專利名稱：霧霾氣候環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)基于能耗均衡的數(shù)據(jù)路由方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于環(huán)境監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種霧霾氣候環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)基于能耗均衡的數(shù)據(jù)路由方法。
背景技術(shù)：
近年來，中國城市霧霾天氣的出現(xiàn)頻率已經(jīng)越來越高。據(jù)監(jiān)測2004年中國廣州全年霧霾天氣為144天，中國深圳全年霧霾天氣為175天，到了 2007年，廣州全年的霧霾天氣天數(shù)為153天，而深圳則達(dá)到了驚人的231天，特別是在2012年底在全國范圍內(nèi)爆發(fā)了持續(xù)多月的霧霾天氣，其中首都北京的空氣質(zhì)量更是降到了近年來的最低值，人民群眾的日常生活受到了極大的影響。從這些數(shù)據(jù)能夠清晰的反映出近些年來霧霾天氣越來越嚴(yán)重的變化趨勢。霧霾天氣的成因和治理越來越受到人們的關(guān)注。在霧霾天氣日漸加重的今天，我們國家的氣候監(jiān)測手段仍然非常有限，監(jiān)測PM2.5的設(shè)備依然放置在天氣天文監(jiān)測臺(tái)里，監(jiān)測數(shù)據(jù)需要定期人為收集，導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性差。另一方面，氣象監(jiān)測臺(tái)往往建在城市開闊處或高山上，可以相對(duì)正確的預(yù)測出城市的天氣變化情況，但是對(duì)于在城市內(nèi)各地區(qū)分布并不均勻的PM2.5的濃度監(jiān)測往往是比較模糊和籠統(tǒng)的，檢測出來的數(shù)值往往只能反映大體情況，政府相關(guān)部門無法細(xì)致的了解每個(gè)城區(qū)PM2.5的值，從而更好地定位污染源并有重點(diǎn)的治理。近年來發(fā)展迅速的無線傳感器組網(wǎng)技術(shù)的靈活部署和實(shí)時(shí)傳輸特性恰好可以滿足細(xì)致的采集每個(gè)城區(qū)PM2.5值的要求。本發(fā)明正因此而來。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種霧霾氣候環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)基于能耗均衡的數(shù)據(jù)路由方法，解決了目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可靠和有效性時(shí)常得不到保證、數(shù)據(jù)不能有效轉(zhuǎn)發(fā)等問題。為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是:—種霧霾氣候環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)基于能耗均衡的數(shù)據(jù)路由方法，其特征在于所述方法包括以下步驟:(I)采用洪泛法構(gòu)建霧霾氣候環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，根?jù)構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涿總€(gè)節(jié)點(diǎn)的指標(biāo)函數(shù)f (X)，其中f (χ) = (α *Η+β *Ρ)/Ν, α為跳數(shù)參數(shù)，β為能量參數(shù)，其中α + β =1，N為全網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)，P為每個(gè)節(jié)點(diǎn)的初始化能量量化值，其中Ρ=Ν，H為每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)距離唯一的信息匯集節(jié)點(diǎn)sink節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)；(2)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)指標(biāo)函數(shù)f(x)，根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)指標(biāo)函數(shù)的計(jì)算值確定節(jié)點(diǎn)在霧霾氣候環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的指標(biāo)等級(jí)m和指標(biāo)域；其中m由f (X)的統(tǒng)計(jì)值來確定，目的sink節(jié)點(diǎn)的指標(biāo)等級(jí)為O級(jí),距離目標(biāo)sink節(jié)點(diǎn)越遠(yuǎn),等級(jí)m越高；初始確定等級(jí)時(shí)根據(jù)f(x)的統(tǒng)計(jì)分布來自行確定等級(jí)數(shù) k以及確定每個(gè)節(jié)點(diǎn)歸屬于相應(yīng)的指標(biāo)域(m e [I, k])；
(3)根據(jù)指標(biāo)等級(jí)m動(dòng)態(tài)調(diào)整節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)參數(shù)α和能量參數(shù)β ;其中α值與等級(jí)參數(shù)m成正比，β值與等級(jí)參數(shù)m成反比；(4)匯總當(dāng)前節(jié)點(diǎn)選出的待選下一跳的指標(biāo)函數(shù)值f(x)，選出指標(biāo)函數(shù)值最大的節(jié)點(diǎn)作為下一跳節(jié)點(diǎn)，并且保證轉(zhuǎn)發(fā)之后數(shù)據(jù)離目的節(jié)點(diǎn)更近；如此循環(huán)直至數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)束。優(yōu)選的，所述方法步驟(4)中計(jì)算待選下一跳節(jié)點(diǎn)的指標(biāo)函數(shù)值時(shí)能量量化值P采用預(yù)測值P, n，其中P, n>=Pn，Pn為現(xiàn)實(shí)節(jié)點(diǎn)中的能量量化真實(shí)值。