无线传感器网络的节点救援系统和方法
【专利摘要】一种无线传感器网络的节点救援系统和方法，其中该方法包括步骤：当前网络节点获取下一转发节点的能量信息；根据所述能量信息判断下一转发节点是否出现能量危机；当出现能量危机时，当前网络节点通过主干网络搜索救援节点；当搜索到救援节点时，向所述救援节点发送救援信息，占用所述救援节点；根据所述救援信息，所述救援节点移动至发送救援信息的网络节点的通信范围内，代替所述下一转发节点进行数据通信。该方法能够在无线传感器网络中的关键节点出现能量危机时，迅速调动救援节点移动至该关键节点，来代替该关键节点进行数据通信，以提高无线传感器网络中数据传输的可靠性。
【专利说明】无线传感器网络的节点救援系统和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种无线传感器网络技术，尤其是一种无线传感器网络的节点救援系 统和方法。
【背景技术】
[0002] 在无线传感器网络里面，每个网络节点一般通过电池供电，其能量储备是有限的， 当网络中的某一关键节点由于例如被频繁使用而电量耗尽过早"死亡"，则会使得需要通过 该"死亡"的关键节点进行转发的数据无法正常传输。
[0003] 在现有的无线传感器网络技术中，一般是通过改进路由算法使得网络中的每个节 点的被使用频率保持一致，从而维持网络中的大部分节点的寿命趋于一致。例如，在路由计 算过程中，当发现某网络节点的剩余能量低于某一阈值时，即该节点出现能量危机时，则选 择其他邻居节点来代替该节点。
[0004] 但是，通过改进路由算法来延长节点寿命的方法主要适用于节点密集型的无线传 感器网络，因为在节点密集型的无线传感器网络里，一个节点具有较多的邻居节点，这些邻 居节点可以在该节点剩余能量偏低时，来代替该节点转发数据。而对于节点分布稀疏的无 线传感器网络或者节点分布不均匀的无线传感器网络，当某一节点出现能量危机时，可能 无法找到合适的邻居节点来代为转发数据，从而影响正常的数据传输。而且，有些网络节点 所处的位置处由于环境问题可能不便设置持续性电源或者不便对节点进行充电，同时考虑 到成本问题，也难以通过给每个网络节点设置持续性电源或充电设备来解决该问题。
【发明内容】
[0005] 为了解决上述技术问题，本发明设计一种无线传感器节点救援系统和方法。
[0006] 根据本发明的一个方面，本发明提供一种无线传感器节点救援系统。该系统包 括：
[0007] 主干节点，用于组成主干网络，且所述主干节点的能量是可持续的；
[0008] 普通节点，设置在主干网络的覆盖空隙中，能够获取自身的能量信息和位置信息，
[0009] 当主干节点或普通节点发现下一转发节点出现能量危机时，通过主干网络搜索救 援节点，并向救援节点发送救援信息；
[0010] 救援节点，与主干节点连接，能够移动且能够获取自身的位置信息，在救援节点接 收到救援信息时，根据救援信息中包含的所述下一转发节点的位置信息和自身的位置信息 进行移动控制，移动至发送救援信息的主干节点或普通节点的通信范围内，并代替出现能 量危机的所述下一转发节点转发数据。
[0011] 进一步地，所述能量信息是网络节点的剩余能量值。
[0012] 进一步地，所述救援节点均匀的分布在无线传感器网络中，或者随机分布。
[0013] 进一步地，所述主干节点还包括充电装置，用于在救援节点空闲时对救援节点进 行充电。
[0014] 根据本发明的另一方面，本发明提供一种无线传感器节点救援方法。该方法包 括：
[0015] 步骤1，当前网络节点获取下一转发节点的能量信息；
[0016] 步骤2,根据所述能量信息判断下一转发节点是否出现能量危机；
[0017] 步骤3,当步骤2的判断结果是所述下一转发节点出现能量危机时，当前网络节点 通过主干网络搜索救援节点；
[0018] 步骤4,当搜索到救援节点时，向所述搜索到的救援节点发送救援信息，占用所述 救援节点；
