CN104378812A - 农田自组织网络可再生能源节点差异化拓扑控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种农田自组织网络可再生能源节点差异化拓扑控制方法，所述方法包括：簇头节点从预设的起始唤醒时间开始，经过预设的唤醒时长实现唤醒，并向其覆盖范围内的节点广播成簇信息；簇头节点在接收到普通节点加入簇的信息后，根据普通节点上传的数据，对普通节点进行时间片配置，并将时间片配置信息发送到普通节点；时间片为普通节点的完成一次数据采集与上传的最大时长，普通节点在其时间片结束后进入休眠状态，时间片的长度为预设长度；簇头节点在唤醒后接收簇内的普通节点发送的数据，并在所有簇内的普通节点休眠后，开始进行簇间数据汇聚，簇间数据汇聚的时长为预设时长，在预设时长结束后，所述簇头节点进入休眠状态。

Description

农田自组织网络可再生能源节点差异化拓扑控制方法

技术领域

本发明涉及农业技术领域，具体涉及一种农田自组织网络可再生能源节点差异化拓扑控制方法。

背景技术

无线传感器网络是一种无基础设施的无线网络，能够实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，在农业领域广泛应用，成为指导农业生产，提高作物产量的关键技术。传统无线传感器网络一般使用电池供电，而面向大规模农田复杂环境，能量有限的供电电池不能支持足够长的时间。大面积农田监测传感器节点数量众多，人工更换电池周期长、工作量大，一旦节点电池能量耗尽，网络性能和覆盖范围将受到很大影响。

网络拓扑控制作为降低网络能耗，延长网络生存周期的主要手段，主要分为功率控制与节点睡眠调度，节点睡眠调度主要功能是将节点在非工作时段全部或部分转入休眠模式，以节约节点能耗。

节点睡眠调度算法按睡眠相对时间分，主要可分为同步协议和异步协议两类。在同步协议中，相邻的节点周期性地相互交换同步信息，使它们以相同的节拍进行睡眠调度。然而，定期地交换信息会产生额外的通信负担，消耗大量能量。如果传感器节点在大部分时间内没有数据发送，那么让它们随时都保持同步的做法效率很低，而且精确的时钟同步算法开销巨大，也抵消了睡眠调度本身的能耗降低。在异步协议中，除了基站，所有节点独立地进行睡眠调度。由于节点之间互相都不知道对方的睡眠调度，所以发送节点必须等到接收节点醒来后才能向它传输数据包。

节点睡眠调度算法按网络结构分，可分为非层次型网络的睡眠调度算法和层次型网络的睡眠调度算法，其中，非层次型网络的睡眠调度算法主要又包括两类：MSNL算法和不需要位置信息的LDAS算法，MSNL算法中的节点有3种状态：活动状态、睡眠状态、过渡状态，当节点处于过渡状态时，如果它发现的监测区域不能被其他活动状态或过渡状态的节点覆盖，它就立即转为活动状态，但是MSNL算法的局限在于需要精确的位置信息并且多个相邻的节点可能同时进入睡眠状态；LDAS算法基于部分冗余调度，但是其只适用于节点均匀分布的情况。层次型网络的睡眠调度算法主要是Heinzelman等人提出了一直被广泛引用的LEACH算法，所有节点周期休眠，唤醒后决定自己是否成为簇头，其缺点在于时钟同步算法的开销较大，且不能保证簇头的均匀分配，导致节点间能耗不均衡。

目前常用层次型网络一般采用簇首直接与汇聚节点(sink节点)通信的方式，对于大规模农田无线传感器网络，远距离单跳数据通信的能量效率低下，且同步睡眠调度中同步唤醒对时钟同步的精度要求高，增加了额外的算法开销，同时所有节点同时唤醒成簇，造成长时间无线信道冲突，造成了较长的网络碰撞时间，进行簇首选举还需要占用全部节点的大量工作时间，这几方面均增加了额外的节点能耗，导致睡眠调度算法总体能耗效率不高。此外，现有技术在簇内数据汇集时多采用TDMA技术，减少节点间冲突与监听等待时间，但仅限于簇内节点间的时分多址，而没有考虑相邻簇的相邻节点间信道冲突问题，而防冲突机制会使冲突节点进行延时等待，进而会与簇内其他时间片的节点继续信道冲突，以此类推而造成整体通信、能耗效率低下。

