专利名称：混合sink节点WSN及其数据收集方法
技术领域：
本发明涉及无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)技术领域,尤其涉及一种混合sink节点WSN及其数据收集方法。
背景技术：
随着物联网的发展，WSN作为物联网的神经末梢，已经成为人们研究的热点问题。典型的WSN是由大量微小的具有感知能力的无线传感器(sensor)节点和一个固定的汇集(sink)节点组成。他们被部署在不同的应用场景中，sensor节点将感知的数据通过单跳或多跳的方式传递给sink节点。研究表明，sink节点的近端sensor节点由于负载过大而导致其能量消耗远比远端sensor节点快,造成热点区域问题(hot spot)。这种不均勻的能量消耗降低了 WSN的性能，同时大大缩短了 WSN的寿命。为延长WSN的寿命，研究人员在WSN中引入了移动汇集sink节点，移动sink节点是指在WSN中能够按照指定路线移动的sink节点，其移动路线和速度可以通过网络控制；通过移动SINK节点的移动不断的转移热点区域，均衡网络能量分布，以达到延长寿命的目的。目前提出的解决方案有MULE、RP、MILP, GMRE方法等。MULE方法是让移动sink节点依次访问WSN中的所有sensor节点，当移动sink节点到达源sensor节点的通信范围时,源sensor节点将数据全部通过一跳方式发送给移动sink节点。这种方法虽然消除了节点的中继负载，减少了网络能耗，但带来了非常大的数据延迟，只适用于数据类型为延迟容忍型的WSN。RP方法就是为了减少MULE方法中数据延迟提出，在RP方法中，移动sink节点只访问被选中的几个集合点，区域内的数据先缓存到集合点处，并进行可能的数据融合，当移动sink节点到达其通信范围时,将其缓存的数据全部发送给移动sink节点。这种方式虽然可以减少移动sink节点的移动范围，改善延迟性能，但仍然只适合数据类型为延迟容忍型的WSN，延时容忍型数据是指该类型数据对延时相对不敏感，在传递过程中可以容忍一定的延时。MILP和GMRE两种方法均适用于数据类型为实时性的WSN，实时性数据是指该类型数据对延迟敏感，需要实时传递，延时越小越好。这两种方法中，移动sink节点根据全WSN或局部WSN中sensor节点实时剩余能量信息,在固定的几个位置中,选择下一个最佳的移动停留点。这两种方法在不同程度上都能改善网络寿命，但都需要各移动sink节点知道自己的地理位置信息，这在许多实际的网络中比较难实现，另外由于在实时网络场景下，移动sink节点每移动一次都要更新全网路由，额外的路由开销使得由移动sink节点带来的网络性能优化并不理想。另外考虑到在实际的应用场景中，如野外生态环境监测，农业生长环境监测，地震带环境监测等，网络中sensor节点主要是周期性上传监测数据，这些数据上传周期相对较长，且允许一定的时延；但当监测环境有异常情况发生时，因事件触发局部区域需要短时间内上报突发数据，这些数据对时延性能和丢包率都有很高的要求。所以，如何既能满足不同数据类型的服务需求又能很好的延长网络寿命，已经成为业内科技人员一项迫切需求解决的新课题。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种混合sink节点WSN及其数据收集方法，以解决WSN热点区域以及不能同时处理两种数据类型的问题。本发明提供一种混合sink节点WSM,包括一个固定sink节点、至少一个移动sink节点以及两个以上的sensor节点，上述WSM整体部署为圆形；上述固定sink节点设置在上述WSN的中心；上述sensor节点以上述固定sink节点为圆心，均匀设置在上述WSM覆盖范围内；上述移动sink节点按照预设的移动方式以预设移动半径绕上述固定sink节点移动。优选地,上述移动sink节点向与其相邻的sensor节点分发信标巾贞,并收集sensor节点发送的数据包；上述sensor节点判断是否收到信标帧，并在收到信标帧时，判断分发上述信标帧的sink节点是否在其一跳范围内，若是，则将数据包发送给上述移动sink节点；否则，判断数据包的类型，将延时容忍型数据包暂存到缓存区，将实时性数据包按照路由发送给上述固定sink节点的下一跳sensor节点，或者在未收到信标帧时，将数据包按照路由发送给上述固定sink节点的下一跳sensor节点。