CN104053175B - 一种物联网感知层拓扑控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种物联网感知层拓扑控制方法，建立物联网感知层无线传感器网络拓扑结构，基于上述物联网感知层无线传感器网络拓扑结构进行数据传输，并对物联网感知层无线传感器网络拓扑结构进行维护，本发明在簇头选举过程中，利用定位节点逐层选出簇头节点，选出的簇头分布更加均匀、合理；汇聚节点无需知道网络的全局信息，只需进行小范围广播，节点数目增加时对方法的影响较小，在数据传输阶段数据通过中继节点和簇头节点共同转发，且转发的最优路径在簇头节点和中继节点的选举过程已确定，无需寻找最优路径，节约了簇头节点的能量消耗。

Description

一种物联网感知层拓扑控制方法

技术领域

本发明属于物联网技术领域，具体涉及一种物联网感知层拓扑控制方法。

背景技术

物联网是一种建立在互联网上的泛在网络，通过将现存的各个网络有机的结合起来，构成一个统一的整体，无线传感器网络是物联网感知层最主要的感知技术之一。无线传感器网络与以往有线网络的拓扑存在着很大的不同，无线传感器网络节点资源极其有限，往往部署在恶劣环境中。但是，在大规模由无线传感器设备构成的物联网中，由于受传感器自身设备的硬件缺陷、多类型环境因素等诸多实际的网络因素的影响，传感器节点所获知的网络拓扑等信息常动态多变，也容易和实际网络状况存在较大的差异，而带来较多的拓扑认识错误，影响其它应用。同时由于传感器硬件设备的局限性和动态性，以及组成的网络通信带宽有限等，在网络中准确、及时地获取网络的拓扑信息变得非常困难。因此物联网环境下对于无线传感器网络的拓扑和路由结构有着更高的鲁棒性需求，为了在有限的节点资源下，节省能耗，提高无线传感网络系统容错性,均衡网络负载,就必须设计具有良好性能的拓扑控制方案来延长网络的生命周期,从而满足物联网的性能需求。

目前，针对无线传感器网络的拓扑发现的研究较多，其拓扑控制方法可以分为两个方面：层次型拓扑控制和功率控制。层次型拓扑控制采用分簇机制，选择部分网内节点作为簇头节点，由簇头节点形成数据处理和转发的传输体系。功率控制机制通过调整网络中节点的发射功率，在保证网络连通性的前提下，均衡节点路由邻居节点数量和网络的能量消耗。

发明内容

本发明的目的是提供一种物联网感知层拓扑控制方法，有效地解决了物联网感知层分簇拓扑控制中簇头节点分布不合理，能量消耗不均衡，最优路由发现困难问题。

本发明所采用的技术方案是，一种物联网感知层拓扑控制方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、建立物联网感知层无线传感器网络拓扑结构；

步骤2、基于步骤1得到的物联网感知层无线传感器网络拓扑结构进行数据传输；

步骤3、对步骤1得到的物联网感知层无线传感器网络拓扑结构进行维护。

本发明的特点还在于,

建立物联网感知层无线传感器网络拓扑结构具体按照以下步骤实施：

步骤1.1、以汇聚节点为中心，确定第一层定位节点a1、a2、…、an；

步骤1.2、以第一层定位节点为基点，确定第一层簇头节点A1、A2、…、An；

步骤1.3、以第一层簇头节点为基点，确定第二层定位节点b11，b12，b21，b22，…，b(n-1)1，b(n-1)2，bn1，bn2；

步骤1.4、以第二层定位节点为基点，确定第二层簇头节点B1-B2n；

以此类推，选出物联网内所有的簇头节点；簇头节点确定后，每个簇头对各自的上层一跳邻居簇头节点进行标记，在簇头选举过程中，接收到两个簇头节点发送的广播消息的终端节点被标记为中继节点，广播消息中包含簇头节点的层数信息，且中继节点选择加入层数较小的簇头节点；第一层簇头节点和汇聚节点确定的中继节点用集合V_S ^Ai＝{V_S ^A1、V_S ^A2......}表示；第一层和第二层簇头节点确定的中继节点用集合V_A ^Bi＝{V_A ^B1、V_A ^B2......}表示；第二层和第三层簇头节点确定的中继节点用集合V_B ^Ci＝{V_B ^C1、V_B ^C2......}表示；簇头节点被确定后，以功率P向外发送广播信息，广播信息中包含簇头节点的层数信息，接收到某一簇头节点发送的广播信息的终端节点，加入到该簇头节点形成的簇，终端节点将收集到的数据发送到该簇头节点；同时接收到两个簇头节点发送的广播信息的终端节点根据接收到的信息加入到层数较小的簇头节点形成的簇，将收集到的数据发送到该具有较小层数的簇头节点；依此类推，得到物联网感知层无线传感器网络拓扑结构。