而现有非层次型网络多采用异步睡眠调度方式，由于异步睡眠调度时节点独立地进行睡眠调度，很难保证任意时刻的网络连通性，导致网络时延无法保证。另一方面，为保证网络连通性，异步睡眠调度需要在任意节点保存维护所有相邻节点位置、能量、覆盖等信息，部分现在技术还需要进行信道监听，以判断当前条件下是否需要唤醒节点以保证网络连通覆盖，增加了大量系统能耗开销。

现有技术中的拓扑控制方法均是针对普通电池节点场景，始终存在部分功能负担较重的高能耗节点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有技术中的拓扑控制方法均是针对普通电池节点场景，始终存在部分功能负担较重的高能耗节点，如何降低电池节点能耗是本发明需要解决的问题。

为此目的，一种农田自组织网络可再生能源节点差异化拓扑控制方法，所述方法包括：

簇头节点从预设的起始唤醒时间开始，经过预设的唤醒时长实现唤醒，并向其覆盖范围内的节点广播成簇信息，所述成簇信息包括簇头节点ID；

所述簇头节点在接收到普通节点加入簇的信息后，根据普通节点上传的数据，对所述普通节点进行时间片配置，并将所述时间片配置信息发送到所述普通节点；其中，所述时间片为普通节点的完成一次数据采集与上传的最大时长，所述普通节点在其时间片结束后进入休眠状态，所述时间片的长度为预设长度；

所述簇头节点在唤醒后接收簇内的普通节点发送的数据，并在所有簇内的普通节点休眠后，开始进行簇间数据汇聚，所述簇间数据汇聚的时长为预设时长，在所述预设时长结束后，所述簇头节点进入休眠状态。

可选的，所述普通节点的入簇方式为：

所述普通节点选择最近的连通簇头节点加入；

所述普通节点在确定连通范围内没有簇头节点之后，选择邻居节点成为其子节点。

可选的，所述普通节点在确定连通范围内没有簇头节点之后，选择邻居节点成为其子节点，包括：

所述普通节点选择邻居节点中能量最大的邻居节点成为其子节点；

若所述普通节点在确定能量最大的邻居节点数量多于一个，选择距离簇头节点最近的邻居节点成为其子节点；

记录所有连通的邻居节点信息。

可选的，所述簇头节点的选举方式为：

在网络初始化时，所述簇头节点由可再生能源节点担任，所述普通节点由电池节点担任；

在非网络初始化时，簇头节点根据自身的状态信息，按预设规则，确定簇头节点；其中，所述状态信息包括：簇头节点CH低能量转换簇头LE以及普通节点BN。

可选的，所述在非网络初始化时，簇头节点根据自身的状态信息，按预设规则，确定簇头节点，包括：

簇头节点在确定自身的状态信息为簇头节点CH之后，宣布自身为当前这一次数据采集及上传的簇头节点；

簇头节点在确定自身储存能量大于或等于预设能量阈值E_l之后，修改自身的状态信息为簇头节点CH；

簇头节点在确定自身储存能量小于预设能量阈值E_l之后，修改自身的状态信息为普通节点LE；

低能量转换簇头节点在确定自身的状态信息为LE以及自身储存能量小于预设能量阈值E_l之后，按预设规则，选择下一轮数据采集及上传的簇头节点，并在簇内广播新簇头信息，在本轮任务结束时修改自身的状态信息为普通节点BN；

可再生能源节点在确定自身的状态信息为低能量转换簇头LE以及自身储存能量大于或等于预设能量阈值E_l之后，立即修改自身的状态信息为簇头节点CH，并宣布自身为簇头节点，并进行成簇。

可再生能源节点在确定自身的状态信息为普通节点BN以及自身储存能量大于或等于预设能量阈值E_l之后，向当前簇头节点发送簇头申请消息，在本轮结束时修改自身的状态信息为簇头节点CH，下一数据上传周期成为簇头。

