CN105072660B - 一种面向消防的无线传感器执行器网络的路由方法 - Google Patents

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Abstract

一种面向消防的无线传感器执行器网络路由方法，包括以下步骤：确定执行器节点数量和传感器节点位置；利用加权维诺图方法将无线消防系统网络分成多个簇；根据每个簇的拓扑信息，使用度约束最小生成树计算路由路径；每个簇均由一个执行器节点和一组传感器节点组成，执行器节点之间相互交换剩余能量信息，并把路由表和收到的能量信息发送给自己簇内的每一个传感器节点；簇内的每一个传感器节点都按照接收到的路由表向执行器节点传输剩余能量信息数据。本发明技术方案中使用度约束最小生成树算法来计算消防网络中执行器节点和传感器节点间的路由路径，在减少网络能耗的同时，还提升了网络节点能量消耗的公平性。

Description

一种面向消防的无线传感器执行器网络的路由方法
技术领域
本发明涉及无线网络技术领域，具体涉及一种面向消防的无线传感器执行器网络路由方法。
背景技术
火灾作为现代城市的主要灾害，越来越受到人们的广泛关注。随着经济和技术的不断发展，城市高层建筑、地下工程、商场、人员密集场所、加油站等日益增多，灭火救助的难度也在相应增加，同时对消防通信的要求也越来越高，目前已经不仅仅停留在保证消防通信实时性，减少网络节点整体能耗上，还要求提升网络节点能耗的公平性，即各个同类节点的能耗尽量均匀，这样才能避免关键节点耗尽能量而导致网络无法运行，导致发生火灾时造成重大损失。
发明内容
本发明为解决上述问题，提供了一种面向消防的无线传感器执行器网络路由方法。包括以下步骤：
确定执行器节点数量和传感器节点位置；
利用加权维诺图方法将面向消防的无线传感器执行器网络分成多个簇；
根据每个簇的拓扑信息，使用度约束最小生成树计算路由路径；
每个簇均由一个执行器节点和一组传感器节点组成，执行器节点之间相互交换剩余能量信息，并把路由表和收到的能量信息发送给自己簇内的每一个传感器节点；
簇内的每一个传感器节点都按照接收到的路由表向执行器节点传输剩余能量信息数据。
进一步的，在所述加权维诺图中，令Λ＝{A1,A2,A3...AN}为2D监控平面内不同执行器节点的集合，为每个执行器节点的剩余能量，为每个执行器节点的执行能力，则加权维诺图可以表示为：
记执行器节点的加权 维诺图为VΛ′，则有
进一步的，所述度约束最小生成树具体方法为：
步骤1，每个簇均为一个无向连通图，将图中的执行器节点删除，得到m个连通分量；
步骤2，对每个连通分量求最小生成树，得到m个最小生成树；
步骤3，从每个连通分量中找与执行器节点关联的权值最小的边，与执行器节点相连接，得到执行器节点的的m度约束最小生成树；
步骤4，当k＜m时，该树不存在；
当k≥m时，构建m+1度约束最小生成树，将与执行器节点关联的且不在当前的树中的边加入生成树中；
步骤5，加入的边，会产生一个环，删掉该环中与执行器节点不关联的权值最大边，得到加入该边后的最小生成树，且是m+1度的最小生成树；
步骤6，枚举步骤5的边，找到权值最小生成树，即是m+1度约束的最小生成树；当m+1度约束最小生成树的值大于m度约束最小生成树时，直接输出当前m度约束最小生成树即可；
步骤7，重复步骤4、5、6，直至k＝n时，则k度约束最小生成树出现。
本发明技术方案中使用度约束最小生成树算法来计算面向消防的无线传感器执行器网络中执行器节点和传感器节点间的路由路径，在保证网络实时性，减少网络能耗的同时，还提升了网络节点能量消耗的公平性。
附图说明
图1为本发明一实施例，一种新型的面向消防的无线传感器执行器网络分簇方法中执行器节点维诺分簇图。
图2为本发明一实施例，一种面向消防的无线传感器执行器网络路由方法中WSAN某簇示意拓扑图；
图3为本发明一实施例，一种面向消防的无线传感器执行器网络路由方法中能量模型中EACBR分区示意图；
图4为本发明一实施例，一种面向消防的无线传感器执行器网络路由方法中能量模型中VDMST分区示意图；
图5为本发明一实施例，一种面向消防的无线传感器执行器网络路由方法中传感器节点剩余能量示意表；
图6为本发明一实施例，一种面向消防的无线传感器执行器网络路由方法中执行器节点能量消耗表。
具体实施方式
为使本发明的目的、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、完整地描述，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作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。
本实施例中提供了一种面向消防的无线传感器执行器网络的路由方法。包括以下步骤：
确定执行器节点数量和传感器节点位置；
利用加权维诺图方法将面向消防的无线传感器执行器网络分成多个簇；
根据每个簇的拓扑信息，使用度约束最小生成树计算路由路径；
每个簇均由一个执行器节点和一组传感器节点组成，执行器节点之间相互交换剩余能量信息，并把路由表和收到的能量信息发送给自己簇内的每一个传感器节点；
簇内的每一个传感器节点都按照接收到的路由表向执行器节点传输剩余能量信息数据。
在本实施例中，以d(a,b)代表点a和b之间的欧氏距离，在平面中我们可以得到：其中(ax,ay),(bx,by)分别为点a,b在二维空间中的横纵坐标.
令Λ＝{A1,A2,A3...AN}为2D监控平面内不同执行器节点的集合，这些节点可以看做 维诺多边形的生长中心。任给A为监控区域内一点，令 则为执行器节点Ai的维诺多边形。任给Λ内一执行器节点Ai，就有一对应的维诺多边形显而易见，整个执行器节点的监控区域就是由这些维诺多边形组成的，记为VΛ，则有维诺多边形是由一个执行器节点Ai和一组传感器节点S＝ {S1,S2,S3...Sn}组成，也就是面向消防的无线传感器执行器网络的一个维诺分簇。簇内所 有传感器节点到执行器节点Si的距离比到其他任何一个执行器节点都要小。图1展示了一 个典型的执行器节点维诺分簇图，图中用实心圆点来代表执行器节点，周围的多边形区域 就是维诺分簇。显然的，当执行器节点个数为n的时候，整个网络被分割为n个维诺分簇，每 一个的维诺分簇由一个执行器节点和一组传感器节点组成，由执行器节点作为簇头，统筹 管理簇内传感器节点来完成网络任务。维诺图有两个显著的特点，第一个就是维诺分簇的 个数随执行器节点数量的增加而线性增加，并不复杂；第二个是局部动态特性，执行器节点 数目改变只对邻近的维诺分簇产生影响。
