本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能量監(jiān)測方法，特別涉及基于數(shù)據(jù)溯源的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能量監(jiān)測方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wirelesssensornetworks,wsn)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，具有數(shù)據(jù)采集、通信、存儲和處理能力的傳感器節(jié)點構(gòu)成的自組織通信系統(tǒng)，其中，每一個傳感器為網(wǎng)絡(luò)的一個節(jié)點，用于環(huán)境感知，并將感知的數(shù)據(jù)以多跳方式傳輸?shù)交?。由于無線傳感器節(jié)點能量有限，因而能量消耗問題是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的核心問題。

傳感器節(jié)點通常由傳感模塊、處理器模塊、存儲模塊、通信模塊、電源模塊和嵌入式軟件等組成，其中消耗能量的模塊主要為傳感模塊、處理器模塊和通信模塊。根據(jù)estrind.tutorial“wirelesssensornetworks”partiv:sensornetworkprotocols.mobicom.theeightannualinternationalconferenceonmobilecomputingandnetworkingatlanta.georgia,usa:acm.2002:140-147.中給出的傳感器節(jié)點能耗模型，傳感器節(jié)點各模塊中通信模塊消耗了絕大多數(shù)的能量，而傳感模塊和處理器模塊消耗的能量很少；通信模塊中，發(fā)送狀態(tài)(tx)下節(jié)點耗能最多，接收狀態(tài)(rx)和空閑狀態(tài)(idle)的耗能相當(dāng)且略低于發(fā)送狀態(tài)，睡眠狀態(tài)(sleep)下節(jié)點的耗能則遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于接收狀態(tài)(rx)和空閑狀態(tài)(idle)。隨著wsn技術(shù)的進(jìn)步，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠快速完成節(jié)點工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，使節(jié)點在工作狀態(tài)(發(fā)送和接收)結(jié)束后快速地進(jìn)入睡眠狀態(tài)，最大程度地降低空閑狀態(tài)下的能量消耗，使節(jié)點的非工作耗能達(dá)到最小化。因此，現(xiàn)有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量模型的研究主要集中于發(fā)送和接收狀態(tài)下節(jié)點的能量消耗。

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)以多跳方式傳至基站。在一次數(shù)據(jù)傳輸過程中，除源發(fā)送節(jié)點外，所有轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點均完成一次數(shù)據(jù)接收和一次數(shù)據(jù)發(fā)送，而這類數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)所消耗的能量占節(jié)點耗能的主要部分。因此，節(jié)點參與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的頻次可作為評估其能量消耗情況的主要依據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送和轉(zhuǎn)發(fā)頻次越高的節(jié)點，能量消耗越大。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)溯源是對數(shù)據(jù)包從源發(fā)送節(jié)點經(jīng)多個轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點最終傳至基站的傳輸過程的記錄、追溯與展示，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，為保證數(shù)據(jù)包的可溯源性，在數(shù)據(jù)包傳輸過程中，需記錄中途轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的相關(guān)信息，以便在基站根據(jù)這些信息追溯數(shù)據(jù)包的傳輸過程，這些信息稱為溯源信息。由于根據(jù)溯源信息可追溯數(shù)據(jù)包在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳輸過程，因而數(shù)據(jù)溯源提供了統(tǒng)計各傳感器節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)頻次的重要途徑，本發(fā)明正是根據(jù)這種統(tǒng)計結(jié)果，來評估無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點能耗。

目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)溯源技術(shù)已有很多研究成果，但利用溯源結(jié)果來監(jiān)測傳感器節(jié)點的能耗情況尚未發(fā)現(xiàn)相關(guān)的研究。因此，本發(fā)明不僅提供了一種評估和監(jiān)測傳感器節(jié)點的能耗的簡單有效的新方法，還為基于wsn數(shù)據(jù)溯源的應(yīng)用技術(shù)研究開辟了新途徑。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所述基于數(shù)據(jù)溯源的wsn節(jié)點能量監(jiān)測方法及系統(tǒng)，是指基站采用數(shù)據(jù)溯源技術(shù)，對所接收的數(shù)據(jù)包進(jìn)行溯源，根據(jù)溯源結(jié)果來評估和監(jiān)測所轄區(qū)域內(nèi)各傳感器節(jié)點的能耗；

