一种无线传感器网络能量状态采集方法及其装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种无线传感器网络能量状态采集方法及其装置。该方法中数据查询和传输方式采用阈值检测方法，基站对检测数据进行处理，用节点的初始能量减去当前数据，得到节点的剩余能量，然后绘制出网络中剩余能量低于某一特定值的节点的剩余能量分布图。该装置包括算法实现模块、仿真接口、数据处理模块、节点自身能量模块、通信模块、PC机。本发明通过设定阈值，对参与通信和计算的节点数量进行限制，只得到剩余能量处于用户所需范围内的节点信息，其他非用户感兴趣节点并不参与通信，从而大大降低了通信量，节省了能耗；通过对阈值进行调节有效平衡精度和能耗之间的关系。
【专利说明】一种无线传感器网络能量状态采集方法及其装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及无线传感器网络能量监测系统，属于无线传感器网络事件监测【技术领域】，具体为无线传感器网络剩余能量监测方法的创新技术。
【背景技术】
[0002]无线传感器网络节点是由能量有限的电池供电，由于节点一般被抛撒在环境恶劣地区或无人监管区，因此电池基本无法更换。因此，无线传感网的能耗问题的研究是一项具有重要意义的研究。目前能量有效性以及能量感知的算法成为研究热点之一。从本质上讲，他们都是基于节点的剩余能量信息进行研究:在能量有效的研究中，节点的剩余能量值作为能量有效与否的判断指标；而在能量感知的研究中，则是将感知到的剩余能量信息作为算法研究的直接参考数据。总之，对于剩余能量的监测是很有现实意义的。
[0003]而且现有的对于剩余能量的监测方法主要是基于簇树拓扑进行设计，最典型的是eScan，其他的大都是在其基础上进行改进，这些方法在一定程度上实现了对节点的剩余能量进行监测，但是现有算法采用洪泛法对数据进行查询和传输，这样大大增加了通信量，从而增加了能耗，能量有效性较差。另外，在进行信息传输查询时，现有算法由于对所要查询的数据没有给出限制，因此在信息发送时发送次数较多，这样同样会增加通信量。在现有算法下，原始数据或本地处理结果在多条传输之后，变成了过去时的信息，这样此监测方法的实时性就较差。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服上述缺点而提供一种基于阈值的无线传感器网络能量监测方法，方法基础来源于TEEN算法。由于在实际应用中，我们往往并不需要知道全部节点的能量状态，只需了解能量值处于我们感兴趣的范围内的节点信息即可，本发明的方法恰恰符合此应用，通过设置硬、软两个阈值，给出监测的限制条件，减少发送数据的节点数，并可以设置采集数据的精度。为了避免资源浪费，将当前检测数据存储到节点的内部变量中，供之后的监测提供参考。而且本发明可以实现实时监控节点能量变化，对于突发事件和热点的监控很有效。另外，通过调节两个阈值的大小，可以在精度要求和系统能耗之间取得合理的平衡。
[0005]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
一种无线传感器网络能量状态采集方法，数据查询和传输方式采用阈值检测方法，基站对检测数据进行处理，用节点的初始能量减去当前数据，得到节点的剩余能量，然后绘制出网络中剩余能量低于某一特定值的节点的剩余能量分布图；具体包括如下步骤:
(1)先进行网络分簇，再由基站向簇头发送硬、软阈值，簇头再向簇内节点广播硬、软阈值，接下来在每轮更换簇头的时候，簇头即向簇内所有节点广播硬阈值和软阈值；
(2)当检测数据值第一次超过硬阈值时，节点即向簇头发送检测数据，并把本次检测数据存储到节点的内部变量中，并记为SD ；(3)在接下来的监测过程中，只有当检测到的数据超过硬阈值并且当前检测数据相对于切的变化幅度大于或等于软阈值时，节点才向簇头发送最新的检测数据，并且更新5?值为当前检测数据值，以此类推；
