CN105704775A - 一种改进的低能量自适应分簇路由协议方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改进的低能量自适应分簇路由协议方法，包括：根据节点的位置分配Area_ID号，结合节点剩余能量进行簇头选择，实现分区成簇；以三阶多项式对数距离路径损耗模型作为能耗模型，确保仿真结果的实用性；采用TD-FDMA，根据节点的Area_ID号，选择不同的信道进行数据传送，确定数据传输的可靠性。本发明相比于现有的LEACH，节点死亡时间更加集中，能够均衡网络节点的能量损耗，监控盲点出现时间短，网络生命周期得到延长，传感器节点更加经济高效。提出一种改进的LEACH路由算法，实现具有高能量效率、良好的鲁棒性、更接近智能家居实际运用的路由算法。

Description

一种改进的低能量自适应分簇路由协议方法

技术领域

本发明属于智能家居技术领域，尤其涉及一种改进的低能量自适应分簇路由协议方法。

背景技术

无线传感器网络(wirelesssensornetwork)是由大量体积小，成本低且具有传感、数据处理和无线通信能力的传感器节点组成。它的主要功能是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并传递给观察者。由于其在军事、工业、家居、环境等诸多领域有着广阔的应用前景，WSN引起各国政府和学者的广泛重视，已成为最新的研究热点。智能家居作为无线传感器网络的一种重要应用，因其可满足人们对家居系统的便捷化、实用化、和人性化的需求，必将成为未来智能家居的发展方向。低能量自适应分簇路由协议(lowenergyadaptiveclusteringhierarchy，LEACH)算法作为无线传感器网络应用中最经典的算法之一，最初由MIT的Hein-zelman等人提出，属于层次性路由协议，其核心思想是采用簇首轮换机制。这种方式可以均衡整个网络的能量负载，在降低网络能源消耗的同时提高网络生命周期。赵敏超等中提出一种针对智能家居中数据采集的SH-LEACH算法，笔者根据节点的坐标划分区域，在簇头选举中考虑节点剩余能量，实现分区成簇。在数据传输阶段，对簇头接收到的数据进行融合，并自适应地选择单跳或多跳的方式将数据发送给汇聚节点，降低了网络功耗，确保了传输的可靠性。但选择的无线传输能耗模型过于简单，与实际应用环境相差较大。

针对住宅内无线传感器网络节点构成的通信网络具有部分节点受能量限制严重、链路稳定性较差、网络密度随机性强。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改进的低能量自适应分簇路由协议方法，旨在解决住宅内无线传感器网络节点构成的通信网络具有部分节点受能量限制严重、链路稳定性较差、网络密度随机性强的问题。

本发明是这样实现的，一种改进的低能量自适应分簇路由协议方法，所述改进的低能量自适应分簇路由协议方法包括：

根据节点的位置分配Area_ID号，结合节点剩余能量进行簇头选择，实现分区成簇；

以三阶多项式对数距离路径损耗模型作为损耗模型；

采用TD-FDMA，根据节点的Area_ID号，选择不同的信道进行数据传送，确定数据传输的可靠性。

进一步，所述簇头根据每个分区有且只有一个簇头，并且在原来的算法中增加一个能量因子，簇头的选择将受到剩余能量的调节，阈值T(n)计算如下：

$T\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\α}*Pch/(1-Pch*\[Round\mathrm{mod}\left(1/Pch\right)\])+(1-\mathrm{\α})*(1-{\mathrm{\β}}^{\mathrm{\λ}}),& n\∈G\\ 0,& others\end{array}\right.;$

其中：α为权重参数，0≤α≤1；β为常数，表征节点剩余能量对其成为簇头的影响程度，0<β<1；λ表示节点当前剩余能量与本簇内所有节点平均剩余能量之比：

$\begin{array}{c}\mathrm{\&lambda;}=\frac{E_{current}}{\stackrel{\&OverBar;}{E}}=\frac{N*E_{current}}{{\mathrm{\&Sigma;E}}_i}\\ =\frac{N*E_{current}}{E_1+E_2+\mathrm{...}+E_N}\end{array};$

