基于能量采集的无线传感器网络及其低延迟路由方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线传感网络路由方法，具体涉及一种基于能量采集的无线传感器网 络低延迟路由方法。
【背景技术】
[0002] 无线传感器网络是由一组传感器节点自组织而形成的一个多跳无线网络，不需要 固定网络支持，具有快速展开、抗毁性强等优势，同时还具有自组织、多跳、动态拓扑和能量 资源受限等特点。它能够在人们无法接近的恶劣或特殊环境中工作。由于微型传感器节点 能力有限且成本低廉，无线传感器网络中通常部署数量庞大的微型传感器节点和一个能量 不受限制且处理能力较强的基站节点（或称Sink节点）。传感器节点协同感知、采集和处 理网络覆盖的地理区域中感知对象的数据，并将这些数据通过多跳路由传送给基站，最后 通过互连网或卫星到达管理节点。传感器网络目前广泛地应用于国防军事、国家安全、环境 监测和医疗卫生等领域。路由技术作为无线传感器网络中的一种重要支撑技术，直接关系 到网络的运行质量。
[0003] 传感器节点通常采用大量密集部署方式，价格低廉使得节点在通信能力、信息处 理能力和能量供应系统方面采用较为简单低廉的芯片技术。传统的无线传感器网络通常采 用便携式电池作为能量供应系统，电池存储能力的有限性使得电池能量很容易耗尽，传感 器节点失去动力后就会被遗弃。近几十年来，蓄电池技术一直没有获得突破性的进展，电池 能量的有限性使得网络寿命成为影响无线传感器网络应用推广的短板，同时电池耗尽电能 后通常被遗弃于野外，也对自然环境造成一定的污染。随着技术的进步，人们将目光投向了 自然的清洁能源，希望将外部环境中的自然资源转化为传感器节点可以使用的电能，其中， 太阳能的利用最为广泛。人类利用太阳能的时间还要早于利用蓄电池的时间。
[0004] 随着技术的进步，目前存在一些能量转换技术，使无线传感节点能够从环境中采 集或收集能量。能量采集技术与应用环境密切相关，其中，最常用的有太阳能电池技术，此 夕卜，还有振动取电，温差取电以及依赖机械运动引发等各种能量转换技术等。当前的环境能 量收集技术已经能为无线传感器网络节点提供适量的能量补给，能量供应系统的改变为无 线传感器技术发展提供了新方向，尤其是路由协议的研宄。在传统无线传感器网络系统中， 由于使用能量有限的电池，路由协议主要以节能和提高能量的利用率为目标，最大限度延 迟网络生命期。在以能量采集或能量再生能能量供应系统的无线传感器网络中，网络生命 期不再是一个主要问题，如果可以合理利用有效的采集能量，传感器系统可以一直工作到 节点物理器件损坏为止，时间甚至可以超过10年。由于能量储存系统不便于设计过大，所 以能量储存能力有限，节点尽快将能量耗尽继续可以从外部吸取更多的能量，节能反而降 低系统工作效率。所以在传统无线传感器网络下设计的以节能为目标的路由协议将不再适 用于以能量采集技术为前提的无线传感器网络系统。
[0005] 能量采集的无线传感器网络作为新型的无线传感器网络技术研宄方向，当前的研 宄处于起步阶段。在基于能量采集系统的无线传感器网络中，虽然可以解决当节点能量有 限性问题，但是在路由设计中将面临新的问题。首先为了便于节点大规模随机布设，节点通 常较小便于携带和抛洒，那么节点的能量转换系统通常较小，如传感节点上的太阳能电池 板尺寸通常较小。再者，节点上的储存系统占据节点的大部分空间，通常也较小，造成节点 电能储存能力也较小。再加上当前能量转换技术的限制，依靠节点的能量采集技术提供的 电量并不能保证节点持续性的工作，节点大部分时间都处于充电状态，也即节点工作必须 维持一个较低的占空比。节点的能量采集系统具有较强的环境依赖性，当外部环境发生变 化时，采集到的能量就会发生变化，不同的节点处于不同的环境也会采集到不同的能量，所 以节点的工作时间具有很强的随机性。节点工作在较低的占空比下和工作时间的随机性使 得在能量采集的无线传感器网络系统下，数据延迟比以往传统无线传感器网络要严重和复 杂的多，在某些时候数据传输延迟变得难以忍受。
[0006] 在能量采集的无线传感器网络中，要实现数据传输延迟最小化，必须要面临两个 问题，首先是节点由于对环境极强的依赖性所带来的工作时间的不确定性，工作时间的不 确定性导致节点无法掌握邻居节点的工作时间，由于能量采集的有限性，节点也不能像传 统网络下节点不断探测其他节点的工作状态，导致节点不能及时将数据传往下一跳节点。 另一个问题是节点工作必须维持在一个较低的占空比下，也即为节点大部分时间都处于充 电状态，而不能及时对数据进行转发。这两个问题如果不能有效解决或者不能将不利因素 降到最低，数据延迟将不可控制，会极大影响作为基于新型能源的无线传感器网络系统的 推广使用。
【发明内容】
[0007] 本发明所要解决的技术问题是针对具有能量采集技术的无线传感器网络系统的 数据传输效率问题，提出一种能量采集的无线传感器网络低延迟路由方法，以解决由于节 点工作在较低的占空比下和工作时间的随机性所带来的较大的数据传输延迟问题，提高网 络运行效率，确保数据及时到达目标节点。
[0008] 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0009] 一种无线传感器网络，所述无线传感器网络包括基站节点和随机分布在监测区域 中的若干普通节点，其特征在于：每个普通节点均包括可充电系统和能量储备系统，其中可 充电系统用于将外部自然能源转化为电能并储存在能量储备系统中，当能量储备系统的电 能不足时，启动该节点的可充电系统并一直到电能充满为止；
[0010] 所述普通节点的整个工作时间分为若干个工作周期，一个工作周期中所处的状态 由多个工作状态和空闲状态组成，所述多个工作状态为：充电状态、数据包接收状态、数据 包发送状态、侦听状态，其中充电状态能够与其它状态并行工作，其它状态之间不能并行工 作。
[0011] 进一步的，本发明的一种无线传感器网络，所述普通节点均具有相同的通信能力、 信息处理能力，以及相同的传输半径和唯一标识。
[0012] 进一步