基于多跳路由與移動元素的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及通信領(lǐng)域，尤其是一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由方法。
【背景技術(shù)】
[0002]無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是新一代的傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有非常廣泛的應(yīng)用前景，其發(fā)展和應(yīng)用，將會給人類的生活和生產(chǎn)的各個領(lǐng)域帶來深遠(yuǎn)影響。早在上世紀(jì)70年代，就出現(xiàn)了將傳統(tǒng)傳感器采用點對點傳輸、連接傳感控制器而構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)雛形，我們把它歸之為第一代傳感器網(wǎng)絡(luò)。隨著相關(guān)學(xué)科的不斷發(fā)展和進步，傳感器網(wǎng)絡(luò)同時還具有了獲取多種信息信號的綜合處理能力，并通過與傳感控制器的相聯(lián)，組成了有信息綜合和處理能力的傳感器網(wǎng)絡(luò)，這是第二代傳感器網(wǎng)絡(luò)。而從上世紀(jì)末開始，現(xiàn)場總線技術(shù)開始應(yīng)用于傳感器網(wǎng)絡(luò)，人們用其組建智能化傳感器網(wǎng)絡(luò)，大量多功能傳感器被運用，并使用無線技術(shù)連接，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)逐漸形成。
[0003]發(fā)達(dá)國家如美國，非常重視無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，IEEE正在努力推進無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和發(fā)展，波士頓大學(xué)還于最近創(chuàng)辦了傳感器中國測控網(wǎng)絡(luò)協(xié)會(SensorNetworkConsortium)，期望能促進傳感器聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)。美國的《技術(shù)評論》雜志在論述未來新興十大技術(shù)時，更是將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為第一項未來新興技術(shù)，《商業(yè)周刊》預(yù)測的未來四大新技術(shù)中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也列入其中?？梢灶A(yù)計，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣泛是一種必然趨勢，它的出現(xiàn)將會給人類社會帶來極大的變革。
[0004]無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心任務(wù)是對周邊網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的信息感知及數(shù)據(jù)收集。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集方式通過傳感器節(jié)點與網(wǎng)絡(luò)基站間的無線通訊來完成，但會導(dǎo)致較高的傳感器節(jié)點能耗，并出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點能耗不平衡的情況，從而降低網(wǎng)絡(luò)正常工作時間。另外，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)收集方式要求網(wǎng)絡(luò)必須具有連通性。為了保證連通性，需要向網(wǎng)絡(luò)中部署大量的傳感器節(jié)點，從而不可避免的導(dǎo)致節(jié)點的冗余并增加了網(wǎng)絡(luò)成本。
[0005]移動元素為同時具有移動和數(shù)據(jù)收集能力的人員或設(shè)備。移動元素通過自身的移動對網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點進行訪問，并利用近距離無線通訊完成對傳感器節(jié)點所產(chǎn)生數(shù)據(jù)的收集。