其中N为某一区域簇内的节点数，当时，λ→0，节点当选为簇头的概率很小；当时，λ→N，节点当选为簇头的概率很大。

进一步，每个区域内的节点在每轮簇头选定后，簇头向该区域发出一个广播帧，其他节点处于侦听状态。若某区域在本轮中产生了N个簇头，则选式中最大的λ值的节点为本轮簇头；而对于某区域在第一轮簇头的选择中簇头数为0，则在该区域的所有节点再次按公式：

$T\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\&alpha;}*Pch/(1-Pch*\&lsqb;Round\mathrm{mod}\left(1/Pch\right)\&rsqb;)+(1-\mathrm{\&alpha;})*(1-{\mathrm{\&beta;}}^{\mathrm{\&lambda;}}),& n\&Element;G\\ 0,& others\end{array}\right.;$

进行T(n)和随机数计算，并重复以上选择过程，直到有节点当选为簇头，并向该区域发出一个广播帧。

进一步，簇头确定后，非簇头节点接收到簇头广播消息并结合自身的Area_ID号，选择加入的非簇头节点根据自身的Area_ID号，选择合适的簇头作为自己的簇头，并通知该簇头成为该簇成员；簇头节点接收到所有想加入该簇的节点的反馈消息后，根据该区域节点的数量，并创建TDMA时隙表，用于通知本区域内所有节点何时开始数据的传输。

进一步，采用三阶多项式对数距离路径损耗模型，计算关系如下：

L(d)＝a₃x³+a₂x²+a₁x¹+L₀+X_σ(0,σ)；

其中a₃,a₂,a₁为衰减系数，依赖于周围环境与家俱类型；X_σ是均值为0，偏差为σ的高斯随机变量；L₀为传播损耗，在室内，用自由空间损耗来确定：

L₀＝(4πd/λ)²；

节点a向距离d的节点b发送l(bit)数据时，所需能量如下式所示：

E_Tx(l,d)＝l(E_elec+kd^γ)；

节点b接收a的数据所需的能量为：

E_Rx(l)＝lE_elec；

上述公式中，E_elec为数据传输过程中发送电路及接收电路消耗的能量，kd^γ为室内信道功率放大器损耗，γ为路径损耗指数。

进一步，所述数据的稳定传输，簇内节点根据接收到的TDMA时隙表，在规定的时间内将采集到的数据发送给簇头，采用TD-FDMA，不同节点根据自身Area_ID号，选择不同的信道进行数据传送；簇头节点接收到簇内所有节点的数据后，对数据进行分析、融合，打包后发送给网关节点。

本发明的另一目的在于提供一种所述改进的低能量自适应分簇路由协议方法的系统，所述系统包括：

分区成簇模块，用于根据节点的位置分配Area_ID号，结合节点剩余能量进行簇头选择，实现分区成簇；

损耗模块，用于以三阶多项式对数距离路径损耗模型作为损耗模型；

数据传输模块，用于采用TD-FDMA，根据节点的Area_ID号，选择不同的信道进行数据传送，确定数据传输的可靠性。

进一步，所述分区成簇模块进一步包括：

簇头阀值计算单元，用于根据每个分区有且只有一个簇头，并且在原来的算法中增加一个能量因子，簇头的选择将受到剩余能量的调节，计算阈值；

簇头选择单元，用于每个区域内的节点在每轮簇头选定后，簇头向该区域发出一个广播帧，进行阈值和随机数计算，直到有节点当选为簇头，并向该区域发出一个广播帧；

区域数据传输单元，用于簇头确定后，非簇头节点接收到簇头广播消息并结合自身的Area_ID号，选择加入的非簇头节点根据自身的Area_ID号，选择合适的簇头作为自己的簇头，并通知该簇头成为该簇成员；簇头节点接收到所有想加入该簇的节点的反馈消息后，根据区域节点的数量，并创建TDMA时隙表，用于通知本区域内所有节点何时开始数据的传输。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述改进的低能量自适应分簇路由协议方法的智能家居。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述改进的低能量自适应分簇路由协议方法的环境监测系统。

