基于貪心路徑的移動sink節(jié)點數(shù)據(jù)收集方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種移動sink的WSN和基于貪心路徑的移動sink數(shù)據(jù)收集方法。該WSN包括一個移動sink節(jié)點和兩個以上的sensor節(jié)點；該方法包括：將WSN分成若干大小均衡的簇；移動sink節(jié)點確定一條順序訪問各簇頭的貪心路徑；移動sink以確定的路徑重復訪問各簇頭節(jié)點，并收集信號；簇頭節(jié)點的信號以一跳或多跳方式通過路徑中相鄰簇頭傳遞至移動sink；在數(shù)據(jù)收集過程中采用定時器機制避免處理重復數(shù)據(jù)，降低sensor節(jié)點能耗。本發(fā)明在減少數(shù)據(jù)采集的時延同時，均衡網(wǎng)絡能耗，延長網(wǎng)絡壽命。
【專利說明】基于貪心路徑的移動S i nk節(jié)點數(shù)據(jù)收集方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Networks, WSN),特別是一種采用移動sink節(jié)點的WSN的數(shù)據(jù)收集方法。
【背景技術】
[0002]典型的WSN主要由大量具有感知能力的傳感器節(jié)點(sensor)和匯聚節(jié)點(sink)構成。sensor通過單跳或多跳的方式傳遞信息給sink。在sink節(jié)點固定的場合,sink節(jié)點近端的sensor由于要大量的轉發(fā)遠端sensor的信息，導致能耗遠大于遠端，形成了 “熱區(qū)”問題，縮短了 WSN的壽命。移動sink的引入很好解決了“熱區(qū)”問題:移動sink在網(wǎng)絡控制下，主動地訪問sensor節(jié)點收集數(shù)據(jù)，避免了 WSN能耗集中在局部區(qū)域，均衡了網(wǎng)絡的能耗，進而延長網(wǎng)絡的壽命。通常移動sink節(jié)點按照一定的路徑順序訪問各sensor節(jié)點，在sensor的通信范圍內時,sensor節(jié)點將感知信息傳給移動sink節(jié)點,但當移動sink移動周期較長時，會帶來較長的時延，不利于緊急數(shù)據(jù)的傳遞。
[0003]申請?zhí)枮?01110070863.2， 申請日期:為2011年3月23日的國內發(fā)明專利申請公開了一種混合sink節(jié)點WSN及其數(shù)據(jù)收集方法,采用移動sink結合固定sink節(jié)點方式。其中移動sink以能量最佳移動半徑在固定圓軌道移動收集數(shù)據(jù)包，固定sink保證實時數(shù)據(jù)的傳遞，對延時容忍型數(shù)據(jù)，sensor把它暫存其緩存區(qū)，之后通過移動sink收集或固定路由發(fā)送至固定sink，一定程度上解決了 WSN “熱區(qū)”問題并能滿足不同類型的數(shù)據(jù)傳遞要求。但由于移動sink節(jié)點的覆蓋區(qū)域有時效性，當WSN內實時數(shù)據(jù)量較大時，主要還是通過固定路由方式，“熱區(qū)”問題并沒有根本解決。
[0004]申請?zhí)枮?01210053320.4， 申請日期:為2012年3月3日的國內發(fā)明專利申請公開了一種移動無線傳感器網(wǎng)絡sink節(jié)點的開發(fā)方法。首先對WSN分簇，然后通過最優(yōu)哈密爾頓算法確定移動sink節(jié)點的訪問各簇頭飛行航跡。簇頭節(jié)點融合感知節(jié)點的數(shù)據(jù)后暫存，等收到移動sink的收集信號后再將存儲數(shù)據(jù)轉發(fā)給移動sink，完成數(shù)據(jù)收集。最優(yōu)哈密爾頓路徑可以保證移動sink訪問各簇頭的總體代價最低，但完成一次遍歷收集需較長時間，對緊急型數(shù)據(jù)不能保證其實時性要求。