所述數(shù)據(jù)溯源技術(shù)，是指基站根據(jù)溯源信息獲得數(shù)據(jù)包傳輸過程的方法，例如：(1)文獻(xiàn)captra:coordinatedpackettraceback(《proceedingsofthe5thinternationalconferenceoninformationprocessinginsensornetworks》,acm,2006:152-159.)提出的captra數(shù)據(jù)溯源方法，此方法將溯源信息記入途徑轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，使用分布在每個傳感器節(jié)點內(nèi)的布隆過濾器來記錄數(shù)據(jù)包摘要；基站通過監(jiān)聽傳感器節(jié)點中存儲的摘要信息來確定參與數(shù)據(jù)包傳輸?shù)母鬓D(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。(2)發(fā)明人在基于偽隨機序列的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)溯源方法.中國發(fā)明專利，申請?zhí)枺?01510646810.9中提出的基于偽隨機序列的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)溯源方法，該方法為每個節(jié)點分配一個唯一且互為正交的標(biāo)識序列，各傳感器節(jié)點在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)之前，將自己的標(biāo)識序列與數(shù)據(jù)包中的溯源信息進(jìn)行疊加，而基站則利用標(biāo)識序列的正交性，從數(shù)據(jù)包的疊加編碼中分離出參與數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的所有傳感器節(jié)點信息；

所述節(jié)點能量監(jiān)測，是指對基站所轄區(qū)域內(nèi)所有傳感器節(jié)點設(shè)置節(jié)點能耗記錄表，用于記錄各節(jié)點的當(dāng)前能量值；當(dāng)收到數(shù)據(jù)包時，按照所述數(shù)據(jù)溯源階段得到參與該數(shù)據(jù)包傳輸?shù)膫鞲衅鞴?jié)點集合，將集合中各傳感器節(jié)點的當(dāng)前能量值減去一個單跳轉(zhuǎn)發(fā)能耗值，并將剩余能量值存入該節(jié)點的能耗記錄表；通過能耗記錄表對各節(jié)點的剩余能量進(jìn)行監(jiān)測。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

基于數(shù)據(jù)溯源的wsn節(jié)點能量監(jiān)測方法，分為以下步驟：

步驟(1)：對基站所轄區(qū)域內(nèi)各傳感器節(jié)點的能量進(jìn)行初始化；

步驟(2)：基站每收到一個數(shù)據(jù)包，對該數(shù)據(jù)包進(jìn)行溯源，得到參與該數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的傳感器節(jié)點集合，對所得集合中所有節(jié)點的能量進(jìn)行評估，并對剩余能量低于臨界值的節(jié)點觸發(fā)低能量提示。

所述步驟(1)之前的步驟為：

設(shè)n＝{node1,node2,…,nodem}為基站所轄區(qū)域內(nèi)所有傳感器節(jié)點的集合，m為節(jié)點數(shù)量。對任意noder∈n，測量該節(jié)點的能量滿值，記為er；測量該節(jié)點的單跳轉(zhuǎn)發(fā)能耗值，記為er；設(shè)置該節(jié)點的最低能量臨界值，記為ur；

基站對其所轄區(qū)域內(nèi)所有節(jié)點設(shè)置能耗記錄表，對任意noder∈n，其能耗記錄表包括：節(jié)點地址ar、節(jié)點標(biāo)識vr和剩余能量yr。

所述步驟(1)的步驟為：

對任意noder∈n，將其地址、標(biāo)識和當(dāng)前能量值寫入其能耗記錄表中的ar、vr和yr等表項；若noder為新節(jié)點，將其剩余能量yr初始化為能量滿值er，即：yr←er，其中，“←”表示賦值；例如：yr←er表示將yr賦值為er。

所述步驟(2)的步驟為：

步驟(2.1)：對接收的數(shù)據(jù)包進(jìn)行溯源；

設(shè)d為基站接收的當(dāng)前數(shù)據(jù)包，通過數(shù)據(jù)溯源，得到該數(shù)據(jù)包在傳輸過程中所經(jīng)過的節(jié)點集合r(d)＝{nd,1,nd,2,…,nd,t}，nd,k∈n，k＝1,2,…,t，t為數(shù)據(jù)包d在傳輸過程中所經(jīng)過的節(jié)點數(shù)量，nd,1為d的源發(fā)送節(jié)點，nd,k表示數(shù)據(jù)包d的傳輸路徑上的第k個傳感器節(jié)點。

步驟(2.2)：根據(jù)溯源結(jié)果評估節(jié)點能耗；

對任意nodek∈r(d)，更新nodek能耗記錄表中的剩余能量yk，將yk設(shè)置為yk減去一個單跳轉(zhuǎn)發(fā)能耗值ek，即：yk←(yk-ek)；

