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        基于事件驅(qū)動的傳感節(jié)點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換協(xié)議的設(shè)計(jì)

        2018-12-22 07:53:38陳君梅陳潤航
        現(xiàn)代計(jì)算機(jī) 2018年33期
        關(guān)鍵詞:待命傳感消息

        陳君梅,陳潤航

        (1.廣州大學(xué)華軟軟件學(xué)院軟件工程系,廣州 510900;2.廣西師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院,桂林 541004)

        0 引言

        降低能耗是延長傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期最主要的方式,目前很多研究者已經(jīng)提出了很多節(jié)約能耗的方法。郝俊峰等人給出了隨機(jī)調(diào)度算法,該算法的核心思想是通過隨機(jī)生成一個(gè)概率值,以此決策網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)在每一輪中是否需要休眠[1]。該算法的實(shí)現(xiàn)相對簡單,能夠快速給出工作和休眠的節(jié)點(diǎn),但使用隨機(jī)概率休眠會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的吞吐量下降且產(chǎn)生覆蓋空洞。

        Suraj Sharma等人提出了基于聚類的多路徑路由協(xié)議,在該協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸階段,聚類成員在一定時(shí)間槽內(nèi)處于工作狀態(tài),會傳輸生成的數(shù)據(jù)至聚類頭,其余時(shí)間將處于休眠模式,直到下一個(gè)時(shí)間槽內(nèi)被喚醒[2]。此機(jī)制能夠節(jié)約傳感器節(jié)點(diǎn)的能耗,但該類設(shè)計(jì),若環(huán)境突然在節(jié)點(diǎn)休眠期間發(fā)生巨變,則會因無節(jié)點(diǎn)處于感知狀態(tài)而造成突變環(huán)境的數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象。

        Nguyen TTN等人提出了一個(gè)基于關(guān)聯(lián)性的聚類,Nguyen TTN認(rèn)為關(guān)聯(lián)性高的節(jié)點(diǎn)對,一個(gè)節(jié)點(diǎn)感知到的數(shù)據(jù)可以代表其他節(jié)點(diǎn),所以為了能效的目的,將能量更高的節(jié)點(diǎn)處于工作狀態(tài)而其他節(jié)點(diǎn)將處于休眠狀態(tài)。為了識別出監(jiān)測環(huán)境的突然改變,使用一個(gè)閾值去控制收集數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)數(shù)。即:當(dāng)工作節(jié)點(diǎn)感知到環(huán)境突變數(shù)據(jù)且改變值大于預(yù)先定義的閾值,該節(jié)點(diǎn)將報(bào)告給聚類頭,以此喚醒聚類中其他的休眠節(jié)點(diǎn)[3]。該文提出的休眠喚醒機(jī)制是一次性的,沒有交替休眠/喚醒過程,能耗節(jié)約不明顯。

        故本文在文獻(xiàn)[3]的基礎(chǔ)上提出了基于事件驅(qū)動的傳感節(jié)點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換協(xié)議,并且結(jié)合了文獻(xiàn)[2],定期檢查網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的活性,以此增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

        1 協(xié)議介紹

        1.1 協(xié)議運(yùn)行場景

        該協(xié)議設(shè)想運(yùn)行在面向戶外的預(yù)警場景,如圖1所示:營地的周圍部署了很多無線紅外傳感器,這些無線傳感器與營地內(nèi)的用戶手機(jī)形成一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò),該網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)將人工設(shè)置形成一個(gè)以營地為中心的兩級監(jiān)測警戒圈。其中,遠(yuǎn)離營地中心的傳感器形成的圈稱為目標(biāo)識別圈;靠近營地中心的傳感器形成的圈稱為目標(biāo)警示圈[4]。

        圖1 戶外預(yù)警的無線傳感場景[4]

