农田自组织网络可再生能源节点差异化拓扑控制方法
【专利摘要】本发明公开一种农田自组织网络可再生能源节点差异化拓扑控制方法，所述方法包括：簇头节点从预设的起始唤醒时间开始，经过预设的唤醒时长实现唤醒，并向其覆盖范围内的节点广播成簇信息；簇头节点在接收到普通节点加入簇的信息后，根据普通节点上传的数据，对普通节点进行时间片配置，并将时间片配置信息发送到普通节点；时间片为普通节点的完成一次数据采集与上传的最大时长，普通节点在其时间片结束后进入休眠状态，时间片的长度为预设长度；簇头节点在唤醒后接收簇内的普通节点发送的数据，并在所有簇内的普通节点休眠后，开始进行簇间数据汇聚，簇间数据汇聚的时长为预设时长，在预设时长结束后，所述簇头节点进入休眠状态。
【专利说明】农田自组织网络可再生能源节点差异化拓扑控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及农业【技术领域】，具体涉及一种农田自组织网络可再生能源节点差异化 拓扑控制方法。
【背景技术】
[0002] 无线传感器网络是一种无基础设施的无线网络，能够实时监测、感知和采集网络 分布区域内的各种环境或监测对象的信息，在农业领域广泛应用，成为指导农业生产，提高 作物产量的关键技术。传统无线传感器网络一般使用电池供电，而面向大规模农田复杂环 境，能量有限的供电电池不能支持足够长的时间。大面积农田监测传感器节点数量众多，人 工更换电池周期长、工作量大，一旦节点电池能量耗尽，网络性能和覆盖范围将受到很大影 响。
[0003] 网络拓扑控制作为降低网络能耗，延长网络生存周期的主要手段，主要分为功率 控制与节点睡眠调度，节点睡眠调度主要功能是将节点在非工作时段全部或部分转入休眠 模式，以节约节点能耗。
[0004] 节点睡眠调度算法按睡眠相对时间分，主要可分为同步协议和异步协议两类。在 同步协议中，相邻的节点周期性地相互交换同步信息，使它们以相同的节拍进行睡眠调度。 然而，定期地交换信息会产生额外的通信负担，消耗大量能量。如果传感器节点在大部分时 间内没有数据发送，那么让它们随时都保持同步的做法效率很低，而且精确的时钟同步算 法开销巨大，也抵消了睡眠调度本身的能耗降低。在异步协议中，除了基站，所有节点独立 地进行睡眠调度。由于节点之间互相都不知道对方的睡眠调度，所以发送节点必须等到接 收节点醒来后才能向它传输数据包。
[0005] 节点睡眠调度算法按网络结构分，可分为非层次型网络的睡眠调度算法和层次型 网络的睡眠调度算法，其中，非层次型网络的睡眠调度算法主要又包括两类：MSNL算法和 不需要位置信息的LDAS算法，MSNL算法中的节点有3种状态：活动状态、睡眠状态、过渡状 态，当节点处于过渡状态时，如果它发现的监测区域不能被其他活动状态或过渡状态的节 点覆盖，它就立即转为活动状态，但是MSNL算法的局限在于需要精确的位置信息并且多个 相邻的节点可能同时进入睡眠状态；LDAS算法基于部分冗余调度，但是其只适用于节点均 匀分布的情况。层次型网络的睡眠调度算法主要是Heinzelman等人提出了一直被广泛引 用的LEACH算法，所有节点周期休眠，唤醒后决定自己是否成为簇头，其缺点在于时钟同步 算法的开销较大，且不能保证簇头的均匀分配，导致节点间能耗不均衡。
[0006] 目前常用层次型网络一般采用簇首直接与汇聚节点（Sink节点）通信的方式，对 于大规模农田无线传感器网络，远距离单跳数据通信的能量效率低下，且同步睡眠调度中 同步唤醒对时钟同步的精度要求高，增加了额外的算法开销，同时所有节点同时唤醒成簇， 造成长时间无线信道冲突，造成了较长的网络碰撞时间，进行簇首选举还需要占用全部节 点的大量工作时间，这几方面均增加了额外的节点能耗，导致睡眠调度算法总体能耗效率 不高。此外，现有技术在簇内数据汇集时多采用TDM技术，减少节点间冲突与监听等待时 间，但仅限于簇内节点间的时分多址，而没有考虑相邻簇的相邻节点间信道冲突问题，而防 冲突机制会使冲突节点进行延时等待，进而会与簇内其他时间片的节点继续信道冲突，以 此类推而造成整体通信、能耗效率低下。
[0007] 而现有非层次型网络多采用异步睡眠调度方式，由于异步睡眠调度时节点独立地 进行睡眠调度，很难保证任意时刻的网络连通性，导致网络时延无法保证。另一方面，为保 证网络连通性，异步睡眠调度需要在任意节点保存维护所有相邻节点位置、能量、覆盖等信 息，部分现在技术还需要进行信道监听，以判断当前条件下是否需要唤醒节点以保证网络 连通覆盖，增加了大量系统能耗开销。