優(yōu)選的，所述方法步驟(4)中現(xiàn)實(shí)節(jié)點(diǎn)中的能量量化真實(shí)值Pn設(shè)置有70%，30%，10%三個(gè)臨界值，當(dāng)節(jié)點(diǎn)的能量量化值低于三個(gè)邊界值任意一個(gè)時(shí),節(jié)點(diǎn)會(huì)向指標(biāo)等級(jí)較高的相鄰域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)廣播本節(jié)點(diǎn)的能量信息Pn，并更新這個(gè)域內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)對(duì)于當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的能量預(yù)測值V n。優(yōu)選的，所述方法步驟(4)中當(dāng)節(jié)點(diǎn)能量值低于30%臨界值時(shí)，節(jié)點(diǎn)自動(dòng)進(jìn)入相鄰指標(biāo)等級(jí)較低的指標(biāo)域內(nèi)，重新計(jì)算當(dāng)前節(jié)點(diǎn)f (X)的值，計(jì)算時(shí)采用最新進(jìn)入的指標(biāo)域所對(duì)應(yīng)的α和β的值，同時(shí)將這個(gè)指標(biāo)更新狀態(tài)告知相鄰域內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)。優(yōu)選的，所述方法步驟(4)中當(dāng)節(jié)點(diǎn)能量值低于10%的時(shí)候，進(jìn)入能量預(yù)警狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)暫時(shí)性休眠，同時(shí)將狀態(tài)廣播告知鄰居指標(biāo)域內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)。優(yōu)選的，所述方法步驟(4)中當(dāng)下一跳節(jié)點(diǎn)選定后，當(dāng)前節(jié)點(diǎn)不能直接發(fā)送數(shù)據(jù)給下一跳節(jié)點(diǎn)，則在同一個(gè)指標(biāo)域內(nèi)尋找中間節(jié)點(diǎn)，接力發(fā)送信息，并同時(shí)在數(shù)據(jù)幀中間加入距離標(biāo)志位進(jìn)行距離監(jiān)測。本發(fā)明技術(shù)方案考 慮到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的自身特性是體積小，計(jì)算能力和存儲(chǔ)空間有限，只能靠小容量的電池供電，而且由于時(shí)常放置在未知環(huán)境中，節(jié)點(diǎn)的可靠和有效性時(shí)常得不到保證。這種自身?xiàng)l件的限制很大程度上負(fù)面地影響了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用環(huán)境和范圍，如果用于監(jiān)測ΡΜ2.5的無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)的能量過快耗盡導(dǎo)致無法實(shí)時(shí)監(jiān)測的話，其實(shí)施意義就大大降低。因此在保證霧霾氣候環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)有效工作的前提下，高效的存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，并盡量延長網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間是技術(shù)突破的關(guān)鍵問題，即霧霾氣候環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中最大化網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間的數(shù)據(jù)路由方法的設(shè)計(jì)問題是技術(shù)的關(guān)鍵。本發(fā)明技術(shù)方案在霧霾天氣監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的部署問題上，可以采用如下方法:將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)放置在建筑物樓頂，在選擇放置樓棟的時(shí)候，選擇方圓百米內(nèi)較高的建筑物，用以保證霧霾監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在傳輸?shù)臅r(shí)候能夠視距傳輸.并且現(xiàn)在已經(jīng)存在商用的ΡΜ2.5檢測器，可以動(dòng)態(tài)的跟隨監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行部署，因此，部署霧霾天氣監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)是有效可行的。目前在國內(nèi)外的關(guān)于霧霾天氣無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的研究基本處于空白狀態(tài)，通過在不同城區(qū)各個(gè)地點(diǎn)放置ΡΜ2.5監(jiān)測傳感器采集實(shí)時(shí)信息，并通過構(gòu)建霧霾天氣監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)來實(shí)時(shí)的交互信息以便獲取第一手且準(zhǔn)確細(xì)致的天氣情況。本發(fā)明用于霧霾氣候環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的基于能耗均衡的無線傳感器數(shù)據(jù)路由方法，彌補(bǔ)了之前用于霧霾氣候環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)路由算法的空白。本發(fā)明的算法借鑒了物理學(xué)中原子理論中電子分布能級(jí)的概念以及一致性哈希方法的思想，將當(dāng)前節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離以及節(jié)點(diǎn)剩余能量量化為參數(shù)值，通過哈希運(yùn)算之后，將得出的指標(biāo)劃分為若干個(gè)指標(biāo)等級(jí)，目的節(jié)點(diǎn)的指標(biāo)等級(jí)設(shè)置為最低級(jí)(類比于原子的最內(nèi)層質(zhì)子)，其余每個(gè)等級(jí)包含一部分網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成指標(biāo)域(類比于原子的每一層電子)。