CN109348442A - 一种基于计时器的无线传感器分簇方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于计时器的无线传感器分簇方法，经过选举簇头和再选举簇头的两次优化选举，实现了节点内剩余能量的均衡和消耗速度的同步，首先通过选择剩余能量较高的节点为簇头，然后统计所有簇头的平均剩余能量，簇头和成员分别根据自身的剩余能量进行再选举，并对比簇头的平均剩余能量进行选择簇头，防止较低剩余能量的节点成为簇头加剧能量消耗，避免较高剩余能量的节点成为成员能量剩余较多。
Description
技术领域
本发明涉及移动通信领域，特别是涉及一种基于计时器的无线传感器分簇方法。
背景技术
无线传感器网络(WSN,Wireless Sensor Network)由大量微型传感器节点(简称节点)大规模部署所形成，具体的，通过无线通信方式形成的一个多跳的、自组织的智能网络。其中，传感器节点通常随机分布在探测区域，以测量所在区域周围环境中的热、声呐、红外、雷达等信号，传感器节点将感知的数据收集起来，以多跳路由的方式传输至Sink节点(汇聚节点)；最后，再通过汇聚节点发送至管理节点或用户。
如果每一个传感器节点都在网络中进行通信和数据传输，那么就会发生严重的数据拥塞和碰撞，从而较快地消耗传感器网络中的能量。为了提高能量利用效率和减少传输延迟，节点被合并成许多集群，称为簇，这种结合传感器节点的方法称为分簇。
传感器节点一般分为簇头和非簇头。传感器节点由其电源供电，在实际应用中，由于电源的容量小、不易更换，且簇头相比于非簇头需要处理更多的数据操作，因此簇头的能量消耗远大于非簇头，进而造成簇头能量消耗速度较快以及现有WSN中各个节点能量消耗不均衡的问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于计时器的无线传感器分簇方法，用于解决现有技术中簇头能量消耗速度较快以及各个节点能量消耗不均衡的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于计时器的无线传感器分簇方法，包括：
启动节点，每个节点检测其自身剩余能量，剩余能量较高的为簇头，剩余能量较低的为成员；
簇头在网络中广播簇头通告消息，成员接收簇头通告消息并禁止所述成员成为簇头；
计算所有簇头的平均剩余能量；
当成员中的剩余能量大于或者等于所述平均剩余能量时，则被选为簇头；
当簇头中的剩余能量小于所述平均剩余能量时，则被选举为成员。
进一步的，在启动节点前，设置自身计时器t(i)，其中t(i)为节点i的计时器，TCH为簇头选择最大分配时间，Em(i)和Er(i)分别为节点i的初始最大能量和剩余能量，根据t(i)的响应时间来检测剩余能量。
进一步的，计时器t(i)超过系统设定时间，节点启动，按照节点中剩余能量的大小进行排序，能量较大为簇头，其余为成员。
进一步的，簇头通告消息包括节点的标识号、剩余能量和位置。
进一步的，成员加入距离所述成员位置最近的簇头进行通信。
进一步的，通过如下公式计算所述平均剩余能量μ，其中μ为平均剩余能量，Er(vi)为网络中簇头i的剩余能量，m为网络中簇头的数量，1≤i≤m，且i和m均为正整数。
进一步的，网络中的成员检测自身剩余能量并与μ比较，当成员中的剩余能量大于或者等于μ时，则被选为簇头。
进一步的，网络中的簇头检测自身剩余能量并于μ比较，当簇头中的剩余能量小于μ时，则被选举为成员。
进一步的，成员将检测信息传输给簇头，簇头通过基站与数据端进行通信连接。
进一步的，检测信息包括热量、声呐、红外或者雷达信号。
如上所述，本发明的基于计时器的无线传感器分簇方法，具有以下有益效果：
1、通过节点启动前设置计时器和计时器时间，预选簇头和成员，降低能量消耗；
2、通过响应时间来检测节点中的剩余能量，通过对节点中剩余能量的大小进行排序，能量较多的选举为簇头，能量较低的选举为成员，优化了节点的能源消耗，防止簇头和成员能量剩余不均衡；
3、在网络通信过程中，检测网络中所有簇头能量的平均剩余能量，将成员中剩余能量大于或者等于所述平均剩余能量的选举为簇头，将簇头中剩余能量小于所述平均剩余能量的选举为成员，进而将剩余能量较高的成员选举为簇头，剩余能量较低的簇头选举为成员，防止较低剩余能量的节点成为簇头加剧能量消耗，避免较高剩余能量的节点成为成员能量剩余较多；
4、成员加入距离此成员最近簇头的簇中，避免数据包交叉，进而避免簇内选择冲突问题。
附图说明
图1显示为本发明实施例的无线传感器网络结构示意图。
图2显示为本发明实施例中基于计时器的无线传感器分簇方法的流程示意图。
图3显示为本发明实施例中选举簇头的流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图3。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
