本发明公开了基于正交溯源的WSN节点能量监测方法及系统，包括：数据溯源阶段和节点能耗监测阶段；所述数据溯源阶段：配置传感器节点的正交标识，确定溯源信息的载体协议，通过路由节点的正交标识与溯源数据的叠加复用实现数据包传输过程中溯源信息的标记，基站收到数据包后，通过将数据包携带的溯源数据与所辖区域内各个传感器节点的正交标识分别进行规格化内积计算，得到参与当前数据包传输的传感器节点集合；所述节点能耗监测阶段：根据数据溯源模块所得到的参与当前数据包转发的传感器节点集合，分别更新集合中各传感器节点的剩余能量值，并对剩余能量低于临界值的节点触发低能量提示。
1.基于正交溯源的WSN节点能量监测方法，其特征是，包括：数据溯源和节点能耗监测两个阶段；
所述数据溯源阶段：对基站收到的数据包进行追溯，还原出参与该数据包传输的所有转发节点，所述数据溯源阶段包含三部分内容：(1.1)：正交溯源配置：给无线传感器网络中所有传感器节点分配正交标识，以及确定溯源信息的载体协议；(1.2)：溯源信息标记：各传感器节点对数据包中的溯源数据字段内容进行叠加复用；(1.3)提取转发节点：基站通过对溯源数据字段内容与所辖区域内各个传感器节点的正交标识进行规格化内积计算，得到参与当前数据包传输的传感器节点集合；
所述节点能耗监测阶段：对基站所辖区域内所有传感器节点设置节点能耗记录表，用于记录各节点的当前能量值；当收到数据包时，按照所述数据溯源阶段(1.3)得到参与该数据包传输的传感器节点集合，将集合中各传感器节点的当前能量值减去一个单跳转发能耗值，并将剩余能量值存入该节点的能耗记录表；通过能耗记录表对各节点的剩余能量进行监测。
2.如权利要求1所述的方法，其特征是，(1.1)：正交溯源配置，包括以下两个子步骤：步骤(1.1.1)：分配正交标识；
无线传感器网络中的任意一个传感器节点Noder均分配有一个唯一且与其他传感器节点互为正交的正交标识Vr＝(vr,1,vr,2,…,vr,n)，vr,k＝1或-1,k＝1,2,…,n,n表示正交标识的维数；r＝1,2,…,R,R表示传感器节点的个数；Noder表示第r个传感器节点；Vr表示第r个传感器节点的正交标识；vr,n表示第r个传感器节点的正交标识的第n项；
选取溯源信息的载体协议，根据载体协议的语法规则，在数据包的首部或数据包间隔位置设置溯源数据字段，用于携带溯源信息。
3.如权利要求1所述的方法，其特征是，(1.2)：标记溯源信息；
数据包的源发送节点，在发送数据之前，将自己的正交标识写入当前数据包的溯源数据字段；数据包在传输过程中，每经过一个路由节点，在转发数据之前，该路由节点执行以下步骤：步骤(1.2.1)读取当前数据包的溯源数据字段值Wk＝(wk,1,wk,2,…,wk,n)；
步骤(1.2.2)将溯源数据字段值Wk与自己的正交标识V＝(v1,v2,…,vn)按公式1进行叠加运算；
其中：Wk+1＝(wk+1,1,wk+1,2,…,wk+1,n)；wk+1,i＝wk,i+vi,i＝1,2,…,n步骤(1.2.3)将运算后的叠加编码Wk+1写入数据包的溯源数据字段。
4.如权利要求1所述的方法，其特征是，(1.3)：提取路由节点；
步骤(1.3.1)：从数据包首部取出溯源数据字段值W＝(w1,w2,…,wn)；
步骤(1.3.2)：用基站所辖区域内各节点的正交标识分别与W进行规格化内积计算；
设Vt＝(vt,1,vt,2,…,vt,n)为所辖区域内任意节点Nodet的正交标识，则规格化内积计算公式如公式2；
若内积值τt≠0，则表示节点Nodet参与数据包的转发，若内积值τt＝0，则表示该节点未参与数据包的转发；
步骤(1.3.3)：得到参与当前数据包传输的转发节点集合C＝{Nodet|τt≠0}，即：内积值不等于零的节点的集合。
5.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述节点能耗监测阶段：
设N＝{node1,node2,…,nodem}为基站所辖区域内所有传感器节点的集合，m为节点数量；对任意noder∈N，测量该节点的能量满值，记为Er；测量该节点的单跳转发能耗值，记为er；设置该节点的最低能量临界值，记为Ur；