[0019] 步骤5,所述救援节点根据所述救援信息中包含的所述下一转发节点的位置信息 和自身的位置信息进行移动控制，移动至发送救援信息的网络节点的通信范围内，并代替 出现能量危机的所述下一转发节点转发数据。
[0020] 进一步的，所述方法还包括：
[0021] 步骤6,当数据通信任务执行完后，释放所述救援节点。
[0022] 其中，所述步骤2进一步包括：判断所述下一转发节点的能量信息是否低于预设 阈值，如果低于预设阈值则表示出现能量危机，反之则表示没有出现能量危机。
[0023] 其中，所述步骤3进一步包括：
[0024] 当所述当前网络节点为主干节点时，判断是否存在与自身连接的未被占用的空闲 救援节点，如果存在则表示成功搜索到救援节点；
[0025] 当所述当前网络节点不是主干节点或不存在与之连接的空闲救援节点时，则向与 当前网络节点最近的主干节点发送救援搜索信息；
[0026] 当最近的主干节点与救援节点连接，且所述救援节点未被占用时，则接收与救援 节点连接的最近的主干节点发来的搜索确认信息，表示成功搜索到了救援节点；
[0027] 当最近的主干节点没有与任何空闲救援节点连接，则最近的主干节点将所述搜索 救援节点的救援搜索信息转发给其他主干节点，直至接收到其中一个主干节点发来的搜索 确认信息，表示成功搜索到了空闲救援节点，否则继续转发搜索救援节点的信息，直到搜到 空闲救援节点为止。
[0028] 根据本发明的上述系统和方法，该系统和方法能够在无线传感器网络中的关键节 点出现能量危机时，迅速调动救援节点移动至该关键节点，来代替该关键节点进行数据通 信，以提高无线传感器网络中数据传输的可靠性。
[0029] 本发明的上述系统和方法可以适用于节点分布稀疏的无线传感器网络或者节点 分布稀疏的区域，也就是说，即使在某一区域花费较小的成本，布置相对较少的节点也可以 实现无线传感器网络中可靠的数据传输。
[0030] 另外，本发明的上述系统和方法提供了一种无人值守的数据传输应急方案，当无 线传感器网络中的某个或某些节点出现能量危机时，能够自动调配救援节点实现数据传输 任务的顺畅执行，为后期工作人员替换该节点提供了一个过渡方案。
【专利附图】
【附图说明】
[0031] 图1是本发明的无线传感器节点救援系统的示意图。
【具体实施方式】
[0032] 下面结合附图，通过具体实施例对本发明的无线传感器节点救援系统和方法展开 详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，因此不能以此限定本发明的保护范围。
[0033] 参看图1，图1是本发明的无线传感器网络的节点救援系统的示意图。本发明的无 线传感器网络的节点救援系统包括主干节点、普通节点和救援节点。
[0034] 如图1所示，主干节点N1、N2、N3、N4是用于组成无线传感器网络的主干网络的节 点，本发明的主干节点的能量是可持续的，也就是说，主干节点的能量不会被耗尽或出现能 量危机，主干节点可以是太阳能节点，也可以是布置在可以连接电源的位置的节点。
[0035] 普通节点N0、N5、N6、N7设置在主干网络的覆盖空隙中，能够获得自身的能量信息 和位置信息，所述能量信息是节点的剩余能量值，所述主干网络的覆盖空隙是指传感器网 络中主干节点覆盖不到的地方，在此处设置普通节点可以填补这种网络空隙，使得传感器 网络不再出现覆盖空隙。但是普通节点不具有持续性电源也不能够充电，随着能量的消耗， 其将会出现能量危机，所谓的能量危机一般情况是指节点的剩余能量值低于一预设阈值。 虽然在图1所示的实施例中，普通节点N0、N5、N6、N7分别连接到主干节点N1 - N4,但是在 其他实施例中，普通节点也可以连接到普通节点。
[0036] 救援节点Nr与主干节点连接。救援节点能够移动，并且能够获取自身的位置信 息，当某一待用普通节点出现的能量出现能量危机时，其可以用来代替该出现能量危机的 节点。
[0037] 当前进行数据转发的网络节点在搜索下一数据转发节点时可以获取其通信范围 内的其他网络节点的能量信息和位置信息。当前网络节点发现下一转发节点出现能量危机 时，则通过主干网络搜索救援节点，并向搜索到的救援节点发送救援信息。其中，当前网络 节点可以是主干节点也可以是普通节点。
