一种基于节点度数的无线传感器网络功率控制方法

摘要

本发明提出一种基于节点度的无线传感器网络功率控制方法，通过节点度数来进行发射功率的控制。并提出了剩余电量分级调整的概念，针对不同时间段内，节点电量的剩余情况，确定合理的期望节点度，不同于采用传统基于节点度的算法，能够更好地确保在网络连通的情况下尽可能延长节点生存寿命。同时又将控制理论中的PID闭环控制算法引入功率控制，将确定好的期望节点度作为闭环控制系统输入量来动态调节节点的一跳邻居数，这样做的优点是可以更加迅速地调整至期望节点度数，以达到功率控制的目标，同时，响应时间快，振荡小，稳定性好。

主权项

一种基于节点度数的无线传感器网络功率控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤1：预先规划好无线传感器网络的整体布局方案，根据实际网络环境，确定节点度数范围N_min～N_max；其中N_min是指保证网络连通性所需要的最小节点度数，N_max是指以较大功率传输且节点间相互干扰在允许范围内时的最大节点度数；步骤2：根据无线节点中电池容量大小，选取合适的节点度级数l，l选取范围为2≤l≤8；步骤3：通过计算得出节点度数每级权值λ：λ＝(N_max‑N_min)/l步骤:4：根据节点特性，确定可正常工作的节点电量范围E_max～E_min；其中E_max为节点电池空载时的满电电量，E_min为节点电池在负载运行一段时间后也能保证节点正常工作的最小电量；然后根据已选取好的节点度数级l，计算得出节点电量每级权值θ：θ＝(E_max‑E_min)/l步骤5：设定一个定时器，计数器初值为T，即每隔T时间段检测一次节点电量剩余值；步骤6：检测当前电量剩余值E_now(t)，若E_now(t)≤E_min，表明电池电量处于低电量，不能正常工作，则跳转至步骤11执行；若E_now(t)＞E_min，则可计算出当前应选取的期望节点度数N_exp(t)，计算公式如下：$N_{\exp }\left(t\right)=N_{\max }-\lambda \frac{[E_{\max }-E_{\mathrm{now}}\left(t\right)]}{\theta }$其中[E_max‑E_now(t)]/θ取整数部分；步骤7：对于网络中的任一节点A，首先节点A向整个传感器网络广播一个FindMsg消息，如果其余节点能够接收到该消息，则向节点A发送一个应答消息AckMsg；在一定的时间段之内，节点A利用收到AckMsg消息可以计算出和自己一跳相邻的邻居节点数，即当前实际节点度N_now(t)；步骤8：将当前期望节点度数N_exp(t)作为闭环控制系统的输入量，动态调节当前实际节点度数N_now(t)，使其收敛于N_exp(t)；具体调节过程如下：将N_exp(t)输入至比较元件，在反馈信号即N_now(t)的作用下，形成偏差信号e(t)＝N_exp(t)‑N_now(t)；若偏差信号e(t)为0，则PID调节完毕，跳转至步骤10；若偏差信号e(t)不为0，则偏差信号e(t)经过PID调节器，输出控制信号$m\left(t\right)=K_p[e\left(t\right)+\frac{1}{T_i}{\int }_0^{t}e\left(t\right)\mathrm{dt}+{\tau }_d\frac{d}{\mathrm{dt}}e\left(t\right)]$其中比例系数K_p、时间常数T_i、τ_d为可调参数；参数需在实际网络情况下根据节点自身性能不断调整获得最佳值，或者根据经验值获得；步骤9：输出控制信号用于功率调节器，功率调节器动态地增加或者减少发射功率，调节完后，重新跳转至步骤7执行；步骤10：节点开始进行数据收发状态，并同时监测定时器值，若定时器值为0，表明需要重新检测电量，则立刻跳转至步骤6执行，并同时将定时器复位；步骤11：节点的功率调整终止，并通过相应措施发出低电量警报提醒更换电池；步骤12：以步骤1至步骤11调节其余节点，直至整个传感器网络节点功率调整完毕。