算法規(guī)定轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的時(shí)候，當(dāng)前節(jié)點(diǎn)選擇相鄰較高指標(biāo)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，參照這種路由方法，數(shù)據(jù)包就可以按照指標(biāo)等級(jí)由高到低來一級(jí)一級(jí)的逼近目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。如果某一指標(biāo)域內(nèi)的某些節(jié)點(diǎn)能耗過快并超過算法規(guī)定閾值，這些節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)進(jìn)入相鄰高指標(biāo)等級(jí)以保證節(jié)點(diǎn)能耗均衡。這種算法使得霧霾氣候監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)具有靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以較為有效的延長網(wǎng)絡(luò)的生命期?；谀芎木獾撵F霾氣候環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的路由實(shí)現(xiàn)步驟如下:1.網(wǎng)絡(luò)初始化，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中利用洪泛法Flooding建立網(wǎng)絡(luò)初始拓?fù)?網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣⑼瓿芍螅W(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)都已掌握整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?.(I)根據(jù)建立好的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇梢垣@取全網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)N，通過N計(jì)算出每個(gè)節(jié)點(diǎn)的初始化能量量化值P，其中P = N。以及每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)離目標(biāo)sink節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)H。(這里默認(rèn)一塊無線傳感器區(qū)域只包含一個(gè)目標(biāo)sink節(jié)點(diǎn)，可以理解為信息匯集點(diǎn))。(2)引入跳數(shù)參數(shù)α和能量參數(shù)β ,其中α +β = I,構(gòu)造指標(biāo)函數(shù)f (X)=(α*Η+β*Ρ)/Ν，初始化的時(shí)候α = β = 0.5.計(jì)算出每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的f(x)值。3.確定霧霾監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)區(qū)域固定的指標(biāo)等級(jí)m,其中m由f (X)的統(tǒng)計(jì)值來確定，目的sink節(jié)點(diǎn)的指標(biāo)等級(jí)為O級(jí),距離目標(biāo)sink節(jié)點(diǎn)越遠(yuǎn),等級(jí)m越高.初始確定等級(jí)時(shí)可以根據(jù)f (X)的統(tǒng)計(jì)分布來自行確定等級(jí)數(shù)k以及確定每個(gè)節(jié)點(diǎn)歸屬于相應(yīng)的指標(biāo)域，(m e [I, k])。4.根據(jù)確定完成的指標(biāo)等級(jí)來對(duì)應(yīng)調(diào)整每一個(gè)等級(jí)的α值和β值，其中α值與等級(jí)參數(shù)m成正比，β值與等級(jí)參數(shù)m成反比.按照這種規(guī)定計(jì)算f (X)值的時(shí)候，離目標(biāo)節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)的f(x)受距離參數(shù)的影響較大，而離目標(biāo)節(jié)點(diǎn)較近的節(jié)點(diǎn)的f(x)受能量參數(shù)的影響較大，如此就能達(dá)到距離和能量參數(shù)占f (X)計(jì)算時(shí)比重的動(dòng)態(tài)平衡。5.數(shù)據(jù)路由過程:
(I)網(wǎng)絡(luò)中任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)需要將數(shù)據(jù)發(fā)送給sink節(jié)點(diǎn)的時(shí)候,首先計(jì)算出自身的f(x)值，確定該節(jié)點(diǎn)屬于網(wǎng)絡(luò)中哪一個(gè)指標(biāo)域。(2)網(wǎng)絡(luò)中某一節(jié)點(diǎn)計(jì)算下一跳指標(biāo)域內(nèi)各個(gè)可能節(jié)點(diǎn)的f (X)值的時(shí)候，能量量化值采用預(yù)測值P, n，而現(xiàn)實(shí)節(jié)點(diǎn)中的能量量化真實(shí)值Spn，兩者的關(guān)系為P, n>=pn其中Pn擁有三個(gè)邊界值，分別位于70%，30%, 10%處.每當(dāng)節(jié)點(diǎn)的能量量化值低于這三個(gè)邊界值時(shí)，都會(huì)向指標(biāo)等級(jí)較高的相鄰域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)廣播本節(jié)點(diǎn)的能量信息Pn，更新這個(gè)域內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)對(duì)于當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的能量預(yù)測值V n。