[0038] 在图1所示的实施例中，主干节点N2发现下一转发节点N3出现能量危机，其通过 主干网络搜索救援节点，搜索到救援节点Nr后，向救援节点Nr发送救援信息，该救援信息 包括出现能量危机的网络节点N3的位置信息。救援节点Nr本来与主干节点N1连接，当其 接收到救援信息后，就根据所述救援信息中所包含的网络节点N3的位置信息和自身的位 置信息进行移动控制，移动至主干节点N2的通信范围内转发节点N3的位置，并代替转发节 点N3来转发数据。
[0039] 基于上述无线传感器网络的节点救援系统，本发明的无线传感器网络的节点救援 方法包括以下步骤：
[0040] 步骤1，当前网络节点获取下一转发节点的能量信息。所述能量信息是所述下一转 发节点的剩余能量值，所述当前网络节点可以是主干节点也可以是普通节点。
[0041] 步骤2,根据所述能量信息判断下一转发节点是否出现能量危机。
[0042] 判断所述下一转发节点是否出现能量危机的步骤进一步包括：判断所述下一转发 节点的剩余能量是否低于预设阈值，如果低于预设阈值则表示出现能量危机，反之则表示 没有出现能量危机。
[0043] 步骤3,当步骤2的判断结果是所述下一转发节点出现能量危机时，当前网络节点 通过主干网络搜索救援节点。所述救援节点与网络中距离与之最为接近的主干节点连接， 能够移动，且能够获取自身的位置信息。
[0044] 所述当前网络节点通过主干网络搜索救援节点的步骤进一步包括：
[0045] 当所述当前网络节点为主干节点时，判断是否存在与自身连接的未被占用的空闲 救援节点，如果存在则表示成功搜索到救援节点；
[0046] 当所述当前网络节点不是主干节点或自身不存在与之连接的空闲救援节点，则向 与当前网络节点最近的主干节点发送救援搜索信息；
[0047] 当最近的主干节点与救援节点连接，且所述救援节点未被占用时，则接收与救援 节点连接的最近的主干节点发来的搜索确认信息，表示成功搜索到了救援节点；
[0048] 当最近的主干节点没有与任何空闲救援节点连接，则最近的主干节点将所述搜索 救援节点的救援搜索信息转发给其他主干节点，直至接收到其中一个主干节点发来的搜索 确认信息，表示成功搜索到了空闲救援节点，否则继续转发搜索救援节点的信息，直到搜到 空闲救援节点为止。
[0049] 所述救援确认信息可以包括所述救援节点的路由信息。
[0050] 步骤4,当搜索到救援节点时候，向所述救援节点发送救援信息，占用所述救援节 点。
[0051 ] 所述救援信息可以包括所述下一转发节点的位置信息。
[0052] 步骤5,根据所述救援信息，所述救援节点移动至发送救援信息的网络节点的通信 范围内，并代替所述下一转发节点转发数据。
[0053] 步骤6,当数据通信任务执行完后，释放所述救援节点。
[0054] 在本发明的具体实施例中，所述救援节点可以均匀的分布在无线传感器网络中， 也可以随机地分布。
[0055] 在本发明的具体实施例中，无线传感器网络中最好设置有补充能量的充电装置， 充电装置设置的位置固定，优选设置在主干节点附近，当所述救援节点空闲时可以返回到 最近的未被占用的可以补充能量的位置进行能量补充。
[0056] 与本发明的特定方面、实施方式或示例协同描述的特征、整体、特点或分组应当被 理解为能够应用于这里描述的其他方面、实施方式或示例中，除非与之不可兼容。本说明书 (包括任何所附权利要求书、摘要和附图）中披露的所有特征，和/或所披露的任何方法或 流程中的全部步骤，都可以以任何组合来合并，除非组合中的至少部分特征和/或步骤是 互斥的。本发明不局限于任何前述实施方式的任何细节。本发明扩展到本说明书（包括任 何附加权利要求书、摘要和附图）中所披露的任何一个新颖的特征或者新颖的特征组合， 或者扩展到所披露的任何方法的任何一个新颖的步骤或者新颖的步骤组合。
【权利要求】
