基于动态休眠的wsn节点自治愈方法
【专利摘要】本发明提供一种基于动态休眠的WSN节点自治愈方法，采用了本方法的WSN节点能够在节点系统时钟出现偏差导致同步失效而无法上传数据后主动更改自身休眠周期，主动匹配，寻求网络同步信号，使得丢失节点回到网络中。这种方法不会影响其他处于深度休眠中的节点，仅仅耗费自身的一些能量以实现自治愈及再同步。这种方法大大减少了现有WSN应用中遇到的节点丢失后难以召回的问题，提高了WSN的稳定性。
【专利说明】基于动态休眠的WSN节点自治愈方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种方法，尤其是一种基于动态休眠的WSN节点自治愈方法，属于无 线传感器网络的【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 无线传感器网络（WSN)是物联网实现数据采集的末端，是融合了传感器技术，信 息处理技术和网络通信技术的综合产物，它的出现完成了人与自然的沟通，扩展了人类认 知世界，感知世界的能力。利用WSN的感知、计算及传输能力，可以实现对广域范围的多目 标实时监测，并将状态数据实时汇聚传输，从而实现环境监测，控制报警等功能，这在工农 业监控、智能交通、智能家居、危险区域远程检测等许多领域都有重要的研究意义和巨大的 实用价值，被认为是将对二十一世纪产生巨大影响的技术之一。
[0003] 然而，传感器节点具有一体化设计思想，其嵌入式处理能力有限，收发能力受到限 制。同时，为实现传感网络的低功耗设计，网络的同步休眠-唤醒机制对全网的时间同步要 求很高。另外，由于节点部署环境复杂，无线网络通信的稳定性差，丢包率相对较高，容易导 致节点丢失同步后的数据丢失。
[0004] 目前，通过优化通信机制，路由算法，同步策略，休眠策略来避免网络堵塞或拥挤 从而实现减少网络丢包率，提高稳定性方面的研究很多。然而单纯的从理论上寻求的解决 办法是受到WSN本身缺陷限制的，无线网络自身稳定性的缺陷导致了 WSN存在节点丢失问 题的必然性。在节点丢失，无法同步的情况下实现节点的再入网、再同步是实际应用过程中 急需解决的问题。
[0005] 传统的无线传感器网络，如Zigbee网络，节点丢失后，可以通过选择备用或其他 路由节点作为中继，实现网络自愈。然而，野外环境的实际应用中为减小网络耗能往往不会 采用带有专有路由节点的网络构架，而是采用多跳中继Mesh构架，节点兼具路由功能，全 网节点同步休眠-同步唤醒，最大限度减少能耗。这种网络对于同步精度要求更高，而且一 旦节点丢失，同步失效，没有一直工作的路由节点与之交互，很难实现节点的再入网、再同 止 /J/ 〇
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种基于动态休眠的WSN节点 自治愈方法，其能实现无线传感器网络节点丢失后主动入网再同步，提高了无线传感网络 的稳定性及可靠性。
[0007] 按照本发明提供的技术方案，所述基于动态休眠的WSN节点自治愈方法，无线传 感器网络内的节点判定为丢失节点后，所述丢失节点修改自身的工作总周期以及唤醒工作 时间，以调整所述丢失节点下次进入休眠状态的时间以及下次唤醒工作状态的时间，加快 所述丢失节点的工作频率、增加工作占空比；
[0008] 丢失节点在唤醒工作期间，当收到无线传感器网络内其他节点回复的同步信号 或广播转发的同步信号，丢失节点根据上述同步信号中的时间修改自身时钟，以使得所述 丢失节点在修改自身时钟后的工作总周期、休眠/唤醒工作频率与无线传感器网络保持一 致，实现丢失节点与无线传感器网络的再入网、再同步。
[0009] 进一步地，无线传感器网络内的节点判断丢失节点的方法为，在所述节点的唤醒 工作后期内是否收到同步信号进行同步，若连续3次唤醒工作期间未同步，则判断节点丢 失。
[0010] 进一步地，在加快丢失节点的工作频率并增加工作占空比后，所述丢失节点在连 续15个工作总周期内若没有实现同步，则终止丢失节点的同步请求操作，并恢复丢失节点 的工作总周期、占空比。
[0011] 进一步地，所述下次进入休眠状态的时间为
[0012] ?! = T2-T3modTz
[0013] 下次进入唤醒工作时间为
[0014] T4 = Tz-T3modTz