節(jié)點(diǎn)實(shí)際能量值Pn和預(yù)測能量值V 會(huì)隨著時(shí)間和承擔(dān)的轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)而成比例遞減。(3)當(dāng)節(jié)點(diǎn)能量值低于30%的時(shí)候，會(huì)自動(dòng)進(jìn)入相鄰指標(biāo)等級(jí)較低的指標(biāo)域內(nèi)，重新計(jì)算當(dāng)前節(jié)點(diǎn)f (X)的值，計(jì)算時(shí)采用最新進(jìn)入的指標(biāo)域所對(duì)應(yīng)的α和β的值。同時(shí)將這個(gè)指標(biāo)更新狀態(tài)告知相鄰域內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)能量值低于10%的時(shí)候，進(jìn)入能量預(yù)警狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)暫時(shí)性休眠以節(jié)省能量，同時(shí)將狀態(tài)廣播告知鄰居指標(biāo)域內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)。(4)在尋找下一跳節(jié)點(diǎn)的時(shí)候，利用自身掌握的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D從指標(biāo)等級(jí)較低的域內(nèi)尋找下一跳節(jié)點(diǎn)，在下一跳域內(nèi)找到f(x)值最大的節(jié)點(diǎn)作為下一跳節(jié)點(diǎn).如果當(dāng)前節(jié)點(diǎn)不能直接發(fā)送數(shù)據(jù)給下一跳節(jié)點(diǎn)，可以在同一個(gè)指標(biāo)域內(nèi)尋找中間節(jié)點(diǎn)，接力發(fā)送信息.同時(shí)在數(shù)據(jù)幀中間加入距離標(biāo)志位，確保每一跳路由都距離目標(biāo)節(jié)點(diǎn)更近，防止出現(xiàn)循環(huán)路由的情況。6.算法結(jié)束。
相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)中的方案，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:本發(fā)明是一種適用于霧霾氣候環(huán)境的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)路由算法，相比現(xiàn)有的技術(shù)，這種算法通過構(gòu)建指標(biāo)域來動(dòng)態(tài)的劃分網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)，在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的時(shí)候通過計(jì)算相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的指標(biāo)值來相對(duì)平均的分配轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，降低單一節(jié)點(diǎn)能耗過快的風(fēng)險(xiǎn)，達(dá)到全網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗均衡的目的。在網(wǎng)絡(luò)初始化的時(shí)候采用洪泛法建立全網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，避免了基于遺傳變異的路由算法有可能造成的網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的設(shè)計(jì)缺陷。在實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗均衡目的的時(shí)候沒有像分簇算法那樣需要選出簇節(jié)點(diǎn)來大量承擔(dān)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)能耗過快并失效；也沒有如同DEER算法那樣以大計(jì)算量為代價(jià)來找出最優(yōu)跳數(shù)和下一跳節(jié)點(diǎn).算法通過少量有效的指標(biāo)計(jì)算就可以得出可行的路由路徑，方案實(shí)現(xiàn)簡明易懂，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的部署靈活多變，能夠很好的滿足霧霾氣候環(huán)境的監(jiān)測的要求。


下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述:圖1為霧霾環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)廣域分布圖；圖2為霧霾氣候環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的初始態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D；圖3為霧霾氣候環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的工作態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D；圖4為本發(fā)明技術(shù)方案霧霾氣候環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)基于能耗均衡的數(shù)據(jù)路由方法流程圖。圖5為本發(fā)明技術(shù)方案霧霾氣候環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)基于能耗均衡的數(shù)據(jù)路由方法的數(shù)據(jù)幀格式。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)上述方案做進(jìn)一步說明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例是用于說明本發(fā)明而不限于限制本發(fā)明的范圍。實(shí)施例中采用的實(shí)施條件可以根據(jù)具體廠家的條件做進(jìn)一步調(diào)整，未注明的實(shí)施條件通常為常規(guī)實(shí)驗(yàn)中的條件。