一种低功耗无线传感器网络静态节点路由方法技术

本发明专利技术提及一种低功耗无线传感器网络静态节点路由方法，包括：无线传感器网络初始化设定；获取拓扑结构信息；计算基站到所有传感器节点的最优路径；选出一条工作路径并将其发送给该路径上的所有传感器节点；工作路径上出现的起始传感器节点将自身感知的数据和剩余能量，沿着最优路径转发给路径上的下一跳传感器节点；下一跳传感器节点融合自身的感知数据和剩余能量，再转发给接下来的下一跳传感器节点，以此类推，直到基站收到路径上的所有传感器节点数据；更新拓扑结构信息中节点的剩余能量，计算未收到数据的传感器节点到基站的最优路径；重复前述步骤，直到所有节点数据都收集完成。本发明专利技术能够实现节约能量，延长网络寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种低功耗无线传感器网络静态节点路由方法
本专利技术涉及无线传感器网络路由
，属于一种低功耗无线传感器网络静态节点路由方法。
技术介绍
无线传感器网络(WirelessSensorNetwork，WSN)是一种分布式传感网络，其作为物联网和大数据的核心技术，近年来，受到工业界和学术界的广泛关注。无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的静止或移动的微型传感器节点组成，传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点，通过无线通信的方式逐跳的进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息，最后通过互联网或卫星把这些信息发送给网络的管理者。其结构如图1所示。传感器节点作为无线传感网络的重要组成元素，除了进行本地信息收集和数据处理外，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合。而这些传感器节点本身的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，电池的供电能力有限。如何节约能耗，延长网络使用寿命是无线传感器网络的一个热点研究问题。低功耗无线传感器网络静态节点路由，适用于整个传感器网络中传感器节点位置固定的场景。传感器节点通过获取无线传感器网络的拓扑结构信息，在保证网络连通性的情况下，基站(或网关)生成传感器节点到基站(或网关)的最优路由路径，最大程度的节约网络能量消耗，降低节点干扰，延长网络寿命。目前，无线传感网络路由方法主要有三种方式：基于平面的路由、基于层次的路由和基于位置的路由。基于平面的路由是相对基于层次的路由来说，即无线传感器网络中的每个传感器节点都是对等的，没有层级或主从之分。网络中的每个传感器节点都知道其他节点到基站成本最小的路径，平面路由就是利用一定的图论算法来选择最佳的路由路径。(GulistaKhan,GauravBathlaandWajidAli.MinimumSpanningTreebasedRoutingStrategyforHomogeneousWSN.InternationalJournalonCloudComputing:ServicesandArchitecture,Vol.1,No.2,August2011)基于层次的路由是将无线传感器网络中的节点根据一定的规则划分成若干个簇，每个簇中有一个节点担任簇头节点，簇中的节点将感知数据发送给簇头节点，簇头节点来完成数据的融合，并转发给基站或网关(ZhouR,ChenM,FengG,etal.GeneticclusteringroutealgorithminWSN[C].SixthInternationalConferenceonNaturalComputation.IEEE,2010:4023-4026.)。根据簇的层次深度不同，可将整个网络划分为二层结构、三层结构，甚至四层结构(FawzyAE,AmerA,ShokairM,etal.Four-layerroutingprotocolwithLocationbasedTopologyControlofactivenodesinWSN[C].InternationalConferenceonComputerEngineering&Systems.IEEE,2017.)。基于位置的路由是根据地理位置信息将无线传感器网络划分成若干区域，然后利用现有传统网络的路由算法(如DSR或AODV)实现路由功能。(JeongY,LeeS.Location-basedRouting(LBR)AlgorithmtoImproveEfficiencyintheWirelessSensorNetwork[J].JournalofKoreanInstituteofCommunications&InformationSciences,2007,32.)