一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量狀態(tài)采集方法及其裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量狀態(tài)采集方法及其裝置。該方法中數(shù)據(jù)查詢和傳輸方式采用閾值檢測方法，基站對檢測數(shù)據(jù)進行處理，用節(jié)點的初始能量減去當(dāng)前數(shù)據(jù)，得到節(jié)點的剩余能量，然后繪制出網(wǎng)絡(luò)中剩余能量低于某一特定值的節(jié)點的剩余能量分布圖。該裝置包括算法實現(xiàn)模塊、仿真接口、數(shù)據(jù)處理模塊、節(jié)點自身能量模塊、通信模塊、PC機。本發(fā)明通過設(shè)定閾值，對參與通信和計算的節(jié)點數(shù)量進行限制，只得到剩余能量處于用戶所需范圍內(nèi)的節(jié)點信息，其他非用戶感興趣節(jié)點并不參與通信，從而大大降低了通信量，節(jié)省了能耗；通過對閾值進行調(diào)節(jié)有效平衡精度和能耗之間的關(guān)系。
【專利說明】一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量狀態(tài)采集方法及其裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量監(jiān)測系統(tǒng)，屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)事件監(jiān)測【技術(shù)領(lǐng)域】，具體為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)剩余能量監(jiān)測方法的創(chuàng)新技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是由能量有限的電池供電，由于節(jié)點一般被拋撒在環(huán)境惡劣地區(qū)或無人監(jiān)管區(qū)，因此電池基本無法更換。因此，無線傳感網(wǎng)的能耗問題的研究是一項具有重要意義的研究。目前能量有效性以及能量感知的算法成為研究熱點之一。從本質(zhì)上講，他們都是基于節(jié)點的剩余能量信息進行研究:在能量有效的研究中，節(jié)點的剩余能量值作為能量有效與否的判斷指標(biāo)；而在能量感知的研究中，則是將感知到的剩余能量信息作為算法研究的直接參考數(shù)據(jù)?？傊?，對于剩余能量的監(jiān)測是很有現(xiàn)實意義的。
[0003]而且現(xiàn)有的對于剩余能量的監(jiān)測方法主要是基于簇樹拓?fù)溥M行設(shè)計，最典型的是eScan，其他的大都是在其基礎(chǔ)上進行改進，這些方法在一定程度上實現(xiàn)了對節(jié)點的剩余能量進行監(jiān)測，但是現(xiàn)有算法采用洪泛法對數(shù)據(jù)進行查詢和傳輸，這樣大大增加了通信量，從而增加了能耗，能量有效性較差。另外，在進行信息傳輸查詢時，現(xiàn)有算法由于對所要查詢的數(shù)據(jù)沒有給出限制，因此在信息發(fā)送時發(fā)送次數(shù)較多，這樣同樣會增加通信量。在現(xiàn)有算法下，原始數(shù)據(jù)或本地處理結(jié)果在多條傳輸之后，變成了過去時的信息，這樣此監(jiān)測方法的實時性就較差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服上述缺點而提供一種基于閾值的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量監(jiān)測方法，方法基礎(chǔ)來源于TEEN算法。由于在實際應(yīng)用中，我們往往并不需要知道全部節(jié)點的能量狀態(tài)，只需了解能量值處于我們感興趣的范圍內(nèi)的節(jié)點信息即可，本發(fā)明的方法恰恰符合此應(yīng)用，通過設(shè)置硬、軟兩個閾值，給出監(jiān)測的限制條件，減少發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點數(shù)，并可以設(shè)置采集數(shù)據(jù)的精度。為了避免資源浪費，將當(dāng)前檢測數(shù)據(jù)存儲到節(jié)點的內(nèi)部變量中，供之后的監(jiān)測提供參考。而且本發(fā)明可以實現(xiàn)實時監(jiān)控節(jié)點能量變化，對于突發(fā)事件和熱點的監(jiān)控很有效。另外，通過調(diào)節(jié)兩個閾值的大小，可以在精度要求和系統(tǒng)能耗之間取得合理的平衡。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量狀態(tài)采集方法，數(shù)據(jù)查詢和傳輸方式采用閾值檢測方法，基站對檢測數(shù)據(jù)進行處理，用節(jié)點的初始能量減去當(dāng)前數(shù)據(jù)，得到節(jié)點的剩余能量，然后繪制出網(wǎng)絡(luò)中剩余能量低于某一特定值的節(jié)點的剩余能量分布圖；具體包括如下步驟:
