一种具有热灾备能力的多网关处理方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种具有热灾备能力的多网关处理方法及系统。该方法包括：步骤1，计算能量阈值或数据流量的拥塞阈值，然后根据计算出的拥塞阈值得到非拥塞阈值，主网关定期进行能量或数据流量的阈值判断，若所述能量或数据流量满足主网关的性能要求，则保持当前状态，否则执行步骤2；步骤2，所述主网关向候选网关发送切换网关请求，所述候选网关收到所述切换网关请求后向所述无线传感器网络中的节点发送切换网关的命令；步骤3，所述节点按照所述命令进行路由转换，其下一跳节点转向所述候选网关。本发明能克服现有WSN系统单网关的缺陷，从网关协同的角度，设计一种能够增加网络可靠性，延长网络寿命，保证实时性的多网关热灾备系统。
【专利说明】一种具有热灾备能力的多网关处理方法及系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及无线传感器网络网关热灾备技术，尤其涉及一种具有热灾备能力的多网关处理方法及系统。
【背景技术】
[0002]目前，随着微电子技术、计算技术、传感技术和无线通信技术的快速发展，无线传感器网络(Wireless Sensor Networks)受到越来越广泛的关注，并在民用和军事领域都体现出重大的应用价值。与传统网络相比，WSN具有如下特点:网络本身由许多具有感知及通信能力的节点构成；节点由电池供电，计算能力，通信能力和存储资源受限。WSN中的网关担负着收集传感网中传感节点采集的数据以及把收到的数据传输到以太网中的任务。在实际的WSN应用场景中，通常是多个传感节点对应一个网关，如果网关出现失效或者性能受到影响，相应的就会影响整个网络的性能。另外，现在很多实际的WSN应用场景中，网关不能采用传统的持续供电的方式，网关也需要采用可再生能源和蓄电池来供电，这时网关的能量供给也是有限的，并且WSN网关的能耗要远大于一般传感节点的能耗，这样更增加了网关的不可靠性。这种情况下，保证网关的正常工作就变得尤为重要。
[0003]以一个被部署到无人值守的区域中的大规模WSN为例。由于节点的数量较大，并且被监测区域可能并不适宜人类进入(如原始深林、火山口等)，如果网关受到环境突发因素的影响而性能降低甚至无法正常工作时，需要及时调整网关和相对应的传感节点的状态。因为一旦网关不能正常工作所带来的影响要远比一个甚至几个传感节点不能工作对整个网络带来的影响大的多。但是由于网关自身所完成工作的特性，所以网关的成本要远大于传感节点的成本。在考虑到成本的情况下，如何部署尽可能少的网关并且使得整个网络寿命尽可能长已经成为现实环境中一个重要的问题。要解决此类问题，除了要部署少量的冗余网关之外，网关之间的选择方案对网关的寿命有着很大的影响。进而随着物联网(InternetofThings, Ι0Τ)的发展，网关的作用将不仅仅局限于对环境数据进行采集，而且还需要对数据进行处理发送。因此，多网关的热灾备技术也是物联网中必不可或缺的技术手段。
[0004]由于在以前的大多数应用中，传感网的网关的能量是不受限或者是充足的，传感网的寿命的瓶颈在于传感节点的能量。因此，在以往对传感网的应用中主要集中在传感网中传感节点的节能方面。而对于多网关的应用中，主要集中在多网关的网络中路由选择和网关的部署方面。然而随着物联网(Internet of Things, 10T)的发展和应用普及,传感网中网关的能量受限问题已经凸显。如何在有限的网关数量的传感网系统中，延长整个网络的寿命已成为一个亟待解决的问题。
[0005]综上所述，需要综合考虑实际场景中网关可能遇到的各种情况，通过软硬件的协同设计，实现一种具有对各种情况做出相应的应对、寿命长、可靠性高，且易于实现的多网关灾备装置及方法。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于，提供一种具有热灾备能力的多网关处理方法及系统，以克服现有WSN系统单网关的缺陷，增加网络可靠性，延长网络寿命，保证实时性的多网关热灾备系统。
[0007]为实现上述目的，本发明提供一种具有热灾备能力的双网关处理方法，该方法包括:
[0008]步骤1，计算能量阈值或数据流量的拥塞阈值，由数据流量的拥塞阈值计算数据流量的非拥塞阈值，主网关定期进行能量或数据流量的阈值判断，若所述能量或数据流量满足主网关的性能要求，则保持当前状态，否则执行步骤2 ；
[0009]步骤2，所述主网关向候选网关发送切换网关请求，所述候选网关收到所述切换网关请求后向所述无线传感器网络中的节点发送切换网关的命令；
[0010]步骤3，所述节点按照所述命令进行路由转换，其下一跳节点转向所述候选网关。
[0011]进一步的，所述灾备方法是面向数据流量的拥塞时，所述灾备方法包括:
[0012]步骤11，根据当前周期的流量，基于EF滤波器预测未来一个周期的网络数据流量;
[0013]步骤12，根据当前周期的网络数据流量动态计算数据流量的拥塞阈值，然后根据计算出的拥塞阈值得到非拥塞阈值；
[0014]步骤13，根据所述数据流量的拥塞阈值，主网关判断所述未来的网络数据流量满足主网关的性能要求，若所预测流量满足主网关的性能要求，则保持当前状态，否则执行步骤14 ；
[0015]步骤14，所述主网关向候选网关发送切换网关请求，所述候选网关收到所述切换网关请求后向所述无线传感器网络中的节点发送切换网关的命令；