[0005]在WSN的實際應用中，有的信息，例如環(huán)境監(jiān)測中傳感器周期性上傳的監(jiān)測數(shù)據(jù)，允許一定程度延遲。而在突發(fā)情況下，例如煤礦井下環(huán)境監(jiān)測中，當溫度或瓦斯?jié)舛瘸瑯藭r，sensor感知的數(shù)據(jù)必須盡快上傳至監(jiān)控中心，對數(shù)據(jù)采集的可靠性和實時性都有嚴格要求。如何在滿足不同類型數(shù)據(jù)傳遞需要同時又能均衡網(wǎng)絡節(jié)點能耗，延長網(wǎng)絡壽命是迫切需要研究者解決的新課題。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明主要針對移動sink米集信號時延較大的問題,提出一種基于移動sink貪心路徑的WSN數(shù)據(jù)采集方法，在減少數(shù)據(jù)采集的時延同時，均衡網(wǎng)絡能耗，延長網(wǎng)絡壽命。
[0007]為了避免固定sink導致的“熱區(qū)”問題，本發(fā)明采用一個移動sink節(jié)點和多個sensor的組織方式；假設sensor均勻分布在所述WSN范圍內，每個sensor節(jié)點已經(jīng)通過定位技術事先確定了自己的位置信息，而且可以根據(jù)通信距離大小動態(tài)調整自己的通信半徑，移動sink節(jié)點的能量不受限制，并且可以實時按照預設的路徑移動，不斷收集sensor的信號，每個sensor有唯一的標識ID。
[0008]WSN事先分成若干簇，簇內節(jié)點將感知到的信號發(fā)給簇頭節(jié)點，后者把收到信號融合處理后通過一跳或多跳方式，按照預設的路徑發(fā)送給移動sink節(jié)點。移動sink節(jié)點在采集過程中以貪心路徑依次訪問各簇頭節(jié)點并收集數(shù)據(jù)。具體步驟為:
[0009]步驟1:首先將WSN分成若干大小均衡的簇。
[0010]步驟2:移動sink節(jié)點確定一條順序訪問各簇頭的貪心路徑。
[0011]步驟3:移動sink節(jié)點將路徑信息在WSN中廣播，每個簇頭確定路徑中自己的相鄰簇頭集合，分別作為前驅集合和后繼集合，并確定自己和相鄰簇頭的通信半徑。
[0012]步驟4:移動sink以確定的路徑重復訪問各簇頭節(jié)點，并收集信號。
[0013]步驟5:簇頭節(jié)點的信號以一跳或多跳方式通過路徑中相鄰簇頭傳遞至移動
sinko
[0014]作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案,步驟I中的分簇，WSN可以采用HEED或基于voronoi圖等均衡的分簇方法，得到簇節(jié)點數(shù)目比較接近的分簇。各簇頭節(jié)點的位置信息通過洪泛廣播方式告訴移動sink節(jié)點，這樣任意兩個簇頭之間距離可以確定，移動sink節(jié)點最終得到一個由各簇頭和簇頭之間邊組成的無向完全連通圖G。
[0015]作為本發(fā)明的另一種優(yōu)選方案，步驟2中移動sink節(jié)點確定貪心路徑的過程為:
[0016]步驟201:初始化路徑隊列S為空；
[0017]步驟201:選擇G中一個最短邊，分別把兩個簇頭(隊頭和隊尾)加入路徑隊列S ；