(1)先進行網(wǎng)絡(luò)分簇，再由基站向簇頭發(fā)送硬、軟閾值，簇頭再向簇內(nèi)節(jié)點廣播硬、軟閾值，接下來在每輪更換簇頭的時候，簇頭即向簇內(nèi)所有節(jié)點廣播硬閾值和軟閾值；
(2)當(dāng)檢測數(shù)據(jù)值第一次超過硬閾值時，節(jié)點即向簇頭發(fā)送檢測數(shù)據(jù)，并把本次檢測數(shù)據(jù)存儲到節(jié)點的內(nèi)部變量中，并記為SD ；(3)在接下來的監(jiān)測過程中，只有當(dāng)檢測到的數(shù)據(jù)超過硬閾值并且當(dāng)前檢測數(shù)據(jù)相對于切的變化幅度大于或等于軟閾值時，節(jié)點才向簇頭發(fā)送最新的檢測數(shù)據(jù)，并且更新5?值為當(dāng)前檢測數(shù)據(jù)值，以此類推；
(4)簇頭對本簇內(nèi)的數(shù)據(jù)先進行融合處理，再發(fā)送給基站，最終由基站對所有數(shù)據(jù)融合處理，其中對于數(shù)據(jù)中節(jié)點的當(dāng)前總能耗，基站對其作簡單的減法運算，用節(jié)點初始能量減去當(dāng)前檢測數(shù)據(jù)獲得節(jié)點的剩余能量，然后得到剩余能量圖。
[0006]進一步，所述基站唯一，且位置固定，并且基站被看作是能量無限的；所述節(jié)點都是固定的，并且都知道自身的位置；節(jié)點初始能量相等，并且性質(zhì)相同；節(jié)點之間能夠?qū)ΨQ性的通信，通信半徑相同；節(jié)點均勻分布在基站周圍。
[0007]進一步，所述硬閾值設(shè)定為節(jié)點需要更換或者低能耗報警時所處的能耗值，所述軟閾值反應(yīng)的是監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集精度，根據(jù)實際監(jiān)測需要設(shè)定。
[0008]進一步，所述節(jié)點能耗與空間相關(guān)，根據(jù)剩余能量圖，利用空間原理，分析死節(jié)點的位置，或者根據(jù)相鄰時間段的掃描圖得到死亡節(jié)點的信息。
[0009]一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量狀態(tài)采集裝置，包括算法實現(xiàn)模塊、仿真接口、數(shù)據(jù)處理模塊、節(jié)點自身能量模塊、通信模塊、PC機，所述仿真接口是仿真器下載算法實現(xiàn)模塊的代碼的仿真調(diào)試接口，其輸入端與算法實現(xiàn)模塊相連并相互通信，輸出端連接至數(shù)據(jù)處理模塊，所述數(shù)據(jù)處理模塊是由若干個CC2530模塊組成的ZigBee網(wǎng)絡(luò)信息處理模塊，用于對節(jié)點自身能量模塊的節(jié) 點自身能量進行采集處理，通信模塊與數(shù)據(jù)處理模塊相連并相互通信，用于節(jié)點間以及節(jié)點與sink點之間的信息交換，所述PC機作為sink點，所述節(jié)點自身能量模塊連接至數(shù)據(jù)處理模塊，所述PC機與通信模塊相連，并相互通信。
[0010]本發(fā)明的有益效果是:
本發(fā)明中通過設(shè)定閾值，對參與通信和計算的節(jié)點數(shù)量進行限制，只得到剩余能量處于用戶所需范圍內(nèi)的節(jié)點信息，其他非用戶感興趣節(jié)點并不參與通信，從而大大降低了通信量，節(jié)省了能耗。另外，通過對閾值進行調(diào)節(jié)，可以有效平衡精度和能耗之間的關(guān)系。本發(fā)明有效限制了網(wǎng)絡(luò)通信量，降低了網(wǎng)絡(luò)能耗，延長網(wǎng)絡(luò)壽命，還能對熱點現(xiàn)象進行實時監(jiān)控。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為剩余能量的掃描圖圖例；
圖2為本發(fā)明一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量狀態(tài)采集方法的步驟圖；
圖3為本發(fā)明一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量狀態(tài)采集裝置的模塊結(jié)構(gòu)圖。
【具體實施方式】
[0012]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細(xì)說明。
