一种射频能量捕获无线传感器网络的数据收集方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线传感器网络技术领域，具体设及在能量捕获无线传感器网络中， 结合网络中节点的剩余能量和节点捕获能量能力状况，分步地对传感器节点中的数据逐层 采集到汇聚节点的实现方法。
【背景技术】
[0002] 无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)是当前在国际上备受关注的、 设及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域，被认为是对21世纪产生巨大影 响力的技术之一。无线传感器网络的研究，主要认为传感器节点由一些轻便和有限的能源 供电，例如电池。一旦传感器节点的能量耗尽，它就不能继续执行自己的任务直到重新部署 或更换电池。即使通过各种算法和协议去优化，节点的生命周期也非常的短，运严重的限制 了无线传感器网络的应用。
[0003] 能量捕获传感器网络化nergy 化rvesting Wireless Sensor 化twork，邸-WSN) 的传感器节点带有捕获环境能量的装置，能够捕获环境中的能量(如无线电波，太阳能，风 能，动能等)来维持设备的运行。运样的无线传感器网络的应用也非常广泛，如在农业中部 署在户外用来监测各种环境数据（比如溫度，湿度等）。具有能量捕获的传感器节点的能量 捕获能力也是非常有限的，因此在需要收集节点数据时我们也需要避免某些节点因为处理 数据量过大而能量耗尽。
【发明内容】
[0004] 为了克服现有无线传感器网络的无法平衡网络中节点的剩余能量、网络生命周期 较短的不足，本发明提供一种应用于射频能量捕获无线传感器网络，能充分平衡网络中节 点的剩余能量，延长网络生命周期的数据收集方法。
[0005] 本发明提供的技术方案为：
[0006] -种基于射频能量捕获无线传感器网络的数据收集方法，通过发送"跳"命令实现 节点数据的分步收集，包括W下步骤：
[0007] 步骤1，数据汇聚节点向网络中的节点发送第P次"跳"命令，初始层Ip中未发送数 据的传感器节点向第Ip-I层的节点发送各自的数据；
[000引步骤2,在第Ip-I层中选择最佳的传感器节点来转发上一层发来的数据，被选中的 传感器节点获得了发送时隙，同层的其它节点则丢弃得到的数据；
[0009]步骤3,获得发送时隙的节点将接收到的来自第Ip层的数据和自身的数据发送给 第Ip-2层的传感器节点，同理第Ip-2层中最佳的传感器节点获得发送时隙，同层的其它的节 点丢弃得到的数据，W此类推直到数据传输到汇聚节点；
[0010]。跳"命令执行的次数为t:
[0012] N为根据传感器节点到汇聚节点的距离，对网络中节点进行分层而得到的网络总 层数，k为层号，其中每层的节点数为iik，ak为1表示第k层节点需要一个"跳"命令来收集数 据，祉为〇表示在执行前面的"跳"命令时第4层节点的数据已经全部传递到汇聚节点， ak满足如下条件：
[0014] 第P次"跳"命令的初始层为Ip :
[0015] Ip = p+Dp
[0016] 化的取值如下：
[0017] Dp=I 0,娜=1 '(；.玉+斯+:1，鮮:=々
[0018] 每一次的"跳"命令保证了初始层的传感器节点的数据都已经发送到了汇聚节 点。同时汇聚节点会将已经收集过数据的节点的MAC地址加入到命令的确认列表中。
[0019] 进一步，所述步骤2的最佳传递节点的选择，包括W下步骤：
[0020] 步骤2.1，初始层中未向汇聚节点发送过数据的节点向下一层的节点广播自身采 集的数据；
[0021] 步骤2.2,下一层未传递过数据的节点在收到由上层节点发来的数据后，采用类似 于802.11的MAC层协议中的分布式协调功能来决定传递节点，每一个收到数据的节点在发 送数据前都要等待一段DIFS时间，然后再等待一个随机产生的延迟发送时间，而本方法的 不同之处在于每个节点的延迟发送时间不再是随机产生，而是由节点的剩余能量所决定， 节点的剩余能量越大，延迟发送的时间越短；
[0022] 步骤2.3,同层的其他节点在准备发送数据时发现已有节点获得发送时隙，则丢弃 收到的数据包；
[0023] 再进一步，所述步骤2.2中，当前节点的剩余能量为节点初始能量加上发送数据时 能够捕获的能量再减去发送数据到下一层节点所消耗的能量。
[0024] 本发明考虑EH-WSN下的如下场景:汇聚节点能量供给充足稳定，它发射的电磁能 可W被网络中其他节点捕获。运些节点通过单跳或多跳的方式将感知到的数据汇聚到汇聚 节点。汇聚节点在收集数据的过程中如何保证网络有更长的生命周期和较小的数据重复传 输是很有必要的。
[0025] 本发明的技术特点及效果：该方案综合考虑了节点初始能量、捕获的能量W及发 送数据量的大小对节点能量消耗的影响，选择了最佳的数据传递节点。同时W分步的方式 分散了节点的负载，平衡了网络中节点的剩余能量分布。
【附图说明】
[0026] 图1为本发明所采用的网络结构图。
[0027] 图2为MAC层协议示意图。
[0028] 图3为说明本发明所选用的具体网络的示意图
【具体实施方式】
[0029] 下面结合附图对发明做进一步说明。
[0030] 参照图1~图3,一种基于射频能量捕获无线传感器网络的数据收集方法，本发明 的实现设及的是具有射频能量捕获的无线传感器网络，整个网络的结构如图1所示。汇聚节 点能够向网络中的传感器节点发送射频能量，能够发送信标信号同步节点的时钟和发送特 定的命令让网络中的传感器节点执行任务。汇聚节点连接有源能量源，即汇聚节点的能量 是稳定且持久不变的。汇聚节点能够直接地传递射频能量和发送命令给网络中的所有节 点。由于无线传感器自身能量的限制，传感器节点的通信范围有限，网络中的无线传感器节 点只能与相邻的节点发送数据和通信。因此，需要根据传感器节点与汇聚节点的距离对网 络中的传感器节点进行分层，离汇聚节点较远的无线传感器节点的数据需要W多跳的方式 通过离汇聚节点更近的无线传感器节点转发到汇聚节点。
[0031] 本发明的基于射频能量捕获无线传感器网络的数据收集方法，通过发送"跳"命令 实现节点数据的分步收集，具体包括W下步骤：
[0032] 步骤1，数据汇聚节点向网络中的节点发送第P次"跳"命令，初始层Ip中未发送数 据的传感器节点向第Ip-I层的节点发送各自的数据；
[0033] 步骤2,初始层Ip中未向汇聚节点发送过数据的节点向下一层的节点广播自身采 集的数据，在第Ip-I层中未传递过数据的节点在收到由上层节点发来的数据后，采用类似 于802.11的MAC层协议中的分布式协调功能来决定传递节点，整个过程如图2所示。每一个 收到数据的节点在发送数据前都要等待一段DIFS时间，然后再等待一个随机产生的延迟发 送时间!wait,而本方法的不同之处在于每个节点的延迟发送时间不再是随机产生，而是由 节点的剩余能量所决定，节点的剩余能量为节点初始能量加上发送数据时能够捕获的能量 再减去发送数据到下一层节点所消耗的能量，节点的剩余能量越大，延迟发送的时间越短。 当节点得到发送时隙，首先发送一个RTS信号，接收节点收