[0008] 现有技术中的拓扑控制方法均是针对普通电池节点场景，始终存在部分功能负担 较重的高能耗节点。
【发明内容】
[0009] 本发明所要解决的技术问题是现有技术中的拓扑控制方法均是针对普通电池节 点场景，始终存在部分功能负担较重的高能耗节点，如何降低电池节点能耗是本发明需要 解决的问题。
[0010] 为此目的，一种农田自组织网络可再生能源节点差异化拓扑控制方法，所述方法 包括：
[0011] 簇头节点从预设的起始唤醒时间开始，经过预设的唤醒时长实现唤醒，并向其覆 盖范围内的节点广播成簇信息，所述成簇信息包括簇头节点ID ;
[0012] 所述簇头节点在接收到普通节点加入簇的信息后，根据普通节点上传的数据，对 所述普通节点进行时间片配置，并将所述时间片配置信息发送到所述普通节点；其中，所述 时间片为普通节点的完成一次数据采集与上传的最大时长，所述普通节点在其时间片结束 后进入休眠状态，所述时间片的长度为预设长度；
[0013] 所述簇头节点在唤醒后接收簇内的普通节点发送的数据，并在所有簇内的普通节 点休眠后，开始进行簇间数据汇聚，所述簇间数据汇聚的时长为预设时长，在所述预设时长 结束后，所述簇头节点进入休眠状态。
[0014] 可选的，所述普通节点的入簇方式为：
[0015] 所述普通节点选择最近的连通簇头节点加入；
[0016] 所述普通节点在确定连通范围内没有簇头节点之后，选择邻居节点成为其子节 点。
[0017] 可选的，所述普通节点在确定连通范围内没有簇头节点之后，选择邻居节点成为 其子节点，包括：
[0018] 所述普通节点选择邻居节点中能量最大的邻居节点成为其子节点；
[0019] 若所述普通节点在确定能量最大的邻居节点数量多于一个，选择距离簇头节点最 近的邻居节点成为其子节点；
[0020] 记录所有连通的邻居节点信息。
[0021] 可选的，所述簇头节点的选举方式为：
[0022] 在网络初始化时,所述簇头节点由可再生能源节点担任,所述普通节点由电池节 点担任；
[0023] 在非网络初始化时，簇头节点根据自身的状态信息，按预设规则，确定簇头节点； 其中，所述状态信息包括：簇头节点CH低能量转换簇头LE以及普通节点BN。
[0024] 可选的，所述在非网络初始化时，簇头节点根据自身的状态信息，按预设规则，确 定簇头节点，包括：
[0025] 簇头节点在确定自身的状态信息为簇头节点CH之后，宣布自身为当前这一次数 据采集及上传的簇头节点；
[0026] 簇头节点在确定自身储存能量大于或等于预设能量阈值E1之后，修改自身的状态 信息为簇头节点CH ;
[0027] 簇头节点在确定自身储存能量小于预设能量阈值E1之后，修改自身的状态信息为 普通节点LE ;
[0028] 低能量转换簇头节点在确定自身的状态信息为LE以及自身储存能量小于预设能 量阈值E1之后，按预设规则，选择下一轮数据采集及上传的簇头节点，并在簇内广播新簇头 信息，在本轮任务结束时修改自身的状态信息为普通节点BN ;
[0029] 可再生能源节点在确定自身的状态信息为低能量转换簇头LE以及自身储存能量 大于或等于预设能量阈值E1之后，立即修改自身的状态信息为簇头节点CH，并宣布自身为 簇头节点，并进行成簇。
[0030] 可再生能源节点在确定自身的状态信息为普通节点BN以及自身储存能量大于或 等于预设能量阈值E1之后，向当前簇头节点发送簇头申请消息，在本轮结束时修改自身的 状态信息为簇头节点CH，下一数据上传周期成为簇头。
[0031] 可选的，所述方法进一步包括：
[0032] 簇头节点在确定普通节点完成数据采集与上传之后，根据自身的状态信息，对其 调度配置信息进行更新，若簇头节点为电池节点，则不更新簇内节点的调度配置信息，下一 次数据采集与上传继续按本轮上传时序进行汇集。
[0033] 可选的，所述簇头节点在接收到普通节点加入簇的信息后，根据普通节点上传的 数据，对所述普通节点进行时间片配置，包括：
[0034] 簇头节点设置T1时段为簇头节点唤醒与初始化时段；
[0035] 簇头节点设置T2时段，用于分配簇内普通节点的时间片；
