[发明专利]移动元素与分簇混合的传感器网络数据收集方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线传感器网络的领域，尤其是一种传感器网络数据收集方法。 

背景技术

近年来，随着微机电系统(micro-electro-mechanism System，简称MEMS)、无线通信、信息网络与集成电路等技术的迅速发展，新兴的无线传感器网络(wireless sensor networks，简称WSN)应运而生。无线传感器网络中的传感器节点一般都具备数据处理和通信能力，并通过无线链路或直接或间接地将收集到的信号转化为数据发送到一个指令中心(BS)，这种协作分布式传感器网络的一种自然组织结构，就是在各传感器节点间以无线多跳方式组成一个自组织网络，集成了网络技术、嵌入式技术及传感器技术的无线传感器网络将逻辑上的信息世界与真实的物理世界融合在一起，同时深刻改变了人与自然的交互方式。 

在大多数情况下，传感器网络的节点都是由电池供电，电池容量非常有限，并且对于有成千上万节点的无线传感器网络来说，更换电池非常困难，甚至是不可能的，如果网络中的节点因为能量耗尽而不能工作，会带来网络拓扑结果的改变以及路由的重新建立等问题，甚至可能使得网络分成不连通的部分，造成通信的中断。因此，在不影响网络通信的情况下，尽可能的节省无线传感器网络节点的有限的能量成为无线传感器网络的核心问题。 

无线传感器网络的分簇路由问题，将无线传感器网络分簇除了可以增加网络的可扩展性外，还可以带来很多好处：首先，分簇可以使网络路由局部化从而减少每个节点内部预存路由表的规模大小；其次，由于限制了簇内节点与簇头之间的通信范围，分簇可以节省通信带宽并且避免了簇间节点冗余数据的交换；更总要的是，分簇能够从传感器节点层面稳固网络拓扑并且减少拓扑维护的开销。传感器节点将只需关心他们与他们的簇头之间的联系，不受簇内节点拓扑变化的影响。簇头也能实施最佳的管理策略用以提升网络的操作性和延长每个节点电池寿命和网络的寿命。一个簇头调动簇内节点使其切换到大部分时间低能耗的睡眠模式以减少能量的消耗。簇内节点可以按照循序循环和传输和接收的时间可以被固定，避免了节点重传，限制了冗余覆盖和阻止了介质访问碰撞。进一步，每个簇头能聚合该簇内传感器节点收集的数据从而减 少中继的数据包数量。许多分簇路由算法的提出主要都关注于节点的可达性和路由的稳定性而忽略了传感器网络关键的设计目标，例如：网络寿命和覆盖率。 

无线传感器网络中移动元素辅助数据收集问题的主要思想是：随着时间的变化移动元素担任汇聚节点按路由线路收集途经周围节点的数据信息，由于移动元素的路由而使网络能量的消耗更加均匀，从而延长了网络的寿命。用无人机和无人驾驶车辆担任移动元素的应用已经相当广泛，尤其是使用在具有对抗或人无法到达的传感器部署区域。此外，网络寿命和数据收集延时，以及在数据收集过程中无人机或无人地面车辆的暴露时间也是设计过程中考虑的关键约束条件。通过引入移动元素辅助数据收集数据包使得全网总能量消耗更加均匀，从而显著延长网络寿命。但是移动元素的加入会带来一个新的问题，即延时。最好的延时解决方案是感知节点经实时多跳路由到汇聚节点，然而会遇到汇聚节点周围的热点节点网络寿命有限的问题，从而带来导致能耗的不均而降低整个网络的寿命。 

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种无线传感器网络中移动元素与分簇混合的传感器网络数据收集方法，覆盖能力强，网络连通性好，具备较长的能量有效性以及精确的计算结果。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤： 

A.构建随机无线传感器网络； 

B.构建一个基于多动态簇头节点自动更新的并行通信骨干数据传输网络，包括以下步骤： 

(B1)利用移动元素首轮轮询补充传感器节点：移动元素进入虚拟小方格内中心位置发出询问信号，如接收到传感器节点应答信号，认为虚拟小方格内有传感器节点；否则，认为虚拟小方格内无传感器节点，移动元素补充一枚传感器节点到虚拟小方格的中央； 

(B2)利用CSMA机制选取各虚拟小方格内的工作节点ASN：首先，在第一个时隙△T后，位于同一虚拟小方格内所有的传感器节点将执行指数退避，其中仅有唯一的传感器节点最终能够竞争信道成功从而成功传输帧信息数据，该传感器节点将被选为工作节点；成功传输的帧信息数据将被在同一及相邻的虚拟小方格内的传感器节点侦听到，从而在同一虚拟小方格内其它传感器节点将停止退避并且转为睡眠模式以节约 能量开销；