基于混合型移动代理的无线传感器网络数据传输方法

摘要

基于混合型移动代理的无线传感器网络数据传输方法将移动代理引入到网络的数据采集和传输中，其主要策略是：1.通过软件移动代理自身具有的处理能力，收集本地数据，进行本地处理；2.在某些需要大规模数据采集和传输的时间段，启用硬件代理对网络某一局部进行持续的数据收集和传输。从而改变了传统分布式系统客户端/服务器模式的格局，大大降低从传感器节点向基站(或网关)发送的数据量，简化了数据传输方式，达到节能高效的目的。一旦网内发生该类事件，用户需要获知准确、实时地信息时，通过硬代理的自我导航机制到达事件发生的区域，利用硬代理较强的处理，通信能力，对用户感兴趣的数据进行高速的收集和传输。

说明书

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络数据收集的解决方案。主要用于解决无线传感器网络中高效组网和数据传输的问题，属于传感器网络和分布式计算交叉领域。

背景技术

随着传感器、微电机系统和无线通信技术的发展，无线传感器网络成为了一种全新的信息获取和处理技术。它可以应用于布线和电源供给困难得区域、人员不能到达的区域(如受到污染、环境不能被破坏或敌对的区域)和一些临时场合(如发生自然灾害，固定通信网被破坏)等。因此，传感器网络具有十分广阔的应用前景，在军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多领域都有重要的科研价值和巨大实用价值，已经引起了世界许多国家军界、学术界和工业界的高度重视，并成为进入2000年以来公认的新兴前沿热点研究领域，被认为是将对二十一世纪产生巨大影响力的技术之一。

与传统的无线网络不同，无线传感器网络有其特殊的特点：硬件资源有限、电源容量有限、自组织、数据为中心、多跳、动态拓扑、节点数量众多分布密集等。网络的功能不是为每一个节点提供均等的服务，而是所有的传感器节点作为一个整体协作感知、采集和处理网络覆盖区域中被监测对象的信息，并将信息通过一定的方式进行过滤和融合进而提供给用户。传感器节点通常是随机部署在某一特殊环境中，对环境进行监测或者对特定目标进行定位和追踪。因此，将传感器节点采集到的数据快速、准确、节能地传送到用户处是无线传感器网络得以广泛应用的基础。然而，在节点高度密集的传感器网络中，使用一系列基于传统理论的较复杂的网络通信协议进行数据传输，如争用式或预约式的MAC(MediumAccess Control介质访问控制)和各种类型的路由协议，势必带来网络巨大的开销，增加网络的能耗，从而导致网络寿命大大缩短。所以，好的数据传输方法对于无线传感器网络而言非常重要。

移动代理技术是一种新兴的网络技术，它简化了分布式系统得设计、实现及维护。移动代理可以是一个独立计算机软件或硬件实体，它能够执行一定的规程，并且具有移动性，能够自主地完成特定的任务。移动代理技术由于其自身众多优点，被较好地应用在电子商务、网络管理等诸多方面，成为一个新的技术热点。将移动代理技术巧妙地与无线传感器网络数据传输相结合，能够大大简化以往复杂的通信规程，降低节点通信开销和数据流量，从而以最少的开销为用户提供满意的服务，并且有效地延长网络寿命。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于混合型移动代理的无线传感器网络数据传输方法，用于解决当前大规模无线传感器网络数据传输开销大，规程复杂，能耗大等问题。本发明可显著提高无线传感器网络采集数据传输数据的效率，延长网络的生存期并简化网络的设计。

技术方案：本发明是一种综合的策略性方法，现有无线传感器网络可以按照此方法运行并进行相应的数据传输任务。本发明将移动代理引入到网络的数据采集和传输中，其主要策略是：1.通过软件移动代理自身具有的处理能力，收集本地数据，进行本地处理；2.在某些需要大规模数据采集和传输的时间段，启用硬件代理对网络某一局部进行持续的数据收集和传输。从而改变了传统分布式系统客户端/服务器模式的格局，大大降低从传感器节点向基站(或网关)发送的数据量，简化了数据传输方式，达到节能高效的目的。本发明提出的混合型移动代理主要由两种类型移动代理组成：