以汇聚节点为中心，确定第一层定位节点a1、a2、…、an具体按照以下步骤实施：

汇聚节点以一固定的功率P向外广播，发送询问消息，接收到询问消息的节点回复应答消息，汇聚节点接收到应答信息后，在接收到信号强度RSSI最小的节点集合中任意选出一个作为一个定位节点，标识为a1，定位节点a1以功率P向外广播，在定位节点a1与汇聚节点广播集合的交集中，每个节点将接收到定位节点a1的信号强度与接收到汇聚节点的信号强度相比较，接收到信号强度相同的节点构成一个集合，构成一个集合，从这个集合中选取一个接收到信号强度最小的节点，分别标识为a2与an；定位节点a2以功率P向外广播，接收到定位节点a2发送信息的信号强度和接收到汇聚节点发送信息的信号强度相同的节点构成一个集合，从这个集合中选取两个接收到信号强度最小的节点，其中一个节点已被选出，为定位节点a1，另一个定位节点a3不属于a1广播集合，标识为定位节点a3，已选出的定位节点会逐个进行标记，被标记后不再当选，同理依次选出定位节点a4，an-1。

以第一层定位节点为基点，确定第一层簇头节点A1、A2、…、An具体按照以下步骤实施：

第一层定位节点a1-an以功率P向外广播时，在定位节点a1与定位节点a2的广播集合交集中，接收到定位节点a1与定位节点a2信号强度相同的节点构成一个集合，从这个集合中选取一个接收到信号强度最小的节点，同时不属于汇聚节点广播集合的节点作为第一层簇头节点A1；接收到定位节点a2，定位节点a3节点发送信息的信号强度相同的节点构成一个集合，从这个集合中选取一个接收到信号强度最小的节点，同时不属于汇聚节点广播集合的节点，标识为簇头节点A2，接收到定位节点a3，定位节点a4节点发送信息的信号强度相同的节点构成一个集合，从这个集合中选取一个接收到信号强度最小的节点，同时不属于汇聚节点广播集合的节点，标识为簇头节点A3，同理依次选出簇头节点A4-An。

以第一层簇头节点为基点，确定第二层定位节点b11，b12，b21，b22，…，b(n-1)1，b(n-1)2，bn1，bn2，具体确定步骤如下：

簇头节点A1和簇头节点A2分别以功率P进行广播，覆盖范围内的节点将接收到簇头节点A1的信号强度和簇头节点A2的信号强度进行比较，信号强度相同的节点构成一个集合，从这个集合中选取一个接收到信号强度最小的节点，标识为定位节点b1，定位节点b1以功率P进行广播，簇头节点A1广播与定位节点b1广播集合交集覆盖范围内的节点，将接收到簇头节点A1的信号强度和定位节点b1的信号强度进行比较，信号强度相同构成一个集合，从这个集合中选取一个接收到信号强度最小的节点，同时不属于定位节点a2广播集合的节点标识为定位节点b11，簇头节点A2广播与定位节点b1广播集合交集覆盖范围内的节点，将接收到簇头节点A2的信号强度和定位节点b1的信号强度进行比较，信号强度相同构成一个集合，从这个集合中选取一个接收到信号强度最小的节点，同时不属于定位节点a2广播集合的节点定义为定位节点b12，同理，可依次确定出定为节点b2，b3，…，bn-1，bn；再根据已确定的定位节点b2，b3，…，bn-1，bn，按照上述方法依次确定出定位节点b21，b22，b31，b32，…，b(n-1)1，b(n-1)2，bn1，bn2。

以第二层定位节点为基点，确定第二层簇头节点B1-B2n，具体按照以下步骤实施：

第二层簇头节点的选举在第二层定位节点的基础上进行，定位节点b1和b12以功率P进行广播，两个节点广播集合交集覆盖范围内的节点，将接收到定位节点b1的信号强度和定位节点b12的信号强度进行比较，信号强度相同构成一个集合，从这个集合中选取一个接收到信号强度最小的节点，同时不属于A2广播集合的节点当选为簇头节点B1，定位节点b21继续以功率P进行广播，b21广播与b12广播集合交集覆盖范围内的节点，将接收到定位节点b12的信号强度和定位节点b21的信号强度进行比较，信号强度相同构成一个集合，从这个集合中选取一个接收到信号强度最小的节点，同时不属于A2广播集合的节点当选为簇头节点B2，同理，利用定位节点b2、b21选出簇头节点B3，利用定位节点b22、b31选出簇头节点B4，依此类推，逐步选出簇头节点B5-B2n。

功率P＝rα，其中，r为节点的发射半径，且r＜87.8m，α为路径衰减因子，取值为2-5之间；P＜P_MAX，P_MAX为节点能够达到的最大发射功率；

所述询问消息包括汇聚节点、第一层定位节点、第一层簇头节点、第二层定位节点、第二层簇头节点…第n层定位节点和第n层簇头节点的发射功率P和汇聚节点身份标识号码；

所述应答消息包括接收到询问消息的节点自身的身份标识号码，接收到信号强度的大小和节点自身的剩余能量。

基于步骤1得到的物联网感知层无线传感器网络拓扑结构进行数据传输具体按照以下步骤实施：

步骤2.1、在簇内进行数据传输，具体按照以下步骤实施：

簇内节点分时向簇头节点传输收集到的数据，簇内数据传输直接将感测到的数据传输给汇聚节点；

步骤2.2、在簇间进行数据传输，具体按照以下步骤实施：

各簇头节点通过中继节点的转发，将收集到的数据传输至汇聚节点，簇头节点在选择下一跳路由节点时，在相邻的上层簇内已标记的中继节点集合中进行选择，选择集合内节点剩余能量最大的节点进行数据转发，再通过已标记的中继节点所在的上一层簇头节点进行中继路由，最终将数据传输到汇聚节点；