1. 一种无线传感器网络的节点救援系统，包括： 主干节点，用于组成主干网络，且所述主干节点的能量是可持续的； 普通节点，设置在主干网络的覆盖空隙中，能够获取自身的能量信息和位置信息， 当主干节点或普通节点发现下一转发节点出现能量危机时，通过主干网络搜索救援节 点，并向救援节点发送救援信息； 救援节点，与主干节点连接，能够移动且能够获取自身的位置信息，在救援节点接收到 救援信息时，根据救援信息中包含的所述下一转发节点的位置信息和自身的位置信息进行 移动控制，移动至发送救援信息的主干节点或普通节点的通信范围内，并代替出现能量危 机的所述下一转发节点转发数据。
2. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述能量信息是网络节点的剩余能量值。
3. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述救援节点均匀的分布在无线传感器 网络中，或者随机分布。
4. 根据权利要求1-3任一项所述的系统，其特征在于，所述主干节点包括充电装置，用 于在救援节点空闲时对救援节点进行充电。
5. -种无线传感器网络的节点救援方法，包括： 步骤1，当前网络节点获取下一转发节点的能量信息； 步骤2,根据所述能量信息判断下一转发节点是否出现能量危机； 步骤3,当步骤2的判断结果是所述下一转发节点出现能量危机时，当前网络节点通过 主干网络搜索救援节点； 步骤4,当搜索到救援节点时，向所述搜索到的救援节点发送救援信息，占用所述救援 节点； 步骤5,所述救援节点根据所述救援信息中包含的所述下一转发节点的位置信息和自 身的位置信息进行移动控制，移动至发送救援信息的网络节点的通信范围内，并代替出现 能量危机的所述下一转发节点转发数据。
6. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括： 步骤6,当数据通信任务执行完后，释放所述救援节点。
7. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤2进一步包括： 判断所述下一转发节点的能量信息是否低于预设阈值，如果低于预设阈值则表示出现 能量危机，反之则表示没有出现能量危机。
8. 根据权利要求5-7任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤3进一步包括： 当所述当前网络节点为主干节点时，判断是否存在与自身连接的未被占用的空闲救援 节点，如果存在则表示成功搜索到救援节点； 当所述当前网络节点不是主干节点或不存在与之连接的空闲救援节点时，则向与当前 网络节点最近的主干节点发送救援搜索信息； 当最近的主干节点与救援节点连接，且所述救援节点未被占用时，则接收与救援节点 连接的最近的主干节点发来的搜索确认信息，表示成功搜索到了救援节点； 当最近的主干节点没有与任何空闲救援节点连接，则最近的主干节点将所述搜索救援 节点的救援搜索信息转发给其他主干节点，直至接收到其中一个主干节点发来的搜索确认 信息，表示成功搜索到了空闲救援节点，否则继续转发搜索救援节点的信息，直到搜到空闲 救援节点为止。
9. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述能量信息是节点的剩余能量值，所述 救援信息包括所述下一转发节点的位置信息。
10. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述救援节点均匀的分布在无线传感器 网络中，或者随机分布。
【文档编号】H04W84/18GK104105156SQ201410331440
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年7月11日 优先权日:2014年7月11日
【发明者】杨桂松, 何杏宇, 邬春学, 蒋林华, 王伟, 肖宾杰 申请人:上海理工大学