一種用于數(shù)據(jù)收集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂品椒?br> 【專利摘要】本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域中的一種用于數(shù)據(jù)收集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂品椒?。針?duì)已有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾矸椒o法很好得同時(shí)支持高可靠性、局部數(shù)據(jù)融合以及高效能耗管理的缺陷，本發(fā)明使每個(gè)節(jié)點(diǎn)都嘗試尋找兩個(gè)節(jié)點(diǎn)作為其雙親節(jié)點(diǎn)，并交替利用這兩個(gè)雙親節(jié)點(diǎn)，向Sink節(jié)點(diǎn)匯報(bào)數(shù)據(jù)。本發(fā)明可以提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中多跳傳輸?shù)目煽啃?，有效地控制能耗，并?shí)現(xiàn)良好的自組織能力和可擴(kuò)展性能。
【專利說明】一種用于數(shù)據(jù)收集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂品椒?br>
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，涉及一種用于數(shù)據(jù)收集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂品椒ǎm用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織、自修復(fù)。

【背景技術(shù)】
[0002]無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是指有大量無線傳感器節(jié)點(diǎn)籍由無線通信的方式組成的信息傳播網(wǎng)絡(luò)，在軍事、工業(yè)、交通、安全、醫(yī)療、家庭和辦公環(huán)境等眾多場(chǎng)合有著非常廣泛的應(yīng)用，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)收集是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要應(yīng)用之一。
[0003]無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)受于成本限制，導(dǎo)致其運(yùn)算能力低，通信帶寬??；加上無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍大而且數(shù)據(jù)要通過多跳傳輸?shù)竭_(dá)Sink節(jié)點(diǎn)，這些因素導(dǎo)致了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟豢煽啃?，進(jìn)一步導(dǎo)致了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在無法應(yīng)用于很多對(duì)可靠性要求較高的場(chǎng)合。
[0004]同時(shí)，由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般采用電池供電，使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量極大受限，為了延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命，首先要考慮的因素是提高能量效率，使節(jié)點(diǎn)在無需參與網(wǎng)絡(luò)工作或獲取傳感數(shù)據(jù)時(shí)盡量進(jìn)入睡眠狀態(tài)。同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)生存期間，節(jié)點(diǎn)會(huì)動(dòng)態(tài)的加入和離開網(wǎng)絡(luò)，因此還要求無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要具有良好自組織能力的可擴(kuò)展性。
[0005]我國(guó)發(fā)明專利CN200610152381.0中提出了一種Mesh拓?fù)涞臒o線傳感器網(wǎng)絡(luò)，但這種拓?fù)淇刂茩C(jī)制不能很好的支持局部數(shù)據(jù)融合、高效能耗管理。我國(guó)發(fā)明專利CN200910042861.5中使用了一種分簇的拓?fù)淇刂品椒ǎ谶@種分簇的拓?fù)淇刂品椒ㄖ?，如果簇頭節(jié)點(diǎn)和Sink節(jié)點(diǎn)的鏈路失效，將會(huì)直接導(dǎo)致這個(gè)簇內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)無法收到，網(wǎng)絡(luò)不夠可靠。