进行数据路由时，数据根据路由表中的信息逐跳进行传输，具体过程如下：当网络终端节点将收集的数据传输到汇聚节点时，簇内节点首先将收集到的数据和自身身份标识号码以及节点剩余能量信息传输到各簇头节点，簇头节点接收到数据后，建立路由表，路由表中包括自身ID号，所处的层数信息以及下一跳中继节点ID号；簇头节点根据路由表中的信息选择下一跳路由节点，中继节点路由表在簇头节点路由表的基础上增加了下一跳簇头节点的身份标识号码，剩余能量以及层数信息；在进行每一跳路由时，传输数据的节点中只保存它的上一跳和下一跳路由节点信息，直至到达汇聚节点；当网络中汇聚节点向终端节点发布监测任务时，根据已存在的路由信息进行数据的原路径返回，先将数据传输到各簇头节点，再由簇头节点将数据发送到各簇内终端节点。

对步骤1得到的物联网感知层无线传感器网络拓扑结构进行维护，具体按照以下步骤实施：

当某个簇头节点的剩余能量值低于初始能量E₀的1/3时，在本簇内进行最优替代点的选举，当在本簇内找不到符合条件的替代节点时，在全网范围内重新进行簇头的选举；

寻找当前簇头的最优替代节点，即在本簇内进行新一轮的簇头选举，选举时簇内节点根据公式(1)计算各自权值εi，权值最大的节点当选为新一轮的簇头节点，

其中，RSSI(i)为簇内节点接收到簇头节点的信号强度大小，Eresidual为节点剩余能量大小，E₀为初始能量的大小，λ1、λ2为比例系数，可根据具体情况调节，相加和为1；

重新当选的簇头节点以相同的功率进行广播时，要求簇内其它节点都能接收到一定的信号强度，否则重新选择具有次优解的节点作为簇头；进行局部更新时要求选出的簇头节点以和当前簇头相同的发射功率进行广播时，原来簇的簇内节点都能接收到簇头的广播信息。

本发明的有益效果是：

1、现有的物联网感知层无线传感器网络分簇式拓扑控制算法选出的簇头分布不合理，能量消耗过大，本发明的物联网感知层拓扑控制方法，在簇头选举过程中，利用定位节点逐层选出簇头节点，选出的簇头分布更加均匀、合理。

2、现有的物联网感知层无线传感器网络分簇式拓扑控制方法在初始化阶段，汇聚节点要获得网络中所有节点的信息，需对全网进行广播，而本发明提出的方法汇聚节点无需知道网络的全局信息，只需进行小范围广播，节点数目增加时对方法的影响较小。

3、现有的物联网感知层无线传感器网络分簇式拓扑控制算法在簇间数据传输阶段利用簇头节点之间的路由将数据传输到汇聚节点，传输时需要寻找最优转发路径进行数据的传递，增加了簇头节点的能量消耗，本发明在数据传输阶段数据通过中继节点和簇头节点共同转发，且转发的最优路径在簇头节点和中继节点的选举过程已确定，无需寻找最优路径，节约了簇头节点的能量消耗。

4、现有的物联网感知层无线传感器网络分簇式拓扑控制算法的簇头节点不仅要收集和管理簇内信息，在数据收集阶段还要转发大量信息，能量消耗较大，造成网络能量消耗不均匀，本发明提出的方法选出中继节点，减少簇间数据传递时簇头节点的能量消耗，使网络更均衡地消耗。

附图说明

图1是本发明物联网感知层拓扑控制方法的第一层定位节点选举图；

图2是本发明物联网感知层拓扑控制方法的第一层簇头节点选举图；

图3是本发明物联网感知层拓扑控制方法的第二层定位节点选举图；

图4是本发明物联网感知层拓扑控制方法的第二层簇头节点选举图；

图5是本发明物联网感知层拓扑控制方法的物联网感知层无线传感器网络拓扑图；

图6是本发明物联网感知层拓扑控制方法的数据传输路径图。

具体实施方式

本发明的思想是：目前在层次型拓扑控制和功率控制方面，现有的算法通常只是针对网络拓扑的某一方面进行了优化和设计，相关研究缺乏系统性。随着相关技术的迅速发展，拓扑研究的分类区分并不明显，多种方式的结合往往可以取得良好的效果，所以通过引入启发式或者计算几何算法等机制，可以达到降低网络能耗，加速拓扑形成以及提高网络鲁棒性等目的。如何全面、准确、快速地进行网络拓扑发现和控制对于物联网的网络管理、故障定位和拥塞控制等具有重要的意义。

