CN113573392A - 一种物联网网关异常状态下的节能通信方法 - Google Patents

一种物联网网关异常状态下的节能通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种物联网网关异常状态下的节能通信方法，先将网关异常分为北向接口异常和南向接口异常；然后传感器节点进行了分簇，由簇头来获得网关状态，并将网关状态广播给成员节点，通过减少节点在单位时间内的总无线电发送次数，达到了节约通信能耗的目的，同时通过簇头轮换，实现了各节点能量的均匀消耗；此外，方案能够应用于大规模的物联网场景，通过迪杰斯特拉算法为各簇提供路由方案，从而进一步的减少通信能耗。

Description

一种物联网网关异常状态下的节能通信方法
技术领域
本发明属于低功耗广域网通信技术领域，尤其涉及一种物联网网关异常状态下的节能通信方法。
背景技术
一般物联网可以分为两大部分：网关和节点。网关一般是常供电设备，一端通过物联网协议获取节点数据，以及向节点发送数据；一端通过以太网或WIFI 等媒介与云端或上位机相连，从而将节点的数据上传，或者是获得一些指令，以完成某些任务。物联网***中的无线部分以无线传感器网络居多，这些网络中的节点设备上含有传感器，可以采集数据并上报。但是因为工作环境的影响，节点设备以电池供电设备为主，而且难以更换电池，因此，节能问题显得尤为重要。受技术和场景影响，很难保证网关一定不会出现问题，也难以确保网关出现异常后能尽快修复。因此需要一种网关异常状态下的通信节能方案，来满足该场景下的需求。
在常见的物联网网关中，可以将网关分割成两大模块，分别是北向接口模块和南向接口模块，这两大模块对接的设备也不同，两大模块与其对接的设备将物联网分为北向接口与南向接口两大部分。北向接口的主要任务是将网关从节点收集到的数据发送给上位机或云端服务器，而南向接口则是网关与节点的无线通信的接口。因此，网关异常可以分为北向接口异常和南向接口异常。
在传统的物联网***中，在网关处于北向接口异常时，整个无线网络仍然在正常的工作，但是节点采样获得的数据无法上传到云端，因此会导致能量的浪费；在网关处于南向接口异常时，每个终端设备都会按照固定的周期轮询网关，并打开接收机准备接收网关的回复，若超时未接收到回复，则休眠一段时间后继续轮询网关，直到网关恢复正常时给与终端设备回复。
一般来说，因为数据的无线传输在空间中的损耗较大，所以网络设备的发送功耗大于接收功耗，而且发送的功耗与发送距离的幂相关。在Wendi B. Heiznelman等人于2002年提出的LEACH协议中，以轮为周期，每一轮可以分为簇的建立和稳定传输两大部分。在簇的建立阶段，会随机选举若干个节点作为簇头，其他的节点根据自己距离各节点的距离，决定加入哪个簇。在稳定传输阶段，成员节点采集的数据上传给簇头，然后由簇头汇集这些信息，再发送给网关。一轮的时间结束后，所有的节点再度回归到簇的建立阶段。在后续改进的LEACH-C协议中，将分簇和簇头选举的职能交给了网关，从而节约了节点的能量。而在LEACH-C协议基础上改进的LEAHC-E中，对簇头的选举进行了优化，加入了能量因子作为参数，从而更大幅度的延长了节点的寿命。在上述的几个协议中，都只考虑网络正常状态的场景。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种物联网网关异常状态下的节能通信方法，包括以下步骤：
将场景中的设备节点使用二分K均值算法均匀的分成若干个簇；
使用迪杰斯特拉算法，为各簇分配合适的路由；
靠近网关的簇头负责监测网关状态，并将网关状态信息根据A2获得的路由，传递给其他簇头，然后广播给所有的节点；
当簇头的剩余能量降至当选时的一半时，向成员节点下发簇头轮换的消息，成员节点上报剩余电量，然后由簇头来选出下一任簇头。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：将节点进行分簇，利用簇头来获得网关状态，然后将网关状态信息广播给其他成员节点，从而大幅降低全局的通信能耗以及不必要的采样能耗。
本发明的有益效果在于：