可选的，所述方法进一步包括：

簇头节点在确定普通节点完成数据采集与上传之后，根据自身的状态信息，对其调度配置信息进行更新，若簇头节点为电池节点，则不更新簇内节点的调度配置信息，下一次数据采集与上传继续按本轮上传时序进行汇集。

可选的，所述簇头节点在接收到普通节点加入簇的信息后，根据普通节点上传的数据，对所述普通节点进行时间片配置，包括：

簇头节点设置T₁时段为簇头节点唤醒与初始化时段；

簇头节点设置T₂时段，用于分配簇内普通节点的时间片；

簇头节点设置T₃时段，用于对转派的普通节点的数据汇集，所述转派的过程如下：宣布下一次数据汇集不再成为簇头节点的簇头节点，将其簇内的拥有多个可连通簇头节点的普通节点进行转派；

簇头节点对于普通节点在T2时段的时间片分配先后顺序如下：

对于完全休眠节点：对在某一次数据采集及上传的周期完全休眠的节点，将在其休眠周期的下一周期被分配最靠后的时间片，若同时存在多个完全休眠节点，则按节点能量由低到高依次排序，剩余能量越高越靠后；其中，所述完全休眠节点满足如下条件：若某节点i的覆盖范围被其相邻节点完全覆盖，且节点i的剩余能量小于覆盖其范围的任一相邻节点，则节点i下一轮不分配时间片，完全休眠无需唤醒工作，节点i为完全休眠节点；

对于带有子节点的簇内节点：对于带有子节点i的簇内节点j，在进行时间片分配前先进行子节点接入点判断选择，若子节点的所有连通邻居节点数量为n_z，这n_z个节点分布于z个簇中，其中有z_a个节点属于当前接入的簇中，则该子节点邻居节点根据在各簇之间的数量分布分配其接入各簇的时间；

选择子节点i连通邻居节点中能量最大的簇内节点，若有能量最大的节点数量多于一个，则选择距离簇头最近的节点k作为新的接入点；

若k＝j，则对节点j一次性分配剩余时间片中最靠前两块时间片，并由节点k将配置信息转发子节点i；

若k≠j，将剩余时间片中最靠前的两块时间片分配给节点k和i，并由节点j将配置信息转发子节点i；

对于其余节点按预设规则进行时间片分配：在网络初始化阶段，簇头节点以50％概率决定按距离簇头节点距离由远到近亦或由近到远进行时间片先后分配。

可选的，所述方法进一步包括：，

在T1时段，簇头节点最先唤醒，初始化后转入网络监听状态，唤醒时间为T1时段起始时间延时预设时间；

在T2时段，普通节点根据簇头节点发送的时间片，在所述时间片内进行数据采集与上传，并获取新的时间片；

在T3时段，转派的节点根据簇头节点发送的时间片，进行数据上传，若当前簇无转派的节点，则簇头节点在该时间段转入睡眠状态。

在T3时段结束后进入T4时段，所有簇头节点按平面扩散方式建立簇头节点间的连接，并从最远端起进行数据汇集，汇集的路径按最少转发次数规则进行选择，相同情况下，选取簇内节点数量较少的簇头节点作为数据中继节点，可再生能源簇头不得选取普通节点簇头作为转发中继。

相比于现有技术，第一方面，本发明的农田自组织网络可再生能源节点差异化拓扑控制方法，针对农田环境监测数据时延要求不高的特点，将传统层次型网络同步睡眠调度与非层次型网络异步睡眠调度相结合，取长补短，通过可再生能源节点的引入，解决传统层次型网络簇首长时间监听能耗过大的问题。通过可再生能源节点的承担额外的网络监听与调试功能，减少普通节点的监听等待时间，降低普通节点的算法开销，将普通节点的功耗降到最低。此外通过感知异构节点的不同剩余能量信息，进行能耗感知睡眠调度，使剩余能量低的节点优先地、更多地进入或处于休眠状态，实现节点间的能耗均衡。

