无线传感器网络数据传输方法、可读存储介质和终端与流程

本发明属于无线传感器技术领域，特别是涉及一种无线传感器网络数据传输方法、可读存储介质和终端。

背景技术：

无线传感器网络是由部署在监测区域内的大量微型的、廉价的、低功耗的传感器节点，这部分节点多以自组织和多跳等方式构成，节点之间以协作方式感知、采集、处理和传输网络覆盖区域内监测对象信息，并通过多跳路由和数据融合处理后，将信息汇聚至基站节点，再通过通讯的方式把这些信息发送给网络的所有者。无线传感器网络扩展了人们对信息获取能力，将客观世界的物理信息同传输网络连接在一起，在下一代网络中将为人们提供直接、有效、真实的海量信息。

无线传感器网络通常是由传感器节点上的微型电池提供能量，面对微型电池能量有限且运行在恶劣甚至危险的自然环境中能量难以补充的问题，电池能量的消耗情况对节点是否能发挥作用起决定性作用。

因此，如何降低和均衡节点能耗，延长网络生命周期成为无线传感器网络应用的关键。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是如何降低网络能耗，延长无线传感器网络的生命周期。

为了达到上述目的，本发明提供一种无线传感器网络数据传输方法，所述无线传感器网路包括多个分簇，每个分簇包括簇头节点和多个其他传感器节点，所述分簇内的其他传感器节点基于自身与簇头节点之间的距离被划入一个以上的分簇，所述方法包括：

分簇内的簇头节点在预设的时间周期内轮流唤醒自身分簇内的其他无线传感器节点；

被唤醒的其他无线传感器节点在对应的唤醒周期内采集监测数据并将采集到的监测数据发送至所述簇头节点；

所述簇头节点接收对应时间周期中自身分簇内的被唤醒的其他无线传感器节点发送的监测数据并将所接收的监测数据进行数据融合后发送至对应的基站节点。

可选地，所述分簇内的簇头节点在预设的时间周期内轮流唤醒分簇内的其他无线传感器节点，包括：

所述簇头节点在对应的时间周期为自身分簇内的其他无线传感器节点分别设置对应的优先级；

按照所设定的优先级顺序轮流唤醒对应优先级的其他无线传感器节点。

可选地，所述簇头节点在对应的时间周期为自身分簇内的其他无线传感器节点分别设置对应的优先级，包括：

所述簇头节点在对应的时间周期为自身分簇内基于其他无线传感器节点是否为属于两个以上的分簇的公共节点、剩余电量和上一唤醒周期内的工作状态，为自身分簇内的其他无线传感器节点分别设置对应的优先级。

可选地，所述簇头节点采用如下的公式为自身分簇内的其他无线传感器节点分别设置对应的优先级：

qi＝qi1+qi2，且：

qi1＝eri/eti+wi；

qi2＝qi2′-1；

其中，qi表示第i个无线传感器节点的优先级，qi1表示第i个无线传感器节点的第一优先级，eri表示第i个无线传感器节点的当前剩余电量，eti表示第i个无线传感器节点在一个时间周期内所消耗的总电量，wi表示第i个无线传感器节点所属分簇的个数，qi2表示第i个无线传感器节点的第二优先级，qi2′表示第i个无线传感器节点在前一唤醒周期的第二优先级。

可选地，所述簇头节点在将所接收到的数据进行数据融合之前，所述方法还包括：

对其他无线传感器节点处于未被唤醒期间的监测数据进行预测补全。

可选地，所述簇头节点采用如下的公式对其他无线传感器节点处于未被唤醒周期内的监测数据进行预测补全：

yit＝α0+α1y1t+α2y2t+α3y3t+...+αmymt+βt；

其中，yit是无线传感器节点ni在时刻t的数据，ykt是无线传感器节点nk(nk∈n(i))在t时刻的数据，αk是对应于ykt的偏相关系数，βt为预设的误差项。

可选地，所述偏相关系数αk采用如下的公式计算得到：

且：

y＝(yi1，...，yih)；

其中，表示偏相关系数估算值向量，表示偏相关系数αk的估算值，向量y表示无线传感器节点ni的h组感知数据用向量，x表示无线传感器节点ni所在簇的邻居节点的感知数据矩阵，m表示无线传感器节点ni所在簇的邻居节点的个数。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，所述计算机指令运行时执行上述任一项所述的无线传感器网络数据传输方法的步骤。

