基于备份节点的无线传感器网络的组网方法技术

本发明专利技术揭示了一种基于备份节点的WSN的组网方法，包括传感器节点位置定位，传感器节点感知范围内两节点之间的通信距离、通过广播命令层层传递生成树形拓扑结构，在广播过程中除Sink节点外的每个节点都判断距离最近的子节点是否具有成为备份节点的资格来设置备份节点；通过备份节点在最终在树形拓扑结构上减少在网节点数目来有效的延长WSN的使用寿命。本发明专利技术优点在于减少WSN在网节点数量，使得整个网络寿命得到延常，适用于随机部署传感器节点的WSN。

【技术实现步骤摘要】
基于备份节点的无线传感器网络的组网方法
本专利技术涉及WSN(无线传感器网络，WirelessSensorNetworks)领域，特别涉及一种基于备份节点的WSN的组网方法。
技术介绍
在WSN中，无线传感器节点一般采用电池供电，且无法更换，同时由于WSN一般部署后，使得网络几乎不能维护，所以需要尽量延长WSN寿命。因此，如何在不影响功能的前提下，最大限度地利用能源、减小网路能量消耗是WSN设计中的关键问题。一种好的无线传感器组网方式无疑是WSN中一种有效的节能方法。一方面，针对密集节点部署的树形结构广泛应用于WSN的情况；另一方面，在不影响数据可靠性前提下，有针对性地减少工作中的WSN节点就可以满足需求，这样形成的树形层次性网络结构，能最大限度的保证采集区域中的节点向上层传输的数据量是最小的，同时能达到有效采集的目的。目前缺少一种基于备份节点实现WSN的组网的方法。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是实现一种通过确定节点的跳数、设置备份节点等方法最终实现组网，达到减少WSN冗余和增加WSN寿命的WSN组网方法。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：基于备份节点的无线传感器网络的组网方法：1)设定WSN组网具有Sink节点、主节点、备份节点、普通节点；2)基于树形拓扑算法生成WSN，选取距离父节点最近且距离小于设定的最小通讯距离的子节点作为为其备份节点，同时父节点设置为主节点；3)当主节点失效或者能量到达设定的警戒值时；4)备份节点接替主节点。所述2)为初始阶段包括以下步骤：步骤1:普通节点通过定位技术确定自身位置，跳数值初始化为无穷大，Sink节点的跳数值初始化为0；步骤2:Sink节点向感知范围内的邻居节点广播跳数值，接收到Sink节点的传感器节点跳数值设为1；步骤3:跳数值为1的节点，依次向邻居节点广播跳数值，如果节点ni收到节点nj传输的跳数值小于本身跳数值且本身跳数值为无穷大，则节点ni将到节点nj设为父节点，并将自己跳数值设为节点nj跳数值加1，每个父节点选择距离最近的子节点，如果该子节点距离小于设定的最小通讯距离Rmin,则该子节点拥有成为备份节点的资格，然后把该子节点设置为备份节点，父节点设置为主节点，主节点同备份节点完成备份信息的同步；如果该节点距离大于或者等于设定的最小通讯距离Rmin,则父节点成为普通节点；步骤4:每个节点的子节点重复上述步骤，直至没有其他节点加入传感器网络；步骤5:叶节点设置为普通节点。所述3)为主节点工作阶段，主节点处于传感器网络之中，备份节点不处于传感器网络中，备份节点定期从休眠状态唤醒，发送查询消息给主节点，如果主节点失效或者能量低于预设的警告能量值则开始执行交换程序，将主节点剔除，此备份节点成为主节点，接管原主节点的功能，成为原WSN中的一枚节点。所述4)为备份节点接管阶段，备份节点升级为新的主节点，通知原主节点的父节点和子节点原主节点已死亡，并更新网络拓扑信息。完成网络更新后，新主节点进入工作状态。本专利技术WSN的组网方法能够在不影响节点数据收集的情况下，能够减少密集部署区域的正常工作时节点数量，形成一种高效的树形层次拓扑网络结构。该方法具有节省能量、组网方式简单的特点，有效的延长网络寿命。附图说明下面对本专利技术说明书中每幅附图表达的内容作简要说明：图1为传感器网络的生命周期图；图2为树形结构拓扑网络的示意图。具体实施方式本专利技术提出一种基于备份节点的WSN的组网方法，主要目的是通过确定传感器节点位置、确定传感器节点感知范围内两节点之间的通信距离、通过广播命令层层传递生成树形拓扑结构以及在广播过程中除Sink节点外的每个节点都判断距离最近的子节点是否具有成为备份节点的资格来设置备份节点；最终在树形拓扑结构上减少在网节点数目来达到有效的延长WSN的使用寿命的目的。组网方法通过对无线传感器节点进行初始化，然后通过一种基于树形拓扑算法生成WSN，在生成WSN的时候，通过选取距离父节点最近且距离小于设定的最小通讯距离Rmin的子节点设置为其备份节点，同时父节点设置为主节点。接着在主节点失效或者能量到达设定的警戒值时，备份节点接替主节点。