第二方面，农田环境中的可再生能源主要为太阳能或风能，其能量来源非持续，也不固定，且受天气影响较大，所以可再生能源节点并不是理想的“无限能量”节点，本发明的农田自组织网络可再生能源节点差异化拓扑控制方法，在充分利用可再生能源的同时避免可再生能源中断造成网络瘫痪，保证网络长时间稳定运行，在恶劣天气条件下保证网络长时间稳定工作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了虚拟同步时间片分配图；

图2示出了农田自组织网络可再生能源节点差异化拓扑控制方法示意图；

图3示出了农田自组织网络可再生能源节点差异化拓扑控制方法子节点接入轮换示意图；

图4示出了农田自组织网络可再生能源节点差异化拓扑控制方法流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

针对大规模农田无线传感器网络监测面积大、节点数量多、能量受限、多级能量异构等特点，引入可再生能源节点，本实施例公开一种农田自组织网络可再生能源节点差异化拓扑控制方法。

不失一般性，本实施例针对的农田无线传感器监测场景面积为S，针对的农田无线传感器监测场景面积为S，部署的节点总数量为N，其中可再生能源节点数量为N_r，普通电池节点的初始能量为E₀，所有节点的通信半径可调，正常通信范围介于最大通信半径r_max与最小通信半径r_min之间。另有簇头模式下的通信半径为r_CH>r_max。采用现有方法进行节点部署，满足网络连通性与监测区域覆盖要求，可再生能源节点总体上分散于监测区域，数量分布规律与节点密度关联。可再生能源节点存储和维护全部节点位置信息，普通电池节点需要时向连通的可再生能源节点请求相关位置信息。

层次型网络结构由簇头承担全部的数据转化任务，与利用可再生能源承担网络能耗的思路十分吻合，所以在可再生能源条件下，层次型网络优势显著。但因为动态成簇算法的簇首节点不固定，难以有效保证所有节点均有效成簇，即无法保证簇首节点对所有节点位置的点覆盖。另一方面，层次型网络中簇首与汇聚节点sink节点直接通信，无线通信能耗模型为：

节点发送l比特数据需要消耗的能量E_tx为

$E_{\mathrm{tx}}=\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{lE}}_{\mathrm{elec}}+{\mathrm{\&epsiv;}}_f{d}^2,d<d_{\mathrm{crossover}}\\ {\mathrm{lE}}_{\mathrm{elec}}+{\mathrm{\&epsiv;}}_m{d}^4,d\&GreaterEqual;d_{\mathrm{crossover}}\end{array}\right.$

其中，E_elec代表发射电路或接收电路传输1bit数据消耗的能量，d为发射节点到接收节点之间的距离，为模型的距离阈值，若小于d_crossover，则为自由空间衰减模型，若大于d_crossover，则采用多路衰减模型，ε_f和ε_m为两种模型中的功率放大的能量系数。

由上述无线通信能耗模型可知，当远距离单跳通信时，消耗的能量以4次方增加，对于大规模农田无线传感器网络，监测区域面积大，远端节点的通信能耗巨大，且通信时会造成整个监测区域的无线信道冲突，效率低下。

综合以上两点，本发明提出的拓扑控制方法采用层次型与平面型相结合的网络拓扑构建方式。因为可再生能源节点可以持续的得到能量补充，是层次型网络结构中骨干节点的最佳选择，但由于农田环境中，受天气、环境变化等影响，可再生能源来源不稳定，在恶劣天气持续时，由于长时间无法补充能量，可再生能源的存储能量无法维持骨干节点的超额能耗，所以在网络拓扑构建中需考虑此类情况，避免由恶劣天气持续引起可再生能源节点失效而导致网络瘫痪的问题。

在网络初始化阶段，所有普通电池节点调度配置信息均为BN，所有可再生能源节点的自身属性信息为CH，蓄电池处于充满状态，存储能量为最大值E_s，E_s>>E_l。拓扑构建流程如下：