(4)簇头对本簇内的数据先进行融合处理，再发送给基站，最终由基站对所有数据融合处理，其中对于数据中节点的当前总能耗，基站对其作简单的减法运算，用节点初始能量减去当前检测数据获得节点的剩余能量，然后得到剩余能量图。
[0006]进一步，所述基站唯一，且位置固定，并且基站被看作是能量无限的；所述节点都是固定的，并且都知道自身的位置；节点初始能量相等，并且性质相同；节点之间能够对称性的通信，通信半径相同；节点均匀分布在基站周围。
[0007]进一步，所述硬阈值设定为节点需要更换或者低能耗报警时所处的能耗值，所述软阈值反应的是监测数据的采集精度，根据实际监测需要设定。
[0008]进一步，所述节点能耗与空间相关，根据剩余能量图，利用空间原理，分析死节点的位置，或者根据相邻时间段的扫描图得到死亡节点的信息。
[0009]一种无线传感器网络能量状态采集装置，包括算法实现模块、仿真接口、数据处理模块、节点自身能量模块、通信模块、PC机，所述仿真接口是仿真器下载算法实现模块的代码的仿真调试接口，其输入端与算法实现模块相连并相互通信，输出端连接至数据处理模块，所述数据处理模块是由若干个CC2530模块组成的ZigBee网络信息处理模块，用于对节点自身能量模块的节 点自身能量进行采集处理，通信模块与数据处理模块相连并相互通信，用于节点间以及节点与sink点之间的信息交换，所述PC机作为sink点，所述节点自身能量模块连接至数据处理模块，所述PC机与通信模块相连，并相互通信。
[0010]本发明的有益效果是:
本发明中通过设定阈值，对参与通信和计算的节点数量进行限制，只得到剩余能量处于用户所需范围内的节点信息，其他非用户感兴趣节点并不参与通信，从而大大降低了通信量，节省了能耗。另外，通过对阈值进行调节，可以有效平衡精度和能耗之间的关系。本发明有效限制了网络通信量，降低了网络能耗，延长网络寿命，还能对热点现象进行实时监控。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1为剩余能量的扫描图图例；
图2为本发明一种无线传感器网络能量状态采集方法的步骤图；
图3为本发明一种无线传感器网络能量状态采集装置的模块结构图。
【具体实施方式】
[0012]下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0013]另外，对于出现能量空洞而其中节点无法参与数据转发的情况，导致部分死亡节点无法进行监测，本发明利用事件的空间相关性或时间相关性原理，或者根据能量扫描图，如果某些节点周围节点的剩余能量都很低，而并没有接收到这些节点的剩余能量低的信息，那么就可以判断其为死节点，并补充绘图；或者根据时间相关性，比较相邻监测时间的能量扫描图，如果在之前的扫描图中已经发现某些节点的能耗即将耗尽，但是本次却没有收到其低能耗的信息，即可以判断这些节点已经死亡，并补充绘图。
[0014]本发明一种无线传感器网络能量状态采集方法的的技术路线图如图2所示，再结合图3的系统装置模块图对本发明的实施方案作进一步的说明。
[0015]本发明结合分层簇树eScan方法，对其数据查询和传输方式进行改进，结合TEEN算法中的阈值检测思想，考虑到在实际应用中，有时用户并不需要知道区域内所有节点的信息，只想得到剩余能量在其所需范围之内的节点信息，从而为网络的维护和优化提供直接的依据。本发明中设置了硬、软两个阈值，以此限制参与通信的节点数，降低监测的复杂度和能耗。
[0016]系统模型特征如下:
(I)所有传感器节点都是固定的，并且都知道自身的位置。
[0017](2)节点初始能量相等，并且性质相同。
[0018](3)节点之间能够对称性的通信，通信半径相同。
[0019](4)基站唯一，且位置固定，并且基站被看作是能量无限的。
[0020](5)传感器节点均匀分布在基站周围。