基站对其所辖区域内所有节点设置能耗记录表，对任意noder∈N，其能耗记录表包括：节点地址Ar、节点标识Vr和剩余能量Yr；
对任意noder∈N，将其地址、正交标识和当前能量值写入其能耗记录表中的Ar、Vr和Yr表项；若noder为新节点，将其剩余能量Yr初始化为能量满值Er，即：Yr←Er，其中，“←”表示赋值；
步骤(2.1)：按(1.3)对当前数据包进行溯源，得到溯源结果C；
步骤(2.2)：对任意Nodek∈C，更新Nodek能耗记录表中的剩余能量Yk，将Yk设置为Yk减去一个单跳转发能耗值ek，即：Yk←(Yk-ek)；
6.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述步骤(1.1.1)：所述互为正交是指任意两个传感器节点Nodep和Nodeq的正交标识Vp＝(vp,1,vp,2,…,vp,n)与Vq＝(vq,1,vq,2,…,vq,n)相互正交，即：
所述传感器节点正交标识的生成，可采用现有的正交向量生成方法；
无线传感器网络中每个基站都记录其所辖区域内各传感器节点的正交标识；
由于通常无线传感器网络含大量传感器节点，为减少正交标识的长度，可根据无线传感器网络的规模设定仅在同一个基站的所辖区域内各传感器节点的正交标识具有唯一性，或对无线传感器网络进行分区，设定在一个区域内各传感器节点的正交标识具有唯一性。
8.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述步骤(1.1.2)中：所述载体协议是指作用于传感器节点与基站之间、可携带溯源信息的WSN数据通信协议。
9.基于正交溯源的WSN节点能量监测系统，其特征是，包括：数据溯源模块和节点能耗监测模块；
所述数据溯源模块：用于实现对数据包传输过程的溯源，生成参与该数据包传输的转发节点集合，所述数据溯源模块由三部分组成：正交标识分配单元：在基站或其他WSN管控站点中运行，其作用是：生成正交标识集，给WSN中各传感器节点分配正交标识；
溯源信息标记单元：在各传感器节点中运行，其作用是：当需要发送数据包时，将当前节点的正交标识写入数据包的溯源数据字段；当需要转发数据包时，读取该数据包的溯源数据字段，将所读取的溯源数据与当前传感器节点的正交标识进行叠加运算，并将运算结果写入数据包的溯源数据字段中；
提取路由节点单元：在基站中运行，其作用是：当收到数据包时，读取该数据包的溯源数据字段内容，通过对溯源数据与基站所辖区域内各个传感器节点的正交标识分别进行规格化内积计算，得到参与当前数据包转发的传感器节点集合。
所述节点能耗监测模块：在基站中运行，其作用是：对基站所辖区域内所有传感器节点，设置节点能耗记录表，记录各节点的当前能量值；根据数据溯源模块所得到的参与当前数据包转发的传感器节点集合，将集合中各传感器节点的当前能量值分别减去一个单跳转发能耗值，并将剩余能量值存入该节点的能耗记录表；对各节点的能耗记录表中的剩余能量值进行实时监测，对剩余能量低于临界值的节点触发低能量提示。
基于正交溯源的WSN节点能量监测方法及系统
技术领域
[0001] 本发明涉及无线传感器网络节点能量监测方法，特别涉及基于正交溯源的无线传感器网络节点能量监测方法及系统。
背景技术
[0002] 无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)是由部署在监测区域内，具有数据采集、通信、存储和处理能力的传感器节点构成的自组织通信系统，其中，每一个传感器为网络的一个节点，用于环境感知，并将感知的数据以多跳方式传输到基站。由于无线传感器节点能量有限，因而能量消耗问题是无线传感器网络技术的核心问题。
