专利名称：混合带状传感器网络数据采集方法
技术领域：
本发明属于无线传感器网络数据采集技术领域。具体涉及一种在带状无线传感器 网络中通过移动Sink (网关节点)和固定Sink相结合的方式进行数据采集的方法。
背景技术：
无线传感器网络是由具有计算、感知和无线通信能力的微型传感器通过自组织方 式形成的网络，无需固定基础设施支持，具有快速部署、抗毁性强等特点，广泛应用在各个 领域。其中在边防封控、围界防入侵、河流监控、智能交通、桥梁监控、铁路监控等领域无线 传感器网络节点的部署通常呈现为带状结构，从而带状无线传感器网络具有广阔的应用前 景及较高的研究价值。目前，现有带状传感器网络中通常只包含固定Sink节点，传感器节点在进行数据 上传时，基本上按照固定路径上传给离自己最近的固定Sink节点，从而导致固定Sink节点 周围的传感器节点能量消耗过快，使得整个带状传感器网络能量消耗不均衡；同时由于地 理位置的约束，导致固定Sink节点的部署并不是随意的，从而使得某些传感器节点与最近 固定Sink节点之间的距离仍然很长，进而导致传输延迟较大，并提高了传输的不稳定性； 同时，当由于某些节点能量耗尽导致网络不连通时，使得传感数据无法及时上传给远程控 制端。
发明内容
本发明目的是解决现有带状传感器网络中存在的弊端，解决能量消耗和传输效率 问题，延长带状传感器网络寿命，降低数据传输延迟等。本发明中的混合带状传感器网络由传感器节点、固定节点、移动Sink节点三类节 点组成，传感器节点负责数据的收集和传输，固定Sink节点和移动Sink节点用于数据汇集 并上传给远程控制端(如通过Internet、移动通信网等方式)，并对网络中其他传感器节点 进行管理。对于数据上报来说，无论是通过固定Sink节点，还是通过移动Sink节点传递给 远程控制端，效果是一样的。固定Sink节点和移动Sink节点的数量可以是1个，也可以是多个。固定Sink节 点的部署可以是随机的，也可以是按照某种优化方式部署在带状传感器网络中。本发明基本方法流程是
首先，移动Sink节点在勻速移动的过程中，周期性发送Hello包。每个Hello包中包 含当前移动Sink节点的ID号及其移动速率值。收到Hello包的传感器节点，先更新自身 的路由表信息，每个传感器节点的路由表有四条表项，其中两条用于记录离自己最近的左 右固定Sink节点信息，另两条用于记录离自己最近的左右移动Sink节点信息，传感器节点 利用新接收到的移动Sink节点的Hello包，并根据其移动方向，用Hello包中的数据替换 路由表中对应的路由表项。离某个传感器节点自己最近的左(或右)方移动Sink节点，可以 认定为该传感器节点最后一个看到的向左和向右移动的Sink节点。
其次，传感器节点有数据上报时，先根据路由表计算到各类型Sink节点的距离， 取其最小值，作为目的Sink节点，进行数据上报。数据包中携带目的sink的位置信息(对 固定sink)或估计位置信息(对移动sink)。最后，在数据转发的过程中，收到数据包的中间节点(intermediatenodes)可以 先根据自身的路由表重新估计到分组目的Sink节点(如果是移动sink的话)的距离，如果 与分组中携带的估计位置不一致，则跟新估计位置，并继续向该目标sink转发分组，持续 上述过程，直到目的sink收到该分组。通过同时使用固定Sink节点和移动Sink节点，有助于均衡网络中的传感器节点 能量消耗，抑制固定Sink节点附近的传感器节点因数据包转发而消耗能量过快，从而延长 整个带状传感器网络寿命；同时，传感器节点通过择近选择Sink节点，可降低数据包的传 输延迟。而且固定Sink节点的存在可以确保，当移动Sink节点离开带状传感器网络部署 区域时或临时性无线传输中断时，网络中的传感器节点仍然可以进行实时数据上报。
图1混合带状传感器网络部署结构示意图。图2目的节点为移动Sink节点数据转发示意图。图3目的节点为固定Sink节点数据转发示意图。图4混合带状传感器网络数据采集流程图。
具体实施例方式
按照图1，本专利方法含有传感器节点、移动Sink节点和固定Sink节点，其中各节点设 定为