[0021]其中对于特征(1)，节点本身带有定位系统，不需要其他的定位装置来对其定位，数据处理效率高。
[0022]特征(2)节点初始能量相等的，这样最终基站可以直接对数据作减法运算，减少计算量。而每个节点的性质相同，即是节点的内部计算和能耗机制都是相同的，这样有利于统一处理节点能耗信息。
[0023]特征(3)节点之间对称通信且通信半径相同，即节点内部的通信机制相同，这与特征(2)的作用相似。
[0024]特征(5)节点均匀分布在基站周围，目的是让节点的能耗相对均衡。
[0025]具体步骤如下:
(I)在网络分簇结束后，由基站向簇头发送硬、软阈值，簇头再向簇内节点广播硬、软阈值，接下来在每轮更换簇头的时候，簇头即向簇内所有节点广播硬阈值和软阈值。本发明主要针对剩余能量问题的监测，因此硬阈值设定为节点需要更换或者低能耗报警时所处的能耗值，显然要低于节点初始能量值。而软阈值反应的是监测数据的采集精度，根据实际监测需要设定。
[0026](2)当检测数据值第一次超过硬阈值时，节点即向簇头发送检测数据，并把本次检测数据存储到节点的内部变量中，并记为SD (sensed data)，这能够有效利用资源，供后来的监测使用，避免了资源浪费。
[0027](3)在接下来的监测过程中，只有当检测到的数据超过硬阈值并且当前检测数据相对于SD的变化幅度大于或等于软阈值时，节点才会向簇头发送最新的检测数据，并且更新SD值为当前检测数据值，以此类推。也就是说，得到的数据(除第一次外)都是能耗大于设定硬阈值，而且变化幅度大于或等于设定的软阈值。本发明的方法可以通过调节两个阈值的大小，在能耗和精度之间得到很好的均衡。
[0028](4)簇头节点将本簇内所有总能耗超过硬阈值的节点能量信息以及节点位置进行整理融合，再发送给基站，最终由基站对所有数据融合处理，绘制出图形。其中对于数据中节点的当前总能耗，基站对其作简单的减法运算，用节点初始能量减去当前检测数据获得节点的剩余能量，然后得到剩余能量的扫描图。根据图形，可以很直观的看出感兴趣节点的剩余能量情况，从而为网络的修补和优化提供依据。
[0029]图形绘制时采用凸图来表示，凸图的顶点就是所收集信息的节点的位置。但是在基站收集到节点的信息之后，会先根据节点的剩余能量不同将节点划分成不同的等级(根据实际需要设定)，然后在接下来的绘图中对于不同的等级用不同的颜色表示，这样得到的图形更加直观清晰。
[0030]出现能量空洞时，节点无法参与数据转发和传输的任务，所以无法得到其能耗信息，但是这些节点更是我们需要关注的节点。对于这种情况，本发明根据事件的空间相关性或时间相关性的原理来补救。由空间相关性原理，分析能量扫描图，根据其周围的节点剩余能量情况来判断，如果周围节点的剩余能量都很低，而并没有接收到这些节点的剩余能量低的信息，那么就可以判断其为死节点，并补充绘图；或根据时间相关性原理，比较相邻监测时间的能量扫描图，如果在前一相邻时间的扫描图中已经发现某些节点的能耗即将耗尽，但是本次却没有收到其低能耗的信息，即可以判断这些节点已经死亡，并补充绘图。
[0031]本发明一种无线传感器网络能量状态采集装置的结构如图3所示，包括算法实现模块、仿真接口、数据处理模块、节点自身能量模块、通信模块、PC机，所述仿真接口是仿真器下载算法实现模块的代码的仿真调试接口，其输入端与算法实现模块相连并相互通信，输出端连接至数据处理模块，所述数据处理模块是由若干个CC2530模块组成的ZigBee网络信息处理模块，用于对节点自身能量模块的节点自身能量进行采集处理，通信模块与数据处理模块相连并相互通信，用于节点间以及节点与sink点之间的信息交换，所述PC机作为sink点，所述节点自身能量模块连接至数据处理模块，所述PC机与通信模块相连，并相互通信。
[0032]在C51RF-CC2530-PK的平台上实现此算法的具体过程如下:通过仿真器下载算法实现模块的算法代码到数据处理模块中，数据处理模块对节点自身能量进行处理，处理方法按照算法实现模块的算法来实现，并且利用通信模块与PC机或者其他节点通信进行数据交换，最终将所有信息发送到PC机进行信息融合处理，得到想要的信息。
