基于数据溯源的WSN节点能量监测方法及系统与流程

本发明涉及无线传感器网络节点能量监测方法，特别涉及基于数据溯源的无线传感器网络节点能量监测方法及系统。

背景技术：

无线传感器网络(wirelesssensornetworks,wsn)是由部署在监测区域内，具有数据采集、通信、存储和处理能力的传感器节点构成的自组织通信系统，其中，每一个传感器为网络的一个节点，用于环境感知，并将感知的数据以多跳方式传输到基站。由于无线传感器节点能量有限，因而能量消耗问题是无线传感器网络技术的核心问题。

传感器节点通常由传感模块、处理器模块、存储模块、通信模块、电源模块和嵌入式软件等组成，其中消耗能量的模块主要为传感模块、处理器模块和通信模块。根据estrind.tutorial“wirelesssensornetworks”partiv:sensornetworkprotocols.mobicom.theeightannualinternationalconferenceonmobilecomputingandnetworkingatlanta.georgia,usa:acm.2002:140-147.中给出的传感器节点能耗模型，传感器节点各模块中通信模块消耗了绝大多数的能量，而传感模块和处理器模块消耗的能量很少；通信模块中，发送状态(tx)下节点耗能最多，接收状态(rx)和空闲状态(idle)的耗能相当且略低于发送状态，睡眠状态(sleep)下节点的耗能则远远低于接收状态(rx)和空闲状态(idle)。随着wsn技术的进步，无线传感器网络能够快速完成节点工作状态的转换，使节点在工作状态(发送和接收)结束后快速地进入睡眠状态，最大程度地降低空闲状态下的能量消耗，使节点的非工作耗能达到最小化。因此，现有无线传感器网络能量模型的研究主要集中于发送和接收状态下节点的能量消耗。

在无线传感器网络中，数据以多跳方式传至基站。在一次数据传输过程中，除源发送节点外，所有转发节点均完成一次数据接收和一次数据发送，而这类数据转发所消耗的能量占节点耗能的主要部分。因此，节点参与数据转发的频次可作为评估其能量消耗情况的主要依据，数据发送和转发频次越高的节点，能量消耗越大。

无线传感器网络数据溯源是对数据包从源发送节点经多个转发节点最终传至基站的传输过程的记录、追溯与展示，在无线传感器网络中，为保证数据包的可溯源性，在数据包传输过程中，需记录中途转发节点的相关信息，以便在基站根据这些信息追溯数据包的传输过程，这些信息称为溯源信息。由于根据溯源信息可追溯数据包在传感器网络中的传输过程，因而数据溯源提供了统计各传感器节点转发数据频次的重要途径，本发明正是根据这种统计结果，来评估无线传感器网络的节点能耗。

目前，无线传感器网络数据溯源技术已有很多研究成果，但利用溯源结果来监测传感器节点的能耗情况尚未发现相关的研究。因此，本发明不仅提供了一种评估和监测传感器节点的能耗的简单有效的新方法，还为基于wsn数据溯源的应用技术研究开辟了新途径。

技术实现要素：

本发明所述基于数据溯源的wsn节点能量监测方法及系统，是指基站采用数据溯源技术，对所接收的数据包进行溯源，根据溯源结果来评估和监测所辖区域内各传感器节点的能耗；

所述数据溯源技术，是指基站根据溯源信息获得数据包传输过程的方法，例如：(1)文献captra:coordinatedpackettraceback(《proceedingsofthe5thinternationalconferenceoninformationprocessinginsensornetworks》,acm,2006:152-159.)提出的captra数据溯源方法，此方法将溯源信息记入途径转发节点，使用分布在每个传感器节点内的布隆过滤器来记录数据包摘要；基站通过监听传感器节点中存储的摘要信息来确定参与数据包传输的各转发节点。(2)发明人在基于伪随机序列的无线传感器网络数据溯源方法.中国发明专利，申请号：201510646810.9中提出的基于伪随机序列的无线传感器网络数据溯源方法，该方法为每个节点分配一个唯一且互为正交的标识序列，各传感器节点在转发数据之前，将自己的标识序列与数据包中的溯源信息进行叠加，而基站则利用标识序列的正交性，从数据包的叠加编码中分离出参与数据包转发的所有传感器节点信息；

所述节点能量监测，是指对基站所辖区域内所有传感器节点设置节点能耗记录表，用于记录各节点的当前能量值；当收到数据包时，按照所述数据溯源阶段得到参与该数据包传输的传感器节点集合，将集合中各传感器节点的当前能量值减去一个单跳转发能耗值，并将剩余能量值存入该节点的能耗记录表；通过能耗记录表对各节点的剩余能量进行监测。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于数据溯源的wsn节点能量监测方法，分为以下步骤：