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供一种物联网感知层拓扑控制方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、建立物联网感知层无线传感器网络拓扑结构；具体按照以下步骤实施：

步骤1.1、以汇聚节点为中心，确定第一层定位节点a1、a2、…、an；

汇聚节点以功率P向外广播发送询问消息，其中，P的大小根据公式P＝rα确定，r为节点的发射半径，且r＜87.8m，α为路径衰减因子，取值为2-5之间；P＜P_MAX，P_MAX为节点能够达到的最大发射功率；消息中包含汇聚节点的发射功率P和汇聚节点身份标识号码(ID，Identity)，接收到询问消息的节点回复应答消息(消息中包括节点自身的身份标识号码，接收到信号强度的大小和节点自身的剩余能量)，汇聚节点接收到应答信息后，在接收到信号强度RSSI最小的节点集合中任意选出一个作为一个定位节点，标识为a1，定位节点a1以功率P向外广播，在定位节点a1与汇聚节点广播集合的交集中，每个节点将接收到定位节点a1的信号强度与接收到汇聚节点的信号强度相比较，接收到定位节点a1和汇聚节点的信号强度相同的节点构成一个集合，从这个集合中选取两个接收到信号强度最小的节点，分别标识为a2与an。定位节点a2以功率P向外广播，接收到定位节点a2发送信息的信号强度和接收到汇聚节点发送信息的信号强度相同的节点构成一个集合，从这个集合中选取两个接收到信号强度最小的节点，其中一个节点已被选出，为定位节点a1，另一个节点a3不属于a1广播集合，标识为定位节点a3。已选出的定位节点会逐个进行标记，被标记后不再当选，同理依次选出定位节点a4，an-1。

以定位节点为6个为例，确定方法如图1所示，图中实线部分表示汇聚节点的通信覆盖范围，虚线部分表示第一层定位节点的通信覆盖范围。Sink节点以功率P向外广播，发送询问消息(消息中包含节点的发射功率P和节点ID号)，接收到询问消息的节点回复应答消息(消息中包括自身的ID号，接收到信号强度的大小和自己的剩余能量)，sink节点接收到应答信息后，在接收到信号强度RSSI最小的节点集合中任意选出一个作为定位节点，标识为a1，定位节点a1以功率P向外广播，在a1节点与sink节点广播集合的交集中，每个节点将接收到a1的信号强度与接收到sink的信号强度相比较，接收到信号强度相同的节点构成一个集合，在这个集合中选取两个接收到信号强度最小的节点，分别标识为a2与a6，节点a2与a6作为定位节点。定位节点a2以功率P向外广播，接收到节点a2的信号强度和接收到sink节点发送的信号强度相同的节点构成一个集合，从这个集合中选取两个接收到信号强度最小的节点，其中一个节点已被选出，为定位节点a1，另一个不属于a1广播集合的定位节点标识为a3。已选出的定位节点会逐个进行标记，被标记后不再当选，同理依次选出定位节点a4，a5。

步骤1.2、以第一层定位节点为基点，确定第一层簇头节点A1、A2、…、An，具体按照以下步骤实施：

定位节点a1-an以功率P向外广播时，在定位节点a1与定位节点a2的广播集合交集中，接收到定位节点a1与定位节点a2信号强度相同的节点构成一个集合，从这个集合中选取一个接收到信号强度最小的节点，同时不属于汇聚节点广播集合的节点作为簇头节点A1；接收到定位节点a2与定位节点a3节点发送信息的信号强度相同的节点构成一个集合，从这个集合中选取一个接收到信号强度最小的节点，同时不属于汇聚节点广播集合的节点，标识为簇头节点A2，接收到定位节点a3和定位节点a4节点发送信息的信号强度相同的节点构成一个集合，从这个集合中选取一个接收到信号强度最小的节点，同时不属于汇聚节点广播集合的节点，标识为簇头节点A3，同理依次选出第一层的簇头节点A4-An。

以簇头节点为6个为例，按照上述确定方法，选举出的第一层簇头结点如图2所示。

步骤1.3、以第一层簇头节点为基点，确定第二层定位节点b11，b12，b21，b22，…，b(n-1)1，b(n-1)2，bn1，bn2，具体确定步骤如下：

簇头节点A1和簇头节点A2分别以功率P进行广播，覆盖范围内的节点将接收到簇头节点A1的信号强度和簇头节点A2的信号强度进行比较，信号强度相同的节点构成一个集合，从这个集合中选取一个接收到信号强度最小的节点，标识为定位节点b1，定位节点b1以功率P进行广播，簇头节点A1广播与定位节点b1广播集合交集覆盖范围内的节点，将接收到簇头节点A1的信号强度和定位节点b1的信号强度进行比较，信号强度相同的节点构成一个集合，从这个集合中选取一个接收到信号强度最小的节点，同时不属于定位节点a2广播集合的节点标识为定位节点b11，簇头节点A2广播与定位节点b1广播集合交集覆盖范围内的节点，将接收到簇头节点A2的信号强度和定位节点b1的信号强度进行比较，信号强度相同的节点构成一个集合，从这个集合中选取一个接收到信号强度最小的节点，同时不属于定位节点a2广播集合的节点定义为定位节点b12，同理，可依次确定出定为节点b2，b3，…，bn-1，bn；再根据已确定的定位节点b2，b3，…，bn-1，bn，按照上述方法依次确定出定位节点b21，b22，b31，b32，…，b(n-1)1，b(n-1)2，bn1，bn2。