我國(guó)發(fā)明專利CN200710038130.4中提出了一種雙重分簇頭的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式拓?fù)淇刂品椒?，能夠均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)，減少簇間沖突，但是，如果物理簇頭節(jié)點(diǎn)和Sink節(jié)點(diǎn)的鏈路失效，將會(huì)直接導(dǎo)致這個(gè)簇內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)無法收到，甚至?xí)?dǎo)致虛擬簇內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)無法收到，網(wǎng)絡(luò)可靠性沒有改善。因此當(dāng)前的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾矸椒o法很好得同時(shí)支持高可靠性、局部數(shù)據(jù)融合以及高效能耗管理。
[0006]為了提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中多跳傳輸?shù)目煽啃?，有效地控制能耗，并?shí)現(xiàn)良好的自組織能力和可擴(kuò)展性能，本發(fā)明提出了一種用于數(shù)據(jù)收集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂品椒?。采用此方法可以有效提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中多跳傳輸?shù)目煽啃裕瑢?shí)現(xiàn)良好的自組織能力和可擴(kuò)展性能，并能有效地均化負(fù)載、控制能耗，避免某些節(jié)點(diǎn)由于負(fù)載過重而能耗過大。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]技術(shù)問題:針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳統(tǒng)拓?fù)淇刂茻o法實(shí)現(xiàn)高效能耗管理，以及多跳傳輸可靠性低的特點(diǎn)，本發(fā)明提出一種用于數(shù)據(jù)收集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂品椒?。采用此方法可以有效提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中多跳傳輸?shù)目煽啃裕梢栽趯?shí)現(xiàn)良好的自組織能力和可擴(kuò)展性能的同時(shí)有效地控制能耗。
[0008]技術(shù)方案:一種用于數(shù)據(jù)收集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂品椒?，適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織、自修復(fù)，其特征在于:每個(gè)節(jié)點(diǎn)都嘗試尋找兩個(gè)節(jié)點(diǎn)作為其雙親節(jié)點(diǎn)，并交替利用這兩個(gè)雙親節(jié)點(diǎn)，向Sink節(jié)點(diǎn)匯報(bào)數(shù)據(jù)。
[0009]所有已經(jīng)加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，都會(huì)周期性廣播信標(biāo)信息。信標(biāo)信息中包含有建立路由所需要的信息。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自組織之初，網(wǎng)絡(luò)中只有一個(gè)SINK節(jié)點(diǎn)，普通節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽鄰居節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)信息。
[0010]至少一個(gè)超幀時(shí)間之后，節(jié)點(diǎn)(NA)將嘗試與最優(yōu)鄰居節(jié)點(diǎn)(NB)建立鏈路。如果NA與NB之間成功建立了鏈路，則表示NA加入了網(wǎng)絡(luò)，NB為其母節(jié)點(diǎn)。NA之后將周期性廣播信標(biāo)信息，允許其他節(jié)點(diǎn)加入，并通過NB節(jié)點(diǎn)向Sink節(jié)點(diǎn)匯報(bào)數(shù)據(jù)。此時(shí)如果NB是Sink節(jié)點(diǎn)，則NA將不再試圖尋找父節(jié)點(diǎn)。否則，NA將在嘗試與除NB之外的最優(yōu)的鄰居節(jié)點(diǎn)NC建立鏈路。如果NA與NC之間成功建立了鏈路，則表示NA已經(jīng)建立的雙親節(jié)點(diǎn)，NC為其父節(jié)點(diǎn)。NA交替通過母節(jié)點(diǎn)NB和父節(jié)點(diǎn)NC，向Sink節(jié)點(diǎn)匯報(bào)數(shù)據(jù)。其中，最優(yōu)鄰居節(jié)點(diǎn)和次優(yōu)鄰居節(jié)點(diǎn)的選擇方法是根據(jù)數(shù)據(jù)采集路由方法所確定的。
