专利名称：面向无线传感器网络簇内同构型节点的数据汇聚方法
技术领域：
本发明属于无线传感器网络信息处理领域，涉及一种面向无线传感器网络簇内同构型节点的数据汇聚方法。
背景技术：
无线传感器网络(WSN)作为一种新兴的信息采集与监测技术，在工业、军事、交通、医疗等领域有着广阔的应用前景。WSN —般由部署在同一区域的低成本或廉价传感器节点组成，通过多个节点协同监测同一环境对象或目标，并将它们的监测结果交给汇聚节点或基站进行融合处理，从而实现对所处环境目标或对象的有效而可靠的监测。然而，节点的能 量供给和处理能力有限以及网络本身可能处于恶劣环境等因素造成无线传感器网络节点容易出现各种故障或错误，影响网络监测结果的正确性和可靠性，容易造成网络对监测对象的误判。由于节点被干扰和发生故障不可避免，因此，一方面网络与节点都需具备检查发现或诊断故障的能力，另一方面，网络也应该可以容许部分节点发生错误或故障。从数据汇聚方法上使得WSN能够容错而又节能对无线传感器网络保持和提高性能至关重要。针对WSN所处环境的复杂性和无线通信本身的不可靠性，在WSN的应用中常用多节点同时监测同一环境对象的协同工作方式。这使WSN的观测信息在时间和空间上存在冗余。存在冗余性显然有利于提高监测的准确性与可靠性，其前提是要求无线传感器网络或节点能够通过信息处理自识别错误和故障或者能避免它们对监测结果的影响。因此，有必要设计一种面向无线传感器网络簇内同构型节点的数据汇聚方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种面向无线传感器网络簇内同构型节点的数据汇聚方法，该面向无线传感器网络簇内同构型节点的数据汇聚方法能在高故障率下针对簇内不同成员节点数和不同故障情况下实施节能的具有容错性的数据汇聚。发明的技术解决方案如下—种面向无线传感器网络簇内同构型节点的数据汇聚方法，该方法面向分簇结构的无线传感器网络，由簇首节点与簇成员节点按多节点协同工作流程实现数据汇聚，其中簇首节点的操作步骤如下a)初始时刻，把簇内节点的测量值的权系数都设为1，当分簇时确定的本簇成员节点总数超过20时，从中随机选取1(T12个节点参与首轮监测；b)从第一轮开始，每三轮一次，根据所接收的成员节点发送的环境噪声观测值，采用贝塞尔公式估计环境的白噪声水平O，以O作为成员节点自己评判是否存在故障的误差信号参考值；然后将其无线通信模块置于发送状态，发送O给簇内成员，每三轮更新一次O值；c)将无线通信模块转入接收状态，接收本轮工作的各成员节点报送的经过滤波处理的测量值，以及各节点前一轮自己评定的本轮测量的可信等级(首轮不需要)置信等级是节点按自评规则(后面有论述)确定的等级标示符号，根据当前参与汇聚的簇成员节点数和节点测量值的置信等级以及对故障的预估最差情况，按权系数计算规则确定各节点监测值的权系数，将无线通信 模块转入等待状态；d)若当前工作的簇内成员节点数为8以上，则选用加权伪中值滤波策略，以当前工作的成员节点报送的监测数据的加权伪中值作为本轮的最终汇聚结果，转步骤g;否则进入下一步；e)若当前工作的簇内成员节点数为7以下，则将无线通信模块转入发送状态，再依据该轮工作的成员节点报送的监测数据，采用加权中值滤波策略计算汇聚结果，将该汇聚结果作为本轮的汇聚初值发送给簇内成员；将无线通信模块转入接收状态，等待接收成员节点本轮第二次发送数据；f)将第二次接收的成员节点的监测值和置信等级与其本轮中节点第一次报送的监测值对比，对两次置信等级一致的各成员节点的测量值进行加权均值计算，以此结果作为本轮的汇聚结果；g)将无线通信模块转入发送状态，将本轮汇聚结果报送上级节点并广播给簇内成员，以此结果作为成员更新其监测值置信等级的判别标准，同时，发送根据成员节点的置信等级与已工作轮数确定的簇成员节点下轮工作或休眠的节点调度信息，该信息包括下一轮轮休一次的节点号码和参与工作的节点号码及其报送数据的顺序除非发出个别调整次序，否则该顺序一般为按号码数值先小后大的次序;进入休眠，休眠结束后转下一步；h)重复b g步骤。