一种协作多点工控采集数据传输方法

摘要

在本发明提供的协作多点工控采集数据传输方法中，首先，工控采集节点通过综合考虑节点剩余能量及其局部拓扑关系选择组汇聚节点，从而对网络进行分汇聚组；然后，利用贪心算法在组汇聚节点集合中构造一条遍历所有组汇聚节点的组汇聚节点遍历链，并选择一个通信代价值最小的组汇聚节点作为链头节点与基地台直接通信，链两端组汇聚节点将数据沿链传输到链头节点，从而建立了多跳的数据传输路径；最后，工控采集节点把采集的数据传输到基地台。与现有方法相比，本发明考虑了节点的局部拓扑结构，并建立了多跳的数据传输路径，从而有效提高了网络的能耗效率，实现了工控采集节点能量的均衡消耗，延长了网络生命周期。

主权项

一种协作多点工控采集数据传输方法，其包括以下步骤：S1、工控采集网络中的n个工控采集节点C_i同时启动其内置的计时器T₁，i＝1，2，3，......，n，在通信半径r内广播自身的剩余能量消息，接收各相邻工控采集节点C_j发送的剩余能量消息并保存在自身内置的相邻节点表中，j＝1，2，3，......，m，且m＜n；根据工控采集节点能量损耗模型计算自身发送和接收能量剩余消息后的当前剩余能量E_1,i，并用E_1,i更新其内置剩余能量表中的初始剩余能量E_0,i；S2、所述各工控采集节点C_i根据当前相邻节点表中所有相邻工控采集节点C_j的初始剩余能量E_0,j，计算相邻工控采集节点C_j的平均剩余能量E_ai：S3、所述各工控采集节点C_i启动其内置的组汇聚节点选择持续时间计时器T₂，并根据下式设置其组汇聚节点表明消息的限时计时器t_i，$t_i=p\times T_2\times \frac{E_{\mathrm{ai}}}{E_{0,i}},$式中，p是一个随机均匀分布在(0.9，1)之间的实数值；S4、所述各工控采集节点C_i在其限时计时器t_i计时到时之前，查询是否收到所述相邻工控采集节点C_j的组汇聚节点表明消息：若所述工控采集节点C_i收到一个相邻工控采集节点C_j的组汇聚节点表明消息，则选择发出该组汇聚节点表明消息的相邻工控采集节点C_j为自己的组汇聚节点并向该组汇聚节点发送加入汇聚组消息，根据工控采集节点能量损耗模型计算自身接收组汇聚节点表明消息和发送加入汇聚组消息后的当前剩余能量E_2,i，并用E_2,i更新其内置剩余能量表中的剩余能量E_1,i；若所述工控采集节点C_i收到k个相邻工控采集节点C_j的组汇聚节点表明消息，1＜k≤m，则将这k个相邻工控采集节点C_j作为候选组汇聚节点C_c，c＝1，...，k，并根据以下公式计算：上式中，COST_c为工控采集节点C_i到候选组汇聚节点C_c的通信代价，d(C_i，C_c)是工控采集节点C_i到候选组汇聚节点C_c的通信距离，d(C_c，BS)是候选组汇聚节点Cc到基地台BS的距离，是调节d(C_i，C_c)与d(C_c，BS)之间权重的参数且选定具有最小通信代价Min(COST_c)的候选组汇聚节点C_c为本工控采集节点C_i的组汇聚节点并向该组汇聚节点发送加入汇聚组消息，根据工控采集节点能量损耗模型计算自身接收多条组汇聚节点表明消息和发送加入汇聚组消息后的当前剩余能量E_2,i，并用E_2,i更新其内置剩余能量表中的剩余能量E_1,i；若所述工控采集节点C_i在其限时计时器t_i计时到没有收到任何组汇聚节点表明消息，则在通信半径r内广播组汇聚节点表明消息，然后接收z个相邻工控采集节点C_j发送的加入汇聚组消息，z≤m，根据工控采集节点能量损耗模型计算自身广播组汇聚节点表明消息和接收z条加入汇聚组消息后的当前剩余能量E_2,i并用E_2,i更新E_1,i；S5、当已成为组汇聚节点的工控采集节点C_i或C_j或C_c设置的组汇聚节点选择持续时间计时器T₂计时到，该工控采集节点C_i或C_j或C_c调整发射功率，向基地台BS报告其成为组汇聚节点消息，基地台BS据此计算组汇聚节点数量y，并将各组汇聚节点标记为CH_q且q＝1，......