基於數據溯源的WSN節點能量監測方法及系統與流程
2023-07-01 17:52:41 1
本發明涉及無線傳感器網絡節點能量監測方法，特別涉及基於數據溯源的無線傳感器網絡節點能量監測方法及系統。
背景技術：
無線傳感器網絡(wirelesssensornetworks,wsn)是由部署在監測區域內，具有數據採集、通信、存儲和處理能力的傳感器節點構成的自組織通信系統，其中，每一個傳感器為網絡的一個節點，用於環境感知，並將感知的數據以多跳方式傳輸到基站。由於無線傳感器節點能量有限，因而能量消耗問題是無線傳感器網絡技術的核心問題。
傳感器節點通常由傳感模塊、處理器模塊、存儲模塊、通信模塊、電源模塊和嵌入式軟體等組成，其中消耗能量的模塊主要為傳感模塊、處理器模塊和通信模塊。根據estrind.tutorial「wirelesssensornetworks」partiv:sensornetworkprotocols.mobicom.theeightannualinternationalconferenceonmobilecomputingandnetworkingatlanta.georgia,usa:acm.2002:140-147.中給出的傳感器節點能耗模型，傳感器節點各模塊中通信模塊消耗了絕大多數的能量，而傳感模塊和處理器模塊消耗的能量很少；通信模塊中，發送狀態(tx)下節點耗能最多，接收狀態(rx)和空閒狀態(idle)的耗能相當且略低於發送狀態，睡眠狀態(sleep)下節點的耗能則遠遠低於接收狀態(rx)和空閒狀態(idle)。隨著wsn技術的進步，無線傳感器網絡能夠快速完成節點工作狀態的轉換，使節點在工作狀態(發送和接收)結束後快速地進入睡眠狀態，最大程度地降低空閒狀態下的能量消耗，使節點的非工作耗能達到最小化。因此，現有無線傳感器網絡能量模型的研究主要集中於發送和接收狀態下節點的能量消耗。
在無線傳感器網絡中，數據以多跳方式傳至基站。在一次數據傳輸過程中，除源發送節點外，所有轉發節點均完成一次數據接收和一次數據發送，而這類數據轉發所消耗的能量佔節點耗能的主要部分。因此，節點參與數據轉發的頻次可作為評估其能量消耗情況的主要依據，數據發送和轉發頻次越高的節點，能量消耗越大。
無線傳感器網絡數據溯源是對數據包從源發送節點經多個轉發節點最終傳至基站的傳輸過程的記錄、追溯與展示，在無線傳感器網絡中，為保證數據包的可溯源性，在數據包傳輸過程中，需記錄中途轉發節點的相關信息，以便在基站根據這些信息追溯數據包的傳輸過程，這些信息稱為溯源信息。由於根據溯源信息可追溯數據包在傳感器網絡中的傳輸過程，因而數據溯源提供了統計各傳感器節點轉發數據頻次的重要途徑，本發明正是根據這種統計結果，來評估無線傳感器網絡的節點能耗。
目前，無線傳感器網絡數據溯源技術已有很多研究成果，但利用溯源結果來監測傳感器節點的能耗情況尚未發現相關的研究。因此，本發明不僅提供了一種評估和監測傳感器節點的能耗的簡單有效的新方法，還為基於wsn數據溯源的應用技術研究開闢了新途徑。
技術實現要素：
本發明所述基於數據溯源的wsn節點能量監測方法及系統，是指基站採用數據溯源技術，對所接收的數據包進行溯源，根據溯源結果來評估和監測所轄區域內各傳感器節點的能耗；
所述數據溯源技術，是指基站根據溯源信息獲得數據包傳輸過程的方法，例如：(1)文獻captra:coordinatedpackettraceback(《proceedingsofthe5thinternationalconferenceoninformationprocessinginsensornetworks》,acm,2006:152-159.)提出的captra數據溯源方法，此方法將溯源信息記入途徑轉發節點，使用分布在每個傳感器節點內的布隆過濾器來記錄數據包摘要；基站通過監聽傳感器節點中存儲的摘要信息來確定參與數據包傳輸的各轉發節點。(2)發明人在基於偽隨機序列的無線傳感器網絡數據溯源方法.中國發明專利，申請號：201510646810.9中提出的基於偽隨機序列的無線傳感器網絡數據溯源方法，該方法為每個節點分配一個唯一且互為正交的標識序列，各傳感器節點在轉發數據之前，將自己的標識序列與數據包中的溯源信息進行疊加，而基站則利用標識序列的正交性，從數據包的疊加編碼中分離出參與數據包轉發的所有傳感器節點信息；
所述節點能量監測，是指對基站所轄區域內所有傳感器節點設置節點能耗記錄表，用於記錄各節點的當前能量值；當收到數據包時，按照所述數據溯源階段得到參與該數據包傳輸的傳感器節點集合，將集合中各傳感器節點的當前能量值減去一個單跳轉發能耗值，並將剩餘能量值存入該節點的能耗記錄表；通過能耗記錄表對各節點的剩餘能量進行監測。
為了實現上述目的，本發明採用如下技術方案：
基於數據溯源的wsn節點能量監測方法，分為以下步驟：
步驟(1)：對基站所轄區域內各傳感器節點的能量進行初始化；