[0036] 簇头节点设置T3时段，用于对转派的普通节点的数据汇集，所述转派的过程如下： 宣布下一次数据汇集不再成为簇头节点的簇头节点，将其簇内的拥有多个可连通簇头节点 的普通节点进行转派；
[0037] 簇头节点对于普通节点在T2时段的时间片分配先后顺序如下：
[0038] 对于完全休眠节点：对在某一次数据采集及上传的周期完全休眠的节点，将在其 休眠周期的下一周期被分配最靠后的时间片，若同时存在多个完全休眠节点，则按节点能 量由低到高依次排序，剩余能量越高越靠后；其中，所述完全休眠节点满足如下条件：若某 节点i的覆盖范围被其相邻节点完全覆盖，且节点i的剩余能量小于覆盖其范围的任一相 邻节点，则节点i下一轮不分配时间片，完全休眠无需唤醒工作，节点i为完全休眠节点；
[0039] 对于带有子节点的簇内节点：对于带有子节点i的簇内节点j，在进行时间片分配 前先进行子节点接入点判断选择，若子节点的所有连通邻居节点数量为nz，这\个节点分 布于z个簇中，其中有Za个节点属于当前接入的簇中，则该子节点邻居节点根据在各簇之 间的数量分布分配其接入各簇的时间；
[0040] 选择子节点i连通邻居节点中能量最大的簇内节点，若有能量最大的节点数量多 于一个，则选择距离簇头最近的节点k作为新的接入点；
[0041] 若k = j，则对节点j 一次性分配剩余时间片中最靠前两块时间片，并由节点k将 配置信息转发子节点i ;
[0042] 若k尹j，将剩余时间片中最靠前的两块时间片分配给节点k和i，并由节点j将 配置信息转发子节点i ;
[0043] 对于其余节点按预设规则进行时间片分配：在网络初始化阶段，簇头节点以50% 概率决定按距离簇头节点距离由远到近亦或由近到远进行时间片先后分配。
[0044] 可选的，所述方法进一步包括：，
[0045] 在Tl时段，簇头节点最先唤醒，初始化后转入网络监听状态，唤醒时间为Tl时段 起始时间延时预设时间；
[0046] 在T2时段，普通节点根据簇头节点发送的时间片，在所述时间片内进行数据采集 与上传，并获取新的时间片；
[0047] 在T3时段，转派的节点根据簇头节点发送的时间片，进行数据上传，若当前簇无 转派的节点，则簇头节点在该时间段转入睡眠状态。
[0048] 在T3时段结束后进入T4时段，所有簇头节点按平面扩散方式建立簇头节点间的 连接，并从最远端起进行数据汇集，汇集的路径按最少转发次数规则进行选择，相同情况 下，选取簇内节点数量较少的簇头节点作为数据中继节点，可再生能源簇头不得选取普通 节点簇头作为转发中继。
[0049] 相比于现有技术，第一方面，本发明的农田自组织网络可再生能源节点差异化拓 扑控制方法，针对农田环境监测数据时延要求不高的特点，将传统层次型网络同步睡眠调 度与非层次型网络异步睡眠调度相结合，取长补短，通过可再生能源节点的引入，解决传统 层次型网络簇首长时间监听能耗过大的问题。通过可再生能源节点的承担额外的网络监听 与调试功能，减少普通节点的监听等待时间，降低普通节点的算法开销，将普通节点的功耗 降到最低。此外通过感知异构节点的不同剩余能量信息，进行能耗感知睡眠调度，使剩余能 量低的节点优先地、更多地进入或处于休眠状态，实现节点间的能耗均衡。
[0050] 第二方面，农田环境中的可再生能源主要为太阳能或风能，其能量来源非持续，也 不固定，且受天气影响较大，所以可再生能源节点并不是理想的"无限能量"节点，本发明的 农田自组织网络可再生能源节点差异化拓扑控制方法，在充分利用可再生能源的同时避免 可再生能源中断造成网络瘫痪，保证网络长时间稳定运行，在恶劣天气条件下保证网络长 时间稳定工作。
【专利附图】
【附图说明】
[0051] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发 明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根 据这些附图获得其他的附图。
[0052] 图1示出了虚拟同步时间片分配图；
[0053] 图2示出了农田自组织网络可再生能源节点差异化拓扑控制方法示意图；
[0054] 图3示出了农田自组织网络可再生能源节点差异化拓扑控制方法子节点接入轮 换示意图；
[0055] 图4示出了农田自组织网络可再生能源节点差异化拓扑控制方法流程图。