[0016]步骤15，所述节点按照所述命令进行路由转换，其下一跳节点转向所述候选网关;
[0017]步骤16，所述主网关判断当前数据流量是否小于非拥塞阈值，若小于非拥塞阈值且持续时间达到时间计数器设定的值，则执行步骤17，否则保持当前状态；
[0018]步骤17，所述主网关向所述候选网关发送归还数据流量请求，所述候选网关收到所述请求后向所述无线传感器网络中的节点发送归还命令；
[0019]步骤18，所述节点根据所述命令进行路由转换，其下一跳节点转向所述主网关，然后重复以上步骤直到主网关的当前数据流量高于非拥塞阈值。
[0020]进一步的，所述灾备方法是面向能量不均衡时，所述灾备方法包括:
[0021]步骤21，根据剩余能量，网关能耗计算能量阈值；
[0022]步骤22，根据所述能量阈值，主网关判断所述能量是否满足主网关的性能要求，若满足则保持当前状态，否则执行步骤23 ；
[0023]步骤23，所述主网关向候选网关发送切换网关请求，所述候选网关收到所述切换网关请求后向所述无线传感器网络中的节点发送切换网关的命令；
[0024]步骤24，所述节点按照所述命令进行路由转换，其下一跳节点转向所述候选网关;
[0025]步骤25，所述主网关转变成新的候选网关，且进入低功耗模式，所述候选网关转变成新的主网关，且进入正常工作模式。
[0026]进一步的，所述灾备方法的所述候选网关周期的收到所述主网关发送的心跳包，若超过所述周期所述候选网关周期的没有收到所述主网关发送的心跳包，则执行以下步骤:
[0027]步骤41，所述候选网关从低功耗模式进入正常工作模式，然后向所述无线传感器网络中的节点发送切换网关的命令，同时向所述主网关发送心跳包；
[0028]步骤42，所述节点按照所述命令进行路由转换，所述主网关转变成新的候选网关，且进入低功耗模式，所述候选网关转变成新的主网关，且进入正常工作模式。
[0029]进一步的，所述灾备方法的所述节点周期的收到所述主网关的确认信息，若超过所述周期所述节点没有收到所述主网关发送的确认信息，则主动进行路由转换，其下一跳节点转向所述候选网关。
[0030]本发明还提供一种具有热灾备能力的多网关处理方法，其包括一个主网关和多个候选网关，该主网关与每一个候选网关构成权利要求1至5中的双网关，其特征在于，所述多个候选网关有优先级编号，且所述主网关与每个候选网关维持一个心跳连接，所述多个候选网关之间不维持心跳连接。
[0031]为实现上述发明，本发明还提供一种具有热灾备能力的双网关处理的灾备系统，该系统包括:
[0032]判断模块，计算能量阈值或数据流量的拥塞阈值和非拥塞阈值，主网关定期进行能量或数据流量的阈值判断，若所述能量或数据流量满足主网关的性能要求，则保持当前状态，否则执行处理模块；
[0033]处理模块，所述主网关向候选网关发送切换网关请求，所述候选网关收到所述切换网关请求后向所述无线传感器网络中的节点发送切换网关的命令；
[0034]转换模块，所述节点按照所述命令进行路由转换，其下一跳节点转向所述候选网关。
[0035]进一步的，所述灾备系统是面向数据流量的拥塞时，所述灾备系统包括:
[0036]流量预测模块，根据当前周期的流量，基于EF滤波器预测未来一个周期的网络数据流量；
[0037]拥塞阈值生成模块，根据当前周期的网络流量动态计算数据流量的拥塞阈值，根据计算出来的拥塞阈值得到非拥塞阈值；
[0038]判断模块，根据所述数据流量的拥塞阈值，主网关判断所述未来的网络数据流量满足主网关的性能要求，若所预测流量满足主网关的性能要求，则保持当前状态，否则执行处理模块；
[0039]处理模块，所述主网关向候选网关发送切换网关请求，所述候选网关收到所述切换网关请求后向所述无线传感器网络中的节点发送切换网关的命令；
[0040]转换模块，所述节点按照所述命令进行路由转换，其下一跳节点转向所述候选网关;
[0041]第一判断模块，所述主网关判断当前数据流量是否小于非拥塞阈值，若小于非拥塞阈值且持续时间达到时间计数器设定的值，则执行第一处理模块，否则保持当前状态；
[0042]第一处理模块，所述主网关向所述候选网关发送归还数据流量请求，所述候选网关收到所述请求后向所述无线传感器网络中的节点发送归还命令执行第一转换模块；
[0043]第一转换模块，所述节点根据所述命令进行路由转换，其下一跳节点转向所述主网关，然后重复以上步骤直到主网关的当前数据流量高于非拥塞阈值。
[0044]进一步的，所述灾备系统是面向能量不均衡时，还包括:
[0045]能量阀值生成模块，根据剩余能量，网关能耗计算能量阈值；
[0046]判断模块，根据所述能量阈值，主网关判断所述能量是否满足主网关的性能要求，若满足则保持当前状态，否则执行处理模块；
[0047]处理模块，所述主网关向候选网关发送切换网关请求，所述候选网关收到所述切换网关请求后向所述无线传感器网络中的节点发送切换网关的命令；
[0048]转换模块，所述节点按照所述命令进行路由转换，其下一跳节点转向所述候选网关;
[0049]第二转换模块，所述主网关转变成新的候选网关，且进入低功耗模式，所述候选网关转变成新的主网关，且进入正常工作模式。
[0050]进一步的，所述灾备系统的所述候选网关周期的收到所述主网关发送的心跳包，若超过所述周期所述候选网关周期的没有收到所述主网关发送的心跳包，则执行以下模块:
[0051]第三处理模块，所述候选网关从低功耗模式进入正常工作模式，然后向所述无线传感器网络中的节点发送切换网关的命令，同时向所述主网关发送心跳包；
[0052]第三转换模块，所述节点按照所述命令进行路由转换，所述主网关转变成新的候选网关，且进入低功耗模式，所述候选网关转变成新的主网关，且进入正常工作模式。
[0053]本发明还提供一种具有热灾备能力的多网关处理系统，其包括一个主网关和多个候选网关，该主网关与每一个候选网关构成权利要求10的双网关无线传感器网络，其特征在于，所述多个候选网关有优先级编号，且所述主网关与每个候选网关维持一个心跳连接，所述多个候选网关之间不维持心跳连接。
[0054]本发明的有益功效在于，和单网关的WSN系统相比，避免因为网关能量受限，而导致整个WSN系统性能受到影响；通过针对WSN网关在不同情况下的状态切换，保证WSN网关的寿命以及整个网络的稳定性；针对由于网关的切换，网关向传感节点发出相应的路径转换指令，能够尽可能延长传感节点的寿命；通过双网关热灾备技术的策略，可以推广到多网关的热灾备技术。把多网关的热灾备转化为双网关的热灾备，大大简化了多网关热灾备技术的复杂性，有利于在实际的传感网系统中的使用。
[0055]以下结合附图和具体实施案例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
【专利附图】
【附图说明】
[0056]图1是本发明的双网关热灾备装置示意图；
[0057]图2是本发明的网关功能单元示意图；
[0058]图3是本发明的网关1，2分别对应的传感节点层次图；
[0059]图4 (a)?Cd)是本发明的面向网络拥塞的双网关主动热灾备过程示意图；
[0060]图5是本发明的面向网络拥塞的主动热灾备过程流程图；[0061]图6 (a)?(d)是本发明的面向能量不均衡的双网关主动热灾备过程示意图；
[0062]图7是本发明的面向能量不均衡的主动热灾备过程流程图；
[0063]图8是本发明的基于双网关的被动热灾备过程流程图；
[0064]图9是本发明的多网关热灾备转换为双网关热灾备不意图；
[0065]图10是本发明的具有热灾备能力的多网关处理方法流程图；
[0066]图11是本发明的具有热灾备能力的多网关处理系统不意图。
【具体实施方式】
[0067]图10是本发明的具有热灾备能力的多网关处理方法流程图。如图10所示，该方法包括:
[0068]步骤1，计算能量阈值或数据流量的拥塞阈值和非拥塞阈值，主网关定期进行能量或流量的阈值判断，若所述能量或数据流量满足主网关的性能要求，则保持当前状态，否则执行步骤2 ；
[0069]步骤2，所述主网关向候选网关发送切换网关请求，所述候选网关收到所述切换网关请求后向所述无线传感器网络中的节点发送切换网关的命令；
[0070]步骤3，所述节点按照所述命令进行路由转换，其下一跳节点转向所述候选网关。
[0071]进一步的，所述灾备方法是面向数据流量的拥塞时，所述灾备方法包括:
[0072]步骤11，根据当前周期的流量，基于EF滤波器预测未来一个周期的网络数据流量;
[0073]基本公式如下:
[0074]Et=Ci U (1-α )Μ—，其中Et和Ew分别代表当前估计值和前一周期估计值，Mmt为当前实际测量值，α为动态变化的平滑因子，能够随着滤波器的预测能力自适应的变化，如果滤波器的估计值能够很好的匹配实际的测量值，则赋予更大的权值，否则赋予更小的权值，α每次动态的计算；
[0075]步骤12，根据当前周期的网络流量动态计算数据流量的拥塞阈值，非拥塞阈值由拥塞阈值得来；
[0076]在面向网络数据流量(或简称数据流量)拥塞的灾备方法中，根据当前流量值和当前网关剩余能量采用函数f(x，y)计算出流量阈值，当前流量值和网关剩余能量作为函数f(x, y)的输入，求得当前网关的性能能够处理的最大网络数据流量M，其中在此网络中会有一流量阈值N，N是满足该网络中网络性能的吞吐率最大值的网络数据流量，N的取值和具体的网络环境相关，拥塞阈值等于min (M，N)，然后根据计算出的拥塞阈值得到非拥塞阈值；
[0077]步骤13，根据所述数据流量的拥塞阈值，主网关判断所述未来的网络数据流量满足主网关的性能要求，若所预测流量满足主网关的性能要求，则保持当前状态，否则执行步骤14 ；
[0078]步骤14，所述主网关向候选网关发送切换网关请求，所述候选网关收到所述切换网关请求后向所述无线传感器网络中的节点发送切换网关的命令；
[0079]步骤15，所述节点按照所述命令进行路由转换，其下一跳节点转向所述候选网关；[0080]步骤16，所述主网关判断当前数据流量是否小于非拥塞阈值，若小于非拥塞阈值且持续时间达到时间计数器设定的值，则执行步骤17，否则保持当前状态；
[0081]步骤17，所述主网关向所述候选网关发送归还数据流量请求，所述候选网关收到所述请求后向所述无线传感器网络中的节点发送归还命令；
[0082]步骤18，所述节点根据所述命令进行路由转换，其下一跳节点转向所述主网关，然后重复以上步骤直到主网关的当前数据流量高于非拥塞阈值。
[0083]进一步的，所述灾备方法是面向能量不均衡时，所述灾备方法包括:
[0084]步骤21，根据剩余能量，网关能耗计算能量阈值；
[0085]根据剩余能量，当前网关能耗，和另一网关的剩余能耗动态的计算能量阈值；以剩余能量，当前网关能耗，以及剩余能量作为性能函数g(x，y, z)的输入，得出能量阈值；