[0011]節(jié)點(diǎn)在工作過程中，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，保證最優(yōu)鄰居節(jié)點(diǎn)為母節(jié)點(diǎn)，次優(yōu)鄰居節(jié)點(diǎn)為父節(jié)點(diǎn)，但每個(gè)超幀時(shí)間最多只更新雙親節(jié)點(diǎn)中的一個(gè)，以保證自身處于連通狀態(tài)。
[0012]有益效果:一種用于數(shù)據(jù)收集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂品椒ǎ總€(gè)節(jié)點(diǎn)都嘗試尋找兩個(gè)節(jié)點(diǎn)作為其雙親節(jié)點(diǎn)，并交替利用這兩個(gè)雙親節(jié)點(diǎn)，向Sink節(jié)點(diǎn)匯報(bào)數(shù)據(jù)。這種方法避免了 Mesh拓?fù)涞臒o線傳感器網(wǎng)絡(luò)中無法很好得支持局部數(shù)據(jù)融合、高效能耗管理的缺陷；同時(shí)也避免了樹狀拓?fù)涞臒o線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于對(duì)主干網(wǎng)上節(jié)點(diǎn)過分依賴而造成的可靠性隱患。采用此方法可以有效提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中多跳傳輸?shù)目煽啃?，?shí)現(xiàn)良好的自組織能力和可擴(kuò)展性能，并能有效地均化負(fù)載、控制能耗，避免某些節(jié)點(diǎn)由于負(fù)載過重而能耗過大。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是采用本發(fā)明的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
[0014]Il-Sink節(jié)點(diǎn)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)匯集中心，發(fā)起網(wǎng)絡(luò)自組織；
[0015]12-普通節(jié)點(diǎn)，也簡(jiǎn)稱節(jié)點(diǎn)，向Sink節(jié)點(diǎn)匯報(bào)傳感數(shù)據(jù)，也轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點(diǎn)的傳感數(shù)據(jù)；
[0016]13-鏈路，數(shù)據(jù)匯報(bào)的通路，鏈路的箭頭方向?yàn)閿?shù)據(jù)的匯報(bào)方向。
[0017]圖2是本發(fā)明中節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)的流程圖:
[0018]21-監(jiān)聽信標(biāo)信息至少一個(gè)超幀時(shí)間，更新鄰居節(jié)點(diǎn)列表；
[0019]22-嘗試與最優(yōu)鄰居節(jié)點(diǎn)建立連接；
[0020]23-判斷是否成功與最優(yōu)鄰居節(jié)點(diǎn)建立連接；
[0021]24-將最優(yōu)鄰居節(jié)點(diǎn)作為母節(jié)點(diǎn)，向母節(jié)點(diǎn)匯報(bào)數(shù)據(jù)，并周期性發(fā)送信標(biāo)信息，允許其他節(jié)點(diǎn)接入；
[0022]25-判斷母節(jié)點(diǎn)是否是Sink節(jié)點(diǎn)；
[0023]26-判斷次優(yōu)鄰居節(jié)點(diǎn)是否比自身更優(yōu)；
[0024]27-嘗試與次優(yōu)鄰居節(jié)點(diǎn)建立連接；
[0025]28-判斷是否成功與次優(yōu)鄰居節(jié)點(diǎn)建立連接；
[0026]29-將次優(yōu)鄰居節(jié)點(diǎn)作為父節(jié)點(diǎn)，交替向母節(jié)點(diǎn)和父節(jié)點(diǎn)匯報(bào)數(shù)據(jù)。
[0027]30-節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)過程結(jié)束，開始拓?fù)渚S護(hù)狀態(tài)。
[0028]圖3是拓?fù)渚S護(hù)狀態(tài)時(shí)，節(jié)點(diǎn)更新雙親節(jié)點(diǎn)列表的流程圖:
[0029]31-判斷當(dāng)前最優(yōu)鄰居節(jié)點(diǎn)是否是母節(jié)點(diǎn)；
[0030]32-釋放與之前母節(jié)點(diǎn)的連接，將當(dāng)前最優(yōu)節(jié)點(diǎn)作為母節(jié)點(diǎn)；
[0031]33-判斷當(dāng)前次優(yōu)鄰居節(jié)點(diǎn)是否是父節(jié)點(diǎn)，且比自身更優(yōu)；
[0032]34-釋放與之前父節(jié)點(diǎn)的連接，將當(dāng)前次優(yōu)節(jié)點(diǎn)作為父節(jié)點(diǎn)；

【具體實(shí)施方式】