本发明实施例还提供了一种终端，包括存储器和处理器，所述存储器上储存有能够在所述处理器上运行的计算机指令，所述处理器运行所述计算机指令时执行上述任一项所述的无线传感器网络数据传输方法的步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

上述的方案，采用分簇内的簇头节点在预设的时间周期内轮流唤醒自身分簇内的其他无线传感器节点，使得被唤醒的其他无线传感器节点在对应的唤醒周期内采集监测数据并将采集到的监测数据发送至所述簇头节点，再由所述簇头节点接收对应时间周期中自身分簇内的被唤醒的其他无线传感器节点发送的监测数据并将所接收的监测数据进行数据融合后发送至对应的基站节点，由于在一个时间周期内唤醒分簇内的其他无线传感器节点轮流进行监测数据的采集，故可以节约无线传感器节点的能量消耗，延长无线传感器节点的工作周期，因而可以降低无线传感器网络的能耗，延长无线传感器网络的生命周期。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的一种无线传感器网络系统的结构示意图；

图2是本发明实施例的一种无线传感器网络的数据传输方法的流程示意图；

图3是本发明实施例中的多成员分簇机制的示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。本发明实施例中有关方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后等)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

如背景技术所述，无线传感器网络通常是由传感器节点上的微型电池提供能量，面对微型电池能量有限且运行在恶劣甚至危险的自然环境中能量难以补充的问题，电池能量的消耗情况对节点是否能发挥作用起决定性作用。因此，如何降低和均衡节点能耗，延长网络生命周期成为无线传感器网络应用的关键。

本发明的技术方案通过分簇内的簇头节点在预设的时间周期内轮流唤醒自身分簇内的其他无线传感器节点，使得被唤醒的其他无线传感器节点在对应的唤醒周期内采集监测数据并将采集到的监测数据发送至所述簇头节点，再由所述簇头节点接收对应时间周期中自身分簇内的被唤醒的其他无线传感器节点发送的监测数据并将所接收的监测数据进行数据融合后发送至对应的基站节点，由于在一个时间周期内唤醒分簇内的其他无线传感器节点轮流进行监测数据的采集，故可以节约无线传感器节点的能量消耗，延长无线传感器节点的工作周期，因而可以降低无线传感器网络的能耗，延长无线传感器网络的生命周期。

为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

为了便于理解，下面将首先对本发明实施例中的无线传感器网络系统的结构进行介绍。

图1是本发明实施例的一种无线传感器网络系统的结构示意图。参见图1，一种无线传感器网络系统，具体可以包括多个分簇10和对应设置的基站节20点。每个分簇10包括簇头节点101和其他无线传感器节点(或称为普通节点)111～11n。其中，每个分簇10中的簇头节点101分别与自身分簇内的其他无线传感器节点111～11n耦接，每个分簇10中的簇头节点101和分簇内的普通节点111～11n还分别与与对应设置的基站节点20耦接。

在具体实施中，在部署无线传感器节点时，可以在无线传感器网络监测区域内随机部署对应的簇头节点101和n个普通节点111～11n。其中，每个普通节点111～11n可以确定自己的位置，并在网络部署完成后，普通节点111～11n向基站节点20发送自己的位置信息。簇头节点101可以获取簇内普通节点111～11n的位置，并且所有节点在部署完成后不再移动。

下面将对图1所述的无线传感器网络系统的工作原理进行描述。

图2是本发明实施例的一种无线传感器网络的数据传输方法的流程示意图。参见图2，一种无线传感器网络的数据传输方法，具体可以包括如下的步骤：

步骤s201：分簇内的簇头节点在预设的时间周期内轮流唤醒自身分簇内的其他无线传感器节点。

在本发明一实施例中，所述无线传感器网络中的无线传感器节点采用多成员节点分簇机制，即普通节点可以根据自身与簇头节点之间的位置，同时被划分到一个以上的分簇内。与采用每个普通节点仅仅属于一个分簇的单节点分簇机制相比，可以有效降低数据冗余。

参见图3，普通节点a既属于分簇1也属于分簇2，即分簇1和分簇2的公共节点，则普通节点a的隶属度为2，普通节点b和普通节点c的隶属度为1，因为普通节点a为公共节点，普通节点a和普通节点b、普通节点c的覆盖区域重叠度高，那么普通节点a工作的时候，普通节点b、普通c可以处于休眠状态，通过比较普通节点a与分簇1和分簇2的簇头节点的通信距离远近，将普通节点a采集到的数据发送给分簇1或者分簇2的簇头节点，分簇1和分簇2之间通过普通节点(或称为公共节点)a进行相互合作，可以减少冗余数据，故分簇1或者分簇2的簇头节点就不会收到大量的冗余数据，从而减少数据冗余。

