无线传感器网络节点能效优化激活方法与系统

摘要

本发明无线传感器网络节点能效优化激活方法与系统，区分无线传感器网络节点中的网关节点和传感器节点，选定网关节点为簇头，根据最近距离原则将传感器节点与网关节点组成成簇，计算簇内传感器节点剩余寿命和当前所需传输数据量，再根据这两者数据计算所需激活时间占空比，根据所需激活时间占空比激活传感器节点。整个过程中，由簇内传感器节点发送剩余寿命与所需传输的业务量参数至网关节点，由网关节点综合簇内节点能量与流量情况，计算出每个节点的激活时间占空比。这种方法计算简便，执行简单，节点的激活时间占空比会随着网络负载与剩余寿命呈现一定的波动，能自适应网络的变化情况，提高节点的节能效率和整个网络的生存时间。

说明书

技术领域

本发明涉及无线网络技术领域，特别是涉及无线传感器网络节点能效优化 激活方法与系统。

背景技术

无线传感器网络凭借其自身的技术特点，可以被广泛地应用于各种领域， 当无线传感器网络应用于诸如：智能电网、河流桥梁监控、铁路监控等场景时 网络部署通常呈带状或者线状形式。由于传统的无线传感器采用电池供电，能 量有限，不适合网络的长期运行，因此近来提出了采用太阳能、风能等可再生 能源为基础的可充电蓄电池为传感器网络的各个节点进行供电的方法。带状或 线状传感器网络一般由无线传感器节点与网关节点组成。

最大限度地节省能量是无线传感器网络的一般设计原则，采用睡眠和激活 交替的工作方式可以通过处于睡眠状态时节点低能耗运行来提高节点的能效， 最大限度地降低系统的能耗。

目前的一些调整节点激活时间占空比的方法，如采用固定激活时间占空比 算法是将占空比固定，然而网络流量与节点能量都是动态变化的，因此固定占 空比的方式使得节点节能效率较低，无法最大限度节省无线传感器网络的能量。

发明内容

基于此，有必要针对目前无线网络调整节点激活方法的节点节能效率较低， 无法最大限度节省无线传感器网络能量的问题，提供一种节点节能效率高的无 线传感器网络节点能效优化激活方法与系统。

一种无线传感器网络节点能效优化激活方法，包括步骤：

遍历无线传感器网络节点，查找无线传感器网络节点中的网关节点，其中， 所述无线传感器网络节点包括网关节点和传感器节点；

选定所述网关节点为簇头，将所述簇头周围的传感器节点根据最近距离原 则与所述簇头组合成簇；

计算簇内的传感器节点自身剩余寿命；

计算簇内的传感器节点当前所需传输数据量；

根据传感器节点的自身剩余寿命和当前所需传输数据量，计算各个传感器 节点所需激活时间占空比；

根据各个传感器节点所需激活时间占空比，激活各个传感器节点。

一种无线传感器网络节点能效优化激活系统，包括：

网关节点查找模块，用于遍历无线传感器网络节点，查找无线传感器网络 节点中的网关节点，其中，所述无线传感器网络节点包括网关节点和传感器节 点；

簇组合模块，用于选定所述网关节点为簇头，将所述簇头周围的传感器节 点根据最近距离原则与所述簇头组合成簇；

剩余寿命计算模块，用于计算簇内的传感器节点自身剩余寿命；

传输数据量计算模块，用于计算簇内的传感器节点当前所需传输数据量；

时间占空比计算模块，用于根据传感器节点的自身剩余寿命和当前所需传 输数据量，计算各个传感器节点所需激活时间占空比；

激活模块，用于根据各个传感器节点所需激活时间占空比，激活各个传感 器节点。

本发明无线传感器网络节点能效优化激活方法与系统，区分无线传感器网 络节点中的网关节点和传感器节点，选定网关节点为簇头，根据最近距离原则 将传感器节点与网关节点组成成簇，计算簇内传感器节点剩余寿命和当前所需 传输数据量，再根据这两者数据计算所需激活时间占空比，根据所需激活时间 占空比激活传感器节点。整个过程中，由簇内传感器节点发送剩余寿命与所需 传输的业务量参数至网关节点，由网关节点综合簇内节点能量与流量情况，计 算出每个节点的激活时间占空比。这种方法计算简便，执行简单，节点的激活 时间占空比会随着网络负载与剩余寿命呈现一定的波动，能自适应网络的变化 情况，提高节点的节能效率和整个网络的生存时间。

附图说明

图1为本发明无线传感器网络节点能效优化激活方法第一个实施例的流程 示意图；

图2为本发明无线传感器网络节点能效优化激活方法第二个实施例的流程 示意图；

图3为本发明无线传感器网络节点能效优化激活系统第一个实施例的结构 示意图；

图4为本发明无线传感器网络节点能效优化激活系统第二个实施例的结构 示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图及实 施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅仅 用以解释本发明，并不限定本发明。