[0013]另外，對于出現(xiàn)能量空洞而其中節(jié)點無法參與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的情況，導(dǎo)致部分死亡節(jié)點無法進行監(jiān)測，本發(fā)明利用事件的空間相關(guān)性或時間相關(guān)性原理，或者根據(jù)能量掃描圖，如果某些節(jié)點周圍節(jié)點的剩余能量都很低，而并沒有接收到這些節(jié)點的剩余能量低的信息，那么就可以判斷其為死節(jié)點，并補充繪圖；或者根據(jù)時間相關(guān)性，比較相鄰監(jiān)測時間的能量掃描圖，如果在之前的掃描圖中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)某些節(jié)點的能耗即將耗盡，但是本次卻沒有收到其低能耗的信息，即可以判斷這些節(jié)點已經(jīng)死亡，并補充繪圖。
[0014]本發(fā)明一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量狀態(tài)采集方法的的技術(shù)路線圖如圖2所示，再結(jié)合圖3的系統(tǒng)裝置模塊圖對本發(fā)明的實施方案作進一步的說明。
[0015]本發(fā)明結(jié)合分層簇樹eScan方法，對其數(shù)據(jù)查詢和傳輸方式進行改進，結(jié)合TEEN算法中的閾值檢測思想，考慮到在實際應(yīng)用中，有時用戶并不需要知道區(qū)域內(nèi)所有節(jié)點的信息，只想得到剩余能量在其所需范圍之內(nèi)的節(jié)點信息，從而為網(wǎng)絡(luò)的維護和優(yōu)化提供直接的依據(jù)。本發(fā)明中設(shè)置了硬、軟兩個閾值，以此限制參與通信的節(jié)點數(shù)，降低監(jiān)測的復(fù)雜度和能耗。
[0016]系統(tǒng)模型特征如下:
(I)所有傳感器節(jié)點都是固定的，并且都知道自身的位置。
[0017](2)節(jié)點初始能量相等，并且性質(zhì)相同。
[0018](3)節(jié)點之間能夠?qū)ΨQ性的通信，通信半徑相同。
[0019](4)基站唯一，且位置固定，并且基站被看作是能量無限的。
[0020](5)傳感器節(jié)點均勻分布在基站周圍。
[0021]其中對于特征(1)，節(jié)點本身帶有定位系統(tǒng)，不需要其他的定位裝置來對其定位，數(shù)據(jù)處理效率高。
[0022]特征(2)節(jié)點初始能量相等的，這樣最終基站可以直接對數(shù)據(jù)作減法運算，減少計算量。而每個節(jié)點的性質(zhì)相同，即是節(jié)點的內(nèi)部計算和能耗機制都是相同的，這樣有利于統(tǒng)一處理節(jié)點能耗信息。
[0023]特征(3)節(jié)點之間對稱通信且通信半徑相同，即節(jié)點內(nèi)部的通信機制相同，這與特征(2)的作用相似。
[0024]特征(5)節(jié)點均勻分布在基站周圍，目的是讓節(jié)點的能耗相對均衡。
[0025]具體步驟如下:
(I)在網(wǎng)絡(luò)分簇結(jié)束后，由基站向簇頭發(fā)送硬、軟閾值，簇頭再向簇內(nèi)節(jié)點廣播硬、軟閾值，接下來在每輪更換簇頭的時候，簇頭即向簇內(nèi)所有節(jié)點廣播硬閾值和軟閾值。本發(fā)明主要針對剩余能量問題的監(jiān)測，因此硬閾值設(shè)定為節(jié)點需要更換或者低能耗報警時所處的能耗值，顯然要低于節(jié)點初始能量值。而軟閾值反應(yīng)的是監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集精度，根據(jù)實際監(jiān)測需要設(shè)定。
[0026](2)當(dāng)檢測數(shù)據(jù)值第一次超過硬閾值時，節(jié)點即向簇頭發(fā)送檢測數(shù)據(jù)，并把本次檢測數(shù)據(jù)存儲到節(jié)點的內(nèi)部變量中，并記為SD (sensed data)，這能夠有效利用資源，供后來的監(jiān)測使用，避免了資源浪費。
[0027](3)在接下來的監(jiān)測過程中，只有當(dāng)檢測到的數(shù)據(jù)超過硬閾值并且當(dāng)前檢測數(shù)據(jù)相對于SD的變化幅度大于或等于軟閾值時，節(jié)點才會向簇頭發(fā)送最新的檢測數(shù)據(jù)，并且更新SD值為當(dāng)前檢測數(shù)據(jù)值，以此類推。也就是說，得到的數(shù)據(jù)(除第一次外)都是能耗大于設(shè)定硬閾值，而且變化幅度大于或等于設(shè)定的軟閾值。本發(fā)明的方法可以通過調(diào)節(jié)兩個閾值的大小，在能耗和精度之間得到很好的均衡。