[0015] 其中，?\为下次进入休眠状态的时间，T2为唤醒工作时间，T3为当前时间，Tz为工 作总周期，τ 4为下次进入唤醒工作时间。
[0016] 本发明的优点：节点通过自身是否接收同步信号判断节点是否丢失，避免了数据 偶尔丢包而被误认为节点丢失的问题；节点丢失后通过对自身休眠频率、休眠占空比的修 改达到节点再入网、再同步的效果，执行过程属于节点的自治愈，不需要路由父节点做修 改，对整个网络的链路，能耗的影响很小；本发明可实现无线传感器网络同步休眠-同步唤 醒机制下节点同步丢失而永久失效的问题，可在节点丢失的情况下快速实现再入网、再同 步，提高了 WSN系统的稳定性。
【专利附图】
【附图说明】
[0017] 图1为本发明的原理示意图。
[0018] 图2为本发明的流程示意图。
【具体实施方式】
[0019] 下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0020] 如图1所示：为了能实现无线传感器网络节点丢失后主动入网再同步，提高了无 线传感网络的稳定性及可靠性，本发明的WSN节点自治愈方法为：
[0021] 无线传感器网络内的节点判定为丢失节点后，所述丢失节点修改自身的工作总周 期以及唤醒工作时间，以调整所述丢失节点下次进入休眠状态的时间以及下次唤醒工作状 态的时间，加快所述丢失节点的工作频率、增加工作占空比；
[0022] 丢失节点在唤醒工作期间，当收到无线传感器网络内其他节点回复的同步信号 或广播转发的同步信号，丢失节点根据上述同步信号中的时间修改自身时钟，以使得所述 丢失节点在修改自身时钟后的工作总周期、休眠/唤醒工作频率与无线传感器网络保持一 致，实现丢失节点与无线传感器网络的再入网、再同步。
[0023] 具体地，WSN节点自治愈方法是针对WSN内的丢失节点，使得丢失节点无法上传数 据后启动恢复过程。无线传感器网络节点的工作总周期是指节点从一个唤醒工作时间到下 一个唤醒工作时间间隔，节点的两个相邻的唤醒工作时间间为节点的休眠时间。当节点处 于唤醒工作时间内，能够上传数据以及与其他节点之间进行时间同步操作。
[0024] 为了避免数据偶尔丢包被误认为节点丢失的问题，本发明无线传感器网络内的节 点判断节点丢失的方法为，在所述节点的唤醒工作期间是否收到同步信号进行同步，若连 续3次唤醒工作期间未同步，则判断节点为丢失节点。
[0025] 当判断无线传感器网络内的节点丢失后，丢失节点保持与无线传感器网络内其他 未丢失节点相同的工作总周期，休眠、唤醒工作频率。丢失节点正常工作时，下次进入休眠 状态的时间为
[0026] ?! = T2-T3modTz
[0027] 下次进入唤醒工作时间为
[0028] T4 = Tz-T3modTz
[0029] 其中，?\为下次进入休眠状态的时间，T2为唤醒工作时间，T3为当前时间，Tz为工 作总周期，Τ 4为下次进入唤醒工作时间。本发明实施例中，当前时间Τ3为通过丢失节点内 的定时器获得，mod为取余运算。
[0030] 由于所述丢失节点在初始进入工作状态时，其他节点都处于休眠状态，没有网络 交互，无法收到远端网关的同步信号；此时，可加快丢失节点的工作频率与工作占空比，让 丢失节点更频繁地唤醒来寻找网络；一旦丢失节点在唤醒工作期间收到无线传感器网络内 其他节点回复的同步信号或者广播转发的同步信号，丢失节点都能根据同步信号中的时间 修改自身时钟，实现再入网、再同步；实现同步后丢失节点恢复原有周期正常休眠/唤醒。
[0031] 本发明实施例中，根据上述下次进入休眠状态的时间以及下次进入唤醒工作时 间，能够加快丢失节点的工作频率以及增加丢失节点的工作占空比。工作占空比是指唤醒 工作时间与工作总周期的比值，工作占空比与休眠占空比相对应，根据工作占空比能够得 到休眠占空比。此外，根据工作时间以及工作总周期能够得到休眠的时间。根据工作频率， 能够确定丢失节点的休眠频率。
[0032] 本发明实施例中，丢失节点加快后的工作频率以及工作占空比的大小可以根据实 际需要进行选择，丢失节点在加快工作频率以及工作占空比后，消耗的能量增加；在具体实 施时，只要使得修改下次进入休眠状态的工作以及唤醒工作时间后，能够使得丢失节点的 工作时间尽可能多地与其他节点的工作时间相重合即可，即尽可能多地收到其他节点的同 步信号，从而快速实现丢失节点域无线传感器网络的同步，具体不再赘述。