1.可再生能源节点唤醒后判断其自身属性与自身储存能量是否大于预设能量阈值E_l，若属性为CH，则直接宣布自身为簇头节点，若自身能量小于E_l则在本轮结束时将自身属性修改为LE；若属性为LE且能量大于E_l则直接宣布自身为簇头节点，并修改自身属性信息为CH(簇头)，且下一轮中继续承担簇首角色；若属性为LE(低能量簇头)且能量小于E_l则本轮成作为簇头进行成簇，在数据上传后按预设规则选择下一轮担任临时簇头的节点，可再生能源节点在本轮结束时修改自身属性为BN；若属性信息等于BN(普通节点)，且能量小于E_l数据采集完成后按预设规则选择下一轮担任临时簇头的节点，可再生能源节点保持属性信息为BN不变；若属性信息为BN且能量大于E_l，向当前簇头节点发送簇头申请消息，在本轮结束时修改自身的状态信息为簇头节点CH，下一数据上传周期成为簇头在本轮结束。

2.普通电池节点在网络初始阶段配置信息为空，选择连通最近的簇头加入，若某节点的连通簇头超过一个，则选择距离较近的簇头加入，若某普通电池节点在r_max范围内无连通簇头，则转入步骤3，否则直接转入步骤4；

在正常工作阶段，普通电池节点根据自身配置信息指定时间唤醒，若配置信息为某时间片信息CI_i，则按其规定的时间唤醒后选择上一轮的簇头加入。若普通电池节点配置信息为时间片信息CI_j+簇头ID，说明原有可再生能源簇头处于能量不足状态，且当前节点存在其他连通可再生能源簇头，则节点按时间片信息唤醒并接入指定可再生能源簇头，进行数据采集与上传。若某普通电池节点配置信息为时间片信息CI₀，说明原有可再生能源簇头处于能量不足状态，且当前节点属于簇内能量优势节点，在下一轮中被选为临时簇头，将在下一轮的最开始被唤醒并按预设规则进行数据汇集。

3.在网络初始化阶段，若某节点S_j无连通簇头，则选择临近的簇内节点成为其子节点，优先选择S_j邻居节点中能量最大的簇内节点，若能量最大的节点数量多于一个(如初始化阶段)，则选择距离簇头最近的节点，同时记录所有连通邻居节点信息备用；

在网络正常工作阶段，子节点S_j的接入节点由可再生能源簇头按预设规则指派，当簇头由普通电池节点担任时，子节点S_j的接入节点不进行轮换。

4.在普通电池节点完成数据采集与上传后，可再生能源簇头根据其自身属性信息对其调度配置信息进行更新，若当前簇头为普通电池节点担任的临时簇头，则不更新簇内节点的调度配置信息，下一轮继续按本轮上传时序进行汇集。

5.簇头间以平面扩散方式建立拓扑连接，并按路径能耗最优的方式进行数据汇集上传。特殊地，在网络初始化阶段，可再生能源节点成为簇头后，需要先建立一次拓扑连接，进行信息交换，以确定簇间的调度规则。

在上述步骤1中，若可再生能源簇头节点的状态为BN，则在对普通电池节点进行调度配置时，按如下规则选择最优节点成为临时簇头：

1.普通电池节点在上传数据中包括环境监测数据、自身能量等信息，在第一次接入可再生能源簇头时，还应包括连通邻居节点数量信息等；

2.根据节点上报信息，由簇头选择下一轮中担任临时簇头的节点。

节点权重W_i，选取W_i，最大的节点作为下一轮的簇头节点。

3.选举节点权重最大的节点成为下一轮临时簇头。

相对于火灾监测、有毒气体监测等应用，在大规模农田无线传感器网络监测应用中，数据的监测间隔周期较长，一般一小时采集一次数据已可以满足应用需求，且农田监测中对数据采集的端到端时延要求不高，节点休眠调度的约束相对更为宽泛，也为调度方法的针对性提供了空间。