[0028](4)簇頭節(jié)點將本簇內(nèi)所有總能耗超過硬閾值的節(jié)點能量信息以及節(jié)點位置進行整理融合，再發(fā)送給基站，最終由基站對所有數(shù)據(jù)融合處理，繪制出圖形。其中對于數(shù)據(jù)中節(jié)點的當(dāng)前總能耗，基站對其作簡單的減法運算，用節(jié)點初始能量減去當(dāng)前檢測數(shù)據(jù)獲得節(jié)點的剩余能量，然后得到剩余能量的掃描圖。根據(jù)圖形，可以很直觀的看出感興趣節(jié)點的剩余能量情況，從而為網(wǎng)絡(luò)的修補和優(yōu)化提供依據(jù)。
[0029]圖形繪制時采用凸圖來表示，凸圖的頂點就是所收集信息的節(jié)點的位置。但是在基站收集到節(jié)點的信息之后，會先根據(jù)節(jié)點的剩余能量不同將節(jié)點劃分成不同的等級(根據(jù)實際需要設(shè)定)，然后在接下來的繪圖中對于不同的等級用不同的顏色表示，這樣得到的圖形更加直觀清晰。
[0030]出現(xiàn)能量空洞時，節(jié)點無法參與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和傳輸?shù)娜蝿?wù)，所以無法得到其能耗信息，但是這些節(jié)點更是我們需要關(guān)注的節(jié)點。對于這種情況，本發(fā)明根據(jù)事件的空間相關(guān)性或時間相關(guān)性的原理來補救。由空間相關(guān)性原理，分析能量掃描圖，根據(jù)其周圍的節(jié)點剩余能量情況來判斷，如果周圍節(jié)點的剩余能量都很低，而并沒有接收到這些節(jié)點的剩余能量低的信息，那么就可以判斷其為死節(jié)點，并補充繪圖；或根據(jù)時間相關(guān)性原理，比較相鄰監(jiān)測時間的能量掃描圖，如果在前一相鄰時間的掃描圖中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)某些節(jié)點的能耗即將耗盡，但是本次卻沒有收到其低能耗的信息，即可以判斷這些節(jié)點已經(jīng)死亡，并補充繪圖。
[0031]本發(fā)明一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量狀態(tài)采集裝置的結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括算法實現(xiàn)模塊、仿真接口、數(shù)據(jù)處理模塊、節(jié)點自身能量模塊、通信模塊、PC機，所述仿真接口是仿真器下載算法實現(xiàn)模塊的代碼的仿真調(diào)試接口，其輸入端與算法實現(xiàn)模塊相連并相互通信，輸出端連接至數(shù)據(jù)處理模塊，所述數(shù)據(jù)處理模塊是由若干個CC2530模塊組成的ZigBee網(wǎng)絡(luò)信息處理模塊，用于對節(jié)點自身能量模塊的節(jié)點自身能量進行采集處理，通信模塊與數(shù)據(jù)處理模塊相連并相互通信，用于節(jié)點間以及節(jié)點與sink點之間的信息交換，所述PC機作為sink點，所述節(jié)點自身能量模塊連接至數(shù)據(jù)處理模塊，所述PC機與通信模塊相連，并相互通信。
[0032]在C51RF-CC2530-PK的平臺上實現(xiàn)此算法的具體過程如下:通過仿真器下載算法實現(xiàn)模塊的算法代碼到數(shù)據(jù)處理模塊中，數(shù)據(jù)處理模塊對節(jié)點自身能量進行處理，處理方法按照算法實現(xiàn)模塊的算法來實現(xiàn)，并且利用通信模塊與PC機或者其他節(jié)點通信進行數(shù)據(jù)交換，最終將所有信息發(fā)送到PC機進行信息融合處理，得到想要的信息。
[0033]綜上所述，本發(fā)明一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量狀態(tài)采集裝置采用ZigBee協(xié)議棧高級開發(fā)系統(tǒng)C51RF-CC2530-PK，其中ZigBee模塊是CC2530，對于其網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議進行改進。本發(fā)明的改進方法結(jié)合分層簇樹eScan (剩余能量掃描)方法，對其數(shù)據(jù)查詢和傳輸模式進行改進，提出了一種基于閾值的能量高效節(jié)點剩余能量監(jiān)測方法。本發(fā)明中通過設(shè)定閾值，對參與通信和計算的節(jié)點數(shù)量進行限制，只得到剩余能量處于用戶所需范圍內(nèi)的節(jié)點信息，其他非用戶感興趣節(jié)點并不參與通信，從而大大降低了通信量，節(jié)省了能耗。另外，通過對閾值進行調(diào)節(jié)，可以有效平衡精度和能耗之間的關(guān)系。本發(fā)明提出的方法有效限制了網(wǎng)絡(luò)通信量，降低了網(wǎng)絡(luò)能耗，延長網(wǎng)絡(luò)壽命，還能對熱點現(xiàn)象進行實時監(jiān)控。