[0033]一種用于數(shù)據(jù)收集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂品椒?，適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織、自修復(fù)?；谶@種用于數(shù)據(jù)收集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂品椒ㄋ越M織的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)普通節(jié)點(diǎn)12，通過多跳的鏈路13，將數(shù)據(jù)最終匯報(bào)給Sink節(jié)點(diǎn)11。
[0034]以下實(shí)例是對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步說明，而不是限制發(fā)明的范圍。
[0035]在該發(fā)明中，所有節(jié)點(diǎn)都維護(hù)一個(gè)雙親節(jié)點(diǎn)列表和一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)列表，雙親節(jié)點(diǎn)列表中保存了母節(jié)點(diǎn)和父節(jié)點(diǎn)的路由信息和工作狀態(tài)，鄰居節(jié)點(diǎn)列表保存了所有鄰居節(jié)點(diǎn)的路由信息和工作狀態(tài)，在節(jié)點(diǎn)工作過程中，節(jié)點(diǎn)將維護(hù)雙親節(jié)點(diǎn)列表和鄰居節(jié)點(diǎn)列表。
[0036]所有已經(jīng)加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，都會(huì)周期性廣播信標(biāo)信息。信標(biāo)信息中包含有建立數(shù)據(jù)收集路由所需要的信息。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自組織之初，網(wǎng)絡(luò)中只有一個(gè)SINK節(jié)點(diǎn)。
[0037]基于本發(fā)明的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)NA加入網(wǎng)絡(luò)的過程如圖2所示，可以分為以下十個(gè)步驟:
[0038]一、監(jiān)聽信標(biāo)信息至少一個(gè)超幀時(shí)間，根據(jù)接收到的信標(biāo)信息更新鄰居節(jié)點(diǎn)列表21 ；
[0039]二、監(jiān)聽至少一個(gè)超幀時(shí)間后，NA根據(jù)鄰居節(jié)點(diǎn)列表中的信息，嘗試與最優(yōu)鄰居節(jié)點(diǎn)建立連接22(其中，最優(yōu)鄰居節(jié)點(diǎn)的選擇方法是根據(jù)數(shù)據(jù)采集路由方法所確定的)，具體方法為NA向最優(yōu)鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送接入請(qǐng)求，如果最有鄰居節(jié)點(diǎn)自身?xiàng)l件允許接入，則批準(zhǔn)NA接入請(qǐng)求,并反饋一個(gè)允許接入信息,表示成功接入；否則表示接入失敗；
[0040]三、判斷是否成功與最優(yōu)鄰居節(jié)點(diǎn)建立連接23，如果是，繼續(xù)第四步，如果否，跳回第一步；
[0041]四、NA將最優(yōu)鄰居節(jié)點(diǎn)NB作為母節(jié)點(diǎn)，向NB匯報(bào)數(shù)據(jù)，并周期性發(fā)送信標(biāo)信息，允許其他節(jié)點(diǎn)接入24,并更新雙親節(jié)點(diǎn)列表；
[0042]五、判斷母節(jié)點(diǎn)是否是Sink節(jié)點(diǎn)25 ;如果是，跳入第十步；如果否，繼續(xù)第六步；
[0043]六、依據(jù)是路由算法，判斷次優(yōu)鄰居節(jié)點(diǎn)是否比自身更優(yōu)26;如果是，繼續(xù)第七步；如果否，跳入第十步；
[0044]七、嘗試與次優(yōu)鄰居節(jié)點(diǎn)NC建立連接26 ；
[0045]八、判斷是否成功與次優(yōu)鄰居節(jié)點(diǎn)NC建立連接27 ;如果是，繼續(xù)第八步，如果否，跳回第六步；
[0046]九、將次優(yōu)鄰居節(jié)點(diǎn)NC作為父節(jié)點(diǎn)，交替向母節(jié)點(diǎn)NB和父節(jié)點(diǎn)NC匯報(bào)數(shù)據(jù)。
[0047]十、節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)過程結(jié)束，開始拓?fù)渚S護(hù)狀態(tài)30。
[0048]在以上自組織過程中，從第四步開始，NA可以允許其他節(jié)點(diǎn)接入，即NA允許其他節(jié)點(diǎn)將其作為母節(jié)點(diǎn)或父節(jié)點(diǎn)。
[0049]在拓?fù)渚S護(hù)狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)周期性更新雙親節(jié)點(diǎn)列表和鄰居節(jié)點(diǎn)列表，保證最優(yōu)鄰居節(jié)點(diǎn)為母節(jié)點(diǎn)，次優(yōu)鄰居節(jié)點(diǎn)為父節(jié)點(diǎn)。