實(shí)施例如圖1所示，為霧霾氣候環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的廣域分布圖示例，該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以應(yīng)用于霧霾天氣監(jiān)測。其中該示例假設(shè)設(shè)置有4個(gè)霧霾氣候環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)(無線傳感器網(wǎng)絡(luò))，每個(gè)霧霾氣候環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)設(shè)置有若干個(gè)節(jié)點(diǎn)和I個(gè)sink節(jié)點(diǎn)(代理AP)。進(jìn)行指標(biāo)等級(jí)劃分后，這些節(jié)點(diǎn)具有不同等級(jí)，目的節(jié)點(diǎn)的指標(biāo)等級(jí)設(shè)置為最低級(jí)，其余每個(gè)等級(jí)包含一部分網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成指標(biāo)域。每塊監(jiān)測區(qū)域的代理AP將收集好的霧霾天氣信息通過有線線路發(fā)送給終端服務(wù)器，由服務(wù)器來處理并發(fā)布消息。本實(shí)施例中當(dāng)采用洪泛法構(gòu)建霧霾氣候環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋾r(shí)，其構(gòu)建的霧霾氣候環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涑跏紤B(tài)如圖2所示，在某一塊監(jiān)測區(qū)域里，不同曲線圍成的區(qū)域指示當(dāng)前位置霧霾天氣PM2.5的濃度，最內(nèi)層由虛曲線包圍的區(qū)域的霧霾濃度最高，由實(shí)曲線和虛曲線圍成的區(qū)域的濃度次之，最外層霧霾濃度最低。不同的霧霾氣候網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)根據(jù)計(jì)算出來的自身的f(x)的值被劃分為不同等級(jí)的節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)顏色的表示上，其中黑色代表節(jié)點(diǎn)位于指標(biāo)等級(jí)較高的小區(qū)域，帶斜紋的節(jié)點(diǎn)所位于的區(qū)域指標(biāo)等級(jí)次之，白色節(jié)點(diǎn)位于指標(biāo)等級(jí)相對(duì)最低的區(qū)域。
進(jìn)行數(shù)據(jù)路由傳輸時(shí)，霧霾氣候環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇赡馨l(fā)生變化，如圖3所示為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)經(jīng)過一段時(shí)間工作過后的工作態(tài)的霧霾氣候環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。從圖3中可以看到有的節(jié)點(diǎn)因?yàn)槟芎妮^快而進(jìn)入了指標(biāo)較低的區(qū)域(從斜紋變?yōu)榘咨蛘邚暮谏優(yōu)樾奔y)。另外有些缺少無線信號(hào)發(fā)射標(biāo)識(shí)的節(jié)點(diǎn)指示節(jié)點(diǎn)能耗已經(jīng)低于預(yù)警值，暫時(shí)性休眠以減少能耗，暫時(shí)不參與數(shù)據(jù)路由活動(dòng)。進(jìn)行數(shù)據(jù)路由時(shí)，可以按照如下步驟進(jìn)行:(I)采用洪泛法構(gòu)建霧霾氣候環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，根?jù)構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涿總€(gè)節(jié)點(diǎn)的指標(biāo)函數(shù)f (X)，其中f (χ) = (α *Η+β *Ρ)/Ν, α為跳數(shù)參數(shù)，β為能量參數(shù)，其中α + β =1，N為全網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)，P為每個(gè)節(jié)點(diǎn)的初始化能量量化值，其中Ρ=Ν，H為每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)距離唯一的信息匯集節(jié)點(diǎn)sink節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)；(2)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)指標(biāo)函數(shù)f(x)，根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)指標(biāo)函數(shù)的計(jì)算值確定節(jié)點(diǎn)在霧霾氣候環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的指標(biāo)等級(jí)m和指標(biāo)域；其中m由f (X)的統(tǒng)計(jì)值來確定，目的sink節(jié)點(diǎn)的指標(biāo)等級(jí)為O級(jí),距離目標(biāo)sink節(jié)點(diǎn)越遠(yuǎn),等級(jí)m越高；初始確定等級(jí)時(shí)根據(jù)f(x)的統(tǒng)計(jì)分布來自行確定等級(jí)數(shù)k以及確定每個(gè)節(jié)點(diǎn)歸屬于相應(yīng)的指標(biāo)域(m e [I, k])；(3)根據(jù)指標(biāo)等級(jí)m動(dòng)態(tài)調(diào)整節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)參數(shù)α和能量參數(shù)β ;其中α值與等級(jí)參數(shù)m成正比，β值與等級(jí)參數(shù)m成反比；(4)匯總當(dāng)前節(jié)點(diǎn)選出的待選下一跳的指標(biāo)函數(shù)值f(x)，選出指標(biāo)函數(shù)值最大的節(jié)點(diǎn)作為下一跳節(jié)點(diǎn)，并且保證轉(zhuǎn)發(fā)之后數(shù)據(jù)離目的節(jié)點(diǎn)更近。