在具体实施中，对于采用多成员分簇机制的所述分簇内的普通节点，为了实现分簇内的普通节点的轮流唤醒，减少数据冗余度，所述簇头节点可以首先在对应的时间周期为自身分簇内的其他无线传感器节点分别设置对应的优先级，再按照所设定的优先级顺序轮流唤醒对应优先级的其他无线传感器节点。

在本发明一实施例中，在为自身分簇内的其他无线传感器节点分别设置对应的优先级时，所述簇头节点可以在对应的时间周期为自身分簇内基于其他无线传感器节点是否为属于两个以上的分簇的公共节点、剩余电量和上一唤醒周期内的工作状态的信息，为自身分簇内的其他无线传感器节点分别设置对应的优先级。

具体而言，簇头节点为无线传感器网络中的普通节点pi设立两类优先级，第一优先级qi1、第二优先级qi2，对于每一个传感器节点pi，其第一优先级qi1和第二优先级qi2决定了该节点的总优先级qi，即：

qi＝qi1+qi2(1)

其中，第一优先级qi1的目的在于选择剩余能量尽量多，同时，由于所属分簇尽可能多的节点，这样的节点由于剩余能量多，就可以更多次的完成监测任务，同时由于隶属度高，在其工作期间就可以有更多的节点处于休眠的工作状态，节约能耗，延长网络生命周期。节点pi的第一优先级qi1在每轮工作开始前确定，是一个静态的值：

qi1＝eri/eti+wi(2)

其中，eri表示第i个无线传感器节点pi的当前剩余电量，eti表示第i个无线传感器节点pi在一个时间周期内所消耗的总电量，wi表示第i个无线传感器节点pi所属分簇的个数。

第二优先级qi2的目的是为了避免选择在连续的监测周期内监测同一区域的处于工作状态的节点，同时希望在当前的监测周期选择与上一个监测周期处于工作状态的监测节点来自不同的簇中的节点。节点pi的第二优先级qi2初始值均为0，即qi2＝0；第二优先级qi2在每轮监测周期内随着监测节点的选择而变化，当一个节点被选择为当前监测周期的监测节点后，其第二优先级降低，避免下回合再选择它；同时，与该节点在同一个簇中的其他节点的第二优先级也降低，避免下回合选择与上回合监测同一区域的处于工作状态的节点，即：

qi2＝qi2′-1(3)

其中，qi2′表示第i个无线传感器节点在前一唤醒周期的第二优先级。

节点pi的第一优先级qi1和第二优先级qi2相结合，共同确定节点pi的总优先级qi，通过qi的高低来调整节点pi的工作状态，qi高的节点处于工作状态；qi低的节点处于休眠状态，降低能耗；网络中所有的传感器节点pi的最终工作方式是根据节点pi的总优先级qi来确定的，根据节点pi的优先级，调整节点pi的工作状态，从而降低能耗，延长网络的生命周期。

步骤s202：被唤醒的其他无线传感器节点在对应的唤醒周期内采集监测数据并将采集到的监测数据发送至所述簇头节点。

在具体实施中，当设置完成分簇内普通节点的优先级时，分簇内优先级较低的节点在簇头节点的控制下进行休眠，其他普通节点则正常进行工作，即采集监测数据并将所采集的监测数据发送给各自的簇头节点。

步骤s203：所述簇头节点接收对应时间周期中自身分簇内的被唤醒的其他无线传感器节点发送的监测数据并将所接收的监测数据进行数据融合后发送至对应的基站节点。

在具体实施中，在对应的时间周期内，被唤醒的普通节点将采集到的监测数据发送给对应的簇头节点，簇头节点接收对应时间周期内的被唤醒的普通节点在对应唤醒周期内采集到的监测数据并进行数据融合，即剔除冗余信息后，再把精简后的有效数据发送至基站节点，从而可以有效地去除冗余数据，减少网络中传输的数据量，消除无线传感器网络中存在着的数据生产和数据消费的不平衡，最终达到降低网络能耗，实现延长网络生命周期的目标。

