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

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)生成一個概率值，以此決策網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點在每一輪中是否需要休眠[1]。該算法的實現(xiàn)相對簡單，能夠快速給出工作和休眠的節(jié)點，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，其余時間將處于休眠模式，直到下一個時間槽內(nèi)被喚醒[2]。此機(jī)制能夠節(jié)約傳感器節(jié)點的能耗，但該類設(shè)計，若環(huán)境突然在節(jié)點休眠期間發(fā)生巨變，則會因無節(jié)點處于感知狀態(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)點對，一個節(jié)點感知到的數(shù)據(jù)可以代表其他節(jié)點，所以為了能效的目的，將能量更高的節(jié)點處于工作狀態(tài)而其他節(jié)點將處于休眠狀態(tài)。為了識別出監(jiān)測環(huán)境的突然改變，使用一個閾值去控制收集數(shù)據(jù)的節(jié)點數(shù)。即：當(dāng)工作節(jié)點感知到環(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)點將報告給聚類頭，以此喚醒聚類中其他的休眠節(jié)點[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)議運行場景

該協(xié)議設(shè)想運行在面向戶外的預(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)形成一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點將人工設(shè)置形成一個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]

整個網(wǎng)絡(luò)的工作原理如下：大量傳感器節(jié)點組成大小不一的兩個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，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，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。

整個網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)警示圈上的傳感器節(jié)點，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，才喚醒警示圈的傳感器節(jié)點；而只有目標(biāo)進(jìn)入到警示圈時，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)點被人工部署成內(nèi)外兩圈，外層節(jié)點一直處于工作狀態(tài)，內(nèi)層節(jié)點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，其標(biāo)識不一樣，且每個傳感器節(jié)點和手機(jī)節(jié)點均有唯一的節(jié)點標(biāo)識，即id；

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

（3）所有監(jiān)視手機(jī)均知道所有傳感器節(jié)點和其他手機(jī)節(jié)點的節(jié)點標(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

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、以及何時進(jìn)行通信，協(xié)議的三個關(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)點運行狀態(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，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)點運行狀態(tài)轉(zhuǎn)換協(xié)議的協(xié)議體和協(xié)議報文設(shè)計

本部分將給出節(jié)點運行狀態(tài)轉(zhuǎn)換協(xié)議中的協(xié)議體和協(xié)議報文，以及協(xié)議報文中的各個字段。如表1所示。

該協(xié)議設(shè)計了兩個對等協(xié)議體：Mobilew和Mobiles，分別標(biāo)識監(jiān)視手機(jī)和傳感器手機(jī)；以及四個協(xié)議報文：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)議報文的設(shè)計

2.2 節(jié)點運行狀態(tài)轉(zhuǎn)換協(xié)議的協(xié)議邏輯設(shè)計

本部分將詳細(xì)給出節(jié)點運行狀態(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)點運行狀態(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)點活性查詢提示，updateRes_Msg

（2）待命手機(jī)端的算法

算法2：節(jié)點運行狀態(tài)轉(zhuǎn)換協(xié)議之待命手機(jī)的協(xié)議邏輯

3 協(xié)議實現(xiàn)

本實驗的目的在于驗證節(jié)點的運行狀態(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，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)。本實驗的實驗原理圖如圖2所示。

圖2 待命手機(jī)運行狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程

驗證節(jié)點運行狀態(tài)轉(zhuǎn)換能力的用例如表2所示。

4 實驗結(jié)果與分析

本節(jié)將記錄和分析實驗結(jié)果，驗證的是監(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，喚醒待命手機(jī)的能力，實驗結(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，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)。該實驗表明，當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入目標(biāo)警示圈之后，即危險系數(shù)增加時，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 運行狀態(tài)轉(zhuǎn)換功能的驗證說明

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)點的條件，并定期檢查網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的活性，以此增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的生命周期和可靠性，具有可行性。