1.大幅减少了无线信号的发送次数，实现了全局的能量的节约；
2.对簇头节点实行轮换策略，实现了能量的均匀消耗，有效的延缓了各节点的死亡时间；
3.节点可以及时的获得网关的状态信息，当网关恢复时可以及时的恢复到正常状态；
4.对网关异常进行了分类，更加有效的实现了网关异常状态下的节能。
附图说明
图1为本发明实施例提供的原理框图；
图2为二分K均值算法分簇的原理框图；
图3为迪杰斯特拉算法路由分配的原理框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如附图1所示，本发明一种物联网网关异常状态下的节能通信方法，具体包括如下步骤：
A1：网关收集节点的坐标信息，根据以下公式计算出簇头的数量：
Figure BDA0003160847680000031
其中N为节点总数，M为网络区域的边长，dtoBS为节点到网关的平均距离。εfs为自由空间传输的能量损耗，取值为εfs＝10pJ/bit/m2；εmp为多径衰落模型下的能量损耗，取值为εmp＝0.0013pJ/bit/m4；
A2：根据A1获得的簇头数量，采用二分K均值算法对节点进行分簇，过程如图2所示；
A21：将所有的节点初始化为一个簇，并选中；
A22：从选中的簇中随机选取两个节点，作为初始聚类中心；
A23：计算每个节点分别到两个聚类中心的距离，选择距离最近的聚类中心并加入该聚类中心所在的簇；
A24：重新计算两个簇的聚类中心，聚类中心即簇成员节点坐标的算术平均值；
A25：重复A23～A25，直到聚类中心位置收敛；
A26：计算两个簇的误差平方和，计算公式为：
Figure BDA0003160847680000041
其中C表示所求的误差平方和的簇，a表示簇内的各节点，u表示聚类中心。
选中误差平方和较大的簇；
A27：重复A22～A27，直到簇的数量达到要求；
A3：使用迪杰斯特拉算法，为各簇分配路由，如图3所示；
A31：创建集合S，表示已经分配好路由的簇的集合，初始时包含网关；创建集合U，表示尚未分配路由的簇的集合，初始包含所有的簇；
A32：将U中各簇按照其聚类中心与网关的距离从小到大排序；
A33：从U中选中距离网关最近的簇Ci，然后计算Ci与S中各簇以及网关的距离，并从S中选出距离Ci最近的簇，记录该路径，然后将Ci从U中取出，放入S；
A34：重复A33，直到U为空为止；
A4：网络中的节点设备按照A2、A3所述的方式进行分簇和路由。靠近网关的簇头直接与网关通信，同时监测网关状态。当网关发生异常时，执行下列步骤：
A41：靠近网关的簇头得知网关发生异常；当网关发生了北向接口异常时，会周期性的广播自身的状态，靠近网关的簇头周期性的打开接收机，接收网关的状态消息；当网关处于南向接口异常状态时，则周期性的轮询网关，若网关无回复，则可知网关仍处于南向接口异常状态。靠近网关的簇头将网关处于异常的消息广播至自己所在的簇的成员节点以及下一跳的簇的簇头；
A42：下一跳的簇的簇头接收到网关异常的消息后，再将该消息传递到自己的自己所在的簇的成员节点以及下一跳的簇的簇头，直到某个簇没有下一跳为止；
A43：各节点接收到网关处于异常状态的消息后，进入异常模式，停止原先的业务；
A5：当网关恢复正常时，参照A4的步骤，将网关恢复的消息传遍整个网络，各节点恢复之前的工作；
A6：当簇头的剩余能量小于当选时的一半时，执行簇头轮换，具体步骤如下：
A61：簇头向簇内成员节点广播簇头轮换的消息；
A62：成员节点将自身的剩余电量上传给簇头；
A63：簇头选择剩余电量最多的成员节点为下一任簇头，并将该消息广播给成员节点；
A64：被选出的节点接收到该消息后，成为下一任簇头。
本发明的有益效果在于：
1.大幅减少了无线信号的发送次数，实现了全局的能量的节约；
2.对簇头节点实行轮换策略，实现了能量的均匀消耗，有效的延缓了各节点的死亡时间；
3.节点可以及时的获得网关的状态信息，当网关恢复时可以及时的恢复到正常状态；
4.对网关异常进行了分类，更加有效的实现了网关异常状态下的节能。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (5)

