一種射頻能量捕獲無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)收集方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及在能量捕獲無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中， 結(jié)合網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的剩余能量和節(jié)點捕獲能量能力狀況，分步地對傳感器節(jié)點中的數(shù)據(jù)逐層 采集到匯聚節(jié)點的實現(xiàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks,WSN)是當(dāng)前在國際上備受關(guān)注的、 設(shè)及多學(xué)科高度交叉、知識高度集成的前沿?zé)狳c研究領(lǐng)域，被認(rèn)為是對21世紀(jì)產(chǎn)生巨大影 響力的技術(shù)之一。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究，主要認(rèn)為傳感器節(jié)點由一些輕便和有限的能源 供電，例如電池。一旦傳感器節(jié)點的能量耗盡，它就不能繼續(xù)執(zhí)行自己的任務(wù)直到重新部署 或更換電池。即使通過各種算法和協(xié)議去優(yōu)化，節(jié)點的生命周期也非常的短，運嚴(yán)重的限制 了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。
[0003] 能量捕獲傳感器網(wǎng)絡(luò)化nergy 化rvesting Wireless Sensor 化twork，邸-WSN) 的傳感器節(jié)點帶有捕獲環(huán)境能量的裝置，能夠捕獲環(huán)境中的能量(如無線電波，太陽能，風(fēng) 能，動能等)來維持設(shè)備的運行。運樣的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用也非常廣泛，如在農(nóng)業(yè)中部 署在戶外用來監(jiān)測各種環(huán)境數(shù)據(jù)（比如溫度，濕度等）。具有能量捕獲的傳感器節(jié)點的能量 捕獲能力也是非常有限的，因此在需要收集節(jié)點數(shù)據(jù)時我們也需要避免某些節(jié)點因為處理 數(shù)據(jù)量過大而能量耗盡。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服現(xiàn)有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無法平衡網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的剩余能量、網(wǎng)絡(luò)生命周期 較短的不足，本發(fā)明提供一種應(yīng)用于射頻能量捕獲無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，能充分平衡網(wǎng)絡(luò)中節(jié) 點的剩余能量，延長網(wǎng)絡(luò)生命周期的數(shù)據(jù)收集方法。
[0005] 本發(fā)明提供的技術(shù)方案為：
[0006] -種基于射頻能量捕獲無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)收集方法，通過發(fā)送"跳"命令實現(xiàn) 節(jié)點數(shù)據(jù)的分步收集，包括W下步驟：
[0007] 步驟1，數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點向網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點發(fā)送第P次"跳"命令，初始層Ip中未發(fā)送數(shù) 據(jù)的傳感器節(jié)點向第Ip-I層的節(jié)點發(fā)送各自的數(shù)據(jù)；
[000引步驟2,在第Ip-I層中選擇最佳的傳感器節(jié)點來轉(zhuǎn)發(fā)上一層發(fā)來的數(shù)據(jù)，被選中的 傳感器節(jié)點獲得了發(fā)送時隙，同層的其它節(jié)點則丟棄得到的數(shù)據(jù)；
[0009]步驟3,獲得發(fā)送時隙的節(jié)點將接收到的來自第Ip層的數(shù)據(jù)和自身的數(shù)據(jù)發(fā)送給 第Ip-2層的傳感器節(jié)點，同理第Ip-2層中最佳的傳感器節(jié)點獲得發(fā)送時隙，同層的其它的節(jié) 點丟棄得到的數(shù)據(jù)，W此類推直到數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點；
[0010]。跳"命令執(zhí)行的次數(shù)為t:
[0012] N為根據(jù)傳感器節(jié)點到匯聚節(jié)點的距離，對網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點進(jìn)行分層而得到的網(wǎng)絡(luò)總 層數(shù)，k為層號，其中每層的節(jié)點數(shù)為iik，ak為1表示第k層節(jié)點需要一個"跳"命令來收集數(shù) 據(jù)，祉為〇表示在執(zhí)行前面的"跳"命令時第4層節(jié)點的數(shù)據(jù)已經(jīng)全部傳遞到匯聚節(jié)點， ak滿足如下條件：
[0014] 第P次"跳"命令的初始層為Ip :
[0015] Ip = p+Dp
[0016] 化的取值如下：
[0017] Dp=I 0,娜=1 '(；.玉+斯+:1，鮮:=々
[0018] 每一次的"跳"命令保證了初始層的傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)都已經(jīng)發(fā)送到了匯聚節(jié) 點。同時匯聚節(jié)點會將已經(jīng)收集過數(shù)據(jù)的節(jié)點的MAC地址加入到命令的確認(rèn)列表中。
[0019] 進(jìn)一步，所述步驟2的最佳傳遞節(jié)點的選擇，包括W下步驟：
[0020] 步驟2.1，初始層中未向匯聚節(jié)點發(fā)送過數(shù)據(jù)的節(jié)點向下一層的節(jié)點廣播自身采 集的數(shù)據(jù)；