软代理：具有一定逻辑规程的软件实体。它能自主地完成特定功能，并且具有迁移性，可以从一个节点迁移或复制到另一个节点，需要的时候可以使代码和程序执行状态同时迁移。

硬代理：功能强大的硬件单元，具有很强的通信能力和数据处理能力，并且可以在网络内自由移动。具体实现可为装配强大终端的无人车辆、飞行器或其它无人设备。

体系结构：图1给出了一个使用该数据传输方法的无线传感器网络体系结构图。在传感器网络内，传感器节点按地域被分为若干个片。每个片有一个片头节点，负责收集该片内的所有普通节点所采集到的数据，并将数据告知用户接口节点。片内的普通节点通过单跳就可以到达片头节点。由上可知，该体系结构总共包含了三种职责不同的传感器节点：

普通节点：此类节点存在于某一个片中，负责感知环境变化，目标移动等，并且采用我们所提出的数据传输方法将收集到的数据最终送往用户接口节点。节点知道自身位置，能量有限，处理能力有限，并且有机会动态地被选择成为片头节点。普通节点定期与其邻居节点交换少量必要信息，如节点识别号，能量剩余，通信能力等，由此维护一个邻居列表。

片头节点：由普通节点动态选出。可以根据需要采用不同的选择策略，基本的思想是选择一个片内能量充足且通信能力强的节点。片头节点内保存片内所有有效的普通节点列表和相邻片头节点信息列表。

用户接口节点：处于网络边缘的特殊节点，有很强的处理和通信能力，用于收集整个传感器网络内的信息，并形成与用户的接口，以供用户查询或将发生的事件告知用户。

方法流程：本发明先通过片头节点定期在其管辖的区域内派发软件查询代理，该代理遍历所有片内普通节点，记录下与查询内容匹配的节点的必要信息，并将这些信息带回片头节点。片头节点检索所有记录下来的信息，一旦发现有大量获取数据的必要，则向用户接口节点发送请求。用户接口节点接收到请求后，会派出硬代理到网络的局部，直接向传感器节点进行数据收集，并且将收集到的数据带回用户接口节点，利用混合型移动代理进行无线传感器网络的数据传输方法所包含的步骤为：

步骤1).分片内的所有传感器节点通过简单邻居HELLO协议交换彼此信息，包括标识，位置，能量字段，每个节点都有一个维护一个邻居信息表，用于软代理的迁移和片头节点的推选，

步骤2).片头节点之间互通信息，每个片头节点同时还维护一个邻居片头信息表，同样也包括标识，位置，能量和通信开销，

步骤3).用户接口节点对网络的所有片头节点内洪泛软件任务代理，该代理通过简单的洪泛方式为网络内所有的片指派任务，任务代理可以根据用户需求的不用而改变，

步骤4).片头节点收到任务代理，提取任务描述，并保存任务代理，然后将之前提取的任务描述封装到一个新的软件查询代理中，该查询代理还包括片头节点选择好的查询回路，按顺序排列了路径上当前片内可靠的普通节点标识，

