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专利号: 2022112105210
申请人: 青岛科技大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 电通信技术
更新日期:2024-02-23
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种水下无线传感器网络中考虑数据紧急程度的数据采集方法,其特征在于,包括以下步骤:S1:水下布设无线传感器网络,收集传感器数据,根据传感器数据的历史分布来确定数据的紧急程度,即将每一个收集的传感器数据与历史数据进行比较,并根据其在正态分布中的位置确定其紧急性级别;

S2:若传感数据紧急性级别判定为紧急数据,则执行路由空洞检测算法,以避免多跳路由传输失败;

S3:若传感数据紧急性级别判定为非紧急数据,则执行链路质量监测算法,预定义自主式水下航行器的轨迹,以平衡水下传感器网络的能耗;

S4:数据传送:所述S2中紧急数据以多跳路由的方式传送至水面汇聚节点,所述S3中非紧急数据由自主式水下航行器收集数据后将数据运输至水面汇聚节点。

2.如权利要求1所述的数据采集方法,其特征在于,所述S1具体如下:

S1‑1:计算历史数据的均值:

首先要计算历史数据的均值μ,其计算公式为:

其中,dik表示传感器节点Si产生的第k个传感数据,j表示当前传感器节点产生的全部数据;

S1‑2:计算数据的标准差:

当传感器Si检测到第j个传感数据dij时,将dij与历史记录H={dik︱其中k=0,1,2,…,j‑

1}进行比较,差异越大,说明数据越重要;根据其在正态分布中的位置确定其重要性级别,并使用标准差σ作为度量标准来判定数据dij的重要程度,标准差σ的计算公式为:其中,μ表示历史数据的均值,dik表示传感器节点Si产生的第k个传感器数据,j表示当前传感器节点产生的全部数据;

S1‑3:确定数据是否紧急:

将数据的正态分布右侧p%的数据归类为紧急数据;给定一个传感器感知数据dij,使用累积概率方程来找到dij在正态分布中的位置,如果E(dij)≥100‑p,则dij为紧急数据,反之,则为非紧急数据;累积概率方程E(dij)的计算公式为:其中,dij表示传感器节点Si产生的第j个传感数据,t表示积分变量,exp为以e为底的指数函数,erf是误差函数。

3.如权利要求1所述的数据采集方法,其特征在于,所述S2中,执行路由空洞检测算法为:紧急数据在选择转发器之前会执行路由空洞检测算法,从而识别空洞节点;向空洞节点转发报文的节点在发送数据前会检查自己的邻居表,看其除空洞节点外是否有任何其他的相邻节点的深度比自己的节点深度高,如果有的话,则将当前节点标记为普通节点,否则将该节点标记为陷阱节点;发送方根据存储在自身邻居表中的邻居信息来判断相邻节点的可达性,节点识别空洞节点和陷阱节点后,发送端节点会根据检查结果更新自己的邻居表,并向邻居节点广播报文。

4.如权利要求1所述的数据采集方法,其特征在于,所述S3具体如下:

S3‑1:计算自主式水下航行器附近节点通信链路拓扑变化程度:

使用向节点Si发送数据的节点重叠数量来描述节点Si的局部网络动态,并通过前后t时刻向其发送数据的节点变化情况作为自主式水下航行器附近节点通信链路拓扑稳定性指标LS(Si),其公式化定义为:其中, 和 分别表示t‑2、t‑1和t时刻向传感器节点Si发送数据节点的集合,LS(Si)表示通信链路拓扑变化程度和脆弱性,当自主式水下航行器附近局部网络相对稳定时,三个相邻时刻内向传感器节点Si发送数据的节点集合改变较小,自主式水下航行器附近局部网络动态稳定性指标接近于1;自主式水下航行器附近的局部网络不稳定时,三个相邻时刻内向节点Si发送数据的节点集合变化大,它的值就会小于1;

S3‑2:根据S3‑1估算水下自主式航行器附近网络节点链路质量:

自主式水下航行器采集数据时,会选择附近网络链路质量好的节点充当网关节点采集数据,根据S3‑1提出一种自主式水下航行器附近网络节点链路质量评估参数CQ(Si),自主式水下航行器在到达下一目标采集区域前的某个时间段,会在其感知范围内发送询问附近节点链路状态评估参数CQ(Si)的信息报文,节点在收到该信息报文后会返回带有评估参数CQ(Si)的ACK确认报文,若没有收到ACK确认报文,则将CQ(Si)设为0;自主式水下航行器附近网络节点链路质量评估参数CQ(Si)的计算公式为:其中,Savg表示附近网络节点平均信号强度,Smax表示附近网络节点的最大信号强度,NOack为0,表示没有收到节点的ACK确认报文;LS(Si)是S3‑1中描述自主式水下航行器附近节点通信链路拓扑稳定性的指标。

5.如权利要求1所述的数据采集方法,其特征在于,所述S4具体如下:

S4‑1:紧急数据采用多跳路由的方式传送到水面汇聚节点:

拥有紧急数据要发送的节点检测完路由空洞后,会通过相对距离转发协议选择合适的多跳路由路径;为了找到到达汇聚节点的最优路由路径,定义了一个适应度因子Wm,用来选择适用度最大的节点作为下一跳,适应度因子Wm的公式化定义为:其中,lm表示源节点到汇聚节点的距离, 表示第i个下一跳候选节点到汇聚节点的距离,E0表示网络中节点的初始电池能量,E(Si)表示第i个下一跳候选传感器节点的能耗;η是权重因子,用于实现距离和节点能量之间的权衡;

S4‑2:非紧急数据由自主式水下航行器收集后运输至水面汇聚节点:

自主式水下航行器入水后,会形成一个半径为Rt的圆柱形数据采集区域,该区域内的一组传感器节点起到网关的作用;区域以外的是普通传感器节点;网关节点负责接收来自普通传感器节点的数据包,并通过S3‑1中附近节点链路质量最好的局部链路将信息传递给自主式水下航行器;非紧急数据采集一轮结束后,自主式水下航行器在水下采集数据的总时延Tcollection的计算公式为:其中,Ltravel表示自主式水下航行器的总路径长度,vAUV表示自主式水下航行器的行驶速度,Twait(i)表示自主式水下航行器在第i个圆柱形数据采集区域的停留时间。