，y且y＜n，各组汇聚节点CH_q名下的汇聚组成员标记为Mem_qx，x＝1，......，ω，且ω＜n，随即，当选为组汇聚节点的工控采集节点C_i或C_j或C_c根据工控采集节点能量损耗模型计算自身向基地台BS报告成为组汇聚节点消息后的当前剩余能量E_3,i，并用E_3,i更新其内置剩余能量表中的剩余能量E_2,i；而未当选组汇聚节点的各工控采集节点C_i或C_c则令E_3,i＝E_2,i；S6、所述基地台BS从组汇聚节点集合CH_q中选择距基地台BS最远的一个组汇聚节点CH_s作为组汇聚节点遍历链中的第一个节点，然后利用贪心算法找到离所述组汇聚节点CH_s最近的相邻组汇聚节点CH_t作为所述组汇聚节点遍历链中的第二个节点，以此类推，继续从未访问过的组汇聚节点中找到离所述相邻组汇聚节点CH_t最近的相邻组汇聚节点作为组汇聚节点遍历链中的第三个节点，直至遍历组汇聚节点集合CH_q中的全部组汇聚节点而生成一条组汇聚节点遍历链；S7、所述基地台BS根据下式计算所述各组汇聚节点CH_q到基地台BS的能量权值W_q：$W_q=\frac{E_{3,\mathrm{CHq}}}{d({\mathrm{CH}}_q,\mathrm{BS})},$且q＝1，......，y式中，E_3,CHq为组汇聚节点CH_q的当前剩余能量，将具有最大能量权值的组汇聚节点CH_u作为与基地台BS直接通信的链头节点；随即，基地台BS向各组汇聚节点CH_q广播组成组汇聚节点遍历链和链头节点消息，同时，向全体工控采集节点C_i广播数据传输指令；S8、所述各组汇聚节点CH_q接收组成组汇聚节点遍历链和链头节点消息以及数据传输指令，并根据工控采集节点能量损耗模型计算自身组成组汇聚节点遍历链和链头节点消息以及数据传输指令后的当前剩余能量E_4,i，并用E_4,i更新其内置剩余能量表中的剩余能量E_3,i；所述各组汇聚节点CH_q名下的汇聚组成员节点Mem_qx接收数据传输指令消息，并根据工控采集节点能量损耗模型计算自身接收数据传输指令后的当前剩余能量E_4,i，并用E_4,i更新其内置剩余能量表中的剩余能量E_3,i；S9、所述各组汇聚节点CH_q名下的汇聚组成员节点Mem_qx将采集数据传送给各自的组汇聚节点CH_q，并根据工控采集节点能量损耗模型计算自身发送采集数据后的当前剩余能量E_5,i，并用E_5,i更新其内置剩余能量表中的剩余能量E_4,i；非链头节点的各组汇聚节点CH_q接收其汇聚组成员Mem_qx发送的采集数据，并将接收数据与自身采集的数据进行融合，接收其在组汇聚节点遍历链中的下位相邻组汇聚节点传输的链数据，并将所述链数据和自身的融合数据作为新的链数据发送给其在组汇聚节点遍历链中的上位相邻组汇聚节点CH_q+1或CH_q‑1，根据工控采集节点能量损耗模型计算自身接收ω条采集数据、融合数据、接收和发送链数据后的当前剩余能量E_5,i，并用E_5,i更新其内置剩余能量表中的剩余能量E_4,i；所述链头节点CH_u接收其汇聚组成员Mem_ux发送的采集数据，并对接收数据和自身采集数据进行融合；接收其第一、第二下位相邻组汇聚节点CH_u‑1和CH_u+1传输的链数据，并将这两个链数据和自身的融合数据发送给基地台BS，根据工控采集节点能量损耗模型计算自身接收ω；S10、当所述工控采集节点C_i内置的计时器T₁计时到，存活的各工控采集节点C_i重新启动各自的计时器T₁，进行下一轮的运行，由此周而复始，直到基地台BS接收不到所述工控采集网络中的任何数据，就判定工控采集节点C_i全部失效。