如此循環(huán)直至數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)束。如圖4所示，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀的格式被定義為三部分，幀的頭部控制信息(FrameHeader)包含了區(qū)域網(wǎng)絡(luò)號(hào)，·目的地址，下一跳地址和當(dāng)前與目的地址的距離這幾項(xiàng)信息.以及巾貞的數(shù)據(jù)部分(Data-Part),還有用于檢錯(cuò)的校驗(yàn)和信息字段(Checksum)。以下就基于能耗均衡的霧霾氣候環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行具體說明，具體步驟如下:1.網(wǎng)絡(luò)初始化，在整個(gè)霧霾監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中利用洪泛法建立網(wǎng)絡(luò)初始拓?fù)?網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣⑼瓿芍?，全網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)都已掌握整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?.(I)根據(jù)建立好的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇梢垣@取全網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)N，實(shí)例中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)N=10，通過N計(jì)算出每個(gè)節(jié)點(diǎn)的初始化能量量化值P，其中P = N= 10.以及每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)離目標(biāo) sink 節(jié)點(diǎn)的跳數(shù) H.H1 = I; H2 = I; H3 = I; H4 = 2; H5 = 2; H6 = 3; H7 = 3; H8 = 4; H9= 4;H10 = 4;(這里默認(rèn)一塊無線傳感器區(qū)域只包含一個(gè)目標(biāo)sink節(jié)點(diǎn)，可以理解為信息匯集點(diǎn))。(2)引入跳數(shù)參數(shù)α和能量參數(shù)β ,其中α +β = I,構(gòu)造指標(biāo)函數(shù)f (X)=(α*Η+β*Ρ)/Ν，初始化的時(shí)候α = 0.6，β =0.4.計(jì)算出每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的f(x)值.
f (X1) = 0.46; f (X2) = 0.46; f (X3) = 0.46; f (X4) = 0.52; f (X5) = 0.52; f (X6)=
0.58; f (X7) = 0.58; f (X8) = 0.64; f (X9) = 0.64; f (x10) = 0.64;3.初始確定等級(jí)時(shí)根據(jù)f (X)的統(tǒng)計(jì)分布來自行確定等級(jí)數(shù)k。實(shí)例中k = 3。確定無線傳感網(wǎng)絡(luò)區(qū)域固定的指標(biāo)等級(jí)Hum1 = 0.48;m2 = 0.55;m3 = 0.62,目的sink節(jié)點(diǎn)的指標(biāo)等級(jí)為O級(jí),距離目標(biāo)sink節(jié)點(diǎn)越遠(yuǎn),等級(jí)m越高(me [1，k])。
4.根據(jù)確定完成的指標(biāo)等級(jí)來對(duì)應(yīng)調(diào)整每一個(gè)等級(jí)的α值和β值，其中α值與等級(jí)參數(shù)m成正比，β值與等級(jí)參數(shù)m成反比.a i = 0.5, β丨=0.5 ; α 2 = 0.6, β 2 =
0.4 ； α 3 = 0.7, β 3 = 0.3。5.轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù):(I)網(wǎng)絡(luò)中任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)需要將數(shù)據(jù)發(fā)送給sink節(jié)點(diǎn)的時(shí)候,首先計(jì)算出自身的f (X)值，確定該節(jié)點(diǎn)屬于網(wǎng)絡(luò)中哪一個(gè)指標(biāo)域.在實(shí)例中節(jié)點(diǎn)X1 x3 e In1 ；x4 x7 e m2 ;
X8 Xio e "V(2)網(wǎng)絡(luò)中某一節(jié)點(diǎn)計(jì)算下一跳指標(biāo)域內(nèi)各個(gè)可能節(jié)點(diǎn)的f (X)值的時(shí)候，能量量化值采用預(yù)測值P, n，而現(xiàn)實(shí)節(jié)點(diǎn)中的能量量化真實(shí)值Spn，兩者的關(guān)系為P, η > =Pno初始化的時(shí)候，{ρ, 1- - V' I。} = 10。p' η。的估測方法步驟如下，在初始化的時(shí)候，p' η’的值等于節(jié)點(diǎn)的能量初值，在進(jìn)入工作態(tài)的時(shí)候，P' η的值隨著時(shí)間成比例遞減，且影響因子只有時(shí)間，不受轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)多少的影響，因?yàn)槭穷A(yù)測值，無須收集到相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的任務(wù)承擔(dān)量。其中ρη擁有三個(gè)邊界值，分別位于70%，30%，10%處.每當(dāng)節(jié)點(diǎn)的能量量化值低于這三個(gè)邊界值時(shí)，都會(huì)向指標(biāo)等級(jí)較高的相鄰域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)廣播本節(jié)點(diǎn)的能量信息Pn，更新這個(gè)域內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)對(duì)于當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的能量預(yù)測值V .