[0086]步骤22，根据所述能量阈值，主网关判断所述能量是否满足主网关的性能要求，若满足则保持当前状态，否则执行步骤23 ；
[0087]步骤23，所述主网关向候选网关发送切换网关请求，所述候选网关收到所述切换网关请求后向所述无线传感器网络中的节点发送切换网关的命令；
[0088]步骤24，所述节点按照所述命令进行路由转换，其下一跳节点转向所述候选网关;
[0089]步骤25，所述主网关转变成新的候选网关，且进入低功耗模式，所述候选网关转变成新的主网关，且进入正常工作模式。
[0090]进一步的，所述灾备方法的所述候选网关周期的收到所述主网关发送的心跳包，若超过所述周期所述候选网关周期的没有收到所述主网关发送的心跳包，则执行以下步骤:
[0091]步骤41，所述候选网关从低功耗模式进入正常工作模式，然后向所述无线传感器网络中的节点发送切换网关的命令，同时向所述主网关发送心跳包；
[0092]步骤42，所述节点按照所述命令进行路由转换，所述主网关转变成新的候选网关，且进入低功耗模式，所述候选网关转变成新的主网关，且进入正常工作模式。
[0093]进一步的，所述灾备方法的所述节点周期的收到所述主网关的确认信息，若超过所述周期所述节点没有收到所述主网关发送的确认信息，则主动进行路由转换，其下一跳节点转向所述候选网关。
[0094]本发明还提供一种具有热灾备能力的多网关处理方法，其包括一个主网关和多个候选网关，该主网关与每一个候选网关构成权利要求1至5中的双网关，其特征在于，所述多个候选网关有优先级编号，且所述主网关与每个候选网关维持一个心跳连接，所述多个候选网关之间不维持心跳连接。
[0095]图11是本发明的具有热灾备能力的多网关处理系统不意图。如图11所不，该系统包括:
[0096]判断模块100，计算能量阈值或数据流量的拥塞阈值和非拥塞阈值，主网关定期进行能量或流量的阈值判断，若所述能量或流量满足主网关的性能要求，则保持当前状态，否则执行处理模块；
[0097]处理模块200，所述主网关向候选网关发送切换网关请求，所述候选网关收到所述切换网关请求后向所述无线传感器网络中的节点发送切换网关的命令；[0098]转换模块300，所述节点按照所述命令进行路由转换，其下一跳节点转向所述候选网关。
[0099]进一步的，所述灾备系统是面向数据流量的拥塞时，所述灾备系统包括:
[0100]流量预测模块，根据当前周期的流量，基于EF滤波器预测未来一个周期的网络数据流量；
[0101]基本公式如下:
[0102]Et=Ci Eh+(1-a )Meurrent，其中Et和Ew分别代表当前估计值和前一周期估计值，Mmt为当前实际测量值，α为动态变化的平滑因子，能够随着滤波器的预测能力自适应的变化，如果滤波器的估计值能够很好的匹配实际的测量值，则赋予更大的权值，否则赋予更小的权值，α每次动态的计算；
[0103]拥塞阈值生成模块，根据当前周期的网络流量动态计算数据流量的拥塞阈值，根据计算出来的拥塞得到非拥塞阈值；
[0104]在面向网络数据流量拥塞的灾备方法中，根据当前流量值和当前网关剩余能量采用函数f(x，y)计算出流量阈值，当前流量值和网关剩余能量作为函数f(x，y)的输入，求得当前网关的性能能够处理的最大网络数据流量M，其中在此网络中会有一流量阈值N，N是满足该网络中网络性能的吞吐率最大值的网络数据流量，N的取值和具体的网络环境相关，拥塞阈值等于min (M，N)，然后根据计算出的拥塞阈值得到非拥塞阈值；
[0105]判断模块，根据所述数据流量的拥塞阈值，主网关判断所述未来的网络数据流量满足主网关的性能要求，若所预测流量满足主网关的性能要求，则保持当前状态，否则执行处理模块；
[0106]处理模块，所述主网关向候选网关发送切换网关请求，所述候选网关收到所述切换网关请求后向所述无线传感器网络中的节点发送切换网关的命令；
[0107]转换模块，所述节点按照所述命令进行路由转换，其下一跳节点转向所述候选网关;
[0108]第一判断模块，所述主网关判断当前数据流量是否小于非拥塞阈值，若小于非拥塞阈值且持续时间达到时间计数器设定的值，则执行第一处理模块，否则保持当前状态；
[0109]第一处理模块，所述主网关向所述候选网关发送归还数据流量请求，所述候选网关收到所述请求后向所述无线传感器网络中的节点发送归还命令执行第一转换模块；
[0110]第一转换模块，所述节点根据所述命令进行路由转换，其下一跳节点转向所述主网关，然后重复以上步骤直到主网关的当前数据流量高于非拥塞阈值。
[0111]进一步的，所述灾备系统是面向能量不均衡时，还包括:
[0112]能量阀值生成模块，根据剩余能量，网关能耗计算能量阈值；
[0113]根据剩余能量，当前网关能耗，和另一网关的剩余能耗动态的计算能量阈值；以剩余能量，当前网关能耗，以及剩余能量作为性能函数g(X，y, Z)的输入，得出能量阈值；
[0114]判断模块，根据所述能量阈值，主网关判断所述能量是否满足主网关的性能要求，若满足则保持当前状态，否则执行处理模块；
[0115]处理模块，所述主网关向候选网关发送切换网关请求，所述候选网关收到所述切换网关请求后向所述无线传感器网络中的节点发送切换网关的命令；
[0116]转换模块，所述节点按照所述命令进行路由转换，其下一跳节点转向所述候选网关;