第二层定位节点以12个为例，按照上述确定方法，选举出的第二层定位节点如图3所示。

步骤1.4、以第二层定位节点为基点，确定第二层簇头节点B1-B2n，具体确定步骤如下：

第二层簇头节点的选举在第二层定位节点的基础上进行，定位节点b1和b12以功率P进行广播，两个节点广播集合交集覆盖范围内的节点，将接收到定位节点b1的信号强度和定位节点b12的信号强度进行比较，信号强度相同的节点构成一个集合，从这个集合中选取一个接收到信号强度最小的节点，同时不属于A2广播集合的节点当选为簇头节点B1，定位节点b21继续以功率P进行广播，b21广播与b12广播集合交集覆盖范围内的节点，将接收到定位节点b12的信号强度和定位节点b21的信号强度进行比较，信号强度相同的节点构成一个集合，从这个集合中选取一个接收到信号强度最小的节点，同时不属于A2广播集合的节点当选为簇头节点B2，同理，利用定位节点b2、b21选出簇头节点B3，利用定位节点b22、b31选出簇头节点B4，依此类推，逐步选出簇头节点B5-B2n。

以簇头节点的个数为12个为例，确定方法如图5所示：图中实线部分表示汇聚节点(sink)和第一层簇头节点的通信覆盖传输范围，虚线部分表示第二层定位节点的通信覆盖传输范围。

以此类推，直至到达网络边缘，选出所有的簇头节点，簇头节点选举过程中，如果出现多个节点同时满足选择条件，则选择剩余能量大的节点作为簇头节点。簇头节点确定后，每个簇头对各自的上层一跳邻居簇头节点进行标记。

在簇头选举过程中，同时接收到两个簇头节点发送的广播消息的终端节点被标记为中继节点，广播消息中包含簇头节点的层数信息，且中继节点选择加入簇头节点层数较小的簇。第一层簇头节点和汇聚节点确定的中继节点用集合V_S ^Ai＝{V_S ^A1、V_S ^A2......}表示；第一层和第二层簇头节点确定的中继节点用集合V_A ^Bi＝{V_A ^B1、V_A ^B2......}表示；第二层和第三层簇头节点确定的中继节点用集合V_B ^Ci＝{V_B ^C1、V_B ^C2......}表示；依此类推。

簇头节点被确定后，终端节点根据接收到的广播信息加入到相应的簇中，具体为：簇头节点被确定后，以功率P向外发送广播信息，广播信息中包含簇头节点的层数信息，接收到某一簇头节点发送的广播信息的终端节点，加入到该簇头节点形成的簇，终端节点将收集到的数据发送到该簇头节点；同时接收到两个簇头节点发送的广播信息的终端节点根据接收到的信息加入到层数较小的簇头节点形成的簇，将收集到的数据发送到该具有较小层数的簇头节点；其中相应的簇指的是簇头的广播范围。

上述的步骤中，功率P＝rα，其中，r为节点的发射半径，且r＜87.8m，α为路径衰减因子，取值为2-5之间；P＜P_MAX，P_MAX为节点能够达到的最大发射功率；

所述询问消息包括汇聚节点、第一层定位节点、第一层簇头节点、第二层定位节点、第二层簇头节点…第n层定位节点和第n层簇头节点的发射功率P和汇聚节点身份标识号码；

所述应答消息包括接收到询问消息的节点自身的身份标识号码，接收到信号强度的大小和节点自身的剩余能量。

本步骤的方法是无线传感器节点以汇聚节点为中心向四周均匀部署，先由汇聚节点进行小范围广播，首先确定定位节点，再利用定位节点逐层进行簇头节点的选举；簇头节点收集并融合簇内节点感测到的数据，通过中继节点多跳传输至汇聚节点。