[0003] 传感器节点通常由传感模块、处理器模块、存储模块、通信模块、电源模块和嵌入式软件等组成，其中消耗能量的模块主要为传感模块、处理器模块和通信模块。根据Estrin D.Tutorial“Wireless Sensor Networks”Part IV:Sensor Network Protocols.MobiCom.The Eight Annual International Conference on Mobile Computing and Networking Atlanta.Georgia,USA:ACM.2002:140-147.中给出的传感器节点能耗模型，传感器节点各模块中通信模块消耗了绝大多数的能量，而传感模块和处理器模块消耗的能量很少；通信模块中，发送状态(TX)下节点耗能最多，接收状态(RX)和空闲状态(IDLE)的耗能相当且略低于发送状态，睡眠状态(SLEEP)下节点的耗能则远远低于接收状态(RX)和空闲状态(IDLE)。随着WSN技术的进步，无线传感器网络能够快速完成节点工作状态的转换，使节点在工作状态(发送和接收)结束后快速地进入睡眠状态，最大程度地降低空闲状态下的能量消耗，使节点的非工作耗能达到最小化。因此，现有无线传感器网络能量模型的研究主要集中于发送和接收状态下节点的能量消耗。
[0004] 在无线传感器网络中，数据以多跳方式传至基站。在一次数据传输过程中，除源发送节点外，所有转发节点均完成一次数据接收和一次数据发送，而这类数据转发所消耗的能量占节点耗能的主要部分。因此，节点参与数据转发的频次可作为评估其能量消耗情况的主要依据，数据发送和转发频次越高的节点，能量消耗越大。
[0005] 无线传感器网络数据溯源是对数据包从源发送节点经多个转发节点最终传至基站的传输过程的记录、追溯与展示。为提供数据包的可溯源性，在数据包传输过程中，需记录中途转发节点的相关信息，以便在基站根据这些信息追溯数据包的传输过程，这些信息称为溯源信息。由于根据溯源信息可追溯数据包在传感器网络中的传输过程，因而数据溯源提供了统计各传感器节点转发数据频次的重要途径。本发明正是根据这种统计结果，来评估无线传感器网络的节点能耗。
[0006] 目前，WSN数据溯源技术存在溯源信息量无上限的问题，即：溯源信息量正比于转发节点的数量。由于传感器节点的计算能力和存储能力均有限，如何控制溯源信息量便成为WSN数据溯源技术的关键问题。为解决这一问题，发明人在基于伪随机序列的无线传感器网络数据溯源方法.中国发明专利，申请号：201510646810.9中提出基于伪随机序列的无线传感器网络数据溯源方法。该方法为每个节点分配一个唯一且互为正交的标识序列，利用向量的正交特性实现传感器节点标识序列的叠加复用，即：各传感器节点在转发数据之前，将自己的标识序列与数据包中的溯源信息进行叠加，而基站则利用标识序列的正交性，从数据包的叠加编码中分离出参与数据包转发的各传感器节点的标识信息。此方法可有效控制溯源数据量，为基于WSN数据溯源的应用技术研究开辟了新途径。
发明内容
[0007] 本发明所述基于正交溯源的WSN节点能量监测方法及系统，是指基站采用基于正交标识的WSN数据溯源方法对所接收的数据包进行追溯，还原出参与该数据包传输的所有转发节点；按照这种方式对基站所辖区域内各传感器节点转发数据的频次进行统计，根据统计结果来评估和监测各节点的耗能情况。
[0008] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0009] 基于正交溯源的WSN节点能量监测方法，包括：数据溯源和节点能耗监测两个阶段；
[0010] 所述数据溯源阶段：对基站收到的数据包进行追溯，还原出参与该数据包传输的所有转发节点，所述数据溯源阶段包含三部分内容：(1.1)：正交溯源配置：给无线传感器网络中所有传感器节点分配正交标识，以及确定溯源信息的载体协议；(1.2)：溯源信息标记：各传感器节点对数据包中的溯源数据字段内容进行叠加复用；(1.3)提取转发节点：基站通过对溯源数据字段内容与所辖区域内各个传感器节点的正交标识进行规格化内积计算，得到参与当前数据包传输的传感器节点集合；
[0011] 所述节点能耗监测阶段：对基站所辖区域内所有传感器节点设置节点能耗记录表，用于记录各节点的当前能量值；当收到数据包时，按照所述数据溯源阶段(1.3)得到参与该数据包传输的传感器节点集合，将集合中各传感器节点的当前能量值减去一个单跳转发能耗值，并将剩余能量值存入该节点的能耗记录表；通过能耗记录表对各节点的剩余能量进行监测。
[0012] (1.1)：正交溯源配置，包括以下两个子步骤：
[0013] 步骤(1.1.1)：分配正交标识；