[0117]第二转换模块，所述主网关转变成新的候选网关，且进入低功耗模式，所述候选网关转变成新的主网关，且进入正常工作模式。
[0118]进一步的，所述灾备系统的所述候选网关周期的收到所述主网关发送的心跳包，若超过所述周期所述候选网关周期的没有收到所述主网关发送的心跳包，则执行以下模块:
[0119]第三处理模块，所述候选网关从低功耗模式进入正常工作模式，然后向所述无线传感器网络中的节点发送切换网关的命令，同时向所述主网关发送心跳包；
[0120]第三转换模块，所述节点按照所述命令进行路由转换，所述主网关转变成新的候选网关，且进入低功耗模式，所述候选网关转变成新的主网关，且进入正常工作模式。
[0121]本发明还提供一种具有热灾备能力的多网关处理系统，其包括一个主网关和多个候选网关，该主网关与每一个候选网关构成权利要求10的双网关无线传感器网络，其特征在于，所述多个候选网关有优先级编号，且所述主网关与每个候选网关维持一个心跳连接，所述多个候选网关之间不维持心跳连接。
[0122]图1是本发明的双网关热灾备装置不意图；如图1所不，该双网关热灾备系统包括主网关101，候选网关102以及传感节点组103。
[0123]主网关101负责主要收集传感数据以及主动监测系统状况。在正常情况下，传感节点采集的数据都发送给主网关101。主网关除了接收传感数据外，还会定期监测系统状况，用来决定后来一段时期传感节点需要选择的网关。
[0124]网关102通常作为候选网关，当网关101出现问题或者故障时102节点才会启用。由于WSN系统在野外部署，有可能会遇到一些突发状况，导致主网关出现异常，在这种情况下，候选网关开始发挥作用。
[0125]节点组103是WSN系统中的传感节点。在这里，传感节点不仅具有采集传感数据的功能，还具有路由转发功能。传感节点能够接收其他传感节点的指令和主网关101以及候选网关102的指令，根据这些指令来调整自己的工作状态和选择不同的传输路径。
[0126]图2是本发明的网关功能单元示意图。如图2所示，网关节点101包含存储单元1011，处理单元1012，网关同步单元1013，通信单元1014，供电单元1015，网络拥塞热灾备单元1016和能量不均衡热灾备单元1017。其中供电单元用于给其他六个个单元供电，处理单元用于处理采集到的数据，同步单元用来发布多个网关之间的同步策略，通信单元用于和网关以及传感节点进行通信，网络拥塞热灾备单元和能量不均衡热灾备单元分别用于实现面向网络拥塞的热灾备和面向能量不均衡的热灾备。
[0127]图3是本发明的网关1，2分别对应的传感节点层次图。如图3所示，方形标识的代表网关，其他标识为传感节点。在本发明中采用洪泛方法分别建立到各个网关的层次路由。在建立层次路由的时候，选择下一跳所采用的度量参数可根据实际的情况来选择。传感节点的数字标识代表该传感节点所处的层次。建立好的对应网关I的层次路由如图3 (a)所示，建立好的对应网关2的层次路由如图3 (b)所示。
[0128]在网络起始状态，多个网关并不区分主网关和候选网关。在分别建立好针对网关I和网关2的层次路由之后，下一步传感节点将要选择在网关I和网关2中选择主网关和候选网关。选择主网关和候选网关综合考虑多种因素包括延时、链路质量、能耗等因素。具体考虑的因素以及各个因素的评价因子要根据实际情况来确定。根据考虑的各个因素，传感节点分别计算到两个网关的代价。传感节点选择到达代价相对较小的网关作为主网关，另外一个作为候选网关。
[0129]在本发明中传感节点与主网关和候选网关都可进行通讯，主网关与候选网关之间也可进行通讯，并且在正常情况下主网关和候选网关之间维持一个心跳连接。网关处于工作状态是指网关保持和传感节点通讯并且与另一网关维持一个心跳连接，工作处于休眠状态是指网关与传感节点的通讯状态处于关闭状态，仅维持与另一网关的心跳连接。在正常工作状态下，主网关处于工作状态，候选网关处在休眠状态。
[0130]在下面将介绍本发明第一个功能模块:基于双网关的主动热灾备功能模块。基于主网关的热灾备技术中又分为以下两个方面:面向网络拥塞的主动热灾备技术和面向能量不均衡的主动热灾备技术。在此方法中，主网关在网络异常情况下主动的通过与候选网关的心跳连接向候选网关发送指令，候选网关会根据心跳包中的相应指令来做出相对应的应对方案。
[0131]下面首先介绍面向网络拥塞的主动热灾备技术:
[0132]WSN有一大部分应用是面向事件触发的，在传感网的监测区域中，如果有突发事件发生会导致传感网中的数据量迅速变大，或者由于其他的原因而导致传感网的数据流量激增，从而导致网络拥塞。数据量激增会导致网关的能量消耗变快，并且由于网关的处理能力限制，如果数据量达到一定程度会导致网关的性能下降，从而会影响传感网系统的性能。在此种状况下采用面向网络拥塞的主动热灾备方法，流程图如图5所示。图5是本发明的面向网络拥塞的主动热灾备过程流程图:
[0133]步骤5-1:基于EF滤波器自适应的预测未来的网络数据流量，然后执行步骤5-2 ；
[0134]步骤5-2:根据剩余能量和当前的网络数据流量动态计算拥塞阈值和非拥塞阈值，然后执行步骤5-3;
[0135]步骤5-3:网关中存在一个数据流量的拥塞阈值判断，此阈值的大小动态周期的计算，每隔一段时间，网关进行流量预测，如果预测的下一周期流量小于阈值，则保持当前状态，否则执行步骤5-4 (如图4 (a)所示)；