优选地，上述移动sink节点提供参数设置接口 ；上述sensor节点设置有状态定时器,在收到信标巾贞时，上述sensor节点启动上述状态定时器，同时将自身状态标记为移动sink节点的邻居节点，并在上述状态定时器工作期间再次收到信标帧时，重启上述状态定时器，或者在上述状态定时器到期后，取消状态标记，并将缓存区中的数据包按照路由发送给上述固定sink节点的下一跳sensor节点。优选地,上述sensor节点判断其缓存区的剩余空间是否小于等于预设值,并在上述剩余空间小于等于预设值，且移动sink节点不在其一跳范围内时,按照先进先出(FirstInput First Output, FIFO)原则将其缓存区中的数据包按照路由依次发送给上述固定sink节点的下一跳sensor节点,直至上述剩余空间大于上述预设值。本发明还提供一种混合sink节点WSN的数据收集方法，上述方法包括以下步骤移动sink节点周期性向与其相邻的sensor节点分发信标巾贞；收到信标巾贞的sensor节点判断上述移动sink节点是否在其一跳范围内，若是,贝Ij将数据包发送给上述移动sink节点；否则，将延时容忍型数据包暂存到缓存区，将实时性数据包按照路由发送给固定sink节点的下一跳sensor节点；未收到信标巾贞的sensor节点按照路由将数据包发送给固定sink节点的下一跳sensor 节点。优选地,上述方法在上述移动sink节点周期性向与其相邻的sensor节点分发信标中贞步骤前，还包括以下步骤为网内的所有sensor节点分别建立至少一条到固定sink节点的路由；计算上述移动sink节点的移动半径；、
为上述移动sink节点设置移动半径及移动方式。优选地，上述移动sink节点最佳移动半径U通过如下公式计算
权利要求
1.ー种混合sink节点无线传感网络WSM,包括ー个固定sink节点、至少ー个移动sink节点以及两个以上的sensor节点，其特征在于，所述WSM整体部署为圆形； 所述固定sink节点设置在所述WSN的中心； 所述sensor节点以所述固定sink节点为圆心，均匀设置在所述WSM覆盖范围内； 所述移动sink节点按照预设的移动方式以预设移动半径绕所述固定sink节点移动。
2.根据权利要求I所述的混合sink节点WSN，其特征在于， 所述移动sink节点向与其相邻的sensor节点分发信标巾贞,并收集sensor节点发送的数据包； 所述sensor节点判断是否收到信标帧，并在收到信标帧时，判断分发所述信标帧的sink节点是否在其一跳范围内，若是，则将数据包发送给所述移动sink节点，否则，判断数据包的类型，将延时容忍型数据包暂存到缓存区，将实时性数据包按照路由发送给所述固定sink节点的下一跳sensor节点；或者在未收到信标巾贞时,将数据包按照路由发送给所述固定sink节点的下一跳sensor节点。
3.根据权利要求2所述的混合sink节点WSN，其特征在于， 所述移动sink节点提供參数设置接ロ ； 所述sensor节点设置有状态定时器,在收到信标巾贞时,所述sensor节点启动所述状态定时器，同时将自身状态标记为移动sink节点的邻居节点，并在所述状态定时器工作期间再次收到信标帧吋，重启所述状态定时器，或者在所述状态定时器到期后，取消状态标记，并将缓存区中的数据包按照路由发送给所述固定sink节点的下一跳sensor节点。
4.根据权利要求2所述的混合sink节点WSN，其特征在于， 所述sensor节点判断其缓存区的剩余空间是否小于等于预设值,并在所述剩余空间小于等于预设值，且移动sink节点不在其ー跳范围内时，按照先进先出FIFO原则将其缓存区中的数据包按照路由依次发送给所述固定sink节点的下一跳sensor节点，直至所述剩余空间大于所述预设值。