步骤5).查询代理按照查询回路规定的顺序，依次访问片内普通节点，该代理迁移一个普通节点后，按如下流程执行任务：

a.获取该节点最近探测到的信息类型，如果与查询所要求的信息类型不一致，进入以下步骤d，否则执行步骤b，

b.提取该节点最近感知的数据，判断该数值是否达到查询所规定的门限值，即是否有必要记录下来，若未达到规定门限，进入步骤d，否则执行步骤c，

c.将代理所在节点的位置信息P(x，y，z)和与查询要求相符合的数据DATA组成一个二元组(P，DATA)，保存在该查询代理的数据空间中，

d.查询代理完成在该节点上的信息获取工作，迁移到查询回路上的下一个节点，在执行此流程；

步骤6).查询代理在遍历完查询回路所有节点后，回到片头节点，若该代理所保存的二元组列表不为空，说明此片头节点所管辖的分片内发生了用户所感兴趣的事件，片头节点提取所有查询代理保存的二元组，对部分冗余的数据进行过滤，将整理过的数据封装在一个新的请求代理中，用来向用户接口节点发出高速数据传输的请求，随后进入下一步骤；若查询代理保存的二元组列表为空，则片头节点不做任何处理，只在过一个时间间隔后，再重新派发新的查询代理，继续从步骤1)开始执行，否则执行步骤7)，

步骤7).片头节点产生的请求代理通过简单节能的多跳路由方式，经过中继片头节点的转发，到达用户接口节点，由于软件移动代理具有智能性，该请求代理可自主选择下一跳的片头节点，具体策略包括如下三个部分描述：

e.如前所述，每个片头节点都维护一个邻居片头节点信息列表，每个表项包含的内容有：邻居片头节点标识、邻居片头节点剩余能量E、邻居片头节点通信开销C(可直观理解为此片头节点到达用户接口节点的距离)。

f.请求代理在迁移到一个片头节点后，获取该节点的邻居片头节点信息列表，根据所有邻居片头的剩余能量和通信开销，挑选出代理下一跳应该迁移到的片头节点，

g.NCL表示邻居片头节点信息列表，邻居片头节点N_i的能量用N_i(E)表示，通信开销用N_i(C)表示，请求代理选择的下一跳邻居片头节点N_j应满足如下公式：

$>\underset{}{{}_{}}>>>>N>j>ksup>>>(>C>)>>>{}_{}$

其中，k是一个预先指定的参数，用于权衡通信开销和能量剩余在请求代理选路时的重要程度，

步骤8).请求代理最终迁移到用户接口节点，用户接口节点从中取出位置信息，并获知该片内的状况，随后用户接口节点告知用户向请求高速数据传输的区域派出硬代理，

步骤9).硬代理与位置固定的片头节点交互信息，并逐步向目标片靠近，这个流程如下所述：

h.硬代理出发后，同时收到与之相邻多个片头节点发出的邀请信息(IM)，

i.判断多个IM的来源位置，对距离目标片最接近的节点发出邀请响应(IR)，并向该节点靠近，

j.重复上两步，不断地向目标片靠近，直至到达目的地，

步骤10).硬代理与目标片的片头节点取得联系，从片头节点那里获取片内所有普通节点的信息，采用最简单的探询机制，为每一个探测到用户感兴趣信息的片内普通节点分配一个固定的通信时隙，高速获取该片内的有用数据，并将这些数据用较高的数据传输速率发送给用户接口节点。

有益效果：本发明方法提出了一种基于混合型移动代理的无线传感器网络数据传输新方法。本发明结合硬代理和软代理各自的优势，采用简单的任务派发，代理迁移，和数据收集策略，实现了高效的数据传输，具有如下一些显著的优点，都是传统目前其它无线传感器网络数据传输方法所不具备的：

(1)降低了网内的数据量：无线传感器网络并不需要持续对传感器节点采集的数据进行高速传输，绝大部分时间内，只要保持对网络的监控即可。本发明采用软件查询代理遍历片内各个普通节点的数据传输方式，大大减少了传感器节点进行持续数据传输的开销。软件查询代理还可以进行必要的数据过滤和聚合处理，剔出冗余信息和无用数据，仅将必要信息带回到片头节点。在保证了用户能够知晓传感器网络覆盖范围内的情况的同时，大大降低了网内的数据传输量。

(2)实现了均衡网络负载与降低时延的平衡：传统的无线传感器网络数据传输方法往往只采用单一性能作为选则路径的标准，这样会造成网络某一条或几条数据传输路径上的节点能量会过早地消耗殆尽，缩短了网络的寿命。本发明综合考虑了节点自身的能量剩余和通信开销，在选择一条快速传输路径的同时，又考虑到网络负载的平衡，使传输速率较高的路径上的节点不会过早的耗尽能量，增长了网络的生存期。