图1所示的只是最基本的一种情况，但是在实际应用中，虽然起始阶段执行器节点能量丰富，但是每个执行器节点的操作和通信所耗费的能量是不一样的，所以当网络运行一定时间之后，每个执行器节点的剩余能量可能有所不同；除此之外，由于执行器节点硬件上的差异，可能每个执行器节点的执行能力也并不相同。为了提升网络公平性，需要统筹安排执行器节点的通信和操作行为。主要思想为，剩余能量较多的执行器节点承担较多的通信任务，并且结合执行器节点本身执行能力来决定每个执行器节点负责操作区域的范围。考虑到执行器节点的剩余能量和执行能力，本实施例中提出了基于加权维诺图对执行器节点进行分区的协议。
在加权维诺图中令Λ＝{A1,A2,A3...AN}为2D监控平面内不同执行器节点的集合，为每个执行器节点的剩余能量，为每个执行器节点的执行能力，则加权维诺图可以表示为：
记执行器节点的加权 维诺图为VΛ′，则有
在本实施例中，提出了一种面向能量有效性的无线传感器执行器网络(WirelessSensor and Actor Network)WSAN协议，VDMST(Protocol based on weighted Voronoidiagram and Degree-constrained Minimum Spanning Tree),主要思想为利用加权维诺图方法将网络中的节点包括传感器节点和执行器节点分成不同簇，然后根据每个簇的拓扑信息，使用度约束最小生成树计算路由路径，每个簇均由一个执行器节点和一组传感器节点组成，也就是WSAN(无线传感器执行器网络Wireless Sensor and Actor Network)的一个维诺分簇，执行器节点把路由表发送给自己簇内的每一个传感器节点，其中，路由表，是一个存储在路由器、联网计算机或者其他具有路由功能节点中的电子表格(文件)或类数据库。路由表存储着指向特定网络地址的路径(在有些情况下，还记录有路径的路由度量值)。路由表中含有网络周边的拓扑信息。路由表建立的主要目标是为了实现路由协议和静态路由选择；簇内的每一个传感器节点都按照接收到的路由表向执行器节点传输数据。
进一步的，当网络运行时，分成有多个回合，则每一个回合都要重新计算路由表，传感器节点则按照最新的路由表向执行器节点发送数据。
具体的，度约束最小生成树具体采用的以下方案：
k度约束最小生成树，令图G是包含执行器节点A0的无向连通图，其中A0有n个邻居节点。寻找一个最小生成树T，满足A0的度最大为k,则T为图G的k度约束最小生成树。
1.将执行器节点(以下用A0表示)从图中删除，将得到m个连通分量；
2.对每个连通分量求最小生成树，得到m个最小生成树。
3.从每个连通分量中找与A0关联的权值最小的边，与A0相连接，这样将得到A0的m度约束最小生成树。
4.如果k＜m那么这种树是不存在的。
5.如果k≥m，那么考虑构建m+1度约束最小生成树，将与A0关联的且不在当前的树中的边加入生成树中。
6.如果将其加入生成树中，必然会产生一个环，那么删掉该环中与A0不关联的权值最大边，将得到加入该边后的最小生成树，且是m+1度的最小生成树。
7.枚举上述6的边，找到权值最小生成树，那么即是m+1度约束的最小生成树。如果m+1度约束最小生成树的值大于m度约束最小生成树的话直接输出当前m度约束最小生成树即可。
8.重复5.6.7，直至k＝n，则k度约束最小生成树出现。
如图2所示：一种面向消防的无线传感器执行器网络的路由方法中WSAN某簇示意拓扑图，如果按照VDSPT网络协议使用最短径树的方法来建立路由表，那么传感器节点D、E、F和G都要先将数据发送到传感器节点B，再由传感器节点B转发给执行器节点A，这样就会造成传感器节点B的能量迅速耗光而影响整个网络寿命。而在数据传输阶段使用度约束的最小生成树方法来建立路由表，那么节点D、G都会先将数据发送给传感器节点C，再由传感器节点C转发给执行器节点A，这样就分担了能耗，提升了网络的公平性，这也是VDMST协议相对于VDSPT协议的优势所在。
本发明中的另一实施例中采用能量模型在消防应用中，分别使用EACBR协议和VDMST协议，EACBR和VDMST协议中的分区和路由路径分别如图3和图4所示，其中圆点代表传感器节点，三角形代表执行器节点，从两个图中可以看出，执行器节点1、4能量丰富、执行能力较强，与能量较少、执行能力较差的执行器节点2、3相比，承担较多的通信任务，负责较大的操作区域执行操作。
图5示出了EACBR、VDSPT、VDMST协议运行同样时间周期后某簇传感器节点的剩余能量。仿真结果显示与EACBR和VDSPT网络相比，VDMST协议网络能耗的公平性更好。虽然执行器节点是能量丰富节点，而且操作消耗的能量比通信消耗的能量更多，但是节省通信消耗能量从而延长网络寿命依然非常重要。
图6中展示了EACBR、VDSPT、VDMST协议中执行器节点在相同时间周期内的消耗能量，从图中可以看出，三种协议执行器节点消耗总量大致相当，但是在VDMST网络协议中，剩余能量较多的节点消耗的能量高于剩余能量较少的节点，网络公平性最好。
本技术方案使用加权维诺图的方法将网络分成多个簇，每个簇有一个执行器点节作为簇头，统筹管理簇内传感器节点来完成网络通信任务。并将网络分成多个循环的回合，每个回合根据网络情况重新使用度约束最小生成树算法来计算路由路径，较好的适应了消防网络动态变化，而最后采用的仿真结果表明，本技术方案中VDMST网络能够在节省能量的同时提高网络节点能量消耗的公平性。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (1)