在网络正常工作阶段，在每一轮采集周期的开始，可再生能源簇头首先唤醒，并判断自身储存能量。当可再生能源节点储存能量大于阈值E_l时，其进入睡眠状态的时间较短，任意节点按分配时间片唤醒时，对应的可再生能源簇头均处于监听状态，普通电池节点进行数据的采集与上传后，获得可再生能源簇头分配的新上传时间片信息，保存后迅速转入睡眠状态。如恶劣天气持续时间较长，可再生能源节点储存能量持续消耗，可再生能源节点储存能量小于阈值E_l时，普通电池节点进行数据的采集与上传后，获得调度配置信息CI₀，代表在下一轮采集周期中，可再生能源节点进行节能模式，原簇内区域进行选择簇头，直到某一轮采集周期开始时，可再生能源节点储存能量恢复至阈值E_l以上，则宣布为簇头。

在以可再生能源节点为簇头的采集周期中，时间片的分配如图1所示，图中的时段长度只作为示意，并不精确代表每时段的精确时长。具体流程如下：

1.在T₁时段，可再生能源簇头最先唤醒，初始化后转入网络监听状态。唤醒时间为T₁时段起始时间延时预设时间。

2.在T₂时段，普通电池节点按调度配置CI_i所指示的时间依次同步唤醒，并在自身分配的时间片内完成数据采集上传，并获取新的调度配置信息。

时间片是普通电池节点进行环境感知、采集转换以及数据上传，并获取配置信息的时间长度的总和。合理的时间片分配可使普通电池节点尽可能多地处于休眠状态，延长网络生命周期。所有普通电池节点在簇首的调度下，以自身调度配置信息为基准，实现虚拟同步下的数据汇集。可再生能源簇头对于簇内普通电池节点在T₂时段的时间片分配先后顺序如下：

①完全休眠节点。若某节点i的覆盖范围被其相邻节点j、…、k等完全覆盖，且节点i的剩余能量小于覆盖其范围的任一相邻节点，则节点i下一轮不分配时间片，完全休眠无需唤醒工作。对在某一轮完全休眠的节点，将在其休眠周期的下一周期被分配最靠后的时间片，若同时存在多个完全休眠节点，则按节点能量由低到高依次排序，剩余能量越高越靠后。

②带有子节点的簇内节点。对于带有子节点i的簇内节点j，在进行时间片分配前先进行子节点接入点判断选择。设拓扑构建部分步骤3中子节点的所有连通邻居节点数量为n_z，这n_z个节点分布于z个可再生能源簇中，其中有z_a个节点属于当前接入的簇中，则该子节点邻居节点在各簇之间的数量分布分配其接入各簇的时间。特殊地，在本实施例中，若当前接入簇中节点i存在z_a个连通邻居节点，则节点i连续z_a轮连续接入到当前簇，之后由簇头发送转移指令将子节点i转移至其他含有连通邻居节点的簇。

选择子节点i邻居节点中能量最大的簇内节点，若有能量最大的节点数量多于一个(如初始化阶段)，则选择距离簇头最近的节点k作为新的接入点

若k＝j，说明接入点不变，则对节点j一次性分配剩余时间片中最靠前两块时间片，并由节点k将配置信息转发子节点i

若k≠j，说明接入点改变，将剩余时间片中最靠前的两块时间片分配给节点k和i，并由节点j将配置信息转发子节点i

③其余节点按预设规则进行时间片分配。特殊地，在网络初始化阶段，簇头以50％概率决定按距离簇头节点距离由远到近亦或由近到远进行时间片先后分配。

3.T₃时段属于数据上传保留时段，用于新转派至当前簇的普通电池节点的数据汇集，若当前簇头无节点转派信息，则该时间段转入睡眠状态。当某可再生能源节点宣布其下一轮不再成为簇头时，可将其簇内拥有多个连通可再生能源簇头节点转派至其他簇，并为其分配保留时段的时间片，并将被转派的节点ID告知对象簇头。

4.在T₄时段所有簇头按平面扩散方式建立簇头间连接，并从最远端起进行数据汇集，汇集的路径按最少转发次数规则进行选择，相同情况下，选取簇内节点数量较少的簇头节点作为数据中继节点。可再生能源簇头不得选取普通电池节点簇头作为转发中继；