本轮工作的簇内任一成员节点的操作步骤如下I)启用传感器采集监测信号，采用7点或9点中值滤波消除测量信号中的脉动噪声干扰；若当前轮为每三轮一次的环境噪声信号采集轮，则以节点中低于工作电压的稳定电压参考源(由微控制器内配置的或节点电路设置的)的输出电压作为输入时的节点采样值，并使用滤波窗口宽度为5的中值滤波器滤除其中的脉动干扰噪声后计算环境背景噪声信息；2)将自己的无线通信模块转入发送状态，根据簇首调度命令指定的节点数据报送顺序一般来说即成员节点号码次序，在轮到本节点发送时向簇首节点发送本轮已经滤波处理的监测值和与其对应的监测值的置信等级、以及每三轮发送一次的环境噪声测量数据，然后将无线通信模块转入接收状态，等待并接收簇首信息；3)若接收到簇首发布的是本轮的汇聚初值，则据此值判定节点自身是否属于新生的明显故障节点；若自判为本轮新生明显故障节点，则按退出和加入规则自动退出本轮汇聚，待以后恢复正常后向簇首发送数据申请重新加入；若非明显故障节点，则将无线通信模块转入发送状态，按自己的顺序号，将监测结果重新发送簇首，以排除通信错误或故障影响，然后无线通信模块重新转入接收状态，等待并接收簇首信息；4)若收到的是本轮的最终汇聚结果，则依据该结果按自评规则更新自己监测值的
置信等级；5)根据簇首发布的调度命令，确定自己是参加下一个轮次工作或者下一轮休眠；6)按周期时间休眠后重复I广5)步骤。
其步骤b)中，o =med(0l，O2，…，on)，其中评yj自诊断为正常
权利要求
1.一种面向无线传感器网络簇内同构型节点的数据汇聚方法，该方法面向分簇结构的无线传感器网络，其特征在于由簇首节点与簇成员节点按多节点协同工作流程实现数据汇聚，其中簇首节点的操作步骤如下 a)初始时刻，把簇内节点的测量值的权系数都设为1，当分簇时确定的本簇成员节点总数超过20时，从中随机选取1(Γ12个节点参与首轮监测； b)从第一轮开始，每三轮一次，根据所接收的成员节点发送的环境噪声观测值，采用贝塞尔公式估计环境的白噪声水平σ，以σ作为成员节点自己评判是否存在故障的误差信号参考值；然后将其无线通信模块置于发送状态，发送σ给簇内成员，每三轮更新一次σ值； c)将无线通信模块转入接收状态，接收本轮工作的各成员节点报送的经过滤波处理的测量值，以及各节点前一轮自己评定的本轮测量的可信等级，根据当前参与汇聚的簇成员节点数和节点测量值的置信等级以及对故障的预估最差情况，按权系数计算规则确定各节点监测值的权系数，将无线通信模块转入等待状态； d)若当前工作的簇内成员节点数为8以上，则选用加权伪中值滤波策略，以当前工作的成员节点报送的监测数据的加权伪中值作为本轮的最终汇聚结果，转步骤g;否则进入下一步； e)若当前工作的簇内成员节点数为7以下，则将无线通信模块转入发送状态，再依据该轮工作的成员节点报送的监测数据，采用加权中值滤波策略计算汇聚结果，将该汇聚结果作为本轮的汇聚初值发送给簇内成员；将无线通信模块转入接收状态，等待接收成员节点本轮第二次发送数据； f)将第二次接收的成员节点的监测值和置信等级与其本轮中节点第一次报送的监测值对比，对两次置信等级一致的各成员节点的测量值进行加权均值计算，以此结果作为本轮的汇聚结果； g)将无线通信模块转入发送状态，将本轮汇聚结果报送上级节点并广播给簇内成员，以此结果作为成员更新其监测值置信等级的判别标准，同时，发送根据成员节点的置信等级与已工作轮数确定的簇成员节点下轮工作或休眠的节点调度信息，该信息包括下一轮轮休一次的节点号码和参与工作的节点号码及其报送数据的顺序；进入休眠，休眠结束后转下一步；h)重复b"g步骤。
