CN110149673B - 一种基于事件检测的无线传感器网络动态分簇的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于事件检测的无线传感器网络动态分簇的方法，包括获取WSNs的本地和全局信息，得到各本地网络的节点及各节点所接收到的邻居节点ID号和剩余能量；在各本地网络中设定节点广播竞争信息半径，并筛选出剩余能量最大的节点；判定各本地网络的簇头；检测出活动节点，并在各本地网络的簇头中得到各活动节点各自对应的两个最近簇头，且进一步确定首选及候选簇头；将首选簇头所在簇作为各活动节点的簇，并待各活动节点发送感知数据一段时间后，检测出首选簇头的剩余能量降低至一定阈值，则重新选择候选簇头所在簇为加入的簇。实施本发明，使节点感知数据具有更好的时空相关性，有效降低整个网络的能量消耗，显著延长网络生命周期。

Description

一种基于事件检测的无线传感器网络动态分簇的方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络技术领域，尤其涉及一种基于事件检测的无线传感器网络动态分簇的方法。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSNs)在军事、环境、健康、家庭、商业领域等许多方面有着巨大的潜在应用前景。对于在恶劣的环境下，例如山川峡谷，高辐射地无人坚守地区，无线传感器网络具有其稳定，抗干扰能力强，功耗低等有点。无线传感器网络节点是组成网络的基本单元，无线传感器网络的迅速发展，给无线传感器网络节点的设计和管理提出了许多挑战。无线传感器网络是集数据采集、处理及通信功能于一体的分布式自组织网络。无线传感器网络由在一定区域范围内的多个具有无线通信、传感、数据处理功能的网络节点组成，而节点负责采集、处理、压缩数据、中转其他节点的数据包并将数据包发送出去。

WSNs是一种大规模、无线、自组织、多跳、无分区、无基础设施支持的网络。其中的节点是同构的，成本较低、体积较小、大部分节点不移动、被随意撒布在工作区域，要求网络系统尽可能长的工作。在WSNs中，由于节点分布密度高，相邻节点采集的数据具有时空相关性。冗余和以数据为中心的特性，使得分簇策略更加适合于优化能耗，并为WSNs中的事件检测提供了高可扩展性和高传输质量。

目前，传统的分簇方法不适用于动态变化的事件驱动型应用场景，事件的可伸缩性和事件的持续时间可能会不断变化，而传统的分簇方法没有考虑事件的发展这一影响因素。又因为预先完成了簇的形成，导致相邻节点感知到的相关数据可能会传输到不同的簇头以进行数据融合和处理，并且可能会因为不适当的簇的形成，一些节点被迫发送无用的消息，而这显然不是所期望的结果。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种基于事件检测的无线传感器网络动态分簇的方法，能适用于动态变化的事件驱动型应用场景，使得节点感知数据具有更好的时空相关性，还可以有效地降低整个网络的能量消耗，显著延长网络的生命周期。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于事件检测的无线传感器网络动态分簇的方法，包括以下步骤：

获取无线传感器网络WSNs的本地和全局信息，并根据所获取的WSNs的本地和全局信息，得到各本地网络所含的节点，以及得到各本地网络中各节点所接收到的邻居节点ID号及携带的剩余能量；

在各本地网络中将所有节点广播竞争信息的半径设为同一定值，并根据所得到的各本地网络中各节点接收到的邻居节点ID号及携带的剩余能量，筛选出各本地网络中携带的剩余能量最大的节点；

判定各本地网络中携带的剩余能量最大的节点是否在给定的等待时间之前接收到某一节点广播的竞争信息，并根据判定结果，确定出各本地网络的簇头；

检测出各本地网络中存在活动事件发生的节点作为活动节点，并在各本地网络的簇头之中，得到各活动节点广播消息得到反馈后各自对应的两个最近簇头，且进一步将各活动节点各自得到的两个簇头之中剩余能量最大的簇头作为各活动节点的首选簇头，剩余能量次之的簇头作为各活动节点的候选簇头；

将各活动节点的首选簇头所在簇作为各活动节点加入的簇，并待各活动节点向各自加入的簇发送感知数据一段时间后，一旦检测出各活动节点的首选簇头的剩余能量降低至一定阈值，则重新选择各活动节点的候选簇头作为各活动节点的首选簇头，且将重新选择的各活动节点的候选簇头所在簇作为各活动节点加入的簇，用以自动实现网络耗能平衡。

其中，所述WSNs的本地和全局信息是通过雾节点向本地网络及云端发送hello消息，以及各本地网络中各节点向其邻居广播握手消息来获取到的。

其中，所述各本地网络与雾节点的距离由接收到Hello消息的信号强度来决定；所述各本地网络中各节点所接收到的邻居节点ID号及携带的剩余能量是通过同一本地网络中各节点向其邻居广播握手消息来获取到的。

其中，通过公式

确定所述各本地网络中节点广播竞争信息的延时；其中，E_re(i)是第i个节点的剩余能量；T_i为各本地网络中节点广播竞争信息的延时。

其中，所述判定各本地网络中携带的剩余能量最大的节点是否在给定的等待时间之前接收到某一节点广播的竞争信息，并根据判定结果，确定出各本地网络的簇头的具体步骤包括：

若各本地网络中携带的剩余能量最大的节点是在给定的等待时间之前接收到某一节点广播的竞争信息，则将各本地网络中广播竞争信息至剩余能量最大节点上的节点设为簇头；反之，则将各本地网络中携带的剩余能量最大的节点设为簇头。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