[0034]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量狀態(tài)采集方法，其特征在于:數(shù)據(jù)查詢和傳輸方式采用閾值檢測方法，基站對檢測數(shù)據(jù)進行處理，用節(jié)點的初始能量減去當(dāng)前數(shù)據(jù)，得到節(jié)點的剩余能量，然后繪制出網(wǎng)絡(luò)中剩余能量低于某一特定值的節(jié)點的剩余能量分布圖；具體包括如下步驟: (1)先進行網(wǎng)絡(luò)分簇，再由基站向簇頭發(fā)送硬、軟閾值，簇頭再向簇內(nèi)節(jié)點廣播硬、軟閾值，接下來在每輪更換簇頭的時候，簇頭即向簇內(nèi)所有節(jié)點廣播硬閾值和軟閾值； (2)當(dāng)檢測數(shù)據(jù)值第一次超過硬閾值時，節(jié)點即向簇頭發(fā)送檢測數(shù)據(jù)，并把本次檢測數(shù)據(jù)存儲到節(jié)點的內(nèi)部變量中，并記為SD ； (3)在接下來的監(jiān)測過程中，只有當(dāng)檢測到的數(shù)據(jù)超過硬閾值并且當(dāng)前檢測數(shù)據(jù)相對于切的變化幅度大于或等于軟閾值時，節(jié)點才向簇頭發(fā)送最新的檢測數(shù)據(jù)，并且更新5?值為當(dāng)前檢測數(shù)據(jù)值，以此類推； (4)簇頭對本簇內(nèi)的數(shù)據(jù)先進行融合處理，再發(fā)送給基站，最終由基站對所有數(shù)據(jù)融合處理，其中對于數(shù)據(jù)中節(jié)點的當(dāng)前總能耗，基站對其作簡單的減法運算，用節(jié)點初始能量減去當(dāng)前檢測數(shù)據(jù)獲得節(jié)點的剩余能量，然后得到剩余能量圖。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量狀態(tài)采集方法，其特征在于:所述基站唯一，且位置固定，并且基站被看作是能量無限的；所述節(jié)點都是固定的，并且都知道自身的位置；節(jié)點初始能量相等，并且性質(zhì)相同；節(jié)點之間能夠?qū)ΨQ性的通信，通信半徑相同；節(jié)點均勻分布在基站周圍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1 所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量狀態(tài)采集方法，其特征在于:所述硬閾值設(shè)定為節(jié)點需要更換或者低能耗報警時所處的能耗值，所述軟閾值反應(yīng)的是監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集精度，根據(jù)實際監(jiān)測需要設(shè)定。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量狀態(tài)采集方法，其特征在于:所述節(jié)點能耗與空間相關(guān)，根據(jù)剩余能量圖，利用空間原理，分析死節(jié)點的位置，或者根據(jù)相鄰時間段的掃描圖得到死亡節(jié)點的信息。
5.一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量狀態(tài)采集裝置，其特征在于:包括算法實現(xiàn)模塊、仿真接口、數(shù)據(jù)處理模塊、節(jié)點自身能量模塊、通信模塊、PC機，所述仿真接口是仿真器下載算法實現(xiàn)模塊的代碼的仿真調(diào)試接口，其輸入端與算法實現(xiàn)模塊相連并相互通信，輸出端連接至數(shù)據(jù)處理模塊，所述數(shù)據(jù)處理模塊是由若干個CC2530模塊組成的ZigBee網(wǎng)絡(luò)信息處理模塊，用于對節(jié)點自身能量模塊的節(jié)點自身能量進行采集處理，通信模塊與數(shù)據(jù)處理模塊相連并相互通信，用于節(jié)點間以及節(jié)點與sink點之間的信息交換，所述PC機作為sink點，所述節(jié)點自身能量模塊連接至數(shù)據(jù)處理模塊，所述PC機與通信模塊相連，并相互通信。
【文檔編號】H04W24/00GK103546901SQ201310480192
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年10月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月15日
【發(fā)明者】蘇兵, 許文慧, 何可人 申請人:常州大學(xué)