在本发明一实施例中，为了进一步提高数据的准确性，在将所接收到的数据进行数据融合之前，所述簇头节点通过对其他无线传感器节点在相应时间周期内处于未被唤醒期间的监测数据进行预测补全，不仅对已有的节点数据进行数据融合操作，还考虑休眠节点的缺失数据，对两部分数据进行融合处理，从而有利于保证网络数据的完整性和精确性，提升网络性能。

在本发明一实施例中，所述簇头节点通过对其他无线传感器节点在相应时间周期内处于未被唤醒期间的监测数据进行预测补全时，采用基于空间相关性的缺失数据补全算法估算的休眠节点的缺失数据进行融合操作。具体而言：

假设无线传感器网络中某一节点ni在休眠期间的数据缺失，节点ni有m个邻居节点，分别记作n1，n2...，nm。本发明中，我们将由ni的邻居节点构成的集合称为以ni为中心的簇，记作n(i)＝{n1，...，nm}。由于相同簇的节点距离比较近，所以ni与其同处于一个簇中的节点nj，nj∈n(i)具有一定的关联性，而且ni的邻居节点之间也具有关联性，即ni与nk的感知数据存在空间相关性。因此，如果节点ni在休眠期间的数据缺失，可以通过同一簇内的其他节点数据对其进行估算。总的来说，，以节点ni为中心的若干个节点看作一个分簇，用同一分簇中的其他节点的感知数据来估算休眠的节点ni的数据，即：

yit＝α0+α1y1t+α2y2t+α3y3t+...+αmymt+βt(1)

其中，yit是无线传感器节点ni在时刻t的数据，ykt是无线传感器节点nk(nk∈n(i))在t时刻的数据，αk是对应于ykt的偏相关系数，βt为预设的误差项。

在公式(1)中，αk反映了ykt对yit的影响程度，其中k＝{1，2，...，m}。显然，对于节点ni在休眠期间的缺失值，通过公式(1)可以估算出来。

根据多元回归模型计算理论，在应用公式(1)之前，首先选择h(h-m≥2)组已知数据{yij，y1j，...，ymj}，j≠t作为训练样本，利用训练样本对偏相关系数αk进行回归，得到它的估计量用替换公式(1)中的αk，可以得到：

其中，是yit的估计值，ykt是节点nk在t时刻的真实观察值，k＝{1，2，...，m}。显然，对于节点ni在任意时刻t的缺失值yit，可以用公式(2)求出。估计值与实际值yit之间的误差可以用e1表示，即

在对αk进行估计时，可以将节点ni的h组感知数据用向量y＝(yi1，...，yih)t表示，将节点ni所在簇的邻居节点的感知数据用矩阵x表示，x具体表示如下：

因此，αk的估计量可以用公式(3)表示如下：

其中，表示偏相关系数估算值向量，表示偏相关系数αk的估算值，向量y表示无线传感器节点ni的h组感知数据用向量，x表示无线传感器节点ni所在簇的邻居节点的感知数据矩阵，m表示无线传感器节点ni所在簇的邻居节点的个数。

综上所述，首先利用公式(3)对偏相关系数α进行估计得到估计值然后将代入公式(1)中得到节点ni在时刻t的估计数据值。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，所述计算机指令运行时执行所述的无线传感器网络数据传输方法的步骤。其中，所述的无线传感器网络数据传输方法请参见前述部分的描述，不再赘述。

本发明实施例还提供了一种终端，包括存储器和处理器，所述存储器上储存有能够在所述处理器上运行的计算机指令，所述处理器运行所述计算机指令时执行所述的无线传感器网络数据传输方法的步骤。其中，所述的无线传感器网络数据传输方法请参见前述部分的描述，不再赘述。

采用本发明实施例中的上述方案，通过分簇内的簇头节点在预设的时间周期内轮流唤醒自身分簇内的其他无线传感器节点，使得被唤醒的其他无线传感器节点在对应的唤醒周期内采集监测数据并将采集到的监测数据发送至所述簇头节点，再由所述簇头节点接收对应时间周期中自身分簇内的被唤醒的其他无线传感器节点发送的监测数据并将所接收的监测数据进行数据融合后发送至对应的基站节点，由于在一个时间周期内唤醒分簇内的其他无线传感器节点轮流进行监测数据的采集，故可以节约无线传感器节点的能量消耗，延长无线传感器节点的工作周期，因而可以降低无线传感器网络的能耗，延长无线传感器网络的生命周期。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。