在对本发明实施例进行详细叙述之前，先对本发明的应用环境进行描述。本发明的技术主要是应用于无线传感器通信中，发明人发现在现有的无线传感器通信网络中，由于簇头的能量消耗较大，成员的能量消耗相对较低，造成了现有分簇方法不能较好地解决簇头能量与成员能量消耗速度不一致和不同步的现象，导致簇内选择冲突，数据传输开销较大，剩余能量差异较大引起的维护不便，为此发明人提出了一种基于计时器的无线传感器分簇方法。
请参阅图1至图3，本发明提供一种基于计时器的无线传感器分簇方法，包括：
启动节点，每个节点检测其自身剩余能量，剩余能量较高的为簇头，剩余能量较低的为成员；
簇头在网络中广播簇头通告消息，成员接收簇头通告消息并禁止所述成员成为簇头；
计算所有簇头的平均剩余能量；
当成员中的剩余能量大于或者等于所述平均剩余能量时，则被选为簇头；
当簇头中的剩余能量小于所述平均剩余能量时，则被选举为成员，本方案经过选举簇头和再选举簇头的两次优化选举，实现了节点内剩余能量的均衡和消耗速度的同步，首先通过选择剩余能量较高的节点为簇头，然后统计所有簇头的平均剩余能量，簇头和成员分别根据自身的剩余能量进行再选举，并对比簇头的平均剩余能量进行选择簇头。
请参阅图3，在启动节点前，设置自身计时器t(i)，其中t(i)为节点i的计时器，TCH为簇头选择最大分配时间，Em(i)和Er(i)分别为节点i的初始最大能量和剩余能量，根据t(i)的响应时间来检测剩余能量，簇头在网络内广播簇头通告消息，簇头被选举为簇头，成员接收簇头通告消息，关闭其定时器并确定为成员；
簇头通告消息包括节点的标识号、剩余能量和位置，进而成员加入距离所述成员位置最近的簇头的簇进行通信，防止网络中数据包的交叉，避免由此引发的传输迟滞。
优选地，计时器t(i)超过系统设定时间，节点启动，按照节点中剩余能量的大小进行排序，能量较大为簇头，其余为成员，可根据实际情况需求，如节点的总数量和网络中所需簇头的数量，设定能量阈值或者选取能量较大的前N或者选取能量较大的前K％为簇头，其余为成员。
优选地，通过如下公式计算所述平均剩余能量μ，其中μ为平均剩余能量，Er(vi)为网络中簇头i的剩余能量，m为网络中簇头的数量，1≤i≤m，且i和m均为正整数。
优选地，网络中的成员检测自身剩余能量并与μ比较，当成员中的剩余能量大于或者等于μ时，则被选为簇头；网络中的簇头检测自身剩余能量并于μ比较，当簇头中的剩余能量小于μ时，则被选举为成员。
优选地，成员将检测信息传输给簇头，簇头传输给汇聚节点，汇聚节点通过基站与数据端进行通信连接。
优选地，检测信息包括压力、转速、光线、形变、摩擦、温升等轴承产业中的数据类型。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种基于计时器的无线传感器分簇方法，其特征在于，包括：
启动节点，每个节点检测其自身剩余能量，剩余能量较高的为簇头，剩余能量较低的为成员；
簇头在网络中广播簇头通告消息，成员接收簇头通告消息并禁止所述成员成为簇头；
计算所有簇头的平均剩余能量；
当成员中的剩余能量大于或者等于所述平均剩余能量时，则被选为簇头；
当簇头中的剩余能量小于所述平均剩余能量时，则被选举为成员。
2.根据权利要求1所述的基于计时器的无线传感器分簇方法，其特征在于：在启动节点前，设置自身计时器t(i)，其中t(i)为节点i的计时器，TCH为簇头选择最大分配时间，Em(i)和Er(i)分别为节点i的初始最大能量和剩余能量，根据t(i)的响应时间来检测剩余能量。
3.根据权利要求2所述的基于计时器的无线传感器分簇方法，其特征在于：计时器t(i)超过系统设定时间，节点启动，按照节点中剩余能量的大小进行排序，能量较大为簇头，其余为成员。
4.根据权利要求1所述的基于计时器的无线传感器分簇方法，其特征在于：簇头通告消息包括节点的标识号、剩余能量和位置。
5.根据权利要求4所述的基于计时器的无线传感器分簇方法，其特征在于：成员加入距离所述成员位置最近的簇头进行通信。
6.根据权利要求1所述的基于计时器的无线传感器分簇方法，其特征在于：通过如下公式计算所述平均剩余能量μ，其中μ为平均剩余能量，Er(vi)为网络中簇头i的剩余能量，m为网络中簇头的数量，1≤i≤m，且i和m均为正整数。
7.根据权利要求6所述的基于计时器的无线传感器分簇方法，其特征在于：网络中的成员检测自身剩余能量并与μ比较，当成员中的剩余能量大于或者等于μ时，则被选为簇头。
8.根据权利要求6所述的基于计时器的无线传感器分簇方法，其特征在于：网络中的簇头检测自身剩余能量并于μ比较，当簇头中的剩余能量小于μ时，则被选举为成员。
9.根据权利要求1所述的基于计时器的无线传感器分簇方法，其特征在于：成员将检测信息传输给簇头，簇头通过基站与数据端进行通信连接。
10.根据权利要求9所述的基于计时器的无线传感器分簇方法，其特征在于：检测信息包括压力、转速、光线、形变、摩擦、温升等轴承产业中的数据类型。
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