5.完成数据汇集的簇头进入睡眠模式，本轮采集周期完成。

特殊地，在上述步骤1中的预设延时为T₁时段开始起延时k个普通电池节点工作时间片，因为一个簇其周围的簇的个数一般不大于6，取值范围越大，簇间冲突的概率越小，但取值会受采集周期与正常所需数据上传时间片总和的限制，所以本实施例中k为0－5中某一取值，由可再生能源簇头在网络初始化时进行约定，保证相邻簇头节点的k值均不相等，结合步骤2中的簇内节点时间片排序，减小不同簇间的节点产生信道冲突机率，提高网络整体能耗效率。

图1示出了虚拟同步时间片分配图；图2示出了农田自组织网络可再生能源节点差异化拓扑控制方法示意图；图3示出了农田自组织网络可再生能源节点差异化拓扑控制方法子节点接入轮换示意图；图4示出了农田自组织网络可再生能源节点差异化拓扑控制方法流程图。

节点睡眠调度是一种十分有效的能量高效无线传感器网络拓扑控制方法，传统的调度方法要么由于节点间独立睡眠，而导致网络覆盖与数据时延不可控；要么因为严格的时间同步导致算法开销大以及网络冲突导致的长时间网络监听。如何在满足信号传输需求的基础上，通过有效的节点调度方法，提高节点休眠时间和能耗效率，尽可能延长网络寿命是本发明实施例解决的问题。

本发明实施例提出一种农田自组织网络可再生能源节点差异化拓扑控制方法，通过引入可再生能源作为高级节点，以可再生能源吸收因调度带来的额外能耗，保证普通节点的长时间高效运行。

通过普通节点与簇头的同步，保证了网络的覆盖性与时延要求，同时普通节点间的相对异步，则解决了节点间频繁的信道冲突导致的长时间监听等待问题。提高了网络通信的效率与能量使用率。

针对恶劣天气持续时，可再生能源节点无法承担高级节点功能的情况，本发明实施例采用簇内异步睡眠，保证节点的正常通信和网络覆盖，从而能够最大程度的实现每个节点的能耗最优，满足网络寿命的要求。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (8)

1.一种农田自组织网络可再生能源节点差异化拓扑控制方法，其特征在于，所述方法包括：

簇头节点从预设的起始唤醒时间开始，经过预设的唤醒时长实现唤醒，并向其覆盖范围内的节点广播成簇信息，所述成簇信息包括簇头节点ID；

所述簇头节点在接收到普通节点加入簇的信息后，根据普通节点上传的数据，对所述普通节点进行时间片配置，并将所述时间片配置信息发送到所述普通节点；其中，所述时间片为普通节点的完成一次数据采集与上传的最大时长，所述普通节点在其时间片结束后进入休眠状态，所述时间片的长度为预设长度；

所述簇头节点在唤醒后接收簇内的普通节点发送的数据，并在所有簇内的普通节点休眠后，开始进行簇间数据汇聚，所述簇间数据汇聚的时长为预设时长，在所述预设时长结束后，所述簇头节点进入休眠状态。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述普通节点的入簇方式为：

所述普通节点选择最近的连通簇头节点加入；

所述普通节点在确定连通范围内没有簇头节点之后，选择邻居节点成为其子节点。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述普通节点在确定连通范围内没有簇头节点之后，选择邻居节点成为其子节点，包括：

所述普通节点选择邻居节点中能量最大的邻居节点成为其子节点；

若所述普通节点在确定能量最大的邻居节点数量多于一个，选择距离簇头节点最近的邻居节点成为其子节点；

记录所有连通的邻居节点信息。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述簇头节点的选举方式为：

在网络初始化时，所述簇头节点由可再生能源节点担任，所述普通节点由电池节点担任；

在非网络初始化时，簇头节点根据自身的状态信息，按预设规则，确定簇头节点；其中，所述状态信息包括：簇头节点CH低能量转换簇头LE以及普通节点BN。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述在非网络初始化时，簇头节点根据自身的状态信息，按预设规则，确定簇头节点，包括：