        整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的工作原理如下:大量傳感器節(jié)點(diǎn)組成大小不一的兩個(gè)同心圓形分布在營地周圍,按照需求采集區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)信息,并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給組播組中的監(jiān)視手機(jī)。目標(biāo)出現(xiàn)時(shí),目標(biāo)識別圈的傳感器感知到目標(biāo)發(fā)出的感知信號,然后將傳感數(shù)據(jù)播發(fā)到無線局域網(wǎng)(Wireless Local Area Network,簡稱WLAN),監(jiān)視手機(jī)從WLAN接收消息。當(dāng)目標(biāo)持續(xù)移動到越過目標(biāo)警示圈的傳感器時(shí),目標(biāo)警示圈的傳感器播發(fā)消息到WLAN,所有的手機(jī)(包括監(jiān)視手機(jī)和待命手機(jī))均從WLAN接收消息。

        整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)警示圈上的傳感器節(jié)點(diǎn),以及處于待命狀態(tài)的待命手機(jī)一開始均處于休眠狀態(tài),只有當(dāng)識別圈的傳感器感知到目標(biāo)信號時(shí),才喚醒警示圈的傳感器節(jié)點(diǎn);而只有目標(biāo)進(jìn)入到警示圈時(shí),監(jiān)視手機(jī)才會喚醒待命狀態(tài)的手機(jī)。該做法的目標(biāo)在于節(jié)約節(jié)點(diǎn)的能耗,從而延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。

        1.2 協(xié)議假設(shè)

        本協(xié)議采用了如下的假設(shè)條件:

        (1)所有的傳感器節(jié)點(diǎn)被人工部署成內(nèi)外兩圈,外層節(jié)點(diǎn)一直處于工作狀態(tài),內(nèi)層節(jié)點(diǎn)一開始處于休眠狀態(tài),直到發(fā)生突發(fā)事件;內(nèi)外兩圈的節(jié)點(diǎn),其標(biāo)識不一樣,且每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和手機(jī)節(jié)點(diǎn)均有唯一的節(jié)點(diǎn)標(biāo)識,即id;

        (2)傳感器節(jié)點(diǎn)和手機(jī)節(jié)點(diǎn)均是靜態(tài)節(jié)點(diǎn);

        (3)所有監(jiān)視手機(jī)均知道所有傳感器節(jié)點(diǎn)和其他手機(jī)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)標(biāo)識;

        (4)所有待命手機(jī)均知道其所在聚類的聚類頭節(jié)點(diǎn)標(biāo)識以及組播組IP地址;

        (5)所有的待命手機(jī)一開始處于待命狀態(tài),直到發(fā)生突發(fā)事件才加入組播組。

        2 協(xié)議設(shè)計(jì)

        協(xié)議是指通信雙方就如何進(jìn)行通信的一種約定,不同機(jī)器上構(gòu)成相應(yīng)層次的實(shí)體稱為對等體[5]。即,協(xié)議就是一組控制數(shù)據(jù)通信的規(guī)則,定義要傳送什么、怎樣進(jìn)行通信、以及何時(shí)進(jìn)行通信,協(xié)議的三個(gè)關(guān)鍵要素就是語法、語義與同步[6]。故,本部分將分別闡述節(jié)點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換協(xié)議的協(xié)議體、協(xié)議消息以及協(xié)議邏輯的設(shè)計(jì),從而描述清楚本文協(xié)議的語法、語義與同步信息。

        2.1 節(jié)點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換協(xié)議的協(xié)議體和協(xié)議報(bào)文設(shè)計(jì)

        本部分將給出節(jié)點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換協(xié)議中的協(xié)議體和協(xié)議報(bào)文,以及協(xié)議報(bào)文中的各個(gè)字段。如表1所示。

        該協(xié)議設(shè)計(jì)了兩個(gè)對等協(xié)議體:Mobilew和Mobiles,分別標(biāo)識監(jiān)視手機(jī)和傳感器手機(jī);以及四個(gè)協(xié)議報(bào)文:update_Msg、updateRes_Msg、confirm_Msg、warm_Msg。其中,update_Msg用于查詢傳感器和待命手機(jī)活性,或者喚醒待命手機(jī);updateRes_Msg用于響應(yīng)update_Msg消息;confirm_Msg用于確認(rèn)updateRes_Msg消息;warm_Msg是監(jiān)視手機(jī)用于發(fā)布自己所處的聚類,聚類成員均已死亡的消息。