【具体实施方式】
[0056] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例 中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明 一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有 做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0057] 针对大规模农田无线传感器网络监测面积大、节点数量多、能量受限、多级能量异 构等特点，引入可再生能源节点，本实施例公开一种农田自组织网络可再生能源节点差异 化拓扑控制方法。
[0058] 不失一般性，本实施例针对的农田无线传感器监测场景面积为S，针对的农田无线 传感器监测场景面积为S，部署的节点总数量为N，其中可再生能源节点数量为队，普通电池 节点的初始能量为Etl，所有节点的通信半径可调，正常通信范围介于最大通信半径rmax与最 小通信半径rmin之间。另有簇头模式下的通信半径为rai>r_。采用现有方法进行节点部 署，满足网络连通性与监测区域覆盖要求，可再生能源节点总体上分散于监测区域，数量分 布规律与节点密度关联。可再生能源节点存储和维护全部节点位置信息，普通电池节点需 要时向连通的可再生能源节点请求相关位置信息。
[0059] 层次型网络结构由簇头承担全部的数据转化任务，与利用可再生能源承担网络能 耗的思路十分吻合，所以在可再生能源条件下，层次型网络优势显著。但因为动态成簇算法 的簇首节点不固定，难以有效保证所有节点均有效成簇，即无法保证簇首节点对所有节点 位置的点覆盖。另一方面，层次型网络中簇首与汇聚节点sink节点直接通信，无线通信能 耗模型为：
[0060] 节点发送1比特数据需要消耗的能量Etx为
【权利要求】
1. 一种农田自组织网络可再生能源节点差异化拓扑控制方法，其特征在于，所述方法 包括： 簇头节点从预设的起始唤醒时间开始，经过预设的唤醒时长实现唤醒，并向其覆盖范 围内的节点广播成簇信息，所述成簇信息包括簇头节点ID; 所述簇头节点在接收到普通节点加入簇的信息后，根据普通节点上传的数据，对所述 普通节点进行时间片配置，并将所述时间片配置信息发送到所述普通节点；其中，所述时间 片为普通节点的完成一次数据采集与上传的最大时长，所述普通节点在其时间片结束后进 入休眠状态，所述时间片的长度为预设长度； 所述簇头节点在唤醒后接收簇内的普通节点发送的数据，并在所有簇内的普通节点休 眠后，开始进行簇间数据汇聚，所述簇间数据汇聚的时长为预设时长，在所述预设时长结束 后，所述簇头节点进入休眠状态。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述普通节点的入簇方式为： 所述普通节点选择最近的连通簇头节点加入； 所述普通节点在确定连通范围内没有簇头节点之后，选择邻居节点成为其子节点。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述普通节点在确定连通范围内没有簇 头节点之后，选择邻居节点成为其子节点，包括： 所述普通节点选择邻居节点中能量最大的邻居节点成为其子节点； 若所述普通节点在确定能量最大的邻居节点数量多于一个，选择距离簇头节点最近的 邻居节点成为其子节点； 记录所有连通的邻居节点信息。
4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述簇头节点的选举方式为： 在网络初始化时，所述簇头节点由可再生能源节点担任，所述普通节点由电池节点担 任； 在非网络初始化时，簇头节点根据自身的状态信息，按预设规则，确定簇头节点；其中， 所述状态信息包括：簇头节点CH低能量转换簇头LE以及普通节点BN。
5. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述在非网络初始化时，簇头节点根据自 身的状态信息，按预设规则，确定簇头节点，包括： 簇头节点在确定自身的状态信息为簇头节点CH之后，宣布自身为当前这一次数据采 集及上传的簇头节点； 簇头节点在确定自身储存能量大于或等于预设能量阈值E1之后，修改自身的状态信 息为簇头节点CH; 簇头节点在确定自身储存能量小于预设能量阈值E1之后，修改自身的状态信息为普 通节点LE; 低能量转换簇头节点在确定自身的状态信息为LE以及自身储存能量小于预设能量阈 值E1之后，按预设规则，选择下一轮数据采集及上传的簇头节点，并在簇内广播新簇头信 息，在本轮任务结束时修改自身的状态信息为普通节点BN; 可再生能源节点在确定自身的状态信息为低能量转换簇头LE以及自身储存能量大于 或等于预设能量阈值E1之后，立即修改自身的状态信息为簇头节点CH，并宣布自身为簇头 节点，并进行成簇。 可再生能源节点在确定自身的状态信息为普通节点BN以及自身储存能量大于或等于 预设能量阈值E1之后，向当前簇头节点发送簇头申请消息，在本轮结束时修改自身的状态 信息为簇头节点CH，下一数据上传周期成为簇头。
6. 根据权利要求1所述的方法，其特征还在于，所述方法进一步包括： 簇头节点在确定普通节点完成数据采集与上传之后，根据自身的状态信息，对其调度 配置信息进行更新，若簇头节点为电池节点，则不更新簇内节点的调度配置信息，下一次数 据采集与上传继续按本轮上传时序进行汇集。
7. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述簇头节点在接收到普通节点加入簇 的信息后，根据普通节点上传的数据，对所述普通节点进行时间片配置，包括： 簇头节点设置时段为簇头节点唤醒与初始化时段； 簇头节点设置T2时段，用于分配簇内普通节点的时间片； 簇头节点设置T3时段，用于对转派的普通节点的数据汇集，所述转派的过程如下：宣布 下一次数据汇集不再成为簇头节点的簇头节点，将其簇内的拥有多个可连通簇头节点的普 通节点进行转派； 簇头节点对于普通节点在T2时段的时间片分配先后顺序如下： 对于完全休眠节点：对在某一次数据采集及上传的周期完全休眠的节点，将在其休眠 周期的下一周期被分配最靠后的时间片，若同时存在多个完全休眠节点，则按节点能量由 低到高依次排序，剩余能量越高越靠后；其中，所述完全休眠节点满足如下条件：若某节点 i的覆盖范围被其相邻节点完全覆盖，且节点i的剩余能量小于覆盖其范围的任一相邻节 点，则节点i下一轮不分配时间片，完全休眠无需唤醒工作，节点i为完全休眠节点； 对于带有子节点的簇内节点：对于带有子节点i的簇内节点j，在进行时间片分配前先 进行子节点接入点判断选择，若子节点的所有连通邻居节点数量为nz，这nz个节点分布于 z个簇中，其中有^个节点属于当前接入的簇中，则该子节点邻居节点根据在各簇之间的数 量分布分配其接入各簇的时间； 选择子节点i连通邻居节点中能量最大的簇内节点，若有能量最大的节点数量多于一 个，则选择距离簇头最近的节点k作为新的接入点； 若k=j，则对节点j一次性分配剩余时间片中最靠前两块时间片，并由节点k将配置 信息转发子节点i; 若k尹j，将剩余时间片中最靠前的两块时间片分配给节点k和i，并由节点j将配置 信息转发子节点i; 对于其余节点按预设规则进行时间片分配：在网络初始化阶段，簇头节点以50%概率 决定按距离簇头节点距离由远到近亦或由近到远进行时间片先后分配。
8. 根据权利要求7所述的方法，其特征还在于，所述方法进一步包括：， 在T1时段，簇头节点最先唤醒，初始化后转入网络监听状态，唤醒时间为T1时段起始 时间延时预设时间； 在T2时段，普通节点根据簇头节点发送的时间片，在所述时间片内进行数据采集与上 传，并获取新的时间片； 在T3时段，转派的节点根据簇头节点发送的时间片，进行数据上传，若当前簇无转派 的节点，则簇头节点在该时间段转入睡眠状态。 在T3时段结束后进入T4时段，所有簇头节点按平面扩散方式建立簇头节点间的连接， 并从最远端起进行数据汇集，汇集的路径按最少转发次数规则进行选择，相同情况下，选取 簇内节点数量较少的簇头节点作为数据中继节点，可再生能源簇头不得选取普通节点簇头 作为转发中继。
【文档编号】H04W52/02GK104378812SQ201410709045
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年11月28日 优先权日:2014年11月28日
【发明者】缪祎晟, 吴华瑞, 李庆学, 顾静秋, 高荣华 申请人:北京农业信息技术研究中心