CN106899928B - 基于移动节点的树形无线传感网数据收集方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于移动节点的树形无线传感网数据收集方法，包括如下步骤：(10)网络初始化：将无线传感网络划分为大小相等的虚拟网格，由移动sink节点广播初始位置；(20)簇头选举：每个虚拟网格为一个竞选单元，在每一个竞选单元内进行簇头选举；(30)节点入簇：非簇头节点选择离自己较近的簇头节点作为下一跳节点；(40)簇内数据传输：簇内节点将采集到的传感数据发送至簇头节点；(50)移动节点数据收集：每个簇头节点找出离自己较近的簇头作为下一跳节点，并将所收集到的簇内所有节点的传感信息进行数据融合后发送至下一跳节点，直至传给移动sink节点。

Description

基于移动节点的树形无线传感网数据收集方法
技术领域
本发明属于无线传感器网络技术领域，特别是一种兼顾负载均衡与能量均衡，网络寿命长的基于移动节点的树形无线传感网数据收集方法。
背景技术
无线传感器网络是由部署在监测区域的大量低成本低功耗的传感器节点通过无线通信连接而成的一个多跳自组织的网络。这些传感器节点负责从周边环境中收集大量的数据，为无线网络提供从简单标量数据(如温度、湿度等)到信息量丰富的复杂数据(如图像、音频、视频等)。无线传感网络在军事、环境监测、医疗护理、农业、交通控制等领域都有着广泛的应用前景。因此，无线传感网络作为一种重要的感知技术，能够协助物联网提供多种智能服务。
无线传感网络是以数据为中心的网络，数据收集技术也是无线传感网络的基本技术。大量的无线传感器节点通过多跳通信的方式形成网络系统，以协作的方式完成大规模复杂的监测和数据收集任务。通常的，数据收集方法可以分为原始数据收集、基于数据相关性的收集、数据汇聚和基于移动节点的数据收集。
节能和能量均衡问题是无线传感网络数据收集研究的两个重要研究方向。传统的非均匀分簇，靠近移动节点的分簇小而远离移动节点的分簇相对较大。这种方法不能从根本上解决负载均衡问题。采用虚拟网格划分的方法，可以解决负载均衡问题，但是没有考虑能量均衡问题。
总之，现有技术存在的问题是：由于数据收集方法的限制，不能兼顾负载均衡和能量均衡，造成网络寿命缩短。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于移动节点的树形无线传感网数据收集方法,兼顾负载均衡与能量均衡，网络寿命长。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种基于移动节点的树形无线传感网数据收集方法，其特征在于，包括如下步骤：
(10)网络初始化：将无线传感网络划分为大小相等的虚拟网格，由移动sink节点广播初始位置；
(20)簇头选举：每个虚拟网格为一个竞选单元，在每一个竞选单元内进行簇头选举，节点根据自身的位置信息和剩余能量值采用时延机制来开启竞选定时器，定时器最先触发的节点被选举为簇头节点；
(30)节点入簇：簇头节点广播簇头消息通知给其它节点，非簇头节点选择离自己较近的簇头节点作为下一跳节点；
(40)簇内数据传输：分簇完成后，簇内节点将采集到的传感数据发送至簇头节点，以建立多个以簇头节点为根的最短路径树；
(50)移动节点数据收集：移动sink节点向所有的节点发送位置信息，每个簇头节点通过其他簇头节点消息找出离自己较近的簇头作为下一跳节点，并将所收集到的簇内所有节点的传感信息进行数据融合后发送至下一跳节点，直至传给移动sink节点。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1、能量均衡：本发明采用移动sink节点，有效地提高了网络能量均衡，避免了能量空洞；在选举簇头节点时同时考虑了其剩余能量及距竞选中心的距离，减少了簇内节点传递数据时的能量消耗；
2、负载均衡：整个网络最终形成以移动sink节点为根节点的最短路径树，降低了网络的能量开销，提高了负载均衡，延长了网络寿命。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明基于移动节点的树形无线传感网数据收集方法的主流程图。
图2为网络拓扑示意图。
图3为图1中节点入簇步骤的流程图。
图4为本发明的数据收集方法与传统的网格划分方法CHRR节点能量均衡比较图。
具体实施方式
如图1所示，本发明基于移动节点的树形无线传感网数据收集方法，包括如下步骤：
(10)网络初始化：将无线传感网络划分为大小相等的虚拟网格，由移动sink节点广播初始位置；
所述(10)网络初始化步骤中，移动sink节点的初始位置在节点区域的边缘，并且能量可充。
网络拓扑示意图如图2所示。
图2中，无线传感网络包括由各圆点表示的传感器，其中实心圆表示簇头节点。无线传感器网络的感知区域为半径为R的圆形区域，在感知区域边缘放置一个移动sink节点，沿感知区域边缘移动。将感知区域划分为若干个正方形虚拟网格，在虚拟网格中选举出簇头节点；节点入簇后将传感信息发送给簇头节点，簇头节点将信息传送至自己的下一跳节点，直至到移动sink节点，形成一棵以移动节点为根的最短路径树。
采用正方形虚拟网格而非六边形划分是因为正方形具有更好的覆盖性和连通可靠性。
(20)簇头选举：每个虚拟网格为一个竞选单元，在每一个竞选单元内进行簇头选举，节点根据自身的位置信息和剩余能量值采用时延机制来开启竞选定时器，定时器最先触发的节点被选举为簇头节点；
在每个竞选单元中进行簇头选举时，要尽量选取剩余能量较大、距离竞选单元中心较近的节点作为簇头节点，这里采用时延机制开启定时器，当网格内某个节点的定时器触发时，表明该节点竞选簇头成功。
设(xi,yi)为节点i的位置坐标，节点i到竞选中心(即虚拟网格正方形中心)的距离d满足：
Figure BDA0001265495380000031
其中，(x0,y0)表示移动sink节点的初始位置坐标，a表示正方形虚拟网格的边长，(Gx,Gy)表示虚拟网格的逻辑坐标。
节点i按照(2)式开启定时器，定时器的时长T(i)满足如下公式：
Figure BDA0001265495380000032
其中，C1和C2为加权系数，且满足C1+C2＝1。Ei表示节点i当前的剩余能量，E0表示初始能量。
(30)节点入簇：簇头选举成功后，簇头节点广播簇头消息通知给其它节点，非簇头节点选择离自己较近的簇头节点作为下一跳节点；
如图3所示，所述(30)节点入簇步骤包括：
(31)簇头消息广播：选举成功的簇头节点以最大广播半径广播簇头消息，所述簇头消息包括簇头节点的位置坐标和剩余能量；
(32)簇头消息反应：非簇头节点接收到簇头消息，判断该簇头消息是否来自同一网格的簇头节点，若是，则记录消息并且撤销自身的定时器，否，则该节点只记录簇头消息内容；
(33)下一跳节点选择：非簇头节点选择距离自己较近的簇头节点作为下一跳节点，就近入簇。
(40)簇内数据传输：分簇完成后，簇内节点将采集到的传感数据发送至簇头节点，以建立多个以簇头节点为根的最短路径树；
(50)移动节点数据收集：移动sink节点向所有的节点发送位置信息，每个簇头节点通过其他簇头节点消息找出离自己较近的簇头作为下一跳节点，并将所收集到的簇内所有节点的传感信息进行数据融合后发送至下一跳节点，直至传给移动sink节点。最终建立一个以移动sink节点为根节点的最短路径树。
当完成一轮数据采集后，移动sink节点沿无线传感网络感知区域移动一段距离后，重复上述过程进入新一轮数据采集。
对本发明基于移动节点的树形无线传感网数据收集方法(Data GatheringMethod based on Mobile-Sink and Tree,DGMMT)进行性能测试，并将其与传统的网格划分方法CHRR进行比较，如图4所示。为了使实验结果更加清晰，统计了每轮数据收集后剩余能量节点的方差，由于CHRR方法没有考虑能量均衡问题，从图4中可以看出其节点能量方差值较大。实验表明，本发明的数据收集方法能够更好的均衡网络能量和负载，延长网络的生命周期。