[0014] 无线传感器网络中的任意一个传感器节点Noder均分配有一个唯一且与其他传感器节点互为正交的正交标识Vr＝(vr,1,vr,2,…,vr,n)，vr,k＝1或-1,k＝1,2,…,n,n表示正交标识的维数；r＝1,2,…,R,R表示传感器节点的个数；Noder表示第r个传感器节点；Vr表示第r个传感器节点的正交标识；vr,n表示第r个传感器节点的正交标识的第n项；
[0015] 步骤(1.1.2)：确定载体协议；
[0016] 选取溯源信息的载体协议，根据载体协议的语法规则，在数据包的首部或数据包间隔等位置设置溯源数据字段，用于携带溯源信息；
[0017] (1.2)：标记溯源信息；
[0018] 数据包的源发送节点，在发送数据之前，将自己的正交标识写入当前数据包的溯源数据字段；数据包在传输过程中，每经过一个路由节点，在转发数据之前，该路由节点执行以下步骤：
[0019] 步骤(1.2.1)读取当前数据包的溯源数据字段值Wk＝(wk,1,wk,2,…,wk,n)；
[0020] 步骤(1.2.2)将溯源数据字段值Wk与自己的正交标识V＝(v1,v2,…,vn)按公式1进行叠加运算；
[0021] Wk+1＝Wk+V (公式1)
[0022] 其中：Wk+1＝(wk+1,1,wk+1,2,…,wk+1,n)；wk+1,i＝wk,i+vi,i＝1,2,…,n[0023] 步骤(1.2.3)将运算后的叠加编码Wk+1写入数据包的溯源数据字段；
[0024] (1.3)：提取路由节点；
[0025] 基站收到数据包后，执行以下子步骤：
[0026] 步骤(1.3.1)：从数据包首部取出溯源数据字段值W＝(w1,w2,…,wn)；
[0027] 步骤(1.3.2)：用基站所辖区域内各节点的正交标识分别与W进行规格化内积计算；
[0028] 设Vt＝(vt,1,vt,2,…,vt,n)为所辖区域内任意节点Nodet的正交标识，则规格化内积计算公式如公式2；
[0029]
[0030] 若内积值τt≠0，则表示节点Nodet参与数据包的转发，若内积值τt＝0，则表示该节点未参与数据包的转发。
[0031] 步骤(1.3.3)：得到参与当前数据包传输的转发节点集合C＝{Nodet|τt≠0}，即：内积值不等于零的节点的集合。
[0032] 所述节点能耗监测阶段：
[0033] 设N＝{node1,node2,…,nodem}为基站所辖区域内所有传感器节点的集合，m为节点数量。对任意noder∈N，测量该节点的能量满值，记为Er；测量该节点的单跳转发能耗值，记为er；设置该节点的最低能量临界值，记为Ur；
[0034] 基站对其所辖区域内所有节点设置能耗记录表，对任意noder∈N，其能耗记录表包括：节点地址Ar、节点标识Vr和剩余能量Yr等表项；
[0035] 对任意noder∈N，将其地址、标识、和当前能量值写入其能耗记录表中的Ar、Vr和Yr等表项；若noder为新节点，将其剩余能量Yr初始化为能量满值Er，即：Yr←Er，其中，“←”表示赋值；例如：Yr←Er表示将Yr赋值为Er。
[0036] 基站收到数据包后，执行以下操作步骤：
[0037] 步骤(2.1)：按(1.3)对当前数据包进行溯源，得到溯源结果C；
[0038] 步骤(2.2)：对任意Nodek∈C，更新Nodek能耗记录表中的剩余能量Yk，将Yk设置为Yk减去一个单跳转发能耗值ek，即：Yk←(Yk-ek)。
[0039] 步骤(2.3)：当剩余能量Yk
[0040] 所述步骤(1.1.1)：
[0041] 所述互为正交是指任意两个传感器节点Nodep和Nodeq的正交标识Vp＝(vp,1,vp,2,…,vp,n)与Vq＝(vq,1,vq,2,…,vq,n)相互正交，即：
[0042] 所述传感器节点正交标识的生成，可采用现有的正交向量生成方法。
[0043] 无线传感器网络中每个基站都记录其所辖区域内各传感器节点的正交标识。
[0044] 由于通常无线传感器网络含大量传感器节点，为减少正交标识的长度，可根据无线传感器网络的规模设定仅在同一个基站的所辖区域内各传感器节点的正交标识具有唯一性，或对无线传感器网络进行分区，设定在一个区域内各传感器节点的正交标识具有唯一性。