[0018]步驟202:在圖G中選擇一個簇頭O，且O距離對頭或者隊尾簇頭最近，如果O距離原隊頭更近，把O插入隊頭之前成為新隊頭；否則插入隊尾成為新隊尾；如果有多個簇頭距離對頭和隊尾距離相同，則可以任取一個作為新隊頭。
[0019]步驟203:重復步驟202，直到所有簇頭都在路徑隊列S中為止。
[0020]作為本發(fā)明的再一種優(yōu)選方案，步驟3中移動sink節(jié)點將隊列S在網(wǎng)絡中廣播，其廣播范圍可以覆蓋整個WSN，每個簇頭節(jié)點收到隊列S信息后，確定路徑中自己的前驅和后繼簇頭集合，并分別根據(jù)自己到前驅、后繼兩個簇頭的距離確定相應通信半徑R1，R2。隊頭和隊尾簇頭分別只確定通信半徑R2和R1。
[0021]作為本發(fā)明的再一種優(yōu)選方案，為了減少移動sink節(jié)點的移動時延，步驟4中移動sink節(jié)點按路徑S序列訪問完隊尾簇頭后立即按原路返回，即以S序列的反序訪問簇頭，以此方式不斷循環(huán)訪問隊列中的簇頭，完成數(shù)據(jù)的收集。
[0022]作為本發(fā)明的再一種優(yōu)選方案，在步驟5中，為了實現(xiàn)消息轉發(fā)，在消息中加入源簇頭ID和轉發(fā)簇頭ID兩個字段，分別表示消息源簇頭標識和上一跳簇頭標識。源簇頭收到本簇節(jié)點感知的信號后，分別在源簇頭ID和轉發(fā)簇頭ID加入自己的ID，再以通信半徑Rl, R2的較大者對鄰居簇頭廣播，讓消息沿路徑S向兩端傳遞，盡快到達移動sink節(jié)點。
[0023]作為本發(fā)明的再一種優(yōu)選方案，收到信息的簇頭通過消息的轉發(fā)簇頭ID確定消息的來源，如果消息來至前驅集合，則以R2發(fā)送至后繼簇頭，否則以Rl發(fā)送至前驅簇頭。而路徑S序列中兩端的簇頭(隊頭和隊尾)收到信號直接丟棄。[0024]作為本發(fā)明的再一種優(yōu)選方案，為了避免重復信息，減小能耗，移動sink對每個簇頭分別設定相應定時器T，收到某個源簇頭的消息后啟動相應定時器T，在T時間內不再處理具有相同源簇頭ID的重復消息。
[0025]作為本發(fā)明的再一種優(yōu)選方案，移動sink節(jié)點收到消息后馬上發(fā)出廣播，通知讓相關簇頭在T時間內不再傳遞消息源ID標識的消息。
[0026]作為本發(fā)明的再一種優(yōu)選方案，當某個簇頭節(jié)點能量低于某個門限值，啟動簇頭選舉輪換，原簇頭將新簇頭的信息(ID，位置)等廣播給鄰居簇頭，通知它們修改自身的前驅后繼和相應通信半徑等信息。廣播的消息同樣通過在路徑S中雙向傳遞至移動sink，后者修改路徑序列并設定新簇頭的定時器，以新路徑序列繼續(xù)訪問收集數(shù)據(jù)。
[0027]如上所述，本發(fā)明中所述的貪心路徑數(shù)據(jù)采集方法，具有以下有益效果:
[0028]本發(fā)明在均衡分簇基礎上采用移動sink在貪心路徑往復移動的方式，同時簇頭節(jié)點采用雙向傳遞方式傳遞信號，最大程度減少了數(shù)據(jù)的延遲，避免了固定sink引起的“熱區(qū)”效應，均衡了網(wǎng)絡能耗，延長網(wǎng)絡壽命。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1為本發(fā)明中移動sink節(jié)點確定的貪心路徑及sink節(jié)點移動示意圖。
[0030]圖2為貪心路徑確定流程圖。
[0031]圖3為移動sink節(jié)點收到消息后的處理流程圖。
[0032]圖4為簇頭節(jié)點收到轉發(fā)消息后的處理流程圖。
【具體實施方式】