本发明提供的改进的低能量自适应分簇路由协议方法，仿真环境，较其他路由算法更接近智能家居控制系统的应用情境，所得仿真结果对无线传感器网络技术在智能家居中应用具有很强的理论指导意义，可推动物联技术在智能家居中的应用。根据节点的位置分配Area_ID号，结合节点剩余能量进行簇头选择，实现分区成簇；以三阶多项式对数距离路径损耗模型作为能耗模型，确保仿真结果的实用性；采用TD-FDMA技术，根据节点的Area_ID号，选择不同的信道进行数据传送，确定数据传输的可靠性。用Matlab对LEACH-SHC算法进行性能分析，仿真结果表明，相比于LEACH，节点死亡时间更加集中，能够均衡网络节点的能量损耗，监控盲点出现时间短，网络生命周期得到延长，传感器节点更加经济高效。提出一种改进的LEACH路由算法，实现具有高能量效率、良好的鲁棒性、更接近智能家居实际运用的路由算法。本发明以室内传输路径损耗为路由算法中能耗模型，针对LEACH算法中簇首分布不均的缺陷，提出了面向智能家居控制器改进的LEACH-SHC算法，网络仿真显示，算法使簇头节点分布更加均匀，延长了首节点死亡时间，相比于LEACH，节点死亡时间更加集中，能够均衡网络节点的能量损耗，监控盲点出现时间短，网络生命周期得到延长，传感器节点更加经济高效。与其他算法的不同之处：(1)根据智能家居实际应用，把节点按不同功能进行了分区，如客厅，书房，卧室等。并分配相应的Area_ID号；(2)采用三阶多项式对数距离路径损耗模型，更接近室内环境无线移动信道特性，仿真结果对无线传感器网络技术在智能家居中应用具有很强的理论指导意义。

附图说明

图1是本发明实施例提供的改进的低能量自适应分簇路由协议方法流程图。

图2是本发明实施例提供的智能家居中的节点分布结构图。

图3是本发明实施例提供的簇头分布对比图；

图中：aLEACH算法的簇头分布；b算法的簇头分布。

图4是本发明实施例提供的死亡节点对比图。

图5是本发明实施例提供的系统剩余能量对比图。

图6是本发明实施例提供的LEACH和LEACH-SHC算法发送数据总量随轮数变化情况示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例的改进的低能量自适应分簇路由协议方法包括以下步骤：

S101：采用分区成簇思想，利用节点的坐标信息，对各节点根据实际的居室空间布局进行按区域分类，建立网络模型；

S102：采用三阶多项式对数距离路径损耗模型；

S103：选择簇头根据每个分区有且只有一个簇头，并且在原来的算法中增加一个了能量因子，簇头的选择受到剩余能量的调节；

S104：每个区域内的节点在每轮簇头选定后，簇头向该区域发出一个广播帧，其他节点处于侦听状态。若某区域在本轮中产生了N个簇头，则最大的λ值的节点为本轮簇头；

S105：非簇头节点接收到簇头广播消息并结合自身的Area_ID号，选择加入的非簇头节点根据自身的Area_ID号，选择合适的簇头作为自己的簇头，并通知该簇头成为该簇成员；簇头节点接收到所有想加入该簇的节点的反馈消息后，根据该区域节点的数量，并创建TDMA时隙表，用于通知本区域内所有节点何时开始数据的传输；

S106：采用TD-FDMA技术，不同节点根据自身Area_ID号，选择不同的信道进行数据传送；簇内节点根据接收到的TDMA时隙表，在规定的时间内将采集到的数据发送给簇头。

下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步的说明。

本发明实施例是面向智能家居控制器系统，由于居室内的布局结构区域性比较明显，一般有客厅、卧室、餐厅、阳台等不同的区域。因此，结合当前主流的户型，系统节点分布可抽象为如图2所示的网络结构，共分为7个分区，每个分区有且仅有一个簇头节点，簇头节点将数据通过单跳或多跳多的方式发送给汇集节点，汇聚节点通过网口或串口等有线方式，将数据可靠地上传至主控机，主控分析数据，并通过GPRS模块，将室内有信息发送给用户。

改进后的LEACH算法的基本思想仍为循环分簇重构，每个簇重构时引用“轮(round)”的概念。每轮分成簇的建立和传输数据两个阶段。为了节省资源开销，稳定阶段的时间要大于建立阶段的时间。