[0033] 如图2所示，无线传感器网络内的节点在每个工作总周期的工作状态进入休眠状 态前，通过SyncCheck接口调用同步组件中相关标志位判断周期内是否收到同步信号；若 收到同步信号，且未曾修改工作总周期和工作时间，连续未同步次数N = 0,修改参数周期 K = 0,执行结束，等待进入下一周期继续执行判断；若收到同步信号，且修改了工作总周期 和工作时间，将节点内修改的工作总周期以及工作时间的具体参数恢复原值，N = K = 0,执 行结束，等待进入下一周期继续执行判断；若未收到同步信号，N = N+1。
[0034] 若N彡3,且未曾修改工作总周期和工作时间，则修改所述的工作总周期以及工作 时间，使节点工作总周期为lmin，工作时间为30s，修改参数后持续周期K = K+1 ;若N > 3， 且工作总周期和工作时间已经修改，修改参数后持续周期K = K+1 ;若N〈3,执行结束，等待 进入下一周期继续执行判断。本发明实施例中，工作总周期包含节点的休眠时间以及唤醒 工时间，当工作总周期为lmin，工作时间为30s时，节点的工作占空比为50% ;所述工作总 周期以及工作时间可以根据不同环境下的无线传感器网络进行相应选择设置，此处不再赘 述。
[0035] 若K彡15,将修改所述的工作总周期以及工作时间恢复原值，N = K = 0,执行结 束，进入下一周期继续执行判断；若K〈15,执行结束，进入下一周期继续执行判断。
[0036] 上述工作流程中，即在加快丢失节点的工作频率以及工作占空比后，在修改后的 15个工作总周期内，若丢失节点依然没有实现同步，则终止对于丢失节点的自治愈同步的 行为，等待下次执行，避免过多地消耗节点能量。
[0037] 以上说明了基于动态休眠的WSN节点自治愈方法的原理与实现方法，用以实现同 步休眠-同步唤醒的无线传感器网络节点同步失效的问题，实现节点的自治愈。
[0038] 本发明节点通过自身是否接收同步信号判断节点是否丢失，避免了数据偶尔丢包 而被误认为节点丢失的问题；节点丢失后通过对自身休眠频率、休眠占空比的修改达到节 点再入网、再同步的效果，执行过程属于节点的自治愈，不需要路由父节点做修改，对整个 网络的链路，能耗的影响很小；本发明可实现无线传感器网络同步休眠-同步唤醒机制下 节点同步丢失而永久失效的问题，可在节点丢失的情况下快速实现再入网、再同步，提高了 WSN系统的稳定性。
【权利要求】
1. 一种基于动态休眠的WSN节点自治愈方法，其特征是，无线传感器网络内的节点判 定为丢失节点后，所述丢失节点修改自身的工作总周期以及唤醒工作时间，以调整所述丢 失节点下次进入休眠状态的时间以及下次唤醒工作状态的时间，加快所述丢失节点的工作 频率、增加工作占空比； 丢失节点在唤醒工作期间，当收到无线传感器网络内其他节点回复的同步信号或广播 转发的同步信号，丢失节点根据上述同步信号中的时间修改自身时钟，以使得所述丢失节 点在修改自身时钟后的工作总周期、休眠/唤醒工作频率与无线传感器网络保持一致，实 现丢失节点与无线传感器网络的再入网、再同步。
2. 根据权利要求1所述的基于动态休眠的WSN节点自治愈方法，其特征是：无线传感 器网络内的节点判断丢失节点的方法为，在所述节点的唤醒工作后期内是否收到同步信号 进行同步，若连续3次唤醒工作期间未同步，则判断节点丢失。
3. 根据权利要求1所述的基于动态休眠的WSN节点自治愈方法，其特征是：在加快丢 失节点的工作频率并增加工作占空比后，所述丢失节点在连续15个工作总周期内若没有 实现同步，则终止丢失节点的同步请求操作，并恢复丢失节点的工作总周期、占空比。
4. 根据权利要求1所述的基于动态休眠的WSN节点自治愈方法，其特征是：所述下次 进入休眠状态的时间为 Ti = T2-T3modTz 下次进入唤醒工作时间为 T4 = Tz-T3modTz 其中，?\为下次进入休眠状态的时间，T2为唤醒工作时间，T3为当前时间，Tz为工作总 周期，Τ4为下次进入唤醒工作时间。
【文档编号】H04W76/04GK104159288SQ201410444410
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年9月2日 优先权日:2014年9月2日
【发明者】刘波, 李贵柯, 丁时栋, 张祥, 吴南健, 赵柏秦 申请人:无锡中科智联科技研发中心有限公司