[0033]以下結合說明書附圖及具`體實施例進一步說明本發(fā)明的技術方案。此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。本發(fā)明還可以通過其它不同的實例實施方式進行應用。
[0034]圖1表示本發(fā)明中移動sink節(jié)點的貪心路徑示意圖，其中?表示簇頭節(jié)點，◎表示移動sink節(jié)點，〇表示一般sensor節(jié)點，所述貪心路徑即為從隊頭簇頭到隊尾簇頭的簇頭節(jié)點序列，移動sink節(jié)點不斷在隊頭和隊尾之間往復移動，并接受簇頭節(jié)點發(fā)送的消息，數(shù)據(jù)源簇頭節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)前，首先確定和相鄰節(jié)點的通信半徑，其中和前驅簇頭的通信半徑記為Rl，和后繼簇頭節(jié)點的通信半徑記為R2，源簇頭節(jié)點以R1，R2較大者發(fā)送，確保消息可以分別從前驅、后繼簇頭向兩端傳遞，盡快讓移動sink節(jié)點接收。
[0035]本發(fā)明中移動sink節(jié)點事先部署在WSN網(wǎng)絡的中心位置，分簇完成后，各個簇頭節(jié)點通過洪泛方式廣播自己ID和位置信息，具體方式如下:每個簇頭節(jié)點在含有自身信息的幀上設定最大轉發(fā)次數(shù)M，然后廣播。收到轉發(fā)幀的簇頭節(jié)點將M減1，當M為零時停止轉發(fā)，否則繼續(xù)轉發(fā)，如果收到ID重復的轉發(fā)幀直接丟棄。經(jīng)過洪泛廣播后，移動sink節(jié)點獲得所有簇頭的位置和ID，形成無向完全連通圖G，然后根據(jù)步驟2確定訪問各簇頭的貪心路徑。最大轉發(fā)次數(shù)M值與WSN規(guī)模及節(jié)點通信半徑有關，可以事先測定。
[0036]圖2表示移動節(jié)點生成貪心路徑的流程圖，本實施例中，具體包含以下步驟:
[0037]步驟S21:移動節(jié)點創(chuàng)建并初始化隊列S為空；
[0038]步驟S22:選擇無向圖G中的最距離短邊，分別將其頂點對應的兩個簇頭插入隊列；
[0039]步驟S23:分別在圖G中尋找距離隊列中隊頭或者隊尾最近的頂點A，如果其距離隊頭最近轉步驟S24，否則轉S25 ；
[0040]步驟S25:將A插入隊列頭成為新隊頭；
[0041]步驟S26:將A插入隊列尾成為新隊尾；
[0042]步驟S27:判斷如果圖G所有頂點都在隊列中，結束；否則轉步驟S23。
[0043]以上步驟得到的路徑序列中，隊頭和隊尾兩簇頭的實際距離可能較遠，為了減少移動時延，移動sink節(jié)點按路徑S序列訪問完隊尾簇頭后立即以路徑S序列的反序返回，以此方式不斷循環(huán)訪問隊列中的簇頭。
[0044]移動sink在移動過程中，如果收到簇頭發(fā)送的消息，sink節(jié)點從消息中獲得消息的源簇頭ID，并廣播通知其他簇頭一段時間內停止轉發(fā)指定源簇頭ID的消息。如圖1所示，由于貪心路徑的不規(guī)則性，當簇頭X把消息轉發(fā)給前驅W時，簇頭R也在其通信范圍內，R轉發(fā)的消息可能會先到達sink節(jié)點，sink以后收到重復源簇頭ID的消息直接丟棄。而簇頭S收到移動sink的通知后不再處理簇頭X通過簇頭T、U、V的轉發(fā)來的消息。
[0045]圖3表示移動sink節(jié)點收到消息后的處理流程圖，具體包含以下步驟:
[0046]步驟S31:移動sink節(jié)點獲得消息源簇頭ID ；
[0047]步驟S32:判斷之前是否收到過該源簇頭ID的消息，如果收到過轉步驟S33 ;否則轉步驟S34 ；