1网络模型

本发明采用了分区成簇思想，利用节点的坐标信息，对各节点根据实际的居室空间布局进行按区域分类。对网络模型作如下假设：

(1)网络中节点和网关是静止的；

(2)节点同构且节点初始能量相同，位置坐标已知；

(3)网关能量无限(非电池供电)，通信距离能覆盖整个区域；

(4)空间区域布局清楚，网关存储居室空间的分区个数和各区域坐标范围；

(5)节点的发射功率动态可调，同一区域的节点间、相邻区域的簇头节点间始终能相互通信，节点间的通信链路可靠且双向连通；

(6)每个分区内有且仅有一个簇头，且分区内节点数相近。

2能耗模型

节点的能耗主要用在电路的收发和无线传输阶段，实验表明，传输一个比特所消耗的能量比运算处理一个比特消耗的能量大。能量消耗主要依赖于反映实际情况的传感器节点间的信道传输模型。室内的环境较为复杂，其基本特点可归纳为：(1)多普勒频移可忽略。传统的移动信道存在显著的多普勒频移，而室内环境不存在快速移动物体或高速度的移动用户，因此在室内通信环境下，多普勒频移可以忽略。(2)多径数目较多。室内环境中，建筑物结构、建筑材料及建筑物内陈设物品结构复杂且数目繁多，电磁波极易发生反射、衍射和散射，因此将产生数量庞大的回波多径信号，多径的传播规律相比于室外环境更加复杂。(3)时延扩展较小。通常室内无线通信的传播距离比室外要短得多，因而传播时延和多径附加时延均较小。为了更精确地反映室内无线传感器网络信道传输的路径损耗，本发明采用三阶多项式对数距离路径损耗模型，其计算关系如下：

L(d)＝a₃x³+a₂x²+a₁x¹+L₀+X_σ(0,σ)(2)

其中a₃,a₂,a₁为衰减系数，依赖于周围环境与家俱类型；X_σ是均值为0，偏差为σ的高斯随机变量；L₀为传播损耗，在室内，可以用自由空间损耗来确定：

L₀＝(4πd/λ)²(3)

节点a向距离d的节点b发送l(bit)数据时，所需能量如式(4)所示：

E_Tx(l,d)＝l(E_elec+kd^γ)(4)

节点b接收a的数据所需的能量为：

E_Rx(l)＝lE_elec(5)

上述公式中，E_elec为数据传输过程中发送电路及接收电路消耗的能量，kd^γ为室内信道功率放大器损耗，γ为路径损耗指数。

3簇头的确定

系统网关预先根据室内节点布局存储着分区数与每个区域的具体坐标，当节点把各自的信息传送到网关时，网关解析节点坐标后将给每个节点分配一个唯一的ID号Gateway_ID(网内唯一)与区域ID号Area_ID(根据图2不同分区标定)。在选择簇头的时候，根据每个分区有且只有一个簇头，并且在原来的算法中增加一个了能量因子，簇头的选择将受到剩余能量的调节，其阈值T(n)计算如下：

$T\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\&alpha;}*Pch/(1-Pch*\&lsqb;Round\mathrm{mod}\left(1/Pch\right)\&rsqb;)+(1-\mathrm{\&alpha;})*(1-{\mathrm{\&beta;}}^{\mathrm{\&lambda;}}),& n\&Element;G\\ 0,& others\end{array}\right.---\left(6\right)$

其中：α为权重参数，0≤α≤1；β为常数，表征节点剩余能量对其成为簇头的影响程度，0<β<1；λ表示节点当前剩余能量与本簇内所有节点平均剩余能量之比：

$\begin{array}{c}\mathrm{\&lambda;}=\frac{E_{current}}{\stackrel{\&OverBar;}{E}}=\frac{N*E_{current}}{{\mathrm{\&Sigma;E}}_i}\\ =\frac{N*E_{current}}{E_1+E_2+\mathrm{...}+E_N}\end{array}---\left(7\right)$

其中N为某一区域簇内的节点数，当时，λ→0，节点当选为簇头的概率很小；当时，λ→N，节点当选为簇头的概率很大。

4簇的形成

本发明中，节点被分为7个不同区域，每个区域有仅有一个簇头，但在上述簇头的确定过程，按公式(6)计算时，不可避免的会出现在某个区域(客厅1号区域)簇头个数多于1个或者为0的情形。前者会造成一个区域中因多簇头而引起能量的浪费，导致网络提前死亡；而后者显然无法实现分区成簇，该区域中的数据无法传送到汇聚节点。