本方法适用于随机部署环境下密集部署区域的WSN，既能减少WSN冗余又能增加WSN寿命。具体来来说，将无线传感器节点分为Sink节点、主节点、备份节点和普通节点四种，如图2所示，Sink节点由标记为A的圆点表示，主节点由标记为B的圆点表示，备份节点由标记为C的圆点表示，普通节点由标记为D的圆点表示。Sink结点:Sink结点是数据采集的汇聚结点，在初始化阶段，由Sink结点发起组网信号，实现WSN组建工作；在网络运行阶段，WSN中的结点数据经汇聚到Sink结点。主节点:WSN中正常运行且有备份节点的普通结点，当主节点能量达到警戒线时，主动唤醒备份结点，同时告知备份节点修改父节点和子节点的信息。备份结点:备份结点大部分的时候处于休眠状态，确保主节点能量达到警戒线时，及时被主节点唤醒，然后接管主节点的工作；当一定周期没有收到主节点发来的确认信息，主动发信息查询主节点，如没收到主节点的信息，启动交接程序。一个主节点只有一个备份结点，离主节点越近，同时低于最低通讯半径的一个结点可设置为备份结点。当主节点发生能量耗尽时，备份结点被唤醒升级为主节点，并负责发送消息给原主节点的父节点和子结点，然后进入运行状态。普通结点:处于WSN中没有自己备份结点的普通节点。主节点命令处理具体包括:(1)当父节点或者子节点发生变化时，主节点会发送命令消息通知备份结点更新父节点和子结点的信息。(2)当主结点能量低于预先设置的值时，主动发送消息唤醒备份结点，并与备份结点交接数据信息，并通知备份结点发送消息给父节点和子节点。组网方法具体如下：步骤1：在初始化阶段，普通节点通过定位技术确定自身位置，并且跳数值初始化为无穷大。步骤2：Sink节点跳数值初始化为0。步骤3：Sink节点向邻居结点广播信息，信息为当前节点的跳数值。步骤4：在通讯半径内接收到信息的结点根据接收到的跳数值，跳数值加一，然后设置为自身的跳数值。步骤5：在通讯半径内中找到编号最小的结点，编号最小结点向邻居结点广播信息，如果接受到信息的结点跳数值为无穷大，则把收到的跳数值，跳数值加一，然后设置为自身的跳数值。如果和当前节点跳数值相同的其他兄弟结点接收到信息，则不修改跳数值。步骤6：通讯半径内接收到信息的结点跳数值大于等于自己跳数值，并且有低于最小通讯半径的结点，则取其中最近的结点设置为自己的备份结点,自己设置为主节点，在初始化阶段不再接收信息。步骤7：如果一个结点被设置为备份结点，则在初始化阶段不再接收信息。步骤8：接下来，大于当前编号的最小值结点向邻居结点广播信息，如果接受到信息的结点跳数值为无穷大，则把收到的跳数值，跳数值加一后，设置为自身的跳数值。如果和当前节点跳数值相同的其他兄弟结点接收到信息，则不修改跳数值。步骤9：重复步骤6、步骤7、步骤8三步，直到没有当前跳数值结点。步骤10：执行步骤9直到没有结点可以加入WSN。步骤11：把除主节点和备份节点外的节点设置为普通节点。根据组网方法，每个结点依次修改当前节点的父节点和子节点信息。在主节点工作阶段。主节点处于WSN中，备份结点定期从本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于备份节点的无线传感器网络的组网方法，其特征在于：1)设定WSN组网具有Sink节点、主节点、备份节点、普通节点；2)基于树形拓扑算法生成WSN，选取距离父节点最近且距离小于设定的最小通讯距离的子节点作为为其备份节点，同时父节点设置为主节点；3)当主节点失效或者能量到达设定的警戒值时；4)备份节点接替主节点。

【技术特征摘要】
1.基于备份节点的无线传感器网络的组网方法，其特征在于：1)设定WSN组网具有Sink节点、主节点、备份节点、普通节点；2)基于树形拓扑算法生成WSN，选取距离父节点最近且距离小于设定的最小通讯距离的子节点作为为其备份节点，同时父节点设置为主节点；3)当主节点失效或者能量到达设定的警戒值时；4)备份节点接替主节点。2.根据权利要求1所述的组网方法，其特征在于：所述2)为初始阶段包括以下步骤：步骤1:普通节点通过定位技术确定自身位置，跳数值初始化为无穷大，Sink节点的跳数值初始化为0；步骤2:Sink节点向感知范围内的邻居节点广播跳数值，接收到Sink节点的传感器节点跳数值设为1；步骤3:跳数值为1的节点，依次向邻居节点广播跳数值，如果节点ni收到节点nj传输的跳数值小于本身跳数值且本身跳数值为无穷大，则节点ni将到节点nj设为父节点，并将自己跳数值设为节点nj跳数值加1，每个父节点选择距离最近的子节点，如果该子节点距离小于设定...

【专利技术属性】
技术研发人员：王涛春，邓智，刘盈，左开中，陈付龙，
申请(专利权)人：安徽师范大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34