(3)降低了网络协议的巨大开销：本发明在高速数据传输的时候采用硬代理的方式，由于硬代理本身具有能量充足，传输距离远，处理能力强的特性，使其可以直接与传感器节点和用户接口节点进行通信。它与众多传感器节点通信时采取简单的探询方式，避免了传感器节点之间通过竞争地方式获取信道使用权，避免了节点之间时序的协调，尤其在大量数据高速传输的时候，节省了复杂网络协议的通信开销。

(4)提高了关键数据的传输速率：对于用户关心的数据，采用通信能力强的硬代理直接从传感器节点获取数据，并传送回用户接口节点。改变了以往传感器节点获得的数据必须经过某一较复杂的多跳路由策略，一步步地到达用户接口节点。因而本发明大大提高了关键数据的传输速率，降低了网络的时延。

(5)更加适用于无线传感器网络的普遍应用：无线传感器网络的大多数应用要求网络工作在恶劣危险的环境之中，较差的链路条件和节点本身较弱的通信处理能力导致网络内的数据传输的速率普遍很低。而网络的应用恰恰并不要求此种网络有非常高的数据传输率——在绝大多数的时候，用户只需要通过网络对其覆盖区域内的情况有个整体的了解即可，只有在发生了用户感兴趣的事件后，才有必要加大数据传输速率和降低通信时延。本发明利用混合型移动代理的策略，在网络工作的不同阶段采取不同的策略，有效地满足了无线传感器网络普遍应用对网络的特殊要求。

附图说明

图1是分片的无线传感器网络体系结构图。表明了本发明所基于的无线传感器网络的拓扑结构。

图2是软件任务代理派发的示意图。表明了用户通过用户结构节点向各个片的片头节点指派任务代理的过程。

图3是软件查询代理的工作示意图。表示片头节点产生的软件查询代理在片内进行遍历收集数据。

图4是软件请求代理的工作示意图。表示了需要高速数据传输的片头节点产生请求代理并经过多跳选择到达用户接口节点。

图5是硬代理的移动和工作示意图。表明了硬代理通过自我导航到达目标区域进行高速数据传输的过程。

具体实施方式

利用混合型移动代理进行无线传感器网络的数据传输方法所包含的步骤为：

步骤1).分片内的所有传感器节点通过简单邻居HELLO协议交换彼此信息，包括标识，位置，能量字段，每个节点都有一个维护一个邻居信息表，用于软代理的迁移和片头节点的推选，

步骤2).片头节点之间互通信息，每个片头节点同时还维护一个邻居片头信息表，同样也包括标识，位置，能量和通信开销，

步骤3).用户接口节点对网络的所有片头节点内洪泛软件任务代理，该代理通过简单的洪泛方式为网络内所有的片指派任务，任务代理可以根据用户需求的不用而改变，

步骤4).片头节点收到任务代理，提取任务描述，并保存任务代理，然后将之前提取的任务描述封装到一个新的软件查询代理中，该查询代理还包括片头节点选择好的查询回路，按顺序排列了路径上当前片内可靠的普通节点标识，