得到的物联网感知层无线传感器网络拓扑结构如图5所示，该结构中每个实线圈为一个簇，结构中节点根据功能分为汇聚节点，中继节点，簇头节点，定位节点和终端节点。

汇聚节点用于将收集的数据转发到外部网络上或发布管理节点的监测任务，能够实现通信协议的转换，可以连接其它无线传感器网络和Internet等外部网络。

簇头节点用于收集和融合终端节点感知的数据，以及向终端节点发送监测数据，同时可作为多跳中继节点转发其它簇头节点信息到汇聚节点。

中继节点用于转发簇头节点和汇聚节点间传输的数据。

定位节点是确定簇头节点过程中的辅助节点，除了担任终端节点感知周围环境中的数据之外，主要用于确定簇头节点的位置。

终端节点主要用于感知周围的环境数据。

物联网感知层无线传感器网络具有以下性质：

1、节点相对均匀的分布在一个二维平面内，区域内存在一个汇聚节点和其他节点，每个节点都具有唯一的ID编号，且部署后位置固定。

2、sink节点位于传感器节点的中心位置，处理能力强，能量供应不受限制。

3、除汇聚节点以外的其他节点能量受限，且初始能量不完全一致，节点可以根据接收到的信号强度RSSI计算出发送者到自己的通信距离。

步骤2、基于步骤1得到的物联网感知层无线传感器网络拓扑结构进行数据传输；具体按照以下步骤实施：

数据传输阶段分为簇内数据传输阶段和簇间数据传输阶段。

在簇内数据传输阶段，簇内节点分时向簇头节点传输收集到的数据，簇内数据传输采用单跳方式(即不通过中继节点转发，直接将感测到的数据传输给汇聚节点)；在簇间传输阶段，各簇头节点通过中继节点的转发，将收集到的数据传输至汇聚节点。簇头节点在选择下一跳路由节点时，在相邻的上层簇内已标记的中继节点集合中进行选择，选择集合内节点剩余能量最大的节点进行数据转发，再通过已标记的中继节点所在的上一层簇头节点进行中继路由，最终将数据传输到sink节点，即簇头节点在进行簇间数据的传输时，不能通过本层内其它的簇头节点而仅能通过上层的簇头节点传输数据，在这种情况下，多跳传输的路径最短。

进行数据路由时，数据根据路由表中的信息逐跳进行传输，具体过程如下：当网络终端节点将收集的数据传输到sink节点时，簇内节点首先将收集到的数据和自身ID号以及节点剩余能量信息传输到各簇头节点，簇头节点接收到数据后，建立路由表，路由表中包括自身ID号，所处的层数信息以及下一跳中继节点ID号。簇头节点根据路由表中的信息选择下一跳路由节点，中继节点路由表在簇头节点路由表的基础上增加了下一跳簇头节点的ID号，剩余能量以及层数信息。在进行每一跳路由时，传输数据的节点中只保存它的上一跳和下一跳路由节点信息，直至到达sink节点。当网络中sink节点向终端节点发布监测任务时，根据已存在的路由信息进行数据的原路径返回，先将数据传输到各簇头节点，再由簇头节点将数据发送到各簇内终端节点。

如图6所示，以簇头节点B8的数据传输为例，簇头节点B8将收集到的数据传输到sink节点时，传输路径为：B8-V_A ^B1-A5-V_S ^A1-sink(V_A ^B1，V_S ^A1)，A5在以上部分已给出介绍，A指第一层簇头节点，B指第二层簇头节点。以上三个参数分别为第一层簇头节点和第二层簇头节点确定的中继节点，第一层簇头节点和sink节点确定的中继节点和第一层的簇头节点。

以簇头节点B9的数据传输为例，簇头节点B9将收集到的数据传输到sink节点时，传输路径有两条，分别为：B9-V_A ^B2-A5-V_S ^A2-sink，B9-V_A ^B3-A6-V_S ^A2-sink，两条路径均为B9的数据传输的最短路径。

步骤3、对步骤1得到的物联网感知层无线传感器网络拓扑结构进行维护。

由于簇头节点需要进行簇内节点数据的收集，以及簇间数据的传递与转发，所以能量消耗过快，本发明采用局部更新和全局更新相结合的方式进行拓扑维护。

当某个簇头节点的剩余能量值低于初始能量E₀的1/3时，在本簇内进行最优替代点的选举，当在本簇内找不到符合条件的替代节点时，在全网范围内重新进行簇头的选举。

寻找当前簇头的最优替代节点，即在本簇内进行新一轮的簇头选举，选举时簇内节点根据公式(1)计算各自权值εi，权值最大的节点当选为新一轮的簇头节点。

其中，RSSI(i)为簇内节点接收到簇头节点的信号强度大小，E_residual为节点剩余能量大小，E₀为初始能量的大小，λ1、λ2为比例系数，可根据具体情况调节，相加和为1。

重新当选的簇头节点以相同的功率进行广播时，要求簇内其它节点都能接收到一定的信号强度，否则重新选择具有次优解的节点作为簇头。所以进行局部更新时要求选出的簇头节点以和当前簇头相同的发射功率进行广播时，原来簇的簇内节点都能接收到簇头的广播信息。

本发明与现有技术相比，其优点在于：

1、现有的物联网感知层无线传感器网络分簇式拓扑控制算法进行簇头选举时，选出的簇头分布不合理，能量消耗过大，本发明提出的方法使簇头节点分布更加均匀，均衡了节点能量消耗。

2、现有的物联网感知层无线传感器网络分簇式拓扑控制算法在簇间数据传输阶段利用簇头节点之间的路由将数据传输到汇聚节点，传输时需要寻找最优转发路径进行数据的传递，增加了簇头节点的能量消耗，本发明无需寻找最优路径，节约了簇头节点的能量消耗。

Claims (6)

1.一种物联网感知层拓扑控制方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1、建立物联网感知层无线传感器网络拓扑结构；