针对某一区域中有多个簇头的情况(假设N个)，可进行如下处理：每个区域内的节点在每轮簇头选定后，簇头向该区域发出一个广播帧，其他节点处于侦听状态。若某区域在本轮中产生了N个(N>1)簇头，则选(6)式中最大的λ值的节点为本轮簇头；而对于某区域在第一轮簇头的选择中簇头数为0，则在该区域的所有节点再次按公式(6)进行T(n)和随机数计算，并重复以上选择过程，直到有节点当选为簇头，并向该区域发出一个广播帧。

簇头确定后，非簇头节点接收到簇头广播消息并结合自身的Area_ID号，选择加入的非簇头节点根据自身的Area_ID号，选择合适的簇头作为自己的簇头，并通知该簇头成为该簇成员。簇头节点接收到所有想加入该簇的节点的反馈消息后，根据该区域节点的数量，并创建TDMA时隙表，用于通知本区域内所有节点何时开始数据的传输。

5数据的稳定传输

网络中的簇一旦建立后，便进入到稳定通信阶段，簇内节点根据接收到的TDMA时隙表，在规定的时间内将采集到的数据发送给簇头，为了避免不同簇间数据传输时发生相互干扰，本发明采用TD-FDMA技术，不同节点根据自身Area_ID号，选择不同的信道(如2.4G频段，有16个信道可被选择)进行数据传送。簇头节点接收到簇内所有节点的数据后，对数据进行分析、融合，打包后发送给网关节点。

下面结合仿真实验对本发明的应用效果做详细的说明。

仿真与结果分析

1仿真环境设定

本发明采用Matlab仿真软件，对10m*10m内随机分布的100个节点进行实验仿真，假设Sink节点位于(15，10)处，空间分为7个不同区域，汇聚节点存储每个区域的坐标信息。传感器网络能耗模型采用公式(3)信道衰减模型，节点发送数据所需能耗见公式(4)，接收数据所需能耗见公式(5)，考虑到目前智能家居中使用最广泛的无线通信技术是IEEE802.11b(Wi-Fi)、IEEE802.15.1(Bluetooth)和IEEE802.15.4b(ZigBee)，数据包长度为127字节，控制包字节设为5。实验参数设定见表1所示。

表1实验参数值

2簇头分布对比

图3为LEACH算法与改进的LEACH-SHC算法簇头分布对比图，由图(a)可以看出，LEACH算法的簇头数量不是严格的预期数值，簇头分布不均匀；改进的LEACH-SHCC算法使簇头分布均匀，并且保证每个区域有且仅有一个簇头。这样的分布满足智能家居控制器实际应用的背景，并有利于能量的节省和网络生命周期的延长。

3死亡节点数目比较

图4为改进算法LEACH-SHCC与原LEACH算法的死亡节点数目变化的仿真结果。虚线为改进算法LEACH-SH，实线为原算法LEACH。以横坐标表示网络工作的轮数，纵坐标表示每一轮结束后，网络中死亡节点(即剩余能量为零)的个数。由图4所示，在原算法LEACH进行到500轮左右时，出现了第一个死亡节点，而改进算法LEACH-SHC则在600轮左右出现了第一个死亡节点，首个节点死亡时间延迟了大约20％。而两种算法进行到800轮次以后，改进算法中节点出现了大面积死亡，只是因为改进算法中的节点损耗相对均衡，死亡节点出现的时间段较集中，但是节点工作效率较高。而原算法LEACH的死亡节点出现时间较分散，尤其是关键节点的死亡直接会影响整个网络的工作效率，剩余节点作用有限。由于LEACH协议的簇首选举是随机的，所以容易导致簇首节点位置过于集中或者处于边缘区域，网络拓扑不合理，数据传输损耗过大。由于LEACH-SHC首先将网络区域合理分割后形成的簇结构，减少簇结构覆盖区的重叠，而且在簇首选择时我们考虑了剩余能量，剩余能量不足的节点当选簇首的概率大大降低，各节点的能量损耗比较均衡。平衡的网络负载和每轮小的节点能量损耗使得节点的生存时间变长且基本相同，这样可以使基站在较长的时间都能收集到较多的位置数据，因此可以使基站的分析更加准确有效。

