一种基于自供能技术的低功耗无线传感网络设计方法与流程

本发明属于无线网络技术领域，特别涉及一种基于自供能技术的低功耗无线传感网络设计方法。

背景技术：

无线网络被布置在无人值守的环境中时，更换能源几乎不可能，为了节约能源，应尽可能降低网络功耗。leach协议是最早提出的无线传感器网络分簇路由算法的算法之一。它对后来的许多基于层次结构的路由协议都有重大的影响。协议周期性地在整个网络内随机选举簇头，成员节点则将数据发送给簇头节点，由簇头对数据进行融合后再发送给汇聚节点。簇头节点收到其它节点发来的加入请求信息后，创建时隙表，为簇内的每一个成员分配一个时隙，然后进入稳定的数据传输阶段。节点只有在属于自己的时隙内，才可以发送数据，而在其他时隙，节点是处于休眠状态的，降低了能量的损耗。采用随机选举簇头的方式有效地降低了网络的能量损耗，延长了网络的生命周期，且采用了数据融合，系统的实时性很好，但频繁选举簇头耗费能量，且要求节点具有较大的功率通信能力，扩展性差。

在无线网络中，数据融合的作用非常显著，主要体现在三个方面：节省整个网络的能量、增强所收集数据的准确性以及提高收集数据的效率三个方面。数据融合是依靠节点上处理器完成的，而处理器的功耗在整个节点的功耗中只占很小一部分。由于目前处理器已成功进入低功耗领域，因此数据处理模块上的功耗要小得多，1k比特的数据以无线方式传输100米所需要消耗的能量可以让100mips的处理器处理三百万条指令。因此在无线网络节点内进行数据融合，利用低功耗的处理器资源来降低高能耗的通信开销是非常有实际意义的。

此外，当前无线网络节点的能量来源主要采用是电池，很难获得长久的电池使用寿命。如果利用能量采集或能量挖掘技术使无线传输节点从环境中挖掘能量，从而使无线节点避免能力单向递减，并通过能力管理与能量转移技术解决节点的能量供给问题，将大大提高无线网络寿命。

技术实现要素：

本发明提出了一种基于自供能技术的低功耗无线传感网络设计方法。该方法针对无线传感网络中节点的无线通信和数据处理方式进行低功耗优化设计，支持通过收集周围环境能量实现节点能量供应。

实现本发明的技术方案如下：

一种基于自供能技术的低功耗无线传感网络设计方法，具体过程为：

将无线节点分成多个子网，每个子网内节点间组成平面式的对等网状网络；

针对每一子网，根据leach协议的路由规则形成稳定的簇结构后，簇节点收集各成员节点的信息表，构建神经网络；在样本数据库中搜集与簇成员信息匹配的样本进行训练，得到簇成员与簇节点的神经网络参数；根据所构建的神经网络，每一簇成员节点获知其与簇节点之间信息传输的最短路径，各簇成员节点将融合处理后的信息发送给簇节点；

簇节点将接收的信息进行融合处理，然后将反应信息的少量特征值传输给其他子网做进一步的数据融合处理；

所述节点上集成有多种能量采集的自供能装置的接口。

进一步地，本发明所述根据leach协议的路由规则形成稳定的簇结构的过程中，簇节点的选取中综合考虑节点度、节点位置、剩余能量比因素，簇节点的选择原则：首先选择能够连接上其余节点的作为待选节点，然后从待选节点中选择权值最大的节点为簇节点而选择次大的节点作为备选簇节点；

其中，ti表示节点度，pi表示节点位置，ei表示剩余能量比，表示设定的权重，

进一步地，本发明所述子网数目和每个子网所容纳的节点数目均可动态变化。

进一步地，本发明每个子网采用正交的跳频图样实现网内通信，网间采用同一跳频图样实现网间通信。

进一步地，本发明所述数据融合处理为分布式数据库及存储技术实现。

进一步地，本发明子网内节点的身份包括簇节点、备选簇节点、网关节点、备选网关节点及簇成员节点。

进一步地，本发明子网内节点的身份可预先配置以及在线调整。

有益效果

本发明将基于神经网络的数据融合技术运用于网络，降低网络功耗，提高网络综合性能，可最大限度地减少通信开销。

本发明将在leach协议基础上展开研究，优化簇头选举算法，降低网络功耗，支持在多数场合中经济的使用网络能源。

本发明节点上集成多种能量采集的自供能装置的接口，能够实现实现对多种能量采集与挖掘来实现节点的自供能。

附图说明

图1为本发明分层分布式无线自组网络架构示意图；

图2为本发明一种基于自供能技术的低功耗无线传感网络节点组成示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