[0136]步骤5-4:此时主网关向候选网关发送分担负载请求(如图4 (b)所示)，然后执行步骤5-5 ；
[0137]步骤5-5:候选网关收到来自主网关的分担负载请求后，发送部分节点转移网关命令(如图4 (c)所示)，这部分节点可根据实际情况来选择，在图4中的示例中，采用距离候选网关一跳距离的节点，然后执行步骤5-6 ；
[0138]步骤5-6:此时距离候选网关需要转移网关的节点的下一跳节点转向候选网关(如图4 (d)所示)。如果此时主网关接收到的数据流量仍然超过设定的阈值，则主网关通过心跳连接向候选网关发送二次分担负载请求，此时候选网关向部分节点发送转移网关命令，此时需要转移网关的节点把目的网关转换为候选网关，
[0139]重复以上过程直到主网关接收到的数据流量低于设定的阈值。
[0140]其中，图4 (a)?(d)是本发明的面向网络拥塞的双网关主动热灾备过程示意图。
[0141]另外，需要注意的是当部分节点的目标网关变为候选网关时，这种状态是暂时的。当主网关的数据流量回归到一定值时，这部分节点会重新选择主网关。在这里主网关维持两个阈值一个是上面用到的拥塞阈值，另外一个是非拥塞阈值，进入到上面的状态时，主网关不仅会定时的判断的当前的数据流量和拥塞阈值的比较，还会把当前的数据流量和非拥塞阈值进行比较。同时为了防止由于网络不稳定而引起的网关频繁切换，主网关还要维持一个时间计数器。如果当前的数据流量小于非拥塞阈值，此时开始时间计数器开始计数，当持续时间计数到超过设定的值，那么主网关就会向候选网关发送请求负载归还请求。然后执行和上面的过程的逆过程，具体步骤如下:
[0142]步骤5-7:主网关判断当前数据流量是否小于非拥塞阈值，如果小于非拥塞阈值并且持续时间到达设定的值，则执行步骤5-8 ；
[0143]步骤5-8:此时主网关向候选网关发送归还负载请求，然后执行步骤5-9 ；
[0144]步骤5-9:候选网关收到来自主网关的归还负载请求后，发送部分节点转移网关命令，然后执行步骤5-10 ；
[0145]步骤5-10:此时距离根据转移网命令需要转移网关的节点目标网关转向主网关。
[0146]步骤5-11:重复以上过程直到主网关接收到的数据流量高于非拥塞阈值。
[0147]下面介绍面向能量不均衡的主动热灾备技术:
[0148]对于采用电池供电的系统，通过对能量不均衡条件下使用网关热灾备技术能够很好的解决由于网关能量瓶颈而产生的网关不能工作而导致影响整个网络性能的问题。
[0149]当主网关长期工作或者由于其他原因造成的能量不足时，这时会影响网关的工作性能，包括网关的数据传输以及网关的数据处理。
[0150]在此种情况下，本发明处理方法如图7的流程图所示，图7是本发明的面向能量不均衡的主动热灾备过程流程图。
[0151]具体步骤如下所示:
[0152]步骤7-1:根据剩余能量，网关能耗，和另一网关的剩余能耗根据性能函数g(x, y, z)动态的计算能量阈值；
[0153]步骤7-2:主网关会定期的读取剩余能量，当剩余能量高于能量阈值时，则保持当前状态，否则执行步骤7-3 (如图6 Ca)所示):
[0154]步骤7-3:此时，主网关会通过与候选网关的心跳连接发送切换网关请求(如图6(b)所示)，然后执行步骤7-4:
[0155]步骤7-4:此时候选网关向传感网中的节点发送切换网关命令，此时主网关也向传感网中的节点发送切换网关命令(如图6 (c)所示)，然后执行步骤7-5 ；
[0156]步骤7-5:传感网中的节点收到切换网关命令后，按照存储的候选网关路由信息进行路由转换(如图6 Cd)所示)，然后执行步骤7-6 ；
[0157]步骤7-6:此时主网关进入低功耗模式。
[0158]其中，图6 (a)?(d)是本发明的面向能量不均衡的双网关主动热灾备过程示意图。
[0159]面向网络拥塞的热灾备技术的状态是暂时的，这种状态不会持续很久，并且主网关候选网关不会改变。而面向能量不均衡的热灾备技术是稳态的，这种状态下网关会切换，候选网关会转变成主网关，主网关会转换成候选网关。
[0160]在下面将介绍本发明第二个功能模块:基于双网关的被动热灾备功能模块。在此方法中，主网关出现异常，候选网关甚至收不到主网关发送的心跳包，这也就意味着候选网关无法根据心跳包中的相应指令来做出相对应的应对方案。此时候选网关就应该具备在收不到心跳包的情况下，自身做出相应改变的能力。
[0161]在实际的传感网系统的应用场景中，网关工作在野外环境中。由于网关工作环境复杂，当网关出现物理损坏或者其他原因到导致主网关不能工作，并且主网关也无法通知候选网关主网关的工作状况。在这种情况下，候选网关就不能仅仅通过主网关的指令进行相应的操作，还应该本身具体做出相应处理的能力。
[0162]在这种情况下，本发明处理方法如图8的流程图所示，图8是本发明的基于双网关的被动热灾备过程流程图。
[0163]具体步骤如下所示:
[0164]步骤8-1:候选网关周期的接收来自主网关发来的心跳包，如果超过一定的周期(具体的周期可根据实际情况进行设定)没有收到主网关发来的心跳包，在这种情况下执行步骤8-2 ；
[0165]步骤8-2:此时候选网关从低功耗模式进入到正常工作状态，然后向WSN系统中的节点发送网关切换命令，并且向住网关发送心跳包，然后执行步骤8-3 ；
[0166]步骤8-3:传感网中的节点收到切换网关命令后，根据路由表存储的路由信息把目标网关从主网关切换到候选网关，然后执行步骤8-4;