[0033]综上所述，本发明一种无线传感器网络能量状态采集装置采用ZigBee协议栈高级开发系统C51RF-CC2530-PK，其中ZigBee模块是CC2530，对于其网络层的协议进行改进。本发明的改进方法结合分层簇树eScan (剩余能量扫描)方法，对其数据查询和传输模式进行改进，提出了一种基于阈值的能量高效节点剩余能量监测方法。本发明中通过设定阈值，对参与通信和计算的节点数量进行限制，只得到剩余能量处于用户所需范围内的节点信息，其他非用户感兴趣节点并不参与通信，从而大大降低了通信量，节省了能耗。另外，通过对阈值进行调节，可以有效平衡精度和能耗之间的关系。本发明提出的方法有效限制了网络通信量，降低了网络能耗，延长网络寿命，还能对热点现象进行实时监控。
[0034]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种无线传感器网络能量状态采集方法，其特征在于:数据查询和传输方式采用阈值检测方法，基站对检测数据进行处理，用节点的初始能量减去当前数据，得到节点的剩余能量，然后绘制出网络中剩余能量低于某一特定值的节点的剩余能量分布图；具体包括如下步骤: (1)先进行网络分簇，再由基站向簇头发送硬、软阈值，簇头再向簇内节点广播硬、软阈值，接下来在每轮更换簇头的时候，簇头即向簇内所有节点广播硬阈值和软阈值； (2)当检测数据值第一次超过硬阈值时，节点即向簇头发送检测数据，并把本次检测数据存储到节点的内部变量中，并记为SD ； (3)在接下来的监测过程中，只有当检测到的数据超过硬阈值并且当前检测数据相对于切的变化幅度大于或等于软阈值时，节点才向簇头发送最新的检测数据，并且更新5?值为当前检测数据值，以此类推； (4)簇头对本簇内的数据先进行融合处理，再发送给基站，最终由基站对所有数据融合处理，其中对于数据中节点的当前总能耗，基站对其作简单的减法运算，用节点初始能量减去当前检测数据获得节点的剩余能量，然后得到剩余能量图。
2.根据权利要求1所述的无线传感器网络能量状态采集方法，其特征在于:所述基站唯一，且位置固定，并且基站被看作是能量无限的；所述节点都是固定的，并且都知道自身的位置；节点初始能量相等，并且性质相同；节点之间能够对称性的通信，通信半径相同；节点均匀分布在基站周围。
3.根据权利要求1 所述的无线传感器网络能量状态采集方法，其特征在于:所述硬阈值设定为节点需要更换或者低能耗报警时所处的能耗值，所述软阈值反应的是监测数据的采集精度，根据实际监测需要设定。
4.根据权利要求1所述的无线传感器网络能量状态采集方法，其特征在于:所述节点能耗与空间相关，根据剩余能量图，利用空间原理，分析死节点的位置，或者根据相邻时间段的扫描图得到死亡节点的信息。
5.一种无线传感器网络能量状态采集装置，其特征在于:包括算法实现模块、仿真接口、数据处理模块、节点自身能量模块、通信模块、PC机，所述仿真接口是仿真器下载算法实现模块的代码的仿真调试接口，其输入端与算法实现模块相连并相互通信，输出端连接至数据处理模块，所述数据处理模块是由若干个CC2530模块组成的ZigBee网络信息处理模块，用于对节点自身能量模块的节点自身能量进行采集处理，通信模块与数据处理模块相连并相互通信，用于节点间以及节点与sink点之间的信息交换，所述PC机作为sink点，所述节点自身能量模块连接至数据处理模块，所述PC机与通信模块相连，并相互通信。
【文档编号】H04W24/00GK103546901SQ201310480192
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2013年10月15日 优先权日:2013年10月15日
【发明者】苏兵, 许文慧, 何可人 申请人:常州大学