5.ー种混合sink节点WSN的数据收集方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤 移动sink节点周期性向与其相邻的sensor节点分发信标巾贞； 收到信标巾贞的sensor节点判断所述移动sink节点是否在其一跳范围内，若是,则将数据包发送给所述移动sink节点；否则，将延时容忍型数据包暂存到缓存区，将实时性数据包按照路由发送给固定sink节点的下一跳sensor节点； 未收到信标巾贞的sensor节点按照路由将数据包发送给固定sink节点的下一跳sensor节点。
6.根据权利要求5所述的混合sink节点WSN的数据收集方法，其特征在于，所述方法在所述移动sink节点周期性向与其相邻的sensor节点分发信标巾贞步骤前,还包括以下步骤 为网内的所有sensor节点分别建立至少一条到固定sink节点的路由； 计算所述移动sink节点的移动半径； 为所述移动sink节点设置移动半径及移动方式。
7.根据权利要求6所述的混合sink节点WSN的数据收集方法，其特征在于，所述移动sink节点最佳移动半径U通过如下公式计算其中， 2arcsin(r/ (u+r)), θ = l_M*arcsin (rAi) 表示网络节点最大能耗，Θ 表示移动sink节点邻居节点将实时数据发送给固定sink节点的概率,M为移动sink节点的个数，R为网络覆盖半径，:r为sensor节点通信半径，P是sensor节点数据上传速率,p是sensor节点上传数据中实时数据的比例，且P e
, ε为sensor节点发送和接收单元数据需要消耗的能量，u为移动是sink节点的移动半径。
当Emax(M)取最小值时所对应的u即是移动sink节点的最佳移动半径U。
8.根据权利要求6所述的混合sink节点WSN的数据收集方法，其特征在于，所述移动方式为 所述移动sink节点从起始位起，每移动设定距离后，停留设定时间。
9.如权利要求5所述的混合sink节点WSN的数据收集方法，其特征在于，所述收到信标帧的sensor节点在收到信标帧时，还执行以下操作 启动状态定时器，将自身状态标记为移动sink节点的邻居节点。
10.根据权利要求5所述的混合sink节点WSN的数据收集方法，其特征在于，所述收到信标巾贞的sensor节点判断出所述移动sink节点不在其ー跳范围内时,还执行以下操作 判断数据包的类型。
11.根据权利要求5所述的混合sink节点WSN的数据收集方法，其特征在于，所述收到信标帧的sink节点将延时容忍型数据包暂存到缓存区后，还执行以下步骤 周期性判断缓存区的剰余空间是否小于等于预设值，若是，则按照FIFO原则将缓存区中的数据包依次通过路由发送给固定sink节点的下一跳sensor节点,直至所述剩余空间大于所述预设值。
12.根据权利要求9所述的混合sink节点WSN的数据收集方法，其特征在于，所述收到信标帧的sensor节点在所述状态定时器工作期间，若再次收到信标帧，则重启所述状态定时器；否则，在所述状态定时器到期后，取消状态标记，并将缓存区中的数据包按照路由发送给固定sink节点的下一跳sensor节点。
13.根据权利要求5-12中任一项所述的混合sink节点WSN的数据收集方法，其特征在于，所述数据包包括所述sensor节点自身生成的数据包及其他sensor节点发送来的数据包。
全文摘要
本发明涉及一种混合sink节点WSM及其数据收集方法，该WSN包括一个固定sink节点、至少一个移动sink节点以及两个以上的sensor节点；该方法包括移动sink节点周期性向与其相邻的sensor节点分发信标帧；收到信标帧的sensor节点将数据包发送给在其一跳范围内的移动sink节点，或者将延时容忍型数据包暂存到其缓存区，将实时性数据包按照路由发送给到固定sink节点的下一跳sensor节点；未收到信标帧的sensor节点按照路由发送数据包。本发明解决了WNS热点区域及现有WSN不能同时处理不同数据类型的问题。
文档编号H04W84/18GK102695180SQ20111007086
公开日2012年9月26日 申请日期2011年3月23日 优先权日2011年3月23日
发明者张红梅, 杨光, 蒋挺, 许玲, 钟怡 申请人:中兴通讯股份有限公司