[0045] 所述步骤(1.1.2)中：
[0046] 所述载体协议是指作用于传感器节点与基站之间、可携带溯源信息的WSN数据通信协议。
[0047] 基于正交溯源的WSN节点能量监测系统，包括：数据溯源模块和节点能耗监测模块；
[0048] 所述数据溯源模块：用于实现对数据包传输过程的溯源，生成参与该数据包传输的转发节点集合，此模块由三部分组成：
[0049] 正交标识分配单元：此单元在基站或其他WSN管控站点中运行，其作用是：生成正交标识集，给WSN中各传感器节点分配正交标识；
[0050] 溯源信息标记单元：此单元在各传感器节点中运行，其作用是：当需要发送数据包时(该节点为源发送节点)，将当前节点的正交标识写入数据包的溯源数据字段；当需要转发数据包时(该节点为路由节点)，读取该数据包的溯源数据字段，将所读取的溯源数据与当前传感器节点的正交标识进行叠加运算，并将运算结果写入数据包的溯源数据字段中。
[0051] 提取路由节点单元：此单元在基站中运行，其作用是：当收到数据包时，读取该数据包的溯源数据字段内容，通过对溯源数据与基站所辖区域内各个传感器节点的正交标识分别进行规格化内积计算，得到参与当前数据包转发的传感器节点集合；
[0052] 所述节点能耗监测模块：此模块在基站中运行，其作用是：对基站所辖区域内所有传感器节点，设置节点能耗记录表，记录各节点的当前能量值；根据数据溯源模块所得到的参与当前数据包转发的传感器节点集合，将集合中各传感器节点的当前能量值分别减去一个单跳转发能耗值，并将剩余能量值存入该节点的能耗记录表；对各节点的能耗记录表中的剩余能量值进行实时监测，对剩余能量低于临界值的节点触发低能量提示。
[0053] 本发明的创新性
[0054] 1.本发明提供根据数据溯源结果监测无线传感器网络节点能耗的新方法。其中，数据溯源在本发明中的作用是获取传感器节点转发数据的频次，根据转发数据的频次，实现对传感器节点能耗的评估与监测。
[0055] 2.本发明所述方法将向量正交性理论与传感器节点能耗问题相结合，设计巧妙，具有良好的可实现性。
[0056] 本发明的有益效果
[0057] 1.本发明所述方法实现了对无线传感器网络各节点能耗情况的在线、实时、直观监测，其监测结果可作为无线传感器网络管控，延长无线传感器网络的使用时间，以及选取基站位置的重要依据。
[0058] 2.本发明提供了利用数据溯源结果实现传感器节点能耗监测的有效方法，该方法对传感器节点资源的占用很小，且设计巧妙，实现简单。
[0059] 3.本发明为基于能量分布的无线传感器网络应用技术提供了新的研究途径。
附图说明
[0060] 图1为本发明溯源数据标记流程图。
[0061] 图2为本发明传感器节点能耗监测流程图。
[0062] 图3为本发明所述方法工作过程示意图。
具体实施方式
[0063] 下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
[0064] 如图1所示，数据包在传输过程中，每经过一个路由节点时，当前路由节点将自己的正交标识叠加到数据包的溯源数据字段中。
[0065] 如图2所示，基站收到数据包后，读取该数据包的溯源数据字段，将溯源数据与所辖区域内各节点的正交标识分别进行规格化内积计算，得到参与数据包传输的路由节点集合；该集合中的所有节点均完成了一次数据转发操作(源节点由于需要完成数据包封装等操作，与路由节点能耗近似相当)，因而各消耗了一次单跳转发能量，因此，将集合中各节点的能耗记录表中剩余能量值分别减去一个单跳转发能耗；按上述方式，基站对所辖区域内所有传感器节点的能耗进行评估和监测，并对剩余能量低于临界值的节点触发低能量提示。
[0066] 如图3所示，数据包自源发送节点a发出，在路经路由节点x、y、z时，按照图1所述流程完成溯源数据的叠加复用；到达基站后，按照图2所述流程进行数据溯源，得到参与数据包传输的节点集合C＝{a,x,y,z}；根据集合C，对节点a、x、y和z的能耗进行评估，将其剩余能量Ya、Yx、Yy、Yz分别减去一次单跳转发能耗。
[0067] 上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