步骤5).查询代理按照查询回路规定的顺序，依次访问片内普通节点，该代理迁移一个普通节点后，按如下流程执行任务：

a.获取该节点最近探测到的信息类型，如果与查询所要求的信息类型不一致，进入以下步骤d，否则执行步骤b，

b.提取该节点最近感知的数据，判断该数值是否达到查询所规定的门限值，即是否有必要记录下来，若未达到规定门限，进入步骤d，否则执行步骤c，

c.将代理所在节点的位置信息P(x，y，z)和与查询要求相符合的数据DATA组成一个二元组(P，DATA)，保存在该查询代理的数据空间中，

d.查询代理完成在该节点上的信息获取工作，迁移到查询回路上的下一个节点，在执行此流程；

步骤6).查询代理在遍历完查询回路所有节点后，回到片头节点，若该代理所保存的二元组列表不为空，说明此片头节点所管辖的分片内发生了用户所感兴趣的事件，片头节点提取所有查询代理保存的二元组，对部分冗余的数据进行过滤，将整理过的数据封装在一个新的请求代理中，用来向用户接口节点发出高速数据传输的请求，随后进入下一步骤；若查询代理保存的二元组列表为空，则片头节点不做任何处理，只在过一个时间间隔后，再重新派发新的查询代理，继续从步骤1)开始执行，否则执行步骤7)，

步骤7).片头节点产生的请求代理通过简单节能的多跳路由方式，经过中继片头节点的转发，到达用户接口节点，由于软件移动代理具有智能性，该请求代理可自主选择下一跳的片头节点，具体策略包括如下三个部分描述：

e.如前所述，每个片头节点都维护一个邻居片头节点信息列表，每个表项包含的内容有：邻居片头节点标识、邻居片头节点剩余能量E、邻居片头节点通信开销C(可直观理解为此片头节点到达用户接口节点的距离)。

f.请求代理在迁移到一个片头节点后，获取该节点的邻居片头节点信息列表，根据所有邻居片头的剩余能量和通信开销，挑选出代理下一跳应该迁移到的片头节点，

g.NCL表示邻居片头节点信息列表，邻居片头节点N_i的能量用N_i(E)表示，通信开销用N_i(C)表示，请求代理选择的下一跳邻居片头节点N_j应满足如下公式：

$>\underset{}{{}_{}}>>>{{}_{}}_{}$

其中，k是一个预先指定的参数，用于权衡通信开销和能量剩余在请求代理选路时的重要程度，

步骤8).请求代理最终迁移到用户接口节点，用户接口节点从中取出位置信息，并获知该片内的状况，随后用户接口节点告知用户向请求高速数据传输的区域派出硬代理，

步骤9).硬代理与位置固定的片头节点交互信息，并逐步向目标片靠近，这个流程如下所述：

h.硬代理出发后，同时收到与之相邻多个片头节点发出的邀请信息(IM)，

i.判断多个IM的来源位置，对距离目标片最接近的节点发出邀请响应(IR)，并向该节点靠近，

j.重复上两步，不断地向目标片靠近，直至到达目的地，

步骤10).硬代理与目标片的片头节点取得联系，从片头节点那里获取片内所有普通节点的信息，采用最简单的探询机制，为每一个探测到用户感兴趣信息的片内普通节点分配一个固定的通信时隙，高速获取该片内的有用数据，并将这些数据用较高的数据传输速率发送给用户接口节点。

我们基于以下一个假定的实例来进一步描述本发明：开发一个基于无线传感器网络的森林火灾预警应用，采用本发明所提出的基于混合型移动代理的数据传输方法，完成对难以实现有线网络监控，并且人员不易到达的原始森林进行有效地环境监控和火灾预警跟踪。

(1)通过飞机在森林区域布置大量无线传感器节点，形成分片网络拓扑。各分片内的所有传感器节点通过简单邻居HELLO协议交换彼此标识，位置，能量信息，通过维护邻居信息表，实现软代理的迁移和片头节点的推选。

(2)每个分片的片头节点之间互通信息，每个片头节点同时还维护一个邻居片头信息表，同样也包括标识，位置，能量和通信开销。

(3)林区管理人员通过用户接口节点对已形成的网络内所有片头节点洪泛软件任务代理，该代理所描述的任务是“获取环境温度、烟浓度等超过预设门限值的区域”。用户接口节点通过简单的洪泛方式为网络内所有的片指派该任务。