通過向網(wǎng)絡(luò)中引入移動元素來完成數(shù)據(jù)收集，傳感器節(jié)點的能耗情況被顯著改進，同時也降低了數(shù)據(jù)收集對網(wǎng)絡(luò)連通性的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明設(shè)計了一種基于移動元素的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議，該協(xié)議能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)在得到高效準(zhǔn)確接收的同時網(wǎng)絡(luò)整體的能耗盡可能的降低，而且能適應(yīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模、自組織、隨機部署、環(huán)境復(fù)雜等特點，并適合在特殊環(huán)境下大量部署和使用，例如人員稀少的野外環(huán)境等。并通過移動元素與分簇算法的綜合運用，實現(xiàn)高效準(zhǔn)確傳輸傳感器數(shù)據(jù)的同時降低傳感器節(jié)點的能量消耗，從而使網(wǎng)絡(luò)的總體存活時間盡可能延長。
[0007]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0008]步驟1:無線傳感器節(jié)點拋灑及網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建
[0009]建立一個由無線傳感器節(jié)點和基站組成正方形無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，基站位于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中心，傳感器節(jié)點由無人機隨機拋灑在基站周圍，每個傳感器節(jié)點都有特定的ID編號；
[0010]步驟2:傳感器節(jié)點位置確定及身份確定
[0011]各傳感器節(jié)點通過自身安裝的GPS定位系統(tǒng)獲得自己的位置信息，并將自己的位置信息通過各傳感器節(jié)點多跳傳輸?shù)姆绞絺鬟f給基站，基站根據(jù)各節(jié)點位置信息的分布密度選取第一級簇頭CH(Cluster Heads)，選取簇頭的機制如下:設(shè)傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)收發(fā)半徑最大為r，確定在每一個傳感器節(jié)點為中心r為半徑的圓內(nèi)的有效傳感器節(jié)點的個數(shù)，并將有效傳感器節(jié)點的ID進行記錄，按每個傳感器節(jié)點周圍有效傳感器節(jié)點的個數(shù)多少制作路由表，并按照有效傳感器節(jié)點的個數(shù)從大到小排列，選取周圍有效傳感器節(jié)點個數(shù)最大的點即該路由表表頭的點為CH，之后檢查周圍有效傳感器節(jié)點個數(shù)排在第二位的點是否已選出并存在于CH點的路由表內(nèi)，若已在路由表中，則排在第二位的節(jié)點定位為普通節(jié)點；若不在路由表中，則定為CH，以此類推，直到路由表內(nèi)所有節(jié)點篩選完畢；
[0012]步驟3:移動元素行走路線規(guī)劃
[0013]本發(fā)明將移動元素ME (Mobile Element)行走路線問題看作旅行商問題，利用最近鄰算法的優(yōu)化算法來進行ME行走路線的規(guī)劃:選取距行走路線的直線距離小于ME的數(shù)據(jù)收集覆蓋半徑R的傳感器節(jié)點為次級簇頭VH (Virtual Heads)，即ME的行走路線確定后，計算各傳感器節(jié)點到該路線的垂直距離，如果垂直距離小于ME的覆蓋半徑，也就是該傳感器節(jié)點在ME的覆蓋半徑之內(nèi)，即ME能夠接收到該點傳來的信息，否則該點被選為VH ；
[0014]步驟4:傳感器節(jié)點與移動元素之間的信息傳輸
[0015]網(wǎng)絡(luò)中各傳感器節(jié)點接收到基站傳來的其他傳感器節(jié)點的身份信息以及數(shù)據(jù)傳遞信息后，每個傳感器節(jié)點收集該傳感器節(jié)點能收集到的所有信息，包括溫度、濕度、壓力、磁場、聲音、氣體和放射線信息，并把收集到的信息傳輸給離該傳感器節(jié)點最近的CH或VH節(jié)點，最近的CH或VH節(jié)點將信息暫存，等待ME經(jīng)過時將信息傳輸給ME，ME是從整個正方形區(qū)域的中心出發(fā)沿著基站規(guī)劃好的ME的行走路線行走；
[0016]步驟5:移動元素ME返回基站后，并將ME行走期間從CH或VH節(jié)點收集來的所有信息傳給基站，移動元素ME按照規(guī)劃路線重復(fù)行走；WME剛開始行走直至有一個節(jié)點死亡的時間記為該節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中的存活時間，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有一個節(jié)點死亡時，視為該網(wǎng)絡(luò)死亡，基站重新執(zhí)行步驟2，即根據(jù)各節(jié)點位置信息的分布密度，重新進行位置確定及身份確定，并把最新的路線規(guī)劃告知ME，在下一輪的ME行走時，ME將按照新的路線收集數(shù)據(jù)。