節(jié)點(diǎn)實(shí)際能量值Pn和預(yù)測能量值Pi η會(huì)隨著時(shí)間和承擔(dān)的轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)而成比例遞減。(3)當(dāng)節(jié)點(diǎn)能量值低于30%的時(shí)候,會(huì)自動(dòng)進(jìn)入相鄰指標(biāo)等級(jí)較低的指標(biāo)域內(nèi)，例如工作一段時(shí)間后，X4和X9的節(jié)點(diǎn)能量值都為2, X4進(jìn)入Iii1指標(biāo)域，X9進(jìn)入m2指標(biāo)域,重新計(jì)算當(dāng)前節(jié)點(diǎn)f (X)的值，計(jì)算時(shí)采用最新進(jìn)入的指標(biāo)域所對(duì)應(yīng)的α和β的值。X4采用\和P1進(jìn)行計(jì)算，X9采用％和@2進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)將這個(gè)指標(biāo)更新狀態(tài)告知相鄰域內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)能量值低于10%的時(shí)候，進(jìn)入能量預(yù)警狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)暫時(shí)性休眠以節(jié)省能量，同時(shí)將狀態(tài)廣播告知鄰居指標(biāo)域內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn).
(4)尋找下一跳節(jié)點(diǎn)，假設(shè)某時(shí)刻節(jié)點(diǎn)X8需要發(fā)送數(shù)據(jù)給sinknode節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)X8首先計(jì)算出自身的f (X8) =0.64，X8歸屬于m3指標(biāo)級(jí),需要尋找叫指標(biāo)等級(jí)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。查找路由表之后發(fā)現(xiàn)m2指標(biāo)等級(jí)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)x5, X7可達(dá),而X8中存儲(chǔ)的p' 5 = 8, 7=7，計(jì)算得出 f (X5) = 0.44, f (X7) =0.46。f (x5) < f (X7)，選取 X7 作為下一跳。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到X7后尋找位于IH1指標(biāo)等級(jí)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā),發(fā)現(xiàn)x2, X3可達(dá),而X7中存儲(chǔ)的P' 2 = 5,P' 3 = 7,計(jì)算得出 f (X2) = 0.3, f (X3) = 0.4.f (x2) < f (X3),選取 X3 作為下一跳，而 X3 可直達(dá)sinknode,這樣數(shù)據(jù)包就沿著x8-x7-x3_sinknode的路徑轉(zhuǎn)發(fā)成功.
6.算法結(jié)束。上述實(shí)例只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人是能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡根據(jù)本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)所做的等效變換或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種霧霾氣候環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)基于能耗均衡的數(shù)據(jù)路由方法，其特征在于所述方法包括以下步驟: (1)采用洪泛法構(gòu)建霧霾氣候環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，根?jù)構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浯_定每個(gè)節(jié)點(diǎn)的指標(biāo)函數(shù)f (X)，其中f (χ) = (α *Η+β *Ρ)/Ν, α為跳數(shù)參數(shù)，β為能量參數(shù)，其中α + β =1，N為全網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)，P為每個(gè)節(jié)點(diǎn)的初始化能量量化值，其中Ρ=Ν，H為每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)距離唯一的信息匯集節(jié)點(diǎn)sink節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)； (2)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)指標(biāo)函數(shù)f(X),根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)指標(biāo)函數(shù)的計(jì)算值確定節(jié)點(diǎn)在霧霾氣候環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的指標(biāo)等級(jí)m和指標(biāo)域；其中m由f (X)的統(tǒng)計(jì)值來確定，目的sink節(jié)點(diǎn)的指標(biāo)等級(jí)為O級(jí)，距離目標(biāo)sink節(jié)點(diǎn)越遠(yuǎn)，等級(jí)m越高；初始確定等級(jí)時(shí)根據(jù)f(x)的統(tǒng)計(jì)分布來自行確定等級(jí)數(shù)k以及確定每個(gè)節(jié)點(diǎn)歸屬于相應(yīng)的指標(biāo)域(m e [I, k])； (3)根據(jù)指標(biāo)等級(jí)m動(dòng)態(tài)調(diào)整節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)參數(shù)α和能量參數(shù)β;其中α值與等級(jí)參數(shù)m成正比，β值與等級(jí)參數(shù)m成反比； (4)匯總當(dāng)前節(jié)點(diǎn)選出的待選下一跳的指標(biāo)函數(shù)值f(x)，選出指標(biāo)函數(shù)值最大的節(jié)點(diǎn)作為下一跳節(jié)點(diǎn)，并且保證轉(zhuǎn)發(fā)之后數(shù)據(jù)離目的節(jié)點(diǎn)更近；如此循環(huán)直至數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)束。