＝1时，说明a区域的移动数据收集车帮助b区域的移动数据收集车，根据上一小节得到的π_a，b具体调整行数，对a、b区域网格进行调整，其公式为：

其中R_i，j表示某一个子区域，

表示某一个子区域中的网格；

当τ_a，b＝-1时，计算π_a，b，得出需要调整的网格，具体调整公式如下：

根据上面的调整公式，将整个区域内的合作对进行调整。

本发明提供多基于移动数据收集车合作机制的无线传感器网络数据收集方法，该收集方法将监控区域划分为几个子区域，然后为每个移动接收器分配一个子区域，并在每个子区域为移动接收器构建初始路径。为了降低数据包转发的能量消耗，在每个子区域内划分成多个网格，每个网格有进一步划分为更小的网格，在每个更小的网格中寻找落在每个更小网格的传感器数量，根据每一行中传感器数量最多的作为移动数据收集车的收集路径，以降低传感器转发次数，减小了这部分传感器的能耗。同时为了降低大规模传感器网络中每轮数据采集的最大延迟，该算法挖掘相邻数据收集车之间的合作机会，调整后路径较小的数据收集车帮助路径较长的数据收集车，以达到减少后者收集数据延迟的目的。

附图说明

图1为本发明所提供基于多移动数据收集车合作机制的无线传感器网络数据收集方法的流程图；

图2为本发明所提供基于多移动数据收集车合作机制的无线传感器网络数据收集方法建立初始路径的示意图；

图3为本发明所提供基于多移动数据收集车合作机制的无线传感器网络数据收集方法的建立调整后路径的示意图；

图4为本发明所提供基于多移动数据收集车合作机制的无线传感器网络数据收集方法通过合作对构成及合作建立数据收集路径的示意图；

图5为本发明所提供基于多移动数据收集车合作机制的无线传感器网络数据收集方法的整个算法实现过程的流程图。

图2-4中路径上的箭头表示移动数据收集车的行走方向。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

如图1-5所示，本发明提供多基于移动数据收集车合作机制的无线传感器网络数据收集方法，包括下列步骤：

S1，初始路径构建阶段：在给定的区域中，其整个区域用R来表示，区域R中分布一定数量的传感器节点，传感器节点的分布是不均匀的，将给定区域R划分大小相同的子区域h*z个，子区域分别用R_1，1，R_1，2...R_h，z表示，然后将每个子区域R_i，j进一步划分为q₁*q₂个大小相同的网格，子区域内所有网格用g_1，1，g_1，2，…，g_q1，q2表示，然后将所有的移动数据收集车分配给对应的子区域，每个子区域中分配一个移动数据收集车收集数据，每个移动数据收集车沿着各网格的中间从起始点穿过所有网格再回到初始的起始点行走来收集数据。在这一部分，我们设计了两种类型的路径模式，其中一种是移动数据收集器从左上角第一个网格开始收集数据经过所有网格中心线再回到左上角第一个网格的中心点；另外一种是移动数据收集器从左下角第一列最后一个网格开始经过所有的网格中心再回到左下角最后一个网格，上下相邻的两行子区域中初始路径采用的路径模式不同，实施例中网格为4*4的16格网格，形成的初始路径为凹字形的循环路径，这样做的目的是为了能够形成两个移动数据收集车的合作关系。

S2，路径调整阶段：在初始路径构建完成后，其中g_i，j表示任意一个子区域内网格，对每一个网格g_i，j，进一步划分细化为更小的小网格，用

表示任意一个小网格，每个g_i，j中分为d×f个更小的网格，用

表示，然后计算每一个

内的传感器节点个数，然后在一个网格内的每一行中，找到

中数量最多的传感器节点个数，然后将路径调整到将该传感器节点最多的

中，并将每一个子区域的网格调整路径进行连接，构成调整后的路径。这样保证调整后的路径总是经过传感器最集中的小网格，因此对应子区域中总是感应器最集中的小网格区域能直接向移动数据收集车发送数据，这降低传感器转发次数，减小了这部分传感器的能耗。