[0017]本發(fā)明的有益效果是是本發(fā)明能適應(yīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模、自組織、隨機部署、環(huán)境復(fù)雜等特點，并適合在人員稀少的野外環(huán)境等特殊環(huán)境下大量部署和使用，本發(fā)明將移動元素與傳統(tǒng)的分簇算法進行結(jié)合，可高效準(zhǔn)確的傳輸各傳感器節(jié)點所收集的數(shù)據(jù)，并盡可能降低了各傳感器節(jié)點的能量消耗，使網(wǎng)絡(luò)的總體存活時間盡可能延長。本發(fā)明跟隨節(jié)點死亡變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，重新選取簇首節(jié)點與二級簇頭，能夠以最大程度降低簇頭節(jié)點的耗能，從而增加網(wǎng)絡(luò)總體的存活時間，通過與其他有益方法的網(wǎng)絡(luò)存活時間的數(shù)據(jù)進行對比，本方法體現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢。
【附圖說明】
[0018]圖1是基于移動元素的無線傳感器路由機制實現(xiàn)流程圖。
[0019]圖2是ME行走路線規(guī)劃圖。
[0020]圖3是20-35節(jié)點網(wǎng)絡(luò)存活時間圖，其中縱坐標(biāo)為網(wǎng)絡(luò)存活時間，橫坐標(biāo)為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點個數(shù)。
[0021]圖4是100-400節(jié)點網(wǎng)絡(luò)存活時間圖，其中縱坐標(biāo)為網(wǎng)絡(luò)存活時間，橫坐標(biāo)為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點個數(shù)。
[0022]圖5是100節(jié)點網(wǎng)絡(luò)存活時間隨CH半徑的變化關(guān)系，其中縱坐標(biāo)為網(wǎng)絡(luò)存活時間，橫坐標(biāo)為CH半徑大小。
【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
[0024]步驟1:無線傳感器節(jié)點拋灑及網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建
[0025]建立一個由無線傳感器節(jié)點和基站組成正方形無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，基站位于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中心，傳感器節(jié)點由無人機隨機拋灑在基站周圍，每個傳感器節(jié)點都有特定的ID編號；
[0026]如圖1為整個發(fā)明方法的結(jié)構(gòu)步驟框圖，將η個傳感器節(jié)點隨機均勻分布在一個100*100正方形區(qū)域內(nèi)，移動元素可以在正方形區(qū)域內(nèi)隨意走動，每一個節(jié)點都有一個數(shù)據(jù)傳輸距離的限制r。假設(shè)每個節(jié)點都有ID編號并且均裝有GPS，可以獲得他們的地理位置信息。并且當(dāng)ME行走到傳感器節(jié)點周圍時可以進行數(shù)據(jù)傳輸。
[0027]步驟2:傳感器節(jié)點位置確定及身份確定
[0028]各傳感器節(jié)點通過自身安裝的GPS定位系統(tǒng)獲得自己的位置信息，并將自己的位置信息通過各傳感器節(jié)點多跳傳輸?shù)姆绞絺鬟f給基站，基站根據(jù)各節(jié)點位置信息的分布密度選取第一級簇頭CH(Cluster Heads)，選取簇頭的機制如下:設(shè)傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)收發(fā)半徑最大為r，確定在每一個傳感器節(jié)點為中心r為半徑的圓內(nèi)的有效傳感器節(jié)點的個數(shù)，并將有效傳感器節(jié)點的ID進行記錄，按每個傳感器節(jié)點周圍有效傳感器節(jié)點的個數(shù)多少制作路由表，并按照有效傳感器節(jié)點的個數(shù)從大到小排列，選取周圍有效傳感器節(jié)點個數(shù)最大的點即該路由表表頭的點為CH，之后檢查周圍有效傳感器節(jié)點個數(shù)排在第二位的點是否已選出并存在于CH點的路由表內(nèi)，若已在路由表中，則排在第二位的節(jié)點定位為普通節(jié)點；若不在路由表中，則定為CH，以此類推，直到路由表內(nèi)所有節(jié)點篩選完畢；
[0029]步驟3:移動元素行走路線規(guī)劃
[0030]本發(fā)明將移動元素ME (Mobile Element)行走路線問題看作旅行商問題，利用最近鄰算法的優(yōu)化算法來進行ME行走路線的規(guī)劃:選取距行走路線的直線距離小于ME的數(shù)據(jù)收集覆蓋半徑R的傳感器節(jié)點為次級簇頭VH(Virtual