1.一种面向消防的无线传感器执行器网络路由方法，其特征在于，包括以下步骤：
确定执行器节点数量和各传感器节点位置；
利用加权维诺图方法将无线传感器执行器网络分成多个簇，形成执行器节点的加权维诺图
其中，
{A1,A2,A3...AN}为2D监控平面内不同执行器节点的集合，和为第i和第j个执行器节点的剩余能量，和为第i和第j个执行器节点的执行能力；(a,b)，(ai,bi)和(aj,bj)分别为2D监控平面内任一点A，执行器节点Ai和Aj在2D监控平面中的横纵坐标；
根据每个簇的拓扑信息，使用度约束最小生成树计算路由路径；
其中，每个簇均由一个执行器节点和一组传感器节点组成，执行器节点之间相互交换剩余能量信息，并把路由表和收到的其他执行器节点的剩余能量信息发送给自己簇内的每一个传感器节点；所述路由表包括所述路由路径；
簇内的每一个传感器节点都按照接收到的路由表向执行器节点传输该传感器节点的剩余能量信息；
其中，所述使用度约束最小生成树计算路由路径的具体方法为：
步骤1，将每个簇中的执行器节点删除，得到m个传感器节点连通分量；所述每个簇均为一个无向连通图；
步骤2，对每个传感器节点连通分量求最小生成树，得到m个传感器节点最小生成树；
步骤3，从每个传感器节点最小生成树中找与执行器节点关联的权值最小的边，与执行器节点相连接，得到执行器节点的m度约束最小生成树；
步骤4，当k＜m时，执行器节点的k度约束最小生成树不存在；
当k≥m时，将一条与执行器节点关联的且不在当前执行器节点的m度约束最小生成树中的边加入执行器节点的m度约束最小生成树中；
步骤5，加入的边，会产生一个环，删掉该环中与执行器节点不关联的权值最大边，得到加入该边后的执行器节点的m+1度生成树；
步骤6，枚举步骤5的边，找到权值最小的执行器节点的m+1度生成树，即是执行器节点的m+1度约束的最小生成树；
步骤7，重复步骤4、5、6，直至k＝m时，生成执行器节点的k度约束最小生成树；所述执行器节点的k度约束最小生成树为所述路由路径。
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