步骤(1)：对基站所辖区域内各传感器节点的能量进行初始化；

步骤(2)：基站每收到一个数据包，对该数据包进行溯源，得到参与该数据包转发的传感器节点集合，对所得集合中所有节点的能量进行评估，并对剩余能量低于临界值的节点触发低能量提示。

所述步骤(1)之前的步骤为：

设n＝{node1,node2,…,nodem}为基站所辖区域内所有传感器节点的集合，m为节点数量。对任意noder∈n，测量该节点的能量满值，记为er；测量该节点的单跳转发能耗值，记为er；设置该节点的最低能量临界值，记为ur；

基站对其所辖区域内所有节点设置能耗记录表，对任意noder∈n，其能耗记录表包括：节点地址ar、节点标识vr和剩余能量yr。

所述步骤(1)的步骤为：

对任意noder∈n，将其地址、标识和当前能量值写入其能耗记录表中的ar、vr和yr等表项；若noder为新节点，将其剩余能量yr初始化为能量满值er，即：yr←er，其中，“←”表示赋值；例如：yr←er表示将yr赋值为er。

所述步骤(2)的步骤为：

步骤(2.1)：对接收的数据包进行溯源；

设d为基站接收的当前数据包，通过数据溯源，得到该数据包在传输过程中所经过的节点集合r(d)＝{nd,1,nd,2,…,nd,t}，nd,k∈n，k＝1,2,…,t，t为数据包d在传输过程中所经过的节点数量，nd,1为d的源发送节点，nd,k表示数据包d的传输路径上的第k个传感器节点。

步骤(2.2)：根据溯源结果评估节点能耗；

对任意nodek∈r(d)，更新nodek能耗记录表中的剩余能量yk，将yk设置为yk减去一个单跳转发能耗值ek，即：yk←(yk-ek)；

步骤(2.3)：当yk<uk时，触发低能量提示。

基于数据溯源的wsn节点能量监测系统，包括：数据溯源模块和节点能耗监测模块；

所述数据溯源模块：用于实现对数据包传输过程的溯源，生成参与该数据包传输的转发节点集合；

所述节点能耗监测模块：用于对基站所辖区域内所有传感器节点，设置节点能耗记录表，记录各节点的当前能量值；根据数据溯源模块所得到的参与当前数据包转发的传感器节点集合，将集合中各传感器节点的当前能量值减去一个单跳转发能耗值，并将剩余能量值存入该节点的能耗记录表；对各节点的能耗记录表中的剩余能量值进行实时监测。

所述数据包传输过程的溯源方法，可采用已有wsn数据溯源方法，例如：文献captra:coordinatedpackettraceback(《proceedingsofthe5thinternationalconferenceoninformationprocessinginsensornetworks.acm,2006:152-159.)提出的captra数据溯源方法，或者基于伪随机序列的无线传感器网络数据溯源方法(中国发明专利，申请号：201510646810)等。本发明的创新性

本发明将数据溯源技术与传感器节点能耗监测问题相结合，给出一种根据数据溯源结果监测无线传感器网络节点能耗的新方法。其中，数据溯源在本发明中的作用是获取传感器节点转发数据的频次，根据转发数据的频次，实现对传感器节点能耗的评估与监测。

本发明的有益效果

1.本发明所述方法实现了对无线传感器网络各节点能耗情况的在线、实时、直观监测，其监测结果可作为无线传感器网络管控，延长无线传感器网络的使用时间，以及选取基站位置的重要依据。

2.本发明提供了利用数据溯源结果实现传感器节点能耗监测的有效方法，该方法对传感器节点资源的占用很小，且设计巧妙，实现简单。

3.本发明为基于能量分布的无线传感器网络应用技术提供了新的研究途径。

附图说明

图1为本发明传感器节点能耗监测流程图。

图2为本发明所述方法工作过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，基站收到数据包后，对该数据包进行溯源，得到参与数据包传输的路由节点集合；该集合中的所有节点均完成了一次数据转发操作(源节点由于需要完成数据包封装等操作，与路由节点能耗近似相当)，因而各消耗了一个单跳转发能量单位，因此，将集合中各节点的能耗记录表中剩余能量数值分别减去一个单跳转发能耗；基站按此方式对所辖区域内所有传感器节点的能耗进行评估和监测，并对剩余能量低于临界值的节点触发低能量提示。

如图2所示，数据包自源发送节点a发出，路经路由节点x、y、z，到达基站后，经数据溯源得到参与该数据包传输的节点集合c＝{a,x,y,z}；根据集合c，对节点a、x、y和z的能耗进行评估，将其剩余能量ya、yx、yy、yz分别减去一次单跳转发能耗。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。