1.一种物联网网关异常状态下的节能通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
将场景中的设备节点使用二分K均值算法均匀的分成若干个簇；
使用迪杰斯特拉算法，为各簇分配合适的路由；
靠近网关的簇头负责监测网关状态，并将网关状态信息根据A2获得的路由，传递给其他簇头，然后广播给所有的节点；
当簇头的剩余能量降至当选时的一半时，向成员节点下发簇头轮换的消息，成员节点上报剩余电量，然后由簇头来选出下一任簇头。
2.根据权利要求1所述一种物联网网关异常状态下的节能通信方法，其特征在于，网关收集节点的坐标信息，根据以下公式计算出簇头的数量：
Figure FDA0003160847670000011
其中N为节点总数，M为网络区域的边长，dtoBS为节点到网关的平均距离。εfs为自由空间传输的能量损耗，取值为εfs＝10pJ/bit/m2；εmp为多径衰落模型下的能量损耗，取值为εmp＝0.0013pJ/bit/m4。
3.根据权利要求1所述一种物联网网关异常状态下的节能通信方法，其特征在于，将场景中的设备节点使用二分K均值算法均匀的分成若干个簇，包括：
将所有的节点初始化为一个簇，并选中；
从选中的簇中随机选取两个节点，作为初始聚类中心；
计算每个节点分别到两个聚类中心的距离，选择距离最近的聚类中心并加入该聚类中心所在的簇；
重新计算两个簇的聚类中心，聚类中心即簇成员节点坐标的算术平均值；
重复计算每个节点分别到两个聚类中心的距离，直到聚类中心位置收敛；
计算两个簇的误差平方和，计算公式为：
Figure FDA0003160847670000021
其中C表示所求的误差平方和的簇，a表示簇内的各节点，u表示聚类中心。选中误差平方和较大的簇。
4.根据权利要求1所述一种物联网网关异常状态下的节能通信方法，其特征在于，由靠近网关的簇头监控网关状态；当网关发生了北向接口异常时，网关周期性的广播自身的状态，靠近网关的簇头周期性的打开接收机，接收网关的状态消息；当网关处于南向接口异常状态时，则周期性的轮询网关，若网关无回复，则网关仍处于南向接口异常状态。
5.根据权利要求1所述一种物联网网关异常状态下的节能通信方法，其特征在于，使用迪杰斯特拉算法，为各簇分配合适的路由包括：
创建集合S，表示已经分配好路由的簇的集合，初始时包含网关；创建集合U，表示尚未分配路由的簇的集合，初始包含所有的簇；
将U中各簇按照其聚类中心与网关的距离从小到大排序；
从U中选中距离网关最近的簇Ci，然后计算Ci与S中各簇以及网关的距离，并从S中选出距离Ci最近的簇，记录该路径，然后将Ci从U中取出，放入S；
重复A33，直到U为空为止。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115134835A (zh) * 2022-08-30 2022-09-30 成都星联芯通科技有限公司 一种物联网组网***以及网关选取方法