[0021] 步驟2.2,下一層未傳遞過數(shù)據(jù)的節(jié)點在收到由上層節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)后，采用類似 于802.11的MAC層協(xié)議中的分布式協(xié)調(diào)功能來決定傳遞節(jié)點，每一個收到數(shù)據(jù)的節(jié)點在發(fā) 送數(shù)據(jù)前都要等待一段DIFS時間，然后再等待一個隨機產(chǎn)生的延遲發(fā)送時間，而本方法的 不同之處在于每個節(jié)點的延遲發(fā)送時間不再是隨機產(chǎn)生，而是由節(jié)點的剩余能量所決定， 節(jié)點的剩余能量越大，延遲發(fā)送的時間越短；
[0022] 步驟2.3,同層的其他節(jié)點在準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)已有節(jié)點獲得發(fā)送時隙，則丟棄 收到的數(shù)據(jù)包；
[0023] 再進(jìn)一步，所述步驟2.2中，當(dāng)前節(jié)點的剩余能量為節(jié)點初始能量加上發(fā)送數(shù)據(jù)時 能夠捕獲的能量再減去發(fā)送數(shù)據(jù)到下一層節(jié)點所消耗的能量。
[0024] 本發(fā)明考慮EH-WSN下的如下場景:匯聚節(jié)點能量供給充足穩(wěn)定，它發(fā)射的電磁能 可W被網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點捕獲。運些節(jié)點通過單跳或多跳的方式將感知到的數(shù)據(jù)匯聚到匯聚 節(jié)點。匯聚節(jié)點在收集數(shù)據(jù)的過程中如何保證網(wǎng)絡(luò)有更長的生命周期和較小的數(shù)據(jù)重復(fù)傳 輸是很有必要的。
[0025] 本發(fā)明的技術(shù)特點及效果：該方案綜合考慮了節(jié)點初始能量、捕獲的能量W及發(fā) 送數(shù)據(jù)量的大小對節(jié)點能量消耗的影響，選擇了最佳的數(shù)據(jù)傳遞節(jié)點。同時W分步的方式 分散了節(jié)點的負(fù)載，平衡了網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的剩余能量分布。
【附圖說明】
[0026] 圖1為本發(fā)明所采用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。
[0027] 圖2為MAC層協(xié)議示意圖。
[0028] 圖3為說明本發(fā)明所選用的具體網(wǎng)絡(luò)的示意圖
【具體實施方式】
[0029] 下面結(jié)合附圖對發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0030] 參照圖1~圖3,一種基于射頻能量捕獲無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)收集方法，本發(fā)明 的實現(xiàn)設(shè)及的是具有射頻能量捕獲的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，整個網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。匯聚節(jié) 點能夠向網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點發(fā)送射頻能量，能夠發(fā)送信標(biāo)信號同步節(jié)點的時鐘和發(fā)送特 定的命令讓網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點執(zhí)行任務(wù)。匯聚節(jié)點連接有源能量源，即匯聚節(jié)點的能量 是穩(wěn)定且持久不變的。匯聚節(jié)點能夠直接地傳遞射頻能量和發(fā)送命令給網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié) 點。由于無線傳感器自身能量的限制，傳感器節(jié)點的通信范圍有限，網(wǎng)絡(luò)中的無線傳感器節(jié) 點只能與相鄰的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)和通信。因此，需要根據(jù)傳感器節(jié)點與匯聚節(jié)點的距離對網(wǎng) 絡(luò)中的傳感器節(jié)點進(jìn)行分層，離匯聚節(jié)點較遠(yuǎn)的無線傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)需要W多跳的方式 通過離匯聚節(jié)點更近的無線傳感器節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)到匯聚節(jié)點。
[0031] 本發(fā)明的基于射頻能量捕獲無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)收集方法，通過發(fā)送"跳"命令 實現(xiàn)節(jié)點數(shù)據(jù)的分步收集，具體包括W下步驟：
[0032] 步驟1，數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點向網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點發(fā)送第P次"跳"命令，初始層Ip中未發(fā)送數(shù) 據(jù)的傳感器節(jié)點向第Ip-I層的節(jié)點發(fā)送各自的數(shù)據(jù)；
[0033] 步驟2,初始層Ip中未向匯聚節(jié)點發(fā)送過數(shù)據(jù)的節(jié)點向下一層的節(jié)點廣播自身采 集的數(shù)據(jù)，在第Ip-I層中未傳遞過數(shù)據(jù)的節(jié)點在收到由上層節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)后，采用類似 于802.11的MAC層協(xié)議中的分布式協(xié)調(diào)功能來決定傳遞節(jié)點，整個過程如圖2所示。每一個 收到數(shù)據(jù)的節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)前都要等待一段DIFS時間，然后再等待一個隨機產(chǎn)生的延遲發(fā) 送時間!wait,而本方法的不同之處在于每個節(jié)點的延遲發(fā)送時間不再是隨機產(chǎn)生，而是由 節(jié)點的剩余能量所決定，節(jié)點的剩余能量為節(jié)點初始能量加上發(fā)送數(shù)據(jù)時能夠捕獲的能量 再減去發(fā)送數(shù)據(jù)到下一層節(jié)點所消耗的能量，節(jié)點的剩余能量越大，延遲發(fā)送的時間越短。 當(dāng)節(jié)點得到發(fā)送時隙，首先發(fā)送一個RTS信號，接收節(jié)點收