为了便于解释说明本发明无线传感器网络节点能效优化激活方法与系统技 术方案及其带来的有益效果。在下述实施例中，假定网络由无线传感器节点与 网关节点组成，无线传感器采用太阳能供电，网关节点采用市电供电。无线传 感器节点具备检测自己当前剩余寿命的能力，具有一定的最大传输半径。网关 节点因为采用市电，因此有充足的能量供应。无线传感器节点采集的数据通过 簇内传感器节点中继沿线状或带状结构网络向网关节点传送，传输方式为逐跳 传输。

如图1所示，一种无线传感器网络节点能效优化激活方法，包括步骤：

S100：遍历无线传感器网络节点，查找无线传感器网络节点中的网关节点， 其中，所述无线传感器网络节点包括网关节点和传感器节点。

无线传感器网络节点包括网关节点和传感器节点，在这里，首先遍历无线 传感器所有的网络节点，区分出其中网关节点和传感器节点，之后挑选出网关 节点。

S200：选定所述网关节点为簇头，将所述簇头周围的传感器节点根据最近 距离原则与所述簇头组合成簇。

网络中形成以网关节点为簇头，附近节点根据与网关节点就近距离组合的 原则形成簇，成簇算法可以预先设定或由控制中心根据网络状况动态修改。

S300：计算簇内的传感器节点自身剩余寿命。

簇内的每个传感器节点定期或不定期地计算本节点的剩余寿命。

S400：计算簇内的传感器节点当前所需传输数据量。

簇内的每个传感器节点定期或不定期地计算当前所需传输数据量大小。

S500：根据传感器节点的自身剩余寿命和当前所需传输数据量，计算各个 传感器节点所需激活时间占空比。

为了详细解释该步骤，下面将采用实例详细说明该步骤采用的技术方案和 理论依据。

簇头节点接收到各个节点的寿命预测为life_i(i＝1,2,...,n)与各个节点的突发流 量为簇头节点计算每个无线传感器节点的当前所需传输数据 量，以及两侧节点的最小寿命值life_min＝min{life_i}。

簇头节点根据节点的总流量与寿命计算簇内节点激活时间占空比的算法为：

先考虑位于网关节点一侧的无线传感器节点，如果即最小的节 点能量大于门限值，说明整体节点能量充足。簇头节点根据节点i的总流量计 算当前T时间内节点的占空比与成正比关系。如果占空比则限定占空比如果占空比则限定占空比

如果说明整体网络中有节点的能量不足。因此当 即节点流量增大，由于此时网络中有节点能量不足，若是增大 占空比则会导致节点能量快速耗尽，因此此时节点激活时间占空比保持不变。 当说明节点业务流量减少，则簇头节点根据节点i的总流量计算当前T时间内节点的占空比与成正比关系。如果占空比 则限定占空比

S600：根据各个传感器节点所需激活时间占空比，激活各个传感器节点。

簇头将各个传感器节点所需激活时间占空比发送到相应的传感器节点，传 感器节点根据这个所需激活时间占空比完成自身的激活。

本发明无线传感器网络节点能效优化激活方法，区分无线传感器网络节点 中的网关节点和传感器节点，选定网关节点为簇头，根据最近距离原则将传感 器节点与网关节点组成成簇，计算簇内传感器节点剩余寿命和当前所需传输数 据量，再根据这两者数据计算所需激活时间占空比，根据所需激活时间占空比 激活传感器节点。整个过程中，由簇内传感器节点发送剩余寿命与所需传输的 业务量参数至网关节点，由网关节点综合簇内节点能量与流量情况，计算出每 个节点的激活时间占空比。这种方法计算简便，执行简单，节点的激活时间占 空比会随着网络负载与剩余寿命呈现一定的波动，能自适应网络的变化情况， 提高节点的节能效率和整个网络的生存时间。

如图2所示，在其中一个实施例中，步骤S300具体包括步骤：

S320：建立传感器节点太阳能充放电模型和风能充放电模型。

根据实际情况建立起传感器节点太阳能充放电模型和风能充放电模型。

S340：根据所述传感器节点太阳能充放电模型和风能充放电模型，计算簇 内的传感器节点自身剩余寿命。

根据建立的传感器节点太阳能充放电模型和风能充放电模型，采用线性或 者非线性方法，计算簇内的传感器节点自身剩余寿命。根据实际情况建立模型， 并且采用线性或者非线性方法进行计算，确保了数据计算结果的准确。下面将 用一具体实施例详细说明该计算过程和原理。

假设单位T时间内当前节点消耗的能量为上一次计算得到的T时间节点 的平均消耗的能量为那么本次单位T时间内估计节点要消耗的能量为

$E_{\mathrm{avg}\_T}^1=(1-\alpha )E_T^1+\alpha ·E_{\mathrm{avg}\_T\_\mathrm{last}}^1$