(4)网络各分片的片头节点收到此任务代理，提取任务描述，即“获取环境温度、烟浓度等超过预设门限值的区域”，并保存任务代理。然后将之前提取的任务描述封装到一个新的火情查询代理中，该火情查询代理还包括片头节点选择好的查询回路，这条回路即覆盖了该片所覆盖的区域，又绕过了那些不可靠，即能量剩余很少，通信能力很弱的节点。

(5)火情查询代理按照查询回路规定的顺序，依次访问片内普通节点。该代理迁移一个普通节点后，按如下流程执行任务：

[1]获取该节点最近探测到的温度和烟浓度等类型的信息，如果无此类信息，进入[4]。否则，

[2]提取该节点最近感知的数据，判断该数值是否达到查询所规定的门限值，即是否有必要记录下来。若未达到规定门限，进入[4]。否则，

[3]将代理所在节点的位置信息P(x，y，z)和与查询要求相符合的环境数据DATA，组成一个二元组(P，DATA)，保存在该查询代理的数据空间中。

[4]查询代理完成在该节点上的信息获取工作，迁移到查询回路上的下一个节点，在执行此流程。

(6)火情查询代理在遍历完查询回路所有节点后，回到片头节点。若该代理所保存的二元组列表不为空，说明此片头节点所管辖的分片内有火灾的迹象。片头节点提取所有查询代理保存的二元组，对该分片内各个区域的温度和烟浓度值进行分析和预处理，判断火情强弱，并将整理过后的信息封装到一个新的数据传输请求代理中去，该代理向用户接口节点发出高速数据传输的请求，随后进入下一步骤。若查询代理保存的二元组列表为空，则表明该片内不存在火情迹象，片头节点只需要过一个时间间隔后，再重新派发新的火情查询代理。

(7)片头节点产生的数据传输请求代理通过简单节能的多跳路由方式，经过中继片头节点的转发，最终要到达用户接口节点。由于软件移动代理具有智能性，该请求代理可自主选择下一跳的片头节点，具体策略包括如下三个部分描述：

[1]每个片头节点都维护一个邻居片头节点信息列表，每个表项包含的内容有：邻居片头节点标识、邻居片头节点剩余能量E、邻居片头节点通信开销C(可直观理解为此片头节点到达用户接口节点的距离)。

[2]请求代理在迁移到一个片头节点后，获取该节点的邻居片头节点信息列表。根据所有邻居片头的剩余能量和通信开销，挑选出代理下一跳应该迁移到的片头节点。

[3]邻居片头节点信息列表用NCL表示，邻居片头节点N_i的能量用N_i(E)表示，通信开销用N_i(C)表示。请求代理选择的下一跳邻居片头节点N_j应满足如下公式：

$>\underset{}{{}_{}}>>>{{}_{}}_{}$

其中，k是一个预先指定的参数，用于权衡通信开销和能量剩余在请求代理选路时的重要程度。

(8)数据传输请求代理最终迁移到用户接口节点，用户接口节点从中取出发生火情的位置信息，并获知该片内的火情的大概情况，如程度，蔓延趋势等。随后用户接口节点告知用户向请求高速数据传输的区域派出无人驾驶飞行器，用来对发生火情的森林区域进行实时地，准确地监控，以便让用户获取最准确最及时地火灾信息。

(9)飞行器是无人设备，它可以通过与位置固定的片头节点交互信息，逐步向目标片靠近。这个流程如下所述：

[1]飞行器出发后，同时收到与之相邻多个片头节点发出的邀请信息(IM)。

[2]判断多个IM的来源位置，对距离发生火情的区域最接近的节点发出邀请响应(IR)，并向该节点靠近。

[3]重复上两步，不断地向目标片靠近，直至到达火情地。

(10)飞行器与火情发生地的片头节点取得联系，从片头节点那里获取片内所有普通节点的信息。采用最简单的探询机制，为每一个探测到火情的片内普通节点分配一个固定的通信时隙。高速获取该片内的火情相关数据，并将这些数据即时地用较高的数据传输速率发送给用户接口节点。