        表1 協(xié)議體和協(xié)議報(bào)文的設(shè)計(jì)

        2.2 節(jié)點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換協(xié)議的協(xié)議邏輯設(shè)計(jì)

        本部分將詳細(xì)給出節(jié)點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換協(xié)議中,監(jiān)視手機(jī)和待命手機(jī)這一對對等協(xié)議體處理活性查詢和狀態(tài)喚醒的交互和判斷過程。詳細(xì)流程如算法1和算法2所示。

        (1)監(jiān)視手機(jī)端的算法

        算法1:節(jié)點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換協(xié)議之監(jiān)視手機(jī)的協(xié)議邏輯

        輸入:警告圈的感知信息or節(jié)點(diǎn)活性查詢提示,updateRes_Msg

        (2)待命手機(jī)端的算法

        算法2:節(jié)點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換協(xié)議之待命手機(jī)的協(xié)議邏輯

        3 協(xié)議實(shí)現(xiàn)

        本實(shí)驗(yàn)的目的在于驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換能力:令一臺智能手機(jī)退出多播組,使其進(jìn)入待命狀態(tài)。當(dāng)有目標(biāo)警示圈的傳感器往多播組發(fā)送傳感數(shù)據(jù)時(shí),觀察待命手機(jī)是否被監(jiān)視手機(jī)喚醒。也就是,觀察監(jiān)視手機(jī)是否發(fā)送喚醒消息給待命手機(jī);以及在收到喚醒消息后,待命手機(jī)是否再次加入組播組并回復(fù)消息給監(jiān)視手機(jī)。本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理圖如圖2所示。

        圖2 待命手機(jī)運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程

        驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換能力的用例如表2所示。

        4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

        本節(jié)將記錄和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果,驗(yàn)證的是監(jiān)視手機(jī)在接收到目標(biāo)警示圈的傳感器發(fā)送的傳感數(shù)據(jù)時(shí),喚醒待命手機(jī)的能力,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3、4和5所示。

        由圖3、4和5可知:當(dāng)目標(biāo)警示圈的傳感器感知并發(fā)送傳感數(shù)據(jù)給監(jiān)視手機(jī)時(shí),監(jiān)視手機(jī)會立即發(fā)送喚醒消息給待命手機(jī),待命手機(jī)接收到喚醒消息后,會立即加入組播組。待命手機(jī)加入組播組成功后,一方面會發(fā)送喚醒回應(yīng)消息給監(jiān)視手機(jī),監(jiān)視手機(jī)發(fā)送確認(rèn)消息給待命手機(jī)以表示接收到回應(yīng)消息;另一方面,將和監(jiān)視一樣,接收傳感數(shù)據(jù)。該實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入目標(biāo)警示圈之后,即危險(xiǎn)系數(shù)增加時(shí),監(jiān)視手機(jī)能夠成功喚醒休眠中的手機(jī),使其進(jìn)入監(jiān)測狀態(tài),從而增加安全性。

        表2 運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換功能的驗(yàn)證說明

        圖3 模擬目標(biāo)識別圈和警示圈的傳感器發(fā)送傳感數(shù)據(jù)

        圖4 監(jiān)視手機(jī)接收到警示圈傳感數(shù)據(jù)時(shí)喚醒待命手機(jī)的過程

        圖5 待命手機(jī)接收到監(jiān)視手機(jī)的喚醒消息時(shí)喚醒自身的過程

        5 結(jié)語

        本文給出了基于事件驅(qū)動的傳感節(jié)點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換協(xié)議,該協(xié)議以環(huán)境突變數(shù)據(jù)作為喚醒休眠節(jié)點(diǎn)的條件,并定期檢查網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的活性,以此增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的生命周期和可靠性,具有可行性。

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