。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对无线传感器网络在传感器节点能量资源有限情况下的路由问题提供一种低功耗无线传感器网络静态节点路由方法，能够实现节约能量，延长网络寿命。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种低功耗无线传感器网络静态节点路由方法，所述无线传感器网络包括至少一个传感器节点，所述方法包括以下步骤：S101：初始化设定所述无线传感器网络，其中，至少包括为传感器节点指定唯一id；S102：获取所述无线传感器网络的拓扑结构信息，将拓扑结构信息发送至与该无线传感器网络对应的基站；S103：基于所述拓扑结构信息，计算得出所述基站至所有传感器节点的最优路径，构成一最优路径集合；S104：根据设定的筛选规则以选择所述最优路径集合中的其中一条最优路径作为工作路径，将工作路径的信息发送至该工作路径上的所有传感器节点；S105：工作路径上出现的起始传感器节点将自身感知的数据和剩余能量，沿着工作路径转发给工作路径上的下一跳传感器节点；下一跳传感器节点融合自身的感知数据和剩余能量，再转发给接下来的下一跳传感器节点，以此类推，直至基站收到工作路径上的所有传感器节点数据；S106：响应于基站收到工作路径上所有传感器节点的感知数据和剩余能量，更新基站所具有的拓扑结构信息中对应传感器节点的剩余能量；S107：基于更新后的拓扑结构信息，重新计算未被收集数据的传感器节点到基站的最优路径，更新最优路径集合；S108：重复S104至S107，直至收集完成所有传感器节点的感知数据和剩余能量。进一步的实施例中，步骤S101中，初始化设定所述无线传感器网络还包括：设置传感器节点的初始能量、设置传感器节点的数据传送最大比特位数K。进一步的实施例中，步骤S104中，根据设定的筛选规则以选择所述最优路径集合中的其中一条最优路径作为工作路径是指，选择满足路径终节点数据未收集且路径跳数最多的最优路径作为工作路径。进一步的实施例中，步骤S102中，获取所述无线传感器网络的拓扑结构信息，将拓扑结构信息发送至与该无线传感器网络对应的基站的方法包括以下步骤：S201：在一设定的广播HELLO报文时间段内，所述无线传感器网络中的每个传感器节点周期性地广播一HELLO报文信息，该HELLO报文信息包括传感器节点自身的id和“HELLO”文本；S202：收到其他传感器节点HELLO报文信息的传感器节点反馈回一回应报文RESP信息，回应报文RESP信息中包括该传感器节点自身的id和位置信息；S203：响应于广播HELLO报文时间段结束，每个传感器节点各自生成自己的一跳邻接表，一跳邻接表中包括其所有邻居节点的id、与邻居节点的距离d；S204：所有传感器节点将自己的一跳邻接表和剩余能量信息传送至基站；S205：基站将收到的所有一跳邻接表进行融合，得到整个无线传感器网络的拓扑结构信息，生成网络拓扑图。进一步的实施例中，所述网络拓扑图为一个带权无向图，其被定义成TG＝(V,E,W)。其中，V是图中的节点集，是图中边集，W是边的权重集合。进一步的实施例中，所述带权无向图的格式见表1：表1.基站生成的网络拓扑图的格式其中，v(i)表示传感器节点编号，e(i)表示传感器节点v(i)的剩余能量，“-”表示拓扑图自身无环，d(ij)表示传感器节点v(i)和v(j)之间的距离，w(ij)表示传感器节点v(i)和v(j)之间构成边的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低功耗无线传感器网络静态节点路由方法，其特征在于，所述无线传感器网络包括至少一个传感器节点，所述方法包括以下步骤：S101：初始化设定所述无线传感器网络，其中，至少包括为传感器节点指定唯一id；S102：获取所述无线传感器网络的拓扑结构信息，将拓扑结构信息发送至与该无线传感器网络对应的基站；S103：基于所述拓扑结构信息，计算得出所述基站至所有传感器节点的最优路径，构成一最优路径集合；S104：根据设定的筛选规则以选择所述最优路径集合中的其中一条最优路径作为工作路径，将工作路径的信息发送至该工作路径上的所有传感器节点；S105：工作路径上出现的起始传感器节点将自身感知的数据和剩余能量，沿着工作路径转发给工作路径上的下一跳传感器节点；下一跳传感器节点融合自身的感知数据和剩余能量，再转发给接下来的下一跳传感器节点，以此类推，直至基站收到工作路径上的所有传感器节点数据；S106：响应于基站收到工作路径上所有传感器节点的感知数据和剩余能量，更新基站所具有的拓扑结构信息中对应传感器节点的剩余能量；S107：基于更新后的拓扑结构信息，重新计算未被收集数据的传感器节点到基站的最优路径，更新最优路径集合；S108：重复S104至S107，直至收集完成所有传感器节点的感知数据和剩余能量。...