(1)移动sink沿带状传感器网络部署区域移动(允许折返)；
(2)传感器节点沿直线部署，或至少两个相邻固定sink之间的区段是直线的。由于带 状区域很窄，我们忽略纵坐标，仅以横坐标来代表节点(包括sink和传感器节点)的位置。(3)每个传感器节点记录离自己最近的两个固定sink的距离；如果传感器节点的 某一边没有固定sink，则只需要记录最近的一个固定sink。(4)每个传感器节点保存相邻节点信息，包括节点ID、节点位置信息。如图4的流程，具体步骤为 步骤1、计算移动Si nk节点速率
方法1 移动Sink节点配备有GPS定位装置，这种情况下，移动Sink节点可以实时获 得自身移动速率和位置信息。方法2 移动Sink节点没有GPS定位装置，这种情况下，需要通过不同时刻其相 邻传感器节点的位置信息变化来估计移动Sink节点位置信息的变化，并通过流逝的时间 信息，来估计移动Sink的平均速率。设混合带状传感器网络中传感器节点i的地理位置 为Xi (即横坐标，由于忽略带状网络宽度，因而纵坐标可以忽略)，传感器节点周期性地广 播Hello包(如每三秒一次)。如果传感器网络采用分簇拓扑结构，可以仅要求簇头节点广 播Hello包，而普通簇成员节点不需要广播，这样可以节省节点能量。传感器节点发送的 Hello包中含了自身的ID号及地理位置信息，为了减小误差，提高估算的精度，本专利采用 以下步骤对移动Sink节点的速率进行估算
1)移动sink以听到的第一个传感器节点的第一个Hello消息，作为计算的起点。我们记这个传感器节点的地理位置为S1，并记当前时刻为T1 ；
2)以距离Z (L 2R, R表示节点的传输半径)为速率估测间隔(即每移动大约距离 L从新估计移动sink的速率)，沿着移动Sink节点的移动方向，当听到最接近地理位置为 L+Si的传感器节点(即此传感器节点和此地理位置之间不存在其它传感器节点)广播的第 一个Hello包时，从Hello包中获取此传感器节点的地理位置，记为S2，并记录当前时刻为 T2 ；然后以地理位置为S2的传感器节点为起点，当听到最接近地理位置为L+S2的传感器节 点广播的第一个Hello包时，从Hello包中获取此传感器节点的地理位置，记为S3,并记录 当前时刻为T3 ；依次类推，移动Sink节点在移动的过程中，大约每间隔L，就记录一个传感 器节点的地理位置，及听到此传感器节点的第一个Hello包的时亥IJ，记作(Si,凡)。当移动Sink节点j大约每移动L距离，都会重新估算自己的移动速度，移动Sink 节点从起点开始，在移动过第一个大约L距离时，其平均移动速率r计算公式为 此后，移动Sink节点每移动大约为L的距离，其移动速率r计算公式如下 V=Isi - SiJ / [ Cl - α)χγ+αχ (Ti - Ti^1)]
i〉2，α 为常量，O < σ < 1 其中于广(1 — σ ) X〒 +a X Cri - D综合上述，移动Sink节点的平均移动速率r计算公式如下所示。
(1—α)χΓ + τχ(Ι；—2；—)步骤2、传感器节点路由表的创建及更新
本发明中，每个传感器节点的路由表由四条表项组成，路由表项分两部分，每部分各占 两项，一部分用于固定Sink节点，一类用于移动Sink节点，具体格式内容及计算方法如下 所示
1固定Sink节点路由信息表
节点IDI下一跳节点IDI与本传感器节点间距离I方向类型(左右)
传感器节点中的固定Sink节点的路由表信息保存离自己最近的左右两边的固定Sink 节点信息，其中到左右Sink节点的下一跳节点；方向类型；与本传感器节点之间的距离等 信息，通常在传感器节点部署时就固定下来，一般不会动态发生变化。其中，传感器节点i 与固定Sink节点j的距离，计算公式如下所示 Ciij=IXi-Xj
Xi和Xj分别表示传感器节点和固定Sink节点的地理位置。
移动Sink节点路由信息表
用于移动Sink节点的两条路由表项分别保存了离传感器节点左右方向最近的移动 Sink节点信息，移动Sink节点的路由表项随着不断地接收新的移动Sink节点发送的 Hello包，根据移动Sink节点的移动方向而动态更新。此外，下一跳节点ID也随所采用的 路由协议而变。步骤3、选择目的S i nk节点