[0048]步驟S33:判斷本次收到的消息是否在定時器T時間以內，如果是則結束；否則轉步驟S34 ；
[0049]步驟S34:移動sink節(jié)點啟動定時器T并發(fā)出廣播，通知所有簇頭在時段T內停止轉發(fā)該源簇頭ID的消息，結束。
[0050]移動sink的廣播幀內含有收到消息的源簇頭ID、時段T長度、T的起始時間，移動sink把時段T以內的收到消息視為重復消息，之后則為簇頭產生的新消息。時段T的長度與WSN規(guī)模、簇頭數(shù)量、sink移動速度有關。
[0051]圖4表示簇頭節(jié)點收到轉發(fā)消息后的處理流程圖，具體包含以下步驟:
[0052]步驟S41:如果本簇頭是路徑中隊頭或隊尾簇頭，結束；否則轉步驟S42 ；
[0053]步驟S42:簇頭節(jié)點獲得消息的源簇頭ID ；
[0054]步驟S43:如果已收到移動sink通知停止轉發(fā)對應源簇頭ID的消息，轉步驟S44 ；否則轉步驟S45:
[0055]步驟S44:如果收到移動sink的停止轉發(fā)消息在時段T內，結束；否則轉步驟S45 ；
[0056]步驟S45:獲得消息的轉發(fā)ID，并將轉發(fā)ID字段修改為簇頭節(jié)點自身ID ；
[0057]步驟S46:如果消息的轉發(fā)ID來自前驅集合，用通信半徑R2傳給后繼簇頭，結束；否則轉步驟S47:
[0058]步驟S47:用通信半徑Rl傳給前驅簇頭，結束。
[0059]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并非限制本發(fā)明的專利范圍，凡利用本發(fā)明說明書及附圖所做的等效結構或者流程變換，均包括在本發(fā)明的保護范圍內。
【權利要求】
1.一種基于移動sink節(jié)點貪心路徑的WSN數(shù)據(jù)采集方法，采用一個移動sink節(jié)點和多個sensor的組織方式,其特征在于，sensor均勻分布在所述WSN范圍內； 所述移動sink節(jié)點按照預設的路徑移動，不斷收集sensor的信號； 所述sensor節(jié)點通過簇頭一跳或多跳的方式，按照預設的路徑發(fā)給所述移動sink節(jié)點。
2.根據(jù)權利要求1所述基于移動sink節(jié)點貪心路徑的WSN數(shù)據(jù)采集方法，其特征在于，所述移動sink節(jié)點在采集過程中以貪心路徑依次訪問各簇頭節(jié)點并收集數(shù)據(jù)。所述方法具體步驟為: 將所述WSN分成若干大小均衡的簇； 所述移動sink節(jié)點確定一條順序訪問各簇頭的貪心路徑； 所述移動sink節(jié)點將路徑信息在所述WSN中廣播，每個簇頭確定路徑中自己的相鄰簇頭集合，分別作為前驅集合和后繼集合，并確定自己和相鄰簇頭的通信半徑； 所述移動sink以確定的路徑重復訪問各簇頭節(jié)點，并收集信號； 簇頭節(jié)點的信號以一跳或多跳方式通過路徑中相鄰簇頭傳遞至所述移動sink。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的WSN，其特征在于，所述WSN采用HEED或基于voronoi圖等均衡的分簇方法，得到簇節(jié)點數(shù)目比較接近的分簇；各簇頭節(jié)點的位置信息通過洪泛廣播方式告訴所述移動sink節(jié)點，所述移動sink節(jié)點最終得到一個由各簇頭和簇頭之間邊組成的無向完全連通圖G。