【技术特征摘要】
1.一种低功耗无线传感器网络静态节点路由方法，其特征在于，所述无线传感器网络包括至少一个传感器节点，所述方法包括以下步骤：S101：初始化设定所述无线传感器网络，其中，至少包括为传感器节点指定唯一id；S102：获取所述无线传感器网络的拓扑结构信息，将拓扑结构信息发送至与该无线传感器网络对应的基站；S103：基于所述拓扑结构信息，计算得出所述基站至所有传感器节点的最优路径，构成一最优路径集合；S104：根据设定的筛选规则以选择所述最优路径集合中的其中一条最优路径作为工作路径，将工作路径的信息发送至该工作路径上的所有传感器节点；S105：工作路径上出现的起始传感器节点将自身感知的数据和剩余能量，沿着工作路径转发给工作路径上的下一跳传感器节点；下一跳传感器节点融合自身的感知数据和剩余能量，再转发给接下来的下一跳传感器节点，以此类推，直至基站收到工作路径上的所有传感器节点数据；S106：响应于基站收到工作路径上所有传感器节点的感知数据和剩余能量，更新基站所具有的拓扑结构信息中对应传感器节点的剩余能量；S107：基于更新后的拓扑结构信息，重新计算未被收集数据的传感器节点到基站的最优路径，更新最优路径集合；S108：重复S104至S107，直至收集完成所有传感器节点的感知数据和剩余能量。2.根据权利要求1所述的低功耗无线传感器网络静态节点路由方法，其特征在于，步骤S101中，初始化设定所述无线传感器网络还包括：设置传感器节点的初始能量、设置传感器节点的数据传送最大比特位数K。3.根据权利要求1所述的低功耗无线传感器网络静态节点路由方法，其特征在于，步骤S104中，根据设定的筛选规则以选择所述最优路径集合中的其中一条最优路径作为工作路径是指，选择满足路径终节点数据未收集且路径跳数最多的最优路径作为工作路径。4.根据权利要求1-3中任意一项所述的低功耗无线传感器网络静态节点路由方法，其特征在于，步骤S102中，获取所述无线传感器网络的拓扑结构信息，将拓扑结构信息发送至与该无线传感器网络对应的基站的方法包括以下步骤：S201：在一设定的广播HELLO报文时间段内，所述无线传感器网络中的每个传感器节点周期性地广播一HELLO报文信息，该HELLO报文信息包括传感器节点自身的id和“HELLO”文本；S202：收到其他传感器节点HELLO报文信息的传感器节点反馈回一回应报文RESP信息，回应报文RESP信息中包括该传感器节点自身的id和位置信息；S203：响应于广播HELLO报文时间段结束，每个传感器节点各自生成自己的一跳邻接表，一跳邻接表中包括其所有邻居节点的id、与邻居节点的距离d；S204：所有传感器节点将自己的一跳邻接表和剩余能量信息传...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘刚，刘昭斌，顾才东，张量，杨元峰，
申请(专利权)人：苏州市职业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32