当传感器节点有数据上传时，首先要选择当前离自己的最近的Sink节点，步骤如下 1)计算到最近固定Sink节点的距离
传感器节点根据路由表信息，可直接获取本身到左右最近固定Sink节点的距离。2)计算到最近移动Sink节点的距离
设表示传感器节点到移动Sink节点的距离；Ky表示移动Sink节点的移动速率；表示 当前时刻，th表示第一次收到移动Sink节点J的Hello包的时刻，/P表示节点的传输半径， 传感器节点广播Hello的周期为tp。如果VfX Ctc - th)< 2R - F7-Xtp,传感器节点i在移动Sink节点j的一跳传输 范围内，则传感器节点i与Sinkj可直接通信，即下一跳节点就是此移动Sink节点。否则 传感器节点i在移动Sink节点j的计算公式如下所示
Clij=FyX (tc - th) - R
3)选取离传感器节点距离最小的Sink节点作为目的Sink节点，进行数据上报。4)路由表刷新
如果传感器节点到某个移动Sink节点距离大于本身到离自己最近的固定Sink节点的 距离，则删除该项。步骤4、数据转发(如说明书附图2，3所示)
数据转发步骤如下
1)传感器节点首先从自己的路由表中选出当前时刻距离自己最近的目的Sink节点， 如果此Sink节点是移动Sink节点，且在一跳传输范围内，则把数据直接传输给此移动Sink 节点，否则传感器节点根据选出的目的Sink节点从路由表中获取下一跳节点进行数据转 发；如果此目的Sink节点是移动Sink节点，则需在数据包中需包含目的移动Sink节点的 平均速率，移动方向，本传感器节点i到目的移动Sink节点j的距离Clij，及传感器节点i的 位置信息Xi。2)中间节点在接收到新的数据包时，首先判断目的Sink节点的类型，是移动Sink 还是固定Sink，处理步骤分别如下
情况一数据包的目的Sink节点是固定Sink节点。中间节点先计算出当前时刻在自 己一跳传输范围内是否有移动Sink节点，有的话，可把数据直接传输给移动Sink节点；否 贝U，中间节点根据目的Sink节点ID号从路由表中获取下一跳节点继续转发数据包。
情况二 数据包的目的Sink节点是移动Sink节点。中间节点首先判断当前时刻 在自己的一跳传输范围内是否有移动Sink节点，有的话，可把数据直接传输给移动Sink节 点。否则，中间节点根据数据包中的目的移动Sink节点ID查看在自己的路由表中是否存 在此移动Sink节点路由表项
如果存在，则中间节点根据数据包中的目的移动Sink节点ID在自己的路由表中找到 下一跳节点继续转发数据。
如果中间节点路由表中不存在数据包中目的移动Sink节点表项，则中间节点
根据数据包的转发方向，从路由表中获取相同方向的下一跳节点继续转发数据，数据包中 的目的移动Sink不变。
权利要求
混合带状传感器网络数据采集方法，其特征在于网络沿带状区域部署，带的长度远大于带的宽度；网络包括三类节点传感器节点、固定Sink节点、移动Sink节点；传感器节点在上报数据的时候，从离自己最近的固定Sink节点和移动Sink节点中择近选择自己要上传的目的Sink节点；同时，数据包在转发的过程中，每个中继节点需要重新计算当前离自己最近的Sink节点，如果与数据包中的目的Sink节点不一致，则改变数据包中的目的Sink节点为当前离此中继节点最近的Sink节点。
2.根据权利要求1所述的混合带状传感器网络数据采集方法，其特征是传感数据上报步骤如下1)传感器节点首先从自己的路由表中选出当前时刻距离自己最近的目的Sink节点， 如果此Sink节点是移动Sink节点，且在一跳传输范围内，则把数据直接传输给此移动Sink 节点，否则传感器节点根据选出的目的Sink节点从路由表中获取下一跳节点进行数据转 发；如果此目的Sink节点是移动Sink节点，则需在数据包中包含目的移动Sink节点的平 均速率，移动方向，本传感器节点i到目的移动Sink节点j的距离、，及传感器节点i的 位置信息\；2)中间节点在接收到数据包时，首先判断此数据包的目的Sink节点类型，是移动 Sink还是固定Sink，分别处理如下情况一数据包的目的Sink节点是固定Sink节点；中间节点先计算出当前时刻在 自己一跳传输范围内是否有移动Sink节点，有的话，可把数据直接传输给移动Sink节点； 否则，中间节点根据目的Sink节点ID号从路由表中获取下一跳节点继续转发数据包；情况二 数据包的目的Sink节点是移动Sink节点；中间节点首先判断当前时刻在 自己的一跳传输范围内是否有移动Sink节点，有的话，可把数据直接传输给移动Sink节占.