簇头节点在确定自身的状态信息为簇头节点CH之后，宣布自身为当前这一次数据采集及上传的簇头节点；

簇头节点在确定自身储存能量大于或等于预设能量阈值El之后，修改自身的状态信息为簇头节点CH；

簇头节点在确定自身储存能量小于预设能量阈值El之后，修改自身的状态信息为普通节点LE；

低能量转换簇头节点在确定自身的状态信息为LE以及自身储存能量小于预设能量阈值El之后，按预设规则，选择下一轮数据采集及上传的簇头节点，并在簇内广播新簇头信息，在本轮任务结束时修改自身的状态信息为普通节点BN；

可再生能源节点在确定自身的状态信息为低能量转换簇头LE以及自身储存能量大于或等于预设能量阈值El之后，立即修改自身的状态信息为簇头节点CH，并宣布自身为簇头节点，并进行成簇。

可再生能源节点在确定自身的状态信息为普通节点BN以及自身储存能量大于或等于预设能量阈值El之后，向当前簇头节点发送簇头申请消息，在本轮结束时修改自身的状态信息为簇头节点CH，下一数据上传周期成为簇头。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征还在于，所述方法进一步包括：

簇头节点在确定普通节点完成数据采集与上传之后，根据自身的状态信息，对其调度配置信息进行更新，若簇头节点为电池节点，则不更新簇内节点的调度配置信息，下一次数据采集与上传继续按本轮上传时序进行汇集。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述簇头节点在接收到普通节点加入簇的信息后，根据普通节点上传的数据，对所述普通节点进行时间片配置，包括：

簇头节点设置T₁时段为簇头节点唤醒与初始化时段；

簇头节点设置T₂时段，用于分配簇内普通节点的时间片；

簇头节点设置T₃时段，用于对转派的普通节点的数据汇集，所述转派的过程如下：宣布下一次数据汇集不再成为簇头节点的簇头节点，将其簇内的拥有多个可连通簇头节点的普通节点进行转派；

簇头节点对于普通节点在T2时段的时间片分配先后顺序如下：

对于完全休眠节点：对在某一次数据采集及上传的周期完全休眠的节点，将在其休眠周期的下一周期被分配最靠后的时间片，若同时存在多个完全休眠节点，则按节点能量由低到高依次排序，剩余能量越高越靠后；其中，所述完全休眠节点满足如下条件：若某节点i的覆盖范围被其相邻节点完全覆盖，且节点i的剩余能量小于覆盖其范围的任一相邻节点，则节点i下一轮不分配时间片，完全休眠无需唤醒工作，节点i为完全休眠节点；

对于带有子节点的簇内节点：对于带有子节点i的簇内节点j，在进行时间片分配前先进行子节点接入点判断选择，若子节点的所有连通邻居节点数量为n_z，这n_z个节点分布于z个簇中，其中有z_a个节点属于当前接入的簇中，则该子节点邻居节点根据在各簇之间的数量分布分配其接入各簇的时间；

选择子节点i连通邻居节点中能量最大的簇内节点，若有能量最大的节点数量多于一个，则选择距离簇头最近的节点k作为新的接入点；

若k＝j，则对节点j一次性分配剩余时间片中最靠前两块时间片，并由节点k将配置信息转发子节点i；

若k≠j，将剩余时间片中最靠前的两块时间片分配给节点k和i，并由节点j将配置信息转发子节点i；

对于其余节点按预设规则进行时间片分配：在网络初始化阶段，簇头节点以50％概率决定按距离簇头节点距离由远到近亦或由近到远进行时间片先后分配。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征还在于，所述方法进一步包括：，

在T1时段，簇头节点最先唤醒，初始化后转入网络监听状态，唤醒时间为T1时段起始时间延时预设时间；

在T2时段，普通节点根据簇头节点发送的时间片，在所述时间片内进行数据采集与上传，并获取新的时间片；

在T3时段，转派的节点根据簇头节点发送的时间片，进行数据上传，若当前簇无转派的节点，则簇头节点在该时间段转入睡眠状态。

在T3时段结束后进入T4时段，所有簇头节点按平面扩散方式建立簇头节点间的连接，并从最远端起进行数据汇集，汇集的路径按最少转发次数规则进行选择，相同情况下，选取簇内节点数量较少的簇头节点作为数据中继节点，可再生能源簇头不得选取普通节点簇头作为转发中继。