2.根据权利要求I所述的面向无线传感器网络簇内同构型节点的数据汇聚方法，其特征在于，本轮工作的簇内任一成员节点的操作步骤如下 1)启用传感器采集监测信号，采用7点或9点中值滤波消除测量信号中的脉动噪声干扰；若当前轮为每三轮一次的环境噪声信号采集轮，则以节点中低于工作电压的稳定电压参考源的输出电压作为输入时的节点采样值，并使用滤波窗口宽度为5的中值滤波器滤除其中的脉动干扰噪声后计算环境背景噪声信息； 2)将自己的无线通信模块转入发送状态，根据簇首调度命令指定的节点数据报送顺序，在轮到本节点发送时向簇首节点发送本轮已经滤波处理的监测值和与其对应的监测值的置信等级、以及每三轮发送一次的环境噪声测量数据，然后将无线通信模块转入接收状态，等待并接收簇首信息； 3)若接收到簇首发布的是本轮的汇聚初值，则据此值判定节点自身是否属于新生的明显故障节点；若自判为本轮新生明显故障节点，则按退出和加入规则自动退出本轮汇聚，待以后恢复正常后向簇首发送数据申请重新加入；若非明显故障节点，则将无线通信模块转入发送状态，按自己的顺序号，将监测结果重新发送簇首，以排除通信错误或故障影响，然后无线通信模块重新转入接收状态，等待并接收簇首信息； 4)若收到的是本轮的最终汇聚结果，则依据该结果按自评规则更新自己监测值的置信等级； 5)根据簇首发布的调度命令，确定自己是参加下一个轮次工作或者下一轮休眠； 6)按周期时间休眠后重复I) 5)步骤。
3.如权利要求I所述的一种面向无线传感器网络簇内同构型节点的数据汇聚方法，其步骤b)中，σ = med( σ σ 2，…，σ n)，其中
4.如权利要求I所述的一种面向无线传感器网络簇内同构型节点的数据汇聚方法，其 步骤c)中，根据下述权系数计算规则确定汇聚计算的权系数
5.如权利要求I所述的一种面向无线传感器网络簇内同构型节点的数据汇聚方法，其步骤d)中，进行数据滤波的方法如下式 加权伪中值
6.如权利要求5所述的一种面向无线传感器网络簇内同构型节点的数据汇聚方法，其步骤e)中，获取汇聚结果初值为
7.如权利要求2所述的一种面向无线传感器网络簇内同构型节点的数据汇聚方法，其步骤2)及步骤4)中，成员节点按簇首指派顺序向簇首发送自身的测量值Zi与自身的当前置信等级；初始时刻各节点的权值自设为1，后续时刻发送的置信等级为节点通过自评最新的置信等级，自评规则如下 监测值与本轮汇聚结果的偏差为
8.如权利要求2所述的一种面向无线传感器网络簇内同构型节点的数据汇聚方法，其步骤3)中，当节点接收的是簇首发布的汇聚初值时，节点根据下式判定自身是否属于本轮新生故障节点，
9.如权利要求2所述的一种面向无线传感器网络簇内同构型节点的数据汇聚方法，其特征在于，步骤g中，簇首根据簇成员节点维持非Sf置信等级的节点个数，再加上本轮处于休眠的非Sf置信等级的节点个数，得出下轮可用节点数目；若下轮可用节点数目大于或等于初始可用个数的50%，则按各节点当前的累计工作轮数，优先选择工作总轮次数少也即通信开支小、剩余能量多的节点为下一轮的工作节点，参与下一轮节点个数不少于初始可用数的50%，其他未选中的节点则休眠一个轮次。
10.如权利要求2-9任一项所述的一种面向无线传感器网络簇内同构型节点的数据汇聚方法，其特征在于，步骤3)中所述的自判为新生故障点的节点的退出与加入规则如下根据所述更新监测值置信等级规则，当节点自判为明显故障的节点时，自动停止发送数据，以避免增加通信量，但其还将按网络工作时序继续自行监测和侦听汇聚结果，若发现监测结果恢复正常，则根据本轮的最终汇聚结果自定置信等级，于下一轮待其他节点依次报送数据之后报送数据 ，也即重新加入汇聚过程。
全文摘要
本发明公开了一种面向无线传感器网络簇内同构型节点的数据汇聚方法。簇内节点每轮根据数据汇聚结果与自测数据自己评定下轮的测量置信等级；簇首依当前工作节点数选择汇聚策略，根据节点自报置信等级与测量值，按加权规则确定本轮的权系数，再以加权滤波结果作为汇聚值。节点数较多时采用加权伪中值滤波；节点数少时按加权中值滤波计算汇聚初值，节点据此初值重评置信等级后报簇首，簇首按加权平均计算汇聚值并上报。基于加权规则和中值滤波的鲁棒性，本方法使簇内同构节点的数据汇聚在高故障率下能保持较高精度和低能耗，在正常节点冗余量较低时还能保证汇聚结果正确，且故障节点恢复正常可重新工作。
文档编号H04W24/04GK102740340SQ20121025039
公开日2012年10月17日 申请日期2012年7月19日 优先权日2012年7月19日
发明者严珍艳, 刘少强, 李勇周, 樊晓平, 谭宗凯, 陈文见 申请人:中南大学