否则，中间节点根据数据包中的目的移动Sink节点ID查看在自己的路由表中是否 存在此移动Sink节点路由表项如果存在，则中间节点根据数据包中的目的移动Sink节点ID在自己的路由表中找 到下一跳节点继续转发数据；如果中间节点路由表中不存在数据包中目的移动Sink节点表项，则中间节点根据数 据包的转发方向，从路由表中获取相同方向的下一跳节点继续转发数据，数据包中的目的 移动Sink不变。
3.根据权利要求1所述的混合带状传感器网络数据采集方法，其特征是移动Sink节 点速率预测方法是移动Sink节点沿带状网络勻速运动，移动速率通过两种方法计算，一种是通过配备 GPS装置，一种是通过传感器节点周期的广播各自的地理位置信息包，移动Sink节点通过 接收到的不同时刻相邻传感器节点的位置信息来估计移动Sink节点位置信息的变化，并 通过流逝的时间信息，来估计移动Sink的平均速率；计算移动Sink节点的平均移动速率r 的计算公式是
4.根据权利1所述的混合带状传感器网络数据采集方法，其特征是路由表维护方法 是移动Sink节点在移动的过程中，周期性的广播Hello包，告知传感器节点自己的移动速 率，ID号，传感器节点同时用Hello包来更新自己的路由表信息；每个传感器节点中的路由 表由四条表项组成，分为两类，各占两项，一类用于固定Sink节点，保存离传感器节点最近 的左右两边的固定Sink节点路由信息；一类用于移动Sink节点，保存离传感器节点最近的 左右两个方向上的移动Sink节点路由信息。
5.根据权利要求广3任一条所述的数据采集方法，其特征是数据上传时目的sink节 点选择方法当传感器节点有数据上传时，选择当前离自己的最近的Sink节点的步骤如下1)计算到最近固定Sink节点的距离；传感器节点根据路由表信息，可直接获取本身到左右最近固定Sink节点的距离。 2)计算到最近移动Sink节点的距离；设表示传感器节点i到移动Sink节卢J的距离表示移动Sink节点的移动速率；tc 表示当前时刻，表示第一次收到移动Sink节点J的Hello包的时刻，表示节点的传输半 径，传感器节点广播Hello的周期为tp ；如果(tc - th)< 2R - t.Xtp，传感器节点i在移动Sink节点J的一跳传输范围 内，则传感器节点i与Sinkj可直接通信，即下一跳节点就是此移动Sink节点；否则传感器 节点i在移动Sink节点j的计算公式为^ft.X (tc-th)-R；3)选取离传感器节点距离最小的Sink节点作为目的Sink节点，进行数据上报；4)路由表刷新；如果传感器节点到某个移动Sink节点距离大于本身到离自己最近的固定Sink节 点的距离，则删除该项。
全文摘要
混合带状传感器网络数据采集方法，属于无线传感器网络数据采集技术领域。其特征是传感器节点在选择目的Sink节点时，通过比较离最近固定Sink节点的距离和当前时刻离最近移动Sink节点的距离，择近进行选择目的Sink节点，同时，数据包在转发的过程中，每个中间节点判断当前时刻在自己的一跳范围内是否有移动Sink节点，有的话，则把数据包直接上传给此移动Sink节点，否则，转交给下一跳节点，继续数据转发。本方法针对带状传感器网络的特征，是一种移动Sink和固定Sink相结合的混合带状传感器网络数据采集方法，在保证带状传感器网络节点能量消耗均衡性并延长了网络寿命的同时，也降低了数据传输延迟。
文档编号H04W28/08GK101867974SQ201010141200
公开日2010年10月20日 申请日期2010年4月8日 优先权日2010年4月8日
发明者王嵚 申请人:无锡泛联物联网科技股份有限公司