[0167]步骤8-4:此时候选网关就变成主网关，主网关转变为候选网关；
[0168]此过程和面向能量不均衡的热灾备技术类似，整个过程执行完后，系统状态是稳定的。不同之处在于面向能量不均衡的热灾备技术中不仅候选网关向传感节点发送切换网关请求，而且主网关也会向传感节点发送切换网关请求，这种做法能够有效的提闻网关切换的速度。然而，由于在被动热灾备技术的应用环境中，主网关一般是不能正常工作的，所以主网关一般也不能向传感节点发送切换网关请求，因此只能通过候选网关来发送切换网关请求，然后该请求在传感网中一层一层的传送，直到传送到终端节点为止。
[0169]针对上面提到的在被动热灾备技术中切换网关的延迟比较大的问题，本发明提出了 一种解决的方法。在上面的方法中，传感节点被动的接收网关的命令来决定网关是否需要切换。在这里，结合传感节点的感知能力，如果距离主网关的传感节点长时间的收不到主网关的确认信息，那么这时距离主网关一跳距离的传感节点可以不必等到来自候选网关的切换网关命令，距离主网关一跳距离的传感节点可以主动的切换网关，并且将此信息通知给下层节点，这样就可以大大地提高被动热灾备技术中切换网关的速度，同时也节省了传感网中节点的能量消耗。
[0170]在实际的应用的可能不仅会有两个网关，可会有不止一个候选网关，因为这样做可以提高传感网的可靠性。
[0171]本发明所描述的多网关环境中，传感节点收集到的信息并不会传送到多个网关，因为它每次只选择总体代价较小的网关作为传送数据的枢纽。其余网关作为候选网关，当主网关出现问题的时候才会起作用。
[0172]考虑到双网关的备份方法中采用的主网关与候选网关维持心跳连接的方法,在这里我们借鉴双网关采用的方法。
[0173]采用上面介绍的双网关选择主网关与候选网关的方法选择主网关和候选网关，不同于双网关热灾备的是，此时候选网关不止一个，并且要对多个候选网关进行优先级编号。[0174]主网关与每个候选网关维持一个心跳连接，候选网关之间不会维持心跳连接。
[0175]主网关工作在正常状态，候选网关工作在休眠状态。
[0176]这样就把多网关的全局热灾备问题转换成多个局部的双网关热灾备问题，如图9所示，以主网关为核心，建立多个局部双网关的热灾备问题，上面提到的方法对于主动热灾备问题正好适用。
[0177]在主动热灾备中的面向拥塞的问题中，主网关的分担负载请求会发送给优先级高的候选网关，其余候选网关保持待机状态；在面向能量不均衡的问题中，主网关的切换网关请求也会发给优先级高的候选网关，其他候选网关相应的就会建立与新的主网关的心跳连接。
[0178]在被动热灾备问题中，为不同优先级的候选网关设置不同的超时判断阈值。优先级高的候选网关阈值最短，随着候选网关优先级的降低，超时判断阈值会逐渐增加。当被动热灾备问题出现时，优先级最高的候选网关首先监测到，然后候选网关从休眠状态进入工作状态并按照双网关热灾备问题中介绍的方法向传感节点发送切换网关命令。并且，不同双网关的场景的是，此候选网关还需要与其他候选网关建立连接请求，并通知其他候选网关主网关更换。其他候选网关接收到主网关更换的通知后，首先断掉与旧主网关的心跳连接，然后建立与新的主网关的心跳连接。
[0179]当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
【权利要求】
1.一种具有热灾备能力的双网关处理方法，其特征在于，包括: 步骤1，计算能量阈值或数据流量的拥塞阈值和非拥塞阈值，主网关定期进行能量或流量的阈值判断，若所述能量或流量满足主网关的性能要求，则保持当前状态，否则执行步骤2 ； 步骤2，所述主网关向候选网关发送切换网关请求，所述候选网关收到所述切换网关请求后向所述无线传感器网络中的节点发送切换网关的命令； 步骤3，所述节点按照所述命令进行路由转换，其下一跳节点转向所述候选网关。
2.如权利要求1所述的具有热灾备能力的双网关处理方法，其特征在于，所述灾备方法是面向数据流量的拥塞时，所述灾备方法包括: 步骤11，根据当前周期的流量，基于EF滤波器预测未来一个周期的网络数据流量； 步骤12，根据当前周期的网络流量动态计算数据流量的拥塞阈值和非拥塞阈值； 步骤13，根据所述数据流量的拥塞阈值，主网关判断所述未来的网络数据流量满足主网关的性能要求，若所预测流量满足主网关的性能要求，则保持当前状态，否则执行步骤14 ； 步骤14，所述主网关向候选网关发送切换网关请求，所述候选网关收到所述切换网关请求后向所述无线传感器网络中的节点发送切换网关的命令； 步骤15，所述节点按照所述命令进行路由转换，其下一跳节点转向所述候选网关； 步骤16，所述主网关判断当前数据流量是否小于非拥塞阈值，若小于非拥塞阈值且持续时间达到时间计数器设定的值，则执行步骤17，否则保持当前状态； 步骤17，所述主网关向所述候选网关 发送归还数据流量请求，所述候选网关收到所述请求后向所述无线传感器网络中的节点发送归还命令； 步骤18，所述节点根据所述命令进行路由转换，其下一跳节点转向所述主网关，然后重复以上步骤直到主网关的当前数据流量高于非拥塞阈值。