4.根據(jù)權利要求2所述的基于移動sink節(jié)點貪心路徑的WSN數(shù)據(jù)采集方法，其特征在于，所述移動sink節(jié)點確定貪心路徑的步驟為: 初始化路徑隊列S為空； 選擇無向完全連通圖G中一個最短邊，分別把兩個簇頭(隊頭和隊尾)加入路徑隊列S ； 在圖G中選擇一個簇頭O，且0距離對頭或者隊尾簇頭最近，如果0距離原隊頭更近，把0插入隊頭之前成為新隊頭；否則插入隊尾成為新隊尾；如果有多個簇頭距離對頭和隊尾距離相同，則可以任取一個作為新隊頭； 重復上一步驟，直到所有簇頭都在路徑隊列S中為止。
5.根據(jù)權利要求2所述的基于移動sink節(jié)點貪心路徑的WSN數(shù)據(jù)采集方法，其特征在于，所述移動sink節(jié)點確定貪心隊列S以后將隊列S在網(wǎng)絡中廣播，其廣播范圍可以覆蓋整個WSN，每個簇頭節(jié)點收到隊列S信息后，確定路徑中自己的前驅和后繼簇頭集合，并分別根據(jù)自己到前驅、后繼兩個簇頭的距離確定相應通信半徑Rl，R2。隊頭和隊尾簇頭分別只確定通信半徑R2和Rl。
6.根據(jù)權利要求2所述的基于移動sink節(jié)點貪心路徑的WSN數(shù)據(jù)采集方法，其特征在于，所述移動sink節(jié)點按路徑S序列訪問完隊尾簇頭后立即以S序列的反序返回訪問簇頭，以此方式不斷循環(huán)訪問隊列中的簇頭，完成數(shù)據(jù)的收集。
7.根據(jù)權利要求2所述的基于移動sink節(jié)點貪心路徑的WSN數(shù)據(jù)采集方法，其特征在于，所述傳遞的消息中包括源簇頭ID和轉發(fā)簇頭ID兩個字段，分別表示消息源簇頭標識和上一跳簇頭標識。源簇頭收到本簇節(jié)點感知的信號后，分別在源簇頭ID和轉發(fā)簇頭ID加入自己的ID，再以通信半徑R1，R2的較大者對鄰居簇頭廣播，讓消息沿路徑S向兩端傳遞，盡快到達移動sink節(jié)點。
8.根據(jù)權利要求2所述的基于移動sink節(jié)點貪心路徑的WSN數(shù)據(jù)采集方法，其特征在于，收到信息的簇頭通過消息的轉發(fā)簇頭ID確定消息的來源，如果消息來至前驅集合，則以R2發(fā)送至后繼簇頭，否則以Rl發(fā)送至前驅簇頭。而路徑S序列中兩端的簇頭(隊頭和隊尾)收到信號直接丟棄。
9.根據(jù)權利要求2所述的基于移動sink節(jié)點貪心路徑的WSN數(shù)據(jù)采集方法，其特征在于，所述移動sink對每個簇頭分別設定相應定時器T，收到某個源簇頭的消息后啟動相應定時器T，在T時間內不再處理具有相同源簇頭ID的重復消息。
10.根據(jù)權利要求2所述的基于移動sink節(jié)點貪心路徑的WSN數(shù)據(jù)采集方法，其特征在于，所述移動sink節(jié)點收到消息后馬上發(fā)出廣播，通知相關簇頭在時間T內不再傳遞消息源ID標識的消息。
11.根據(jù)權利要求2所述的基于移動sink節(jié)點貪心路徑的WSN數(shù)據(jù)采集方法，其特征在于，當某個簇頭節(jié)點能量低于某個門限值，啟動簇頭選舉輪換，原簇頭將新簇頭的信息(ID，位置)等廣播給鄰居簇頭，通知它們修改自身的前驅后繼和相應通信半徑等信息。廣播的消息同樣通過在路徑S中雙向傳遞至所述移動sink，后者修改路徑序列并設定新簇頭的定時器，以新 路徑序列繼續(xù)訪問收集數(shù)據(jù)。
【文檔編號】H04W84/18GK103619033SQ201310646561
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年12月4日 優(yōu)先權日:2013年12月4日
【發(fā)明者】胡長俊, 李鑫, 韓迎鴿, 袁樹杰 申請人:安徽理工大學