步驟(2)：基站每收到一個數據包，對該數據包進行溯源，得到參與該數據包轉發的傳感器節點集合，對所得集合中所有節點的能量進行評估，並對剩餘能量低於臨界值的節點觸發低能量提示。
所述步驟(1)之前的步驟為：
設n＝{node1,node2,…,nodem}為基站所轄區域內所有傳感器節點的集合，m為節點數量。對任意noder∈n，測量該節點的能量滿值，記為er；測量該節點的單跳轉發能耗值，記為er；設置該節點的最低能量臨界值，記為ur；
基站對其所轄區域內所有節點設置能耗記錄表，對任意noder∈n，其能耗記錄表包括：節點地址ar、節點標識vr和剩餘能量yr。
所述步驟(1)的步驟為：
對任意noder∈n，將其地址、標識和當前能量值寫入其能耗記錄表中的ar、vr和yr等表項；若noder為新節點，將其剩餘能量yr初始化為能量滿值er，即：yr←er，其中，「←」表示賦值；例如：yr←er表示將yr賦值為er。
所述步驟(2)的步驟為：
步驟(2.1)：對接收的數據包進行溯源；
設d為基站接收的當前數據包，通過數據溯源，得到該數據包在傳輸過程中所經過的節點集合r(d)＝{nd,1,nd,2,…,nd,t}，nd,k∈n，k＝1,2,…,t，t為數據包d在傳輸過程中所經過的節點數量，nd,1為d的源發送節點，nd,k表示數據包d的傳輸路徑上的第k個傳感器節點。
步驟(2.2)：根據溯源結果評估節點能耗；
對任意nodek∈r(d)，更新nodek能耗記錄表中的剩餘能量yk，將yk設置為yk減去一個單跳轉發能耗值ek，即：yk←(yk-ek)；
步驟(2.3)：當yk<uk時，觸發低能量提示。
基於數據溯源的wsn節點能量監測系統，包括：數據溯源模塊和節點能耗監測模塊；
所述數據溯源模塊：用於實現對數據包傳輸過程的溯源，生成參與該數據包傳輸的轉發節點集合；
所述節點能耗監測模塊：用於對基站所轄區域內所有傳感器節點，設置節點能耗記錄表，記錄各節點的當前能量值；根據數據溯源模塊所得到的參與當前數據包轉發的傳感器節點集合，將集合中各傳感器節點的當前能量值減去一個單跳轉發能耗值，並將剩餘能量值存入該節點的能耗記錄表；對各節點的能耗記錄表中的剩餘能量值進行實時監測。
所述數據包傳輸過程的溯源方法，可採用已有wsn數據溯源方法，例如：文獻captra:coordinatedpackettraceback(《proceedingsofthe5thinternationalconferenceoninformationprocessinginsensornetworks.acm,2006:152-159.)提出的captra數據溯源方法，或者基於偽隨機序列的無線傳感器網絡數據溯源方法(中國發明專利，申請號：201510646810)等。本發明的創新性
本發明將數據溯源技術與傳感器節點能耗監測問題相結合，給出一種根據數據溯源結果監測無線傳感器網絡節點能耗的新方法。其中，數據溯源在本發明中的作用是獲取傳感器節點轉發數據的頻次，根據轉發數據的頻次，實現對傳感器節點能耗的評估與監測。
本發明的有益效果
1.本發明所述方法實現了對無線傳感器網絡各節點能耗情況的在線、實時、直觀監測，其監測結果可作為無線傳感器網絡管控，延長無線傳感器網絡的使用時間，以及選取基站位置的重要依據。
2.本發明提供了利用數據溯源結果實現傳感器節點能耗監測的有效方法，該方法對傳感器節點資源的佔用很小，且設計巧妙，實現簡單。
3.本發明為基於能量分布的無線傳感器網絡應用技術提供了新的研究途徑。
附圖說明
圖1為本發明傳感器節點能耗監測流程圖。
圖2為本發明所述方法工作過程示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖與實施例對本發明作進一步說明。
如圖1所示，基站收到數據包後，對該數據包進行溯源，得到參與數據包傳輸的路由節點集合；該集合中的所有節點均完成了一次數據轉發操作(源節點由於需要完成數據包封裝等操作，與路由節點能耗近似相當)，因而各消耗了一個單跳轉發能量單位，因此，將集合中各節點的能耗記錄表中剩餘能量數值分別減去一個單跳轉發能耗；基站按此方式對所轄區域內所有傳感器節點的能耗進行評估和監測，並對剩餘能量低於臨界值的節點觸發低能量提示。
如圖2所示，數據包自源發送節點a發出，路經路由節點x、y、z，到達基站後，經數據溯源得到參與該數據包傳輸的節點集合c＝{a,x,y,z}；根據集合c，對節點a、x、y和z的能耗進行評估，將其剩餘能量ya、yx、yy、yz分別減去一次單跳轉發能耗。
上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式進行了描述，但並非對本發明保護範圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護範圍以內。