3.如权利要求1所述的具有热灾备能力的双网关处理方法，其特征在于，所述灾备方法是面向能量不均衡时，所述灾备方法包括: 步骤21，根据剩余能量，网关能耗计算能量阈值； 步骤22，根据所述能量阈值，主网关判断所述能量是否满足主网关的性能要求，若满足则保持当前状态，否则执行步骤23 ； 步骤23，所述主网关向候选网关发送切换网关请求，所述候选网关收到所述切换网关请求后向所述无线传感器网络中的节点发送切换网关的命令； 步骤24，所述节点按照所述命令进行路由转换，其下一跳节点转向所述候选网关； 步骤25，所述主网关转变成新的候选网关，且进入低功耗模式，所述候选网关转变成新的主网关，且进入正常工作模式。
4.如权利要求1所述的具有热灾备能力的双网关处理方法，其特征在于，所述灾备方法的所述候选网关周期的收到所述主网关发送的心跳包，若超过所述周期所述候选网关周期的没有收到所述主网关发送的心跳包，则执行以下步骤: 步骤41，所述候选网关从低功耗模式进入正常工作模式，然后向所述无线传感器网络中的节点发送切换网关的命令，同时向所述主网关发送心跳包； 步骤42，所述节点按照所述命令进行路由转换，所述主网关转变成新的候选网关，且进入低功耗模式，所述候选网关转变成新的主网关，且进入正常工作模式。
5.如权利要求1所述的具有热灾备能力的双网关处理方法，其特征在于，所述灾备方法的所述节点周期的收到所述主网关的确认信息，若超过所述周期所述节点没有收到所述主网关发送的确认信息，则主动进行路由转换，其下一跳节点转向所述候选网关。
6.一种具有热灾备能力的多网关处理方法，其包括一个主网关和多个候选网关，该主网关与每一个候选网关构成权利要求1至5中的双网关，其特征在于，所述多个候选网关有优先级编号，且所述主网关与每个候选网关维持一个心跳连接，所述多个候选网关之间不维持心跳连接。
7.一种具有热灾备能力的双网关处理的灾备系统，其特征在于，包括: 判断模块，计算能量阈值或数据流量的拥塞阈值和非拥塞阈值，主网关定期进行能量或流量的阈值判断，若所述能量或流量满足主网关的性能要求，则保持当前状态，否则执行处理模块； 处理模块，所述主网关向候选网关发送切换网关请求，所述候选网关收到所述切换网关请求后向所述无线传感器网络中的节点发送切换网关的命令； 转换模块，所述节点按照所述命令进行路由转换，其下一跳节点转向所述候选网关。
8.如权利要求7所述的具有热灾备能力的双网关处理的灾备系统，其特征在于，所述灾备系统是面向数据流量的拥塞时，所述灾备系统包括: 流量预测模块，根据当前周期的流量，基于EF滤波器预测未来一个周期的网络数据流量; 拥塞阈值生成模块，根据当前周期的网络流量动态计算数据流量的拥塞阈值和非拥塞阈值；
判断模块，根据所述数据流量的拥塞阈值，主网关判断所述未来的网络数据流量满足主网关的性能要求，若所预测流量满足主网关的性能要求，则保持当前状态，否则执行处理模块； 处理模块，所述主网关向候选网关发送切换网关请求，所述候选网关收到所述切换网关请求后向所述无线传感器网络中的节点发送切换网关的命令； 转换模块，所述节点按照所述命令进行路由转换，其下一跳节点转向所述候选网关； 第一判断模块，所述主网关判断当前数据流量是否小于非拥塞阈值，若小于非拥塞阈值且持续时间达到时间计数器设定的值，则执行第一处理模块，否则保持当前状态； 第一处理模块，所述主网关向所述候选网关发送归还数据流量请求，所述候选网关收到所述请求后向所述无线传感器网络中的节点发送归还命令执行第一转换模块； 第一转换模块，所述节点根据所述命令进行路由转换，其下一跳节点转向所述主网关，然后重复以上步骤直到主网关的当前数据流量高于非拥塞阈值。
9.如权利要求7所述的具有热灾备能力的双网关处理的灾备系统，其特征在于，所述灾备系统是面向能量不均衡时，还包括: 能量阀值生成模块，根据剩余能量，网关能耗计算能量阈值； 判断模块，根据所述能量阈值，主网关判断所述能量是否满足主网关的性能要求，若满足则保持当前状态，否则执行处理模块； 处理模块，所述主网关向候选网关发送切换网关请求，所述候选网关收到所述切换网关请求后向所述无线传感器网络中的节点发送切换网关的命令； 转换模块，所述节点按照所述命令进行路由转换，其下一跳节点转向所述候选网关；第二转换模块，所述主网关转变成新的候选网关，且进入低功耗模式，所述候选网关转变成新的主网关，且进入正常工作模式。
10.如权利要求7所述的具有热灾备能力的双网关处理的灾备系统，其特征在于，所述灾备系统的所述候选网关周期的收到所述主网关发送的心跳包，若超过所述周期所述候选网关周期的没有收到所述主网关发送的心跳包，则执行以下模块: 第三处理模块，所述候选网关从低功耗模式进入正常工作模式，然后向所述无线传感器网络中的节点发送切换网关的命令，同时向所述主网关发送心跳包； 第三转换模块，所述节点按照所述命令进行路由转换，所述主网关转变成新的候选网关，且进入低功耗模式，所述候选网关转变成新的主网关，且进入正常工作模式。
11.一种具有热灾备能力的多网关处理系统，其包括一个主网关和多个候选网关，该主网关与每一个候选网关构成权利要求7-10的双网关无线传感器网络，其特征在于，所述多个候选网关有优先级编号，且所述主网关与每个候选网关维持一个心跳连接，所述多个候选网关之间不维持心跳 连接。
【文档编号】H04W88/16GK103888994SQ201210563830
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2012年12月21日 优先权日:2012年12月21日
【发明者】杜文振, 李栋, 赵泽, 崔莉 申请人:中国科学院计算技术研究所