更优地，步骤S2具体包括如下步骤：

S2.1，对每一个网格进一步划分细化为更小的小网格，对每一个更细小的小网格，计算落在该小网格内的传感器个数。

S2.2，选择每一行中传感器最多的小网格作为移动数据收集车的数据收集路径必经的区域，利用

来找出最优的行走路径，其中

表示在第a行第b列的小网格，

表示每一个小网格内的传感器数量，

定义为在i行中最优的小网格。

S2.3，连接网格内的所有最优的小网格，利用公式

其中p_x，y定义为网格内路径。

S2.4，然后连接所有网格内路径构成调整后的路径。

1.3，合作阶段：每个子区域中的移动数据收集车计算各自子区域中传感器数量和路径长度，然后考虑是否帮助邻居子区域的移动数据收集车。其主要目的是平衡各部分的数据收集工作量，减少数据收集延迟。

这样主要有2个优点，一是考虑到传感器分布是不均匀的，移动数据收集车经过有些小网格内很少或者没有传感器节点，收集很少的数据，本方案考虑调整路径，以使得移动数据收集车能够收到更多的数据。另一个是在移动数据收集车所行走的路径上，在通信范围内的传感器将数据直接发送给移动数据收集车，减少传感器节点的转发次数。

更优的，步骤S3还具体包括如下步骤：

S3.1，计算每个区域中能够帮助邻居的路径长度；计算公式如下

其中

表示数据收集车收集完成本区域后还能帮助邻居收集数据可行走的长度；L_i，j表示数据收集车能够行走的最大长度，

表示初始路径的长度，

表示调整路径所需要的长度；

S3.2，寻找合作对，移动数据收集车在它的上下邻居(即相邻的子区域)中寻找合作，利用布林变量τ_a，b来计算两个数据收集车是谁来帮助谁，让

表示a区域的移动数据收集车帮助邻居的路径长度，

表示b区域的数据收集车还能帮助邻居的路径长度，L_threshold表示移动数据收集车能够帮助邻居的阈值，τ_a，b表示布尔变量，如果τ_a，b＝1，也就是

表示a区域的移动数据收集车能够帮助b区域的移动数据收集车，如果τ_a，b＝-1就是b区域的移动数据收集车帮助a区域移动数据收集车来收集数据，将所有相邻区域都进行计算，找出所有能够帮助的合作对。

S3.3，计算每个合作对能够帮助邻居区域。其计算公式如下：

其中，π_a，b表示按a区域的移动数据收集车帮助b区域移动数据收集车或者b区域移动数据收集车帮助a区域的移动数据收集车几行；l_g表示每个网格g_i，j的边长；α表示尺度参数。

S3.4，调整帮助邻居区域的合作对，当τ_a，b＝1时，说明a区域的移动数据收集车帮助b区域的移动数据收集车，根据上一小节得到的π_a，b具体调整行数，对a、b区域网格进行调整，其公式为：

其中R_i，j表示某一个子区域，

表示某一个子区域中的网格；

当τ_a，b＝-1时，计算π_a，b，得出需要调整的网格，具体调整公式如下：

根据上面的调整公式，将整个区域内的合作对进行调整。

S3.5，根据调整后的合作对调整路径经过的网格得到数据收集路径。上一步利用网格的划分方式和设定的路径模式，确定邻居区域的网格在合作机制下的需要调整的网格。在确定形成合作对的子区域后，根据合作关系调整路径，让需要调整的网格的路径被调整到相邻子区域中的路径中，从而缩短该网格所属子区域中的路径长度。调整后路径较小的数据收集车帮助路径较长的数据收集车，以达到减少后者收集数据延迟的目的。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的发明构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.基于多移动数据收集车合作机制的无线传感器网络数据收集方法，其特征在于：包括下列步骤，

S1，初始路径构建阶段：在给定的区域中，分布一定数量的传感器节点，将给定区域划分各个子区域，并将每个子区域划分为多个网格，构建每个子区域中穿过每一个网格的初始路径，每个子区域中分配一个移动数据收集车收集数据；

S2，路径调整阶段：在初始路径基础上，对每一个网格进一步划分细化为更小的小网格，并对每个小网格中的传感器节点个数进行计算，在每一个网格中，按行找到每一行中节点个数最多的小网格，然后将路径调整到经过传感器节点最多的小网格中并在调整后将每一个子区域的网格内路径进行连接，构成调整后的路径；