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008078963A (ja) * 2006-09-21 2008-04-03 Univ Waseda 無線センサネットワークの通信方法及びセンサノード
CN102781027A (zh) * 2012-07-18 2012-11-14 上海大学 一种无线传感器网络活动期网关异常智能处理方法
CN102883418A (zh) * 2012-09-12 2013-01-16 上海大学 一种无线传感器网络***及其网关掉电异常处理方法
EP2552168A1 (en) * 2011-07-27 2013-01-30 Alcatel Lucent Clustering and resource allocation in ad hoc networks
CN107333314A (zh) * 2017-06-30 2017-11-07 安徽农业大学 一种无线传感网簇构建及其簇头更新方法
CN107659974A (zh) * 2017-11-03 2018-02-02 广东工业大学 无线传感网路由方法、装置、设备及计算机可读存储介质
CN109286536A (zh) * 2018-09-29 2019-01-29 中国联合网络通信集团有限公司 一种接口测试方法及装置
CN109547966A (zh) * 2018-12-27 2019-03-29 国网江苏省电力有限公司南京供电分公司 输电线路无线传感器网络的路由规划及故障诊断备份方法
CN110072265A (zh) * 2019-03-25 2019-07-30 湖州师范学院 一种能量异构无线传感网络分簇协议的实现方法
CN112039760A (zh) * 2020-08-31 2020-12-04 杭州叙简科技股份有限公司 一种物联网网关的数据自动恢复***及数据自动恢复方法
CN112218257A (zh) * 2020-08-28 2021-01-12 河海大学 一种无线传感器网络监测***的路由方法

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008078963A (ja) * 2006-09-21 2008-04-03 Univ Waseda 無線センサネットワークの通信方法及びセンサノード
EP2552168A1 (en) * 2011-07-27 2013-01-30 Alcatel Lucent Clustering and resource allocation in ad hoc networks
CN102781027A (zh) * 2012-07-18 2012-11-14 上海大学 一种无线传感器网络活动期网关异常智能处理方法
CN102883418A (zh) * 2012-09-12 2013-01-16 上海大学 一种无线传感器网络***及其网关掉电异常处理方法
CN107333314A (zh) * 2017-06-30 2017-11-07 安徽农业大学 一种无线传感网簇构建及其簇头更新方法
CN107659974A (zh) * 2017-11-03 2018-02-02 广东工业大学 无线传感网路由方法、装置、设备及计算机可读存储介质
CN109286536A (zh) * 2018-09-29 2019-01-29 中国联合网络通信集团有限公司 一种接口测试方法及装置
CN109547966A (zh) * 2018-12-27 2019-03-29 国网江苏省电力有限公司南京供电分公司 输电线路无线传感器网络的路由规划及故障诊断备份方法
CN110072265A (zh) * 2019-03-25 2019-07-30 湖州师范学院 一种能量异构无线传感网络分簇协议的实现方法
CN112218257A (zh) * 2020-08-28 2021-01-12 河海大学 一种无线传感器网络监测***的路由方法
CN112039760A (zh) * 2020-08-31 2020-12-04 杭州叙简科技股份有限公司 一种物联网网关的数据自动恢复***及数据自动恢复方法

Non-Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
VINAY KUMAR ET AL.: "Q-Leach protocol using intermediate gateway nodes for WSN", 《2017 INTERNATIONAL CONFERENCE ON INVENTIVE COMPUTING AND INFORMATICS (ICICI)》, 28 May 2018 (2018-05-28) *
张？安？张宗麟等: "无线传感器网络中基于比较的簇节点故障诊断算法", 《传感技术学报》, no. 08, 15 August 2007 (2007-08-15) *
张强等: "基于能量高效的无线传感器网络LEACH协议改进", 《计算机工程与设计》, no. 02, 16 February 2011 (2011-02-16) *
张浩等: "基于LEACH协议的能耗均衡路由算法", 《计算机工程》, no. 07, 5 April 2011 (2011-04-05) *
赵翠芹等: "多跳低功耗自适应修正k-means分簇协议研究", 《电子世界》, no. 22, 23 November 2015 (2015-11-23) *
陈轶林等: "一种基于K-means的WSN移动汇聚路由算法", 《通信技术》, no. 03, 10 March 2020 (2020-03-10) *
黄晨昕等: "一种制造物联网能量均衡聚类分簇路由算法", 《工业控制计算机》, no. 10, 25 October 2017 (2017-10-25) *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115134835A (zh) * 2022-08-30 2022-09-30 成都星联芯通科技有限公司 一种物联网组网***以及网关选取方法
CN115134835B (zh) * 2022-08-30 2022-12-20 成都星联芯通科技有限公司 一种物联网组网***以及网关选取方法

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