4系统剩余能量对比

图4表示改进算法LEACH-SHC与原LEACH算法随着轮次的进行，网络总剩余能量的变化曲线。虚线为改进算法LEACH-SHC，实线为原算法LEACH。以横坐标表示网络工作的轮数，纵坐标表示每一轮结束后，网络中的总剩余能量。从图4可知，随着轮次的进行，两种算法的网络总剩余能量情况，当程序试行初始，两种算法节点耗费的能量相差不多。随着网络实验的进行，2种协议的总能量消耗都在增加，但改进后的协议增长的速度较快，随着论数的增加，这种趋势更加明显，其主要原因是由于室内环境中，建筑物结构、建筑材料及建筑物内陈设物品结构复杂且数目繁多，LEACH-SHC算法中能耗模型采用公式(2)所示模型，这样，仿真结果更接近实际应用环境。

图6为LEACH和LEACH-SHC算法发送数据总量随轮数变化情况，LEACH算法发送的总数量仅为10Mbits，在前600轮内数据增加较快，第600轮后停止增长。LEACH-SHC算法在前800轮内数据增加较快，发送的数据总量可达20Mbits，由此可见，同时间内LEACH-SHC算法可传输更多的数据。

本发明以室内传输路径损耗为路由算法中能耗模型，针对LEACH算法中簇首分布不均的缺陷，提出了面向智能家居控制器改进的LEACH-SHC算法，网络仿真显示，算法使簇头节点分布更加均匀，延长了首节点死亡时间，相比于LEACH，节点死亡时间更加集中，能够均衡网络节点的能量损耗，监控盲点出现时间短，网络生命周期得到延长，传感器节点更加经济高效。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种改进的低能量自适应分簇路由协议方法，其特征在于，所述改进的低能量自适应分簇路由协议方法包括：

根据节点的位置分配Area_ID号，结合节点剩余能量进行簇头选择，实现分区成簇；

以三阶多项式对数距离路径损耗模型作为损耗模型；

采用TD-FDMA，根据节点的Area_ID号，选择不同的信道进行数据传送，确定数据传输的可靠性。

2.如权利要求1所述的改进的低能量自适应分簇路由协议方法，其特征在于，所述簇头根据每个分区有且只有一个簇头，并且在原来的算法中增加一个能量因子，簇头的选择将受到剩余能量的调节，阈值T(n)计算如下：

$T\left(n\right)=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&alpha;}*Pch/(1-Pch*\&lsqb;Round\mathrm{mod}(1/Pch)\&rsqb;)+(1-\mathrm{\&alpha;})*(1-{\mathrm{\&beta;}}^{\mathrm{\&lambda;}}),n\&Element;G\\ \begin{array}{cc}0,& \mathrm{others}\end{array}\end{array}\right.;$

其中：α为权重参数，0≤α≤1；β为常数，表征节点剩余能量对其成为簇头的影响程度，0<β<1；λ表示节点当前剩余能量与本簇内所有节点平均剩余能量之比：

$\begin{array}{c}\mathrm{\&lambda;}=\frac{E_{current}}{\stackrel{\&OverBar;}{E}}=\frac{N*E_{current}}{\&Sigma;E_i}\\ =\frac{N*E_{current}}{E_1+E_2+...+E_N}\end{array};$

其中N为某一区域簇内的节点数，当时，λ→0，节点当选为簇头的概率很小；当时，λ→N，节点当选为簇头的概率很大。

3.如权利要求1所述的改进的低能量自适应分簇路由协议方法，其特征在于，每个区域内的节点在每轮簇头选定后，簇头向该区域发出一个广播帧，其他节点处于侦听状态；若某区域在本轮中产生了N个簇头，则选 $T\left(n\right)=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&alpha;}*Pch/(1-Pch*\&lsqb;Round\mathrm{mod}(1/Pch)\&rsqb;)+(1-\mathrm{\&alpha;})*(1-{\mathrm{\&beta;}}^{\mathrm{\&lambda;}}),n\&Element;G\\ \begin{array}{cc}0,& others\end{array}\end{array}\right.;$ 式中最大的λ值的节点为本轮簇头；而对于某区域在第一轮簇头的选择中簇头数为0，则在该区域的所有节点再次按公式：