Claims (1)

1.一种基于移动节点的树形无线传感网数据收集方法，其特征在于，包括如下步骤：
(10)网络初始化：将无线传感网络划分为大小相等的虚拟网格，由移动sink节点广播初始位置；
所述(10)网络初始化步骤中，移动sink节点的初始位置在节点区域的边缘，并且能量可充；
(20)簇头选举：每个虚拟网格为一个竞选单元，在每一个竞选单元内进行簇头选举，节点根据自身的位置信息和剩余能量值采用时延机制来开启竞选定时器，定时器最先触发的节点被选举为簇头节点；
(30)节点入簇：簇头节点广播簇头消息通知给其它节点，非簇头节点选择离自己较近的簇头节点作为下一跳节点；
(40)簇内数据传输：分簇完成后，簇内节点将采集到的传感数据发送至簇头节点，以建立多个以簇头节点为根的最短路径树；
(50)移动节点数据收集：移动sink节点向所有的节点发送位置信息，每个簇头节点通过其他簇头节点消息找出离自己较近的簇头作为下一跳节点，并将所收集到的簇内所有节点的传感信息进行数据融合后发送至下一跳节点，直至传给移动sink节点；
所述(30)节点入簇步骤包括：
(31)簇头消息广播：选举成功的簇头节点以最大广播半径广播簇头消息，所述簇头消息包括簇头节点的位置坐标和剩余能量；
(32)簇头消息反应：非簇头节点接收到簇头消息，判断该簇头消息是否来自同一网格的簇头节点，若是，则记录消息并且撤销自身的定时器，否，则该节点只记录簇头消息内容；
(33)下一跳节点选择：非簇头节点选择距离自己较近的簇头节点作为下一跳节点，就近入簇。
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