步驟(2.3)：當(dāng)yk<uk時，觸發(fā)低能量提示。

基于數(shù)據(jù)溯源的wsn節(jié)點能量監(jiān)測系統(tǒng)，包括：數(shù)據(jù)溯源模塊和節(jié)點能耗監(jiān)測模塊；

所述數(shù)據(jù)溯源模塊：用于實現(xiàn)對數(shù)據(jù)包傳輸過程的溯源，生成參與該數(shù)據(jù)包傳輸?shù)霓D(zhuǎn)發(fā)節(jié)點集合；

所述節(jié)點能耗監(jiān)測模塊：用于對基站所轄區(qū)域內(nèi)所有傳感器節(jié)點，設(shè)置節(jié)點能耗記錄表，記錄各節(jié)點的當(dāng)前能量值；根據(jù)數(shù)據(jù)溯源模塊所得到的參與當(dāng)前數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的傳感器節(jié)點集合，將集合中各傳感器節(jié)點的當(dāng)前能量值減去一個單跳轉(zhuǎn)發(fā)能耗值，并將剩余能量值存入該節(jié)點的能耗記錄表；對各節(jié)點的能耗記錄表中的剩余能量值進(jìn)行實時監(jiān)測。

所述數(shù)據(jù)包傳輸過程的溯源方法，可采用已有wsn數(shù)據(jù)溯源方法，例如：文獻(xiàn)captra:coordinatedpackettraceback(《proceedingsofthe5thinternationalconferenceoninformationprocessinginsensornetworks.acm,2006:152-159.)提出的captra數(shù)據(jù)溯源方法，或者基于偽隨機序列的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)溯源方法(中國發(fā)明專利，申請?zhí)枺?01510646810)等。本發(fā)明的創(chuàng)新性

本發(fā)明將數(shù)據(jù)溯源技術(shù)與傳感器節(jié)點能耗監(jiān)測問題相結(jié)合，給出一種根據(jù)數(shù)據(jù)溯源結(jié)果監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能耗的新方法。其中，數(shù)據(jù)溯源在本發(fā)明中的作用是獲取傳感器節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的頻次，根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的頻次，實現(xiàn)對傳感器節(jié)點能耗的評估與監(jiān)測。

本發(fā)明的有益效果

1.本發(fā)明所述方法實現(xiàn)了對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點能耗情況的在線、實時、直觀監(jiān)測，其監(jiān)測結(jié)果可作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)管控，延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用時間，以及選取基站位置的重要依據(jù)。

2.本發(fā)明提供了利用數(shù)據(jù)溯源結(jié)果實現(xiàn)傳感器節(jié)點能耗監(jiān)測的有效方法，該方法對傳感器節(jié)點資源的占用很小，且設(shè)計巧妙，實現(xiàn)簡單。

3.本發(fā)明為基于能量分布的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)提供了新的研究途徑。

附圖說明

圖1為本發(fā)明傳感器節(jié)點能耗監(jiān)測流程圖。

圖2為本發(fā)明所述方法工作過程示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

如圖1所示，基站收到數(shù)據(jù)包后，對該數(shù)據(jù)包進(jìn)行溯源，得到參與數(shù)據(jù)包傳輸?shù)穆酚晒?jié)點集合；該集合中的所有節(jié)點均完成了一次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)操作(源節(jié)點由于需要完成數(shù)據(jù)包封裝等操作，與路由節(jié)點能耗近似相當(dāng))，因而各消耗了一個單跳轉(zhuǎn)發(fā)能量單位，因此，將集合中各節(jié)點的能耗記錄表中剩余能量數(shù)值分別減去一個單跳轉(zhuǎn)發(fā)能耗；基站按此方式對所轄區(qū)域內(nèi)所有傳感器節(jié)點的能耗進(jìn)行評估和監(jiān)測，并對剩余能量低于臨界值的節(jié)點觸發(fā)低能量提示。

如圖2所示，數(shù)據(jù)包自源發(fā)送節(jié)點a發(fā)出，路經(jīng)路由節(jié)點x、y、z，到達(dá)基站后，經(jīng)數(shù)據(jù)溯源得到參與該數(shù)據(jù)包傳輸?shù)墓?jié)點集合c＝{a,x,y,z}；根據(jù)集合c，對節(jié)點a、x、y和z的能耗進(jìn)行評估，將其剩余能量ya、yx、yy、yz分別減去一次單跳轉(zhuǎn)發(fā)能耗。

上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進(jìn)行了描述，但并非對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。