[发明专利]基于元胞自动机的工业无线传感器网络节点休眠方法

摘要

本发明公开了一种基于元胞自动机的工业无线传感器网络节点休眠方法。本发明的方法具体在面向工业背景下的无线传感器网络中引入了元胞自动机理论，将无线传感器网络中海量的传感节点视为元胞自动机里的元胞，各传感节点只需掌握其自身及邻居节点的信息，即可决策其工作或休眠状态。采用泰森多边形划分法确定出不规则元胞空间以及节点邻居集，从而保证了每个元胞空间只包含一个传感节点；同时将工业噪声等环境因素以及节点的剩余能量等级考虑在状态转换规则的设计中，有效地解决工业无线传感器网络可靠性与耗能之间的问题，达到提高传感器节点利用率、延长无线传感器网络寿命的目的。

主权项

一种基于元胞自动机的工业无线传感器网络节点休眠方法，具体包括步骤：步骤1.随机撒布工业传感器节点：设待检测感知的工业区域D的规模为L×L，其中任意撒布n个无线传感器节点，节点集合表示为S＝{S1,S2，…,Si,…,Sn}，其中Si表示第i个传感器节点，同时设节点Si所对应的空间位置向量为li，空间位置向量的集合表示为l＝{l1,l2，…,ln}，每个传感节点都具有通信交流、检测感知的能力，节点的最大通信距离为Rc，最大检测距离为Rs；步骤2.采用泰森多边形法确定不规则元胞空间以及节点邻居集：节点Si所对应的不规则元胞空间Ci的确定方法为：分别连接节点Si与其周围节点Sj，并作每一条线段的垂直平分线，垂直平分线相交形成的包含Si在内的多边形区域即为节点Si所对应的不规则元胞空间Ci，与多边形元胞空间Ci毗邻的通信范围之内的多边形Cj所包含的节点Sj即为Si的邻居节点，在不规则元胞自动机模型中，每个元胞的邻居个数都不相同，因此可确定节点Si的邻居节点集Ni，定义为：Ni＝{Sj|Cj connect Ci,j＝1,2,…,n}；步骤3.定义节点状态集合，初始化节点状态：传感器节点采用S‑MAC协议，节点周期地按照状态转换规则选择活跃或休眠状态；休眠状态时，节点进入休眠状态以节省能量；工作状态时，节点检测周围环境并进行相应处理；定义包含n个节点状态的集合Q为：Q＝{Qi|Qi∈{0,1},i＝1,2,…,n}，其中，Qi表示节点Si的状态，0和1分别表示该节点处于休眠和工作状态；初始化节点状态以一定的概率取0或1；步骤4.通过状态转换函数进行节点状态更新：在节点检测范围内，工业噪声对节点Si的影响服从指数分布，参数值为：Noise_i＝a·eb·dis_i，其中，dis_i是节点Si与探测目标的距离，且dis_i≤Rs；当dis_i＞Rs时，即探测目标不在节点Si的检测范围内，此时工业噪声的影响为无穷大；a,b为预先设定的参数值；对工业噪声因素进行归一化处理，归一化的工业噪声为：其中，Noisemax为工业噪声最大干扰参数值；设节点Si的剩余能量为Ei，本节点及邻居节点的平均剩余能量为Ei_av，计算公式为：其中，Ej表示在节点Si的邻居集合内的节点Sj的剩余能量，|Ni|为节点Si的邻居集合Ni中元素的个数；节点Si的剩余能量等级参数值为传感节点在t+1时刻的工作/休眠状态由工业噪声的影响和该节点及其邻居节点在t时刻的剩余能量共同决定；传感器节点Si在时刻t的活跃权值Wi(t)的计算式为：其中，Ei(t),Ei_av(t)分别表示节点Si在t时刻的剩余能量值和邻居节点的平均剩余能量值；No_i(t)表示节点Si在t时刻受到的工业噪声影响归一化参数值；k1,k2分别为剩余能量等级参数值和工业噪声影响参数值的权重，设定一动态活跃阈值Wth(t)；每个节点具有一个节点状态标志位Sleepflag，同时以计数器SleepTimer来记录节点休眠的时间，状态转换规则f具体为：如果节点Si在t时刻的状态为“1”，判断该节点的活跃权值是否大于活跃阈值，若是，则该节点在t+1时刻的状态保持为“1”，否则，节点在t+1时刻的状态转换为“0”，同时将节点状态标志位Sleepflag置为1，并启动计数器SleepTimer，当计数器计满，则将节点状态标志位Sleepflag重新置为0；如果节点Si在t时刻的状态为“0”，则对节点状态标志位Sleepflag进行判断，若为1，则继续休眠，若为0，则该节点在t+1时刻的状态更新为“1”；各节点按照状态转换规则f周期性地进行状态更新。