[0050]節(jié)點(diǎn)的工作流程如圖3所示，可以分為一下幾個(gè)步驟:
[0051]一、監(jiān)聽信標(biāo)信息至少一個(gè)超幀時(shí)間，根據(jù)接收到的信標(biāo)信息更新鄰居節(jié)點(diǎn)列表21 ；
[0052]二、判斷當(dāng)前最優(yōu)鄰居節(jié)點(diǎn)是否是母節(jié)點(diǎn)31，如果是，跳轉(zhuǎn)到第六步，如果否，繼續(xù)第二步;
[0053]三、嘗試與最優(yōu)鄰居節(jié)點(diǎn)建立連接22 ；
[0054]四、判斷是否成功與最優(yōu)鄰居節(jié)點(diǎn)建立連接23，如果是，繼續(xù)第五步，如果否，跳回第一步；
[0055]五、釋放與之前母節(jié)點(diǎn)的連接，將新的最優(yōu)節(jié)點(diǎn)作為母節(jié)點(diǎn)，跳回第一步；
[0056]六、判斷當(dāng)前次優(yōu)鄰居節(jié)點(diǎn)是否是父節(jié)點(diǎn)，且比自身更優(yōu)；如果是，跳回第一步；如果否，繼續(xù)第七步；
[0057]七、嘗試與次優(yōu)鄰居節(jié)點(diǎn)NC建立連接26 ；
[0058]八、判斷是否成功與次優(yōu)鄰居節(jié)點(diǎn)建立連接27 ;如果是，繼續(xù)第八步，如果否，跳回第一步；
[0059]九、釋放與之前父節(jié)點(diǎn)的連接，將新的次優(yōu)鄰居節(jié)點(diǎn)作為父節(jié)點(diǎn)，跳回第一步；
[0060]此外，如果當(dāng)前節(jié)點(diǎn)與子節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間沒有通信，節(jié)點(diǎn)將釋放與相應(yīng)子節(jié)點(diǎn)的連接。
【權(quán)利要求】
1.一種用于數(shù)據(jù)收集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂品椒?，其特征?無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在自組織、自修復(fù)的過程中采用了用于數(shù)據(jù)收集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂品椒ā?br> 2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于數(shù)據(jù)收集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂品椒?，其特征還在于:每個(gè)節(jié)點(diǎn)都嘗試尋找兩個(gè)節(jié)點(diǎn)作為其雙親節(jié)點(diǎn)，并交替利用這兩個(gè)雙親節(jié)點(diǎn)，向Sink節(jié)點(diǎn)匯報(bào)數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于數(shù)據(jù)收集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂品椒ǎ涮卣鬟€在于:每個(gè)節(jié)點(diǎn)在工作過程中，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，保證最優(yōu)鄰居節(jié)點(diǎn)為母節(jié)點(diǎn)，次優(yōu)鄰居節(jié)點(diǎn)為父節(jié)點(diǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于數(shù)據(jù)收集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂品椒ǎ涮卣鬟€在于:節(jié)點(diǎn)每個(gè)超幀時(shí)間最多更新雙親節(jié)點(diǎn)中的一個(gè)，保證自身處于連通狀態(tài)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4、所述的用于數(shù)據(jù)收集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂品椒?，其特征還在于:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在自組織、自修復(fù)的過程中，采用此用于數(shù)據(jù)收集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂品椒ā?br> 【文檔編號(hào)】H04W40/24GK104053209SQ201310078715
【公開日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2013年3月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月13日
【發(fā)明者】易衛(wèi)東 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院大學(xué)