步骤2、基于步骤1得到的物联网感知层无线传感器网络拓扑结构进行数据传输；

步骤3、对步骤1得到的物联网感知层无线传感器网络拓扑结构进行维护；

所述建立物联网感知层无线传感器网络拓扑结构具体按照以下步骤实施：

步骤1.1、以汇聚节点为中心，确定第一层定位节点a1、a2、…、an；

步骤1.2、以第一层定位节点为基点，确定第一层簇头节点A1、A2、…、An；

步骤1.3、以第一层簇头节点为基点，确定第二层定位节点b11，b12，b21，b22，…，b(n-1)1，b(n-1)2，bn1，bn2；

步骤1.4、以第二层定位节点为基点，确定第二层簇头节点B1-B2n；

以此类推，选出物联网内所有的簇头节点；簇头节点确定后，每个簇头对各自的上层一跳邻居簇头节点进行标记，在簇头选举过程中，接收到两个簇头节点发送的广播消息的终端节点被标记为中继节点，广播消息中包含簇头节点的层数信息，且中继节点选择加入层数较小的簇头节点；第一层簇头节点和汇聚节点确定的中继节点用集合表示；第一层和第二层簇头节点确定的中继节点用集合表示；第二层和第三层簇头节点确定的中继节点用集合表示；簇头节点被确定后，以功率P向外发送广播信息，广播信息中包含簇头节点的层数信息，接收到某一簇头节点发送的广播信息的终端节点，加入到该簇头节点形成的簇，终端节点将收集到的数据发送到该簇头节点；同时接收到两个簇头节点发送的广播信息的终端节点根据接收到的信息加入到层数较小的簇头节点形成的簇，将收集到的数据发送到该具有较小层数的簇头节点；以此类推，得到物联网感知层无线传感器网络拓扑结构；

所述以汇聚节点为中心，确定第一层定位节点a1、a2、…、an具体按照以下步骤实施：

汇聚节点以一固定的功率P向外广播，发送询问消息，接收到询问消息的节点回复应答消息，汇聚节点接收到应答信息后，在接收到信号强度RSSI最小的节点集合中任意选出一个作为一个定位节点，标识为a1，定位节点a1以功率P向外广播，在定位节点a1与汇聚节点广播集合的交集中，每个节点将接收到定位节点a1的信号强度与接收到汇聚节点的信号强度相比较，接收到信号强度相同的节点构成一个集合，构成一个集合，从这个集合中选取一个接收到信号强度最小的节点，分别标识为a2与an；定位节点a2以功率P向外广播，接收到定位节点a2发送信息的信号强度和接收到汇聚节点发送信息的信号强度相同的节点构成一个集合，从这个集合中选取两个接收到信号强度最小的节点，其中一个节点已被选出，为定位节点a1，另一个定位节点a3不属于a1广播集合，标识为定位节点a3，已选出的定位节点会逐个进行标记，被标记后不再当选，同理依次选出定位节点a4，an-1；

所述以第一层定位节点为基点，确定第一层簇头节点A1、A2、…、An具体按照以下步骤实施：

第一层定位节点a1-an以功率P向外广播时，在定位节点a1与定位节点a2的广播集合交集中，接收到定位节点a1与定位节点a2信号强度相同的节点构成一个集合，从这个集合中选取一个接收到信号强度最小的节点，同时不属于汇聚节点广播集合的节点作为第一层簇头节点A1；接收到定位节点a2，定位节点a3节点发送信息的信号强度相同的节点构成一个集合，从这个集合中选取一个接收到信号强度最小的节点，同时不属于汇聚节点广播集合的节点，标识为簇头节点A2，接收到定位节点a3，定位节点a4节点发送信息的信号强度相同的节点构成一个集合，从这个集合中选取一个接收到信号强度最小的节点，同时不属于汇聚节点广播集合的节点，标识为簇头节点A3，同理依次选出簇头节点A4-An。

2.根据权利要求1所述的物联网感知层拓扑控制方法，其特征在于，所述以第一层簇头节点为基点，确定第二层定位节点b11，b12，b21，b22，…，b(n-1)1，b(n-1)2，bn1，bn2，具体确定步骤如下：

簇头节点A1和簇头节点A2分别以功率P进行广播，覆盖范围内的节点将接收到簇头节点A1的信号强度和簇头节点A2的信号强度进行比较，信号强度相同的节点构成一个集合，从这个集合中选取一个接收到信号强度最小的节点，标识为定位节点b1，定位节点b1以功率P进行广播，簇头节点A1广播与定位节点b1广播集合交集覆盖范围内的节点，将接收到簇头节点A1的信号强度和定位节点b1的信号强度进行比较，信号强度相同构成一个集合，从这个集合中选取一个接收到信号强度最小的节点，同时不属于定位节点a2广播集合的节点标识为定位节点b11，簇头节点A2广播与定位节点b1广播集合交集覆盖范围内的节点，将接收到簇头节点A2的信号强度和定位节点b1的信号强度进行比较，信号强度相同构成一个集合，从这个集合中选取一个接收到信号强度最小的节点，同时不属于定位节点a2广播集合的节点定义为定位节点b12，同理，可依次确定出定为节点b2，b3，…，bn-1，bn；再根据已确定的定位节点b2，b3，…，bn-1，bn，按照上述方法依次确定出定位节点b21，b22，b31，b32，…，b(n-1)1，b(n-1)2，bn1，bn2。