S3，合作阶段：计算各自子区域中传感器数量和路径长度，然后考虑是否帮助邻居子区域的移动数据收集车，帮助邻居子区域时寻找能够帮助的合作对，调整路径经过的网格得到数据收集路径。

2.根据权利要求1所述的基于多移动数据收集车合作机制的无线传感器网络数据收集方法，其特征在于：所述步骤S1具体为：给定的整个区域用R来表示，所述传感器节点的分布是不均匀的，将给定区域R划分大小相同的子区域h*z个，子区域分别用R_1,1，R_1,2…R_h,z表示，然后将每个子区域R_i,j进一步划分为q₁*q₂个大小相同的多个网格，子区域内所有网格用

表示，每个移动数据收集车沿着各网格的中间从起始点穿过所有网格再回到初始的起始点行走来收集数据。

3.根据权利要求2所述的基于多移动数据收集车合作机制的无线传感器网络数据收集方法，其特征在于：所述步骤S2具体包括下列步骤，

S2.1，对每一个网格进一步划分细化为更小的小网格，对每一个小网格，计算落在该小网格内的传感器个数；

S2.2，选择每一行中传感器最多的小网格作为移动数据收集车的数据收集路径必经的区域，利用

来找出最优的行走路径，其中

表示在第a行第b列的小网格，

表示每一个小网格内的传感器数量，

定义为在i行中最优的小网格；

S2.3，连接网格内的所有最优的小网格，利用公式

其中p_x,y定义为网格内路径；

S2.4，然后连接所有网格内路径构成调整后的路径。

4.根据权利要求3所述的基于多移动数据收集车合作机制的无线传感器网络数据收集方法，其特征在于：所述步骤S3具体包括下列步骤，

S3.1，计算每个区域中能够帮助邻居的路径长度；

S3.2，根据能够帮助邻居的路径长度寻找合作对；

S3.3，计算每个合作对能够帮助邻居区域；

S3.4，根据能够帮助邻居区域将整个区域内的合作对进行调整；

S3.5，根据调整后的合作对调整路径经过的网格得到数据收集路径。

5.根据权利要求4所述的基于多移动数据收集车合作机制的无线传感器网络数据收集方法，其特征在于：所述步骤S3.1中，能够帮助邻居的路径长度的计算公式如下

其中

表示数据收集车收集完成本区域后还能帮助邻居收集数据可行走的长度；L_i,j表示数据收集车能够行走的最大长度，

表示初始路径的长度，

表示调整路径所需要的长度。

6.根据权利要求5所述的基于多移动数据收集车合作机制的无线传感器网络数据收集方法，其特征在于：所述步骤S3.2中，移动数据收集车在它的上下邻居中寻找合作，利用布林变量τ_a,b来计算两个数据收集车是谁来帮助谁，让

表示a区域的移动数据收集车帮助邻居的路径长度，

表示b区域的数据收集车还能帮助邻居的路径长度，L_threshold表示移动数据收集车能够帮助邻居的阈值，τ_a,b表示布尔变量，如果τ_a,b＝1，也就是

表示a区域的移动数据收集车能够帮助b区域的移动数据收集车，如果τ_a,b＝-1就是b区域的移动数据收集车帮助a区域移动数据收集车来收集数据，将所有相邻区域都进行计算，找出所有能够帮助的合作对。

7.根据权利要求6所述的基于多移动数据收集车合作机制的无线传感器网络数据收集方法，其特征在于：所述步骤S3.3中，计算每个合作对能够帮助邻居区域的公式如下：

其中，π_a,b表示按a区域的移动数据收集车帮助b区域移动数据收集车或者b区域移动数据收集车帮助a区域的移动数据收集车几行；l_g表示每个网格g_i,j的边长；α表示尺度参数。

8.根据权利要求7所述的基于多移动数据收集车合作机制的无线传感器网络数据收集方法，其特征在于：所述步骤S3.4中，当τ_a,b＝1时，说明a区域的移动数据收集车帮助b区域的移动数据收集车，根据上一小节得到的π_a,b具体调整行数，对a、b区域网格进行调整，其公式为：

其中R_i,j表示某一个子区域，

表示某一个子区域中的网格；

当τ_a,b＝-1时，计算π_a,b，得出需要调整的网格，具体调整公式如下：

根据上面的调整公式，将整个区域内的合作对进行调整。

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