$T\left(n\right)=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&alpha;}*Pch/(1-Pch*\&lsqb;Round\mathrm{mod}(1/Pch)\&rsqb;)+(1-\mathrm{\&alpha;})*(1-{\mathrm{\&beta;}}^{\mathrm{\&lambda;}}),n\&Element;G\\ \begin{array}{cc}0,& others\end{array}\end{array}\right.;$

进行T(n)和随机数计算，并重复以上选择过程，直到有节点当选为簇头，并向该区域发出一个广播帧。

4.如权利要求3所述的改进的低能量自适应分簇路由协议方法，其特征在于，簇头确定后，非簇头节点接收到簇头广播消息并结合自身的Area_ID号，选择加入的非簇头节点根据自身的Area_ID号，选择合适的簇头作为自己的簇头，并通知该簇头成为该簇成员；簇头节点接收到所有想加入该簇的节点的反馈消息后，根据该区域节点的数量，并创建TDMA时隙表，用于通知本区域内所有节点何时开始数据的传输。

5.如权利要求1所述的改进的低能量自适应分簇路由协议方法，其特征在于，采用三阶多项式对数距离路径损耗模型，计算关系如下：

L(d)＝a₃x³+a₂x²+a₁x¹+L₀+X_σ(0,σ)；

其中a₃,a₂,a₁为衰减系数，依赖于周围环境与家俱类型；X_σ是均值为0，偏差为σ的高斯随机变量；L₀为传播损耗，在室内，用自由空间损耗来确定：

L₀＝(4πd/λ)²；

节点a向距离d的节点b发送l(bit)数据时，所需能量如下式所示：

E_Tx(l,d)＝l(E_elec+kd^γ)；

节点b接收a的数据所需的能量为：

E_Rx(l)＝lE_elec；

上述公式中，E_elec为数据传输过程中发送电路及接收电路消耗的能量，kd^γ为室内信道功率放大器损耗，γ为路径损耗指数。

6.如权利要求1所述的改进的低能量自适应分簇路由协议方法，其特征在于，所述数据的稳定传输，簇内节点根据接收到的TDMA时隙表，在规定的时间内将采集到的数据发送给簇头，采用TD-FDMA，不同节点根据自身Area_ID号，选择不同的信道进行数据传送；簇头节点接收到簇内所有节点的数据后，对数据进行分析、融合，打包后发送给网关节点。

7.一种如权利要求1所述改进的低能量自适应分簇路由协议方法的系统，其特征在于，所述系统包括：

分区成簇模块，用于根据节点的位置分配Area_ID号，结合节点剩余能量进行簇头选择，实现分区成簇；

损耗模块，用于以三阶多项式对数距离路径损耗模型作为损耗模型；

数据传输模块，用于采用TD-FDMA，根据节点的Area_ID号，选择不同的信道进行数据传送，确定数据传输的可靠性。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述分区成簇模块进一步包括：

簇头阀值计算单元，用于根据每个分区有且只有一个簇头，并且在原来的算法中增加一个能量因子，簇头的选择将受到剩余能量的调节，计算阈值；

簇头选择单元，用于每个区域内的节点在每轮簇头选定后，簇头向该区域发出一个广播帧，进行阈值和随机数计算，直到有节点当选为簇头，并向该区域发出一个广播帧；

区域数据传输单元，用于簇头确定后，非簇头节点接收到簇头广播消息并结合自身的Area_ID号，选择加入的非簇头节点根据自身的Area_ID号，选择合适的簇头作为自己的簇头，并通知该簇头成为该簇成员；簇头节点接收到所有想加入该簇的节点的反馈消息后，根据区域节点的数量，并创建TDMA时隙表，用于通知本区域内所有节点何时开始数据的传输。

9.一种应用权利要求1-6任意一项所述改进的低能量自适应分簇路由协议方法的智能家居。

10.一种应用权利要求1-6任意一项所述改进的低能量自适应分簇路由协议方法的环境监测系统。