单位T时间内当前节点充电的能量为上一次计算T时间内节点的平均充 电的能量为那么本次单位T时间内估计节点要充电的能量为

$E_{\mathrm{avg}\_T}^c=(1-\beta )E_T^c+\beta ·E_{\mathrm{avg}\_T\_\mathrm{last}}^c$

由于每个节点通常会消耗能量外，还会通过再生能源充电，因此上面的本 次单位T时间内估计节点要消耗的能量为

节点的剩余寿命为：

如图2所示，在其中一个实施例中，所述步骤S400具体包括：

S420：遍历传感器节点缓存队列，计算传感器节点缓存队列中等待发送的 数据包数量。

当有大量数据需要通过传感器节点进行传输时，为了确保传输的准确、安 全以及高效，会设置有传感器节点缓存队列，对需要传输的数据进行缓存，在 这里，需要计算这个缓存队列中等待发送数据包数量。

S440：根据传感器节点缓存队列中等待发送的数据包数量，计算簇内的传 感器节点当前所需传输数据量。

下面用个实例说明，计算传感器节点当前所需传输数据量的理论依据。

假设单位T时间内当前节点i发送缓存队列中等待发送的数据包数为上 一次计算得到的T时间节点i的平均发送缓存队列中等待发送的数据包数为 那么本次单位T时间内估计节点要等待发送的数据包数为

$m_i^{\mathrm{avg}\_T}=(1-\gamma )m_i^T+\gamma ·m_i^{\mathrm{avg}\_T\_\mathrm{last}}$

如图2所示，在其中一个实施例中，所述S600之后还有步骤：

S700：当簇内传感器节点激活成功时，反馈激活成功指令至所述簇头。

簇头发送各个传感器节点所需激活时间占空比至相应传感器节点，传感器 节点根据接收到的数据，读取激活自身所需激活时间占空比，进行激活，等待 激活成功时，生成一个激活成功指令，并将激活成功指令发送至簇头。

在其中一个实施例中，所述根据传感器节点的自身剩余寿命和当前所需传 输数据量，计算各个传感器节点所需激活时间占空比之后还有步骤：

存储所述各个传感器节点所需激活时间占空比。

存储所述各个传感器节点所需激活时间占空比确保数据的安全，避免由于 各种意外导致数据丢失(掉电、设备故障)以备在手续的操作或者查验检测中 读取。

如图3所示，一种无线传感器网络节点能效优化激活系统，包括：

网关节点查找模块100，用于遍历无线传感器网络节点，查找无线传感器网 络节点中的网关节点，其中，所述无线传感器网络节点包括网关节点和传感器 节点；

簇组合模块200，用于选定所述网关节点为簇头，将所述簇头周围的传感器 节点根据最近距离原则与所述簇头组合成簇；

剩余寿命计算模块300，用于计算簇内的传感器节点自身剩余寿命；

传输数据量计算模块400，用于计算簇内的传感器节点当前所需传输数据 量；

时间占空比计算模块500，用于根据传感器节点的自身剩余寿命和当前所需 传输数据量，计算各个传感器节点所需激活时间占空比；

激活模块600，用于根据各个传感器节点所需激活时间占空比，激活各个传 感器节点。

本发明无线传感器网络节点能效优化激活系统，区分无线传感器网络节点 中的网关节点和传感器节点，选定网关节点为簇头，根据最近距离原则将传感 器节点与网关节点组成成簇，计算簇内传感器节点剩余寿命和当前所需传输数 据量，再根据这两者数据计算所需激活时间占空比，根据所需激活时间占空比 激活传感器节点。整个系统，由簇内传感器节点发送剩余寿命与所需传输的业 务量参数至网关节点，由网关节点综合簇内节点能量与流量情况，计算出每个 节点的激活时间占空比。这种方法计算简便，执行简单，节点的激活时间占空 比会随着网络负载与剩余寿命呈现一定的波动，能自适应网络的变化情况，提 高节点的节能效率和整个网络的生存时间。

如图4所示，在其中一个实施例中，所述剩余寿命计算模块300包括：

模型建立单元320，用于建立传感器节点太阳能充放电模型和风能充放电模 型；

剩余寿命计算单元340，用于根据所述传感器节点太阳能充放电模型和风能 充放电模型，计算簇内的传感器节点自身剩余寿命。

如图4所示，在其中一个实施例中，所述传输数据量计算模块400包括：

数据包数量计算单元420，用于遍历传感器节点缓存队列，计算传感器节点 缓存队列中等待发送的数据包数量；

传输数据量计算单元440，用于根据传感器节点缓存队列中等待发送的数据 包数量，计算簇内的传感器节点当前所需传输数据量。

如图4所示，在其中一个实施例中，所述无线传感器网络节点能效优化激 活系统还包括：

反馈模块700，用于当簇内传感器节点激活成功时，反馈激活成功指令至所 述簇头。

如图4所示，在其中一个实施例中，所述无线传感器网络节点能效优化激 活系统还包括：

存储单元800，用于存储所述各个传感器节点所需激活时间占空比。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细， 但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域 的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和 改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附 权利要求为准。