3.根据权利要求1所述的物联网感知层拓扑控制方法，其特征在于，所述以第二层定位节点为基点，确定第二层簇头节点B1-B2n，具体按照以下步骤实施：

第二层簇头节点的选举在第二层定位节点的基础上进行，定位节点b1和b12以功率P进行广播，两个节点广播集合交集覆盖范围内的节点，将接收到定位节点b1的信号强度和定位节点b12的信号强度进行比较，信号强度相同构成一个集合，从这个集合中选取一个接收到信号强度最小的节点，同时不属于A2广播集合的节点当选为簇头节点B1，定位节点b21继续以功率P进行广播，b21广播与b12广播集合交集覆盖范围内的节点，将接收到定位节点b12的信号强度和定位节点b21的信号强度进行比较，信号强度相同构成一个集合，从这个集合中选取一个接收到信号强度最小的节点，同时不属于A2广播集合的节点当选为簇头节点B2，同理，利用定位节点b2、b21选出簇头节点B3，利用定位节点b22、b31选出簇头节点B4，依此类推，逐步选出簇头节点B5-B2n。

4.根据权利要求1所述的物联网感知层拓扑控制方法，其特征在于，所述功率P＝r^α，其中，r为节点的发射半径，且r＜87.8m，α为路径衰减因子，取值为2-5之间；P＜P_MAX，P_MAX为节点能够达到的最大发射功率；

所述询问消息包括汇聚节点、第一层定位节点、第一层簇头节点、第二层定位节点、第二层簇头节点…第n层定位节点和第n层簇头节点的发射功率P和汇聚节点身份标识号码；

所述应答消息包括接收到询问消息的节点自身的身份标识号码，接收到信号强度的大小和节点自身的剩余能量。

5.根据权利要求1所述的物联网感知层拓扑控制方法，其特征在于，所述基于步骤1得到的物联网感知层无线传感器网络拓扑结构进行数据传输具体按照以下步骤实施：

步骤2.1、在簇内进行数据传输，具体按照以下步骤实施：

簇内节点分时向簇头节点传输收集到的数据，簇内数据传输直接将感测到的数据传输给汇聚节点；

步骤2.2、在簇间进行数据传输，具体按照以下步骤实施：

各簇头节点通过中继节点的转发，将收集到的数据传输至汇聚节点，簇头节点在选择下一跳路由节点时，在相邻的上层簇内已标记的中继节点集合中进行选择，选择集合内节点剩余能量最大的节点进行数据转发，再通过已标记的中继节点所在的上一层簇头节点进行中继路由，最终将数据传输到汇聚节点；

进行数据路由时，数据根据路由表中的信息逐跳进行传输，具体过程如下：当网络终端节点将收集的数据传输到汇聚节点时，簇内节点首先将收集到的数据和自身身份标识号码以及节点剩余能量信息传输到各簇头节点，簇头节点接收到数据后，建立路由表，路由表中包括自身ID号，所处的层数信息以及下一跳中继节点ID号；簇头节点根据路由表中的信息选择下一跳路由节点，中继节点路由表在簇头节点路由表的基础上增加了下一跳簇头节点的身份标识号码，剩余能量以及层数信息；在进行每一跳路由时，传输数据的节点中只保存它的上一跳和下一跳路由节点信息，直至到达汇聚节点；当网络中汇聚节点向终端节点发布监测任务时，根据已存在的路由信息进行数据的原路径返回，先将数据传输到各簇头节点，再由簇头节点将数据发送到各簇内终端节点。

6.根据权利要求1所述的物联网感知层拓扑控制方法，其特征在于，所述对步骤1得到的物联网感知层无线传感器网络拓扑结构进行维护，具体按照以下步骤实施：

当某个簇头节点的剩余能量值低于初始能量E₀的1/3时，在本簇内进行最优替代点的选举，当在本簇内找不到符合条件的替代节点时，在全网范围内重新进行簇头的选举；

寻找当前簇头的最优替代节点，即在本簇内进行新一轮的簇头选举，选举时簇内节点根据公式(1)计算各自权值ε_i，权值最大的节点当选为新一轮的簇头节点，

其中，RSSI(i)为簇内节点接收到簇头节点的信号强度大小，E_residual为节点剩余能量大小，E₀为初始能量的大小，λ₁、λ₂为比例系数，可根据具体情况调节，相加和为1；

重新当选的簇头节点以相同的功率进行广播时，要求簇内其它节点都能接收到一定的信号强度，否则重新选择具有次优解的节点作为簇头；进行局部更新时要求选出的簇头节点以和当前簇头相同的发射功率进行广播时，原来簇的簇内节点都能接收到簇头的广播信息。