本发明实施例一种基于自供能技术的低功耗无线传感网络设计方法，具体为：

设计网络架构：结合平面拓扑结构和分级拓扑结构的特点，提出分层分布式的网络架构，如图1所示，该网络架构将无线节点分成多个子网，子网数目和每个子网所容纳的节点数目均可动态变化，该网络架构具有动态扩展性，是一种支持节点密度自适应的分层网络架构。每个子网内节点间组成平面式的对等网状网络，网络中每个节点都能作为路由节点使用。网络设置有不同身份(功能各异)的节点和备份节点，具体包括簇节点、备选簇节点、网关节点、备选网关节点及簇成员节点(普通节点)；为了有效保证网络整体容量、安全性以及可靠性，每个子网采用正交的跳频图样实现网内通信，同时，为了保障整个网络的互联互通特性，网间采用同一跳频图样实现网间通信。在该架构下通过分布式的信息采集与共享，实现基于身份的分布式资源管理，子网内节点身份可预先配置以及在线调整。

无线节点集成数据采集单元、处理器单元、无线收发单元和能量供应单元，如图2所示。数据采集单元负责监测区域内信息的采集和数据转换，集成多种数据接口，可采集数字/模拟信号；处理器单元负责控制整个节点的操作，存储和处理本节点采集的数据以及其他节点发来的数据；无线收发单元负责与其他节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据；能量供应单元为节点提供运行所需的能量，内设有支持自供能装置的接口，同时支持集成多种能量采集与挖掘方式实现节点自供能，能量耦合方式包括：压电效应、静电效应、光电效应、摩擦发电效应、磁致伸缩效应、热释电效应等，能量来源包括：振动机械能、磁场能、摩擦能、温差能、风能和太阳能等。

数据融合：数据融合分别在应用层和网络层实现。在应用层，每一节点利用分布式数据库及存储技术对网络中的冗余节点信息进行融合处理；在网络层，根据leach协议的路由规则形成稳定的簇结构后，各簇节点收集各成员节点成员信息表，构建神经网络，然后在样本数据库中搜集与簇成员信息匹配的样本进行训练，得到簇成员与簇节点的神经网络参数，根据所构建的神经网络，每一簇成员获知其与簇节点之间信息传输的最短路径，各簇成员节点按照所述最短路径将融合处理后的信息发送给簇节点。

将该数据融合算法应用于每一个簇，簇节点将接收的各成员节点发送的信息进行进一步融合处理，然后将反应信息的少量特征值传输给其他子网进行下一步数据融合。因此在无线传感器网络中应用减少了子网间节点的数据传输量，减少了节点的能量消耗，延长了网络生存周期。

根据leach协议的路由规则形成稳定的簇结构的过程中，由于簇节点相比簇内普通成员节点担负着更多的数据处理和传输任务，能耗速率较快，需采用合理的机制来周期性的选取簇头，以尽可能地让节点间能耗均衡，从而延长网络使用寿命。本发明实施例中综合考虑节点的剩余能量、节点位置、节点分布密度、簇内通信代价等因素优化簇节点选取机制。一旦有节点被选作簇头，需在整个网络或者自身通信范围内广播当选消息。

选取过程中通过自计算节点的节点度、节点位置、剩余能量比3种因素计算权值，其中参数说明见表1所示，并对节点权值进行排序，3种因素分别用ti、pi、ei表示，节点计算的权值计算公如下：

其中，

表1

簇节点的选择原则：首先选择能够连接上其余节点的作为待选节点，然后从待选节点中选择权值最大的节点为簇节点而选择次大的节点作为备选簇节点，如果出现计算权值相同，则节点度大的节点选为簇节点。

本发明节点融合和数据聚合降低无线传感网络功耗

由于分散部署的节点会生成大量的数据，采用节点融合和数据聚合的方法可以利用较少的通信量实现更多的有效数据采集，可降低无线传感网络使用过程中的动态功耗。

本发明采用能源相关路由和聚类方法节省网络资源

本发明聚类划分网络层次结构，基于leach协议展开研究，优化簇头选举算法，降低网络功耗，支持在多数场合中经济的使用网络能源。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。