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)路由方法，其特征在于所述方法步驟(4)中計(jì)算待選下一跳節(jié)點(diǎn)的指標(biāo)函數(shù)值時(shí)能量量化值P采用預(yù)測值K，其中％>= -，Pn汀為現(xiàn)實(shí)節(jié)點(diǎn)中的能量量化真實(shí)值。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的數(shù)據(jù)路由方法，其特征在于所述方法步驟(4)中現(xiàn)實(shí)節(jié)點(diǎn)中的能量量化真實(shí)值Pn設(shè)置有70%，30%, 10%三個(gè)臨界值，當(dāng)節(jié)點(diǎn)的能量量化值低于三個(gè)邊界值任意一個(gè)時(shí)，節(jié)點(diǎn)會(huì)向指標(biāo)等級(jí)較高的相鄰域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)廣播本節(jié)點(diǎn)的能量信息Pn，并更新這個(gè)域內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)對(duì)于當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的能量預(yù)測值W。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的數(shù)據(jù)路由方法，其特征在于所述方法步驟(4)中當(dāng)節(jié)點(diǎn)能量值低于30%臨界值時(shí),節(jié)點(diǎn)自動(dòng)進(jìn)入相鄰指標(biāo)等級(jí)較低的指標(biāo)域內(nèi)，重新計(jì)算當(dāng)前節(jié)點(diǎn)f(x)的值，計(jì)算時(shí)采用最新進(jìn)入的指標(biāo)域所對(duì)應(yīng)的α和β的值，同時(shí)將這個(gè)指標(biāo)更新狀態(tài)告知相鄰域內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的數(shù)據(jù)路由方法，其特征在于所述方法步驟(4)中當(dāng)節(jié)點(diǎn)能量值低于10%的時(shí)候，進(jìn)入能量預(yù)警狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)暫時(shí)性休眠，同時(shí)將狀態(tài)廣播告知鄰居指標(biāo)域內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的數(shù)據(jù)路由方法，其特征在于所述方法步驟(4)中當(dāng)下一跳節(jié)點(diǎn)選定后，當(dāng)前節(jié)點(diǎn)不能直接發(fā)送數(shù)據(jù)給下一跳節(jié)點(diǎn)，貝1J在同一個(gè)指標(biāo)域內(nèi)尋找中間節(jié)點(diǎn)，接力發(fā)送信息，并同時(shí)在數(shù)據(jù)幀中間 加入距離標(biāo)志位進(jìn)行距離監(jiān)測。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種霧霾氣候環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)基于能耗均衡的數(shù)據(jù)路由方法，該方法通過構(gòu)建涉及距離和能耗參數(shù)的指標(biāo)函數(shù)來將不同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)地劃分為不同的指標(biāo)域，該方法根據(jù)待選下一跳節(jié)點(diǎn)是否歸屬于較低指標(biāo)域且待選下一跳節(jié)點(diǎn)的指標(biāo)函數(shù)值是否最大且距離目標(biāo)節(jié)點(diǎn)更近判斷是否為下一跳節(jié)點(diǎn)；當(dāng)待選下一跳節(jié)點(diǎn)歸屬于較低指標(biāo)域且待選下一跳節(jié)點(diǎn)的指標(biāo)函數(shù)值最大且距離目標(biāo)節(jié)點(diǎn)更近時(shí)，該待選下一跳節(jié)點(diǎn)作為下一跳節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。通過構(gòu)建指標(biāo)域來動(dòng)態(tài)的劃分網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)，在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的時(shí)候通過計(jì)算相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的指標(biāo)值來相對(duì)平均的分配轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，降低單一節(jié)點(diǎn)能耗過快的風(fēng)險(xiǎn)，達(dá)到全網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗均衡的目的，該方法使構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的部署靈活多變，能夠很好的滿足霧霾氣候環(huán)境的監(jiān)測的要求。
文檔編號(hào)H04W40/10GK103228024SQ201310168989
公開日2013年7月31日 申請(qǐng)日期2013年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月9日
發(fā)明者劉業(yè), 張煒, 王華鋒, 鄭隆 申請(qǐng)人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)蘇州研究院