相对于传统的分簇方法，本发明根据节点的剩余能量来确定簇头，并引入了簇头重新调整的能量阈值，使存在活动事件发生的活动节点的事件能够从首选簇头迁移至候选簇头，可以确保活动簇恰好位于事件区域中，不活动的节点不需要参与数据传输，减少了簇的形成的开销，从而能适用于动态变化的事件驱动型应用场景，使得节点感知数据具有更好的时空相关性，有效地降低整个网络的能量消耗，显著延长网络的生命周期。

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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。

图1为本发明实施例提出的一种基于事件检测的无线传感器网络动态分簇的方法的流程图。

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，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

如图1所示，为本发明实施例中，提出的一种基于事件检测的无线传感器网络动态分簇的方法，包括以下步骤：

步骤S1、获取无线传感器网络WSNs的本地和全局信息，并根据所获取的WSNs的本地和全局信息，得到各本地网络所含的节点，以及得到各本地网络中各节点所接收到的邻居节点ID号及携带的剩余能量；

步骤S2、在各本地网络中将所有节点广播竞争信息的半径设为同一定值，并根据所得到的各本地网络中各节点接收到的邻居节点ID号及携带的剩余能量，筛选出各本地网络中携带的剩余能量最大的节点；

步骤S3、判定各本地网络中携带的剩余能量最大的节点是否在给定的等待时间之前接收到某一节点广播的竞争信息，并根据判定结果，确定出各本地网络的簇头；

步骤S4、检测出各本地网络中存在活动事件发生的节点作为活动节点，并在各本地网络的簇头之中，得到各活动节点广播消息得到反馈后各自对应的两个最近簇头，且进一步将各活动节点各自得到的两个簇头之中剩余能量最大的簇头作为各活动节点的首选簇头，剩余能量次之的簇头作为各活动节点的候选簇头；

步骤S5、将各活动节点的首选簇头所在簇作为各活动节点加入的簇，并待各活动节点向各自加入的簇发送感知数据一段时间后，一旦检测出各活动节点的首选簇头的剩余能量降低至一定阈值，则重新选择各活动节点的候选簇头作为各活动节点的首选簇头，且将重新选择的各活动节点的候选簇头所在簇作为各活动节点加入的簇，用以自动实现网络耗能平衡。

具体过程为，在步骤S1中，WSNs的本地和全局信息是通过雾节点向本地网络及云端发送hello消息，以及各本地网络中各节点向其邻居广播握手消息来获取到的。其中，各本地网络与雾节点的距离由接收到Hello消息的信号强度来决定；所述各本地网络中各节点所接收到的邻居节点ID号及携带的剩余能量是通过同一本地网络中各节点向其邻居广播握手消息来获取到的。

在步骤S2中，为了节能和负载平衡，簇头应尽可能均匀地分布在监控区域，且广播竞争信息的半径Rc设置为限制簇头竞争消息的广播范围，可将各本地网络中将所有节点广播竞争信息的半径设为同一定值。

当簇头承担数据转发和聚合任务时，剩余能量较多的节点适合作为簇头。为了节省竞争开销并减少冲突，这里引入了与节点剩余能量有关的广播延迟。因此，通过公式

确定各本地网络中节点广播竞争信息的延时；其中，E_re(i)是第i个节点的剩余能量；T_i为各本地网络中节点广播竞争信息的延时。

在步骤S3中，从步骤S2中可以看到，节点剩余的能量越多，其广播时延越小，则其成为簇头的可能性就越高。如果一个节点在给定的等待时间之前接收到来自其他节点的竞争消息，则它将放弃竞争簇头，否则它将在半径Rc内广播竞争消息以宣告自己成为簇头。

因此，若各本地网络中携带的剩余能量最大的节点是在给定的等待时间之前接收到某一节点广播的竞争信息，则将各本地网络中广播竞争信息至剩余能量最大节点上的节点设为簇头；反之，则将各本地网络中携带的剩余能量最大的节点设为簇头。

在步骤S4中，为了检测事件的动态变化，整个网络被分成2层逻辑覆盖子网。也就是说每个传感器节点都属于两个不同的逻辑簇。即在各本地网络的簇头之中，需要得到各活动节点广播消息得到反馈后各自对应的两个最近簇头。将两个之中的剩余能量最大的簇头作为各活动节点的首选簇头，两个之中的剩余能量次之的簇头作为各活动节点的候选簇头。根据检测到的事件的发生区域，活动节点将选择要加入哪些簇。由此可以确保活动簇恰好位于事件区域中。不活动的节点不需要参与数据传输。另外，减少簇的形成的开销，因为簇的形成阶段只需要执行一次。

在步骤S5中，簇头比其它节点要消耗更多的能量，活动节点应该轮流选择簇头以平衡网络的能耗。然而，频繁更新簇头会导致额外的能耗。为此引入了簇头重新调整的能量阈值。当首选簇头剩余能量小于阈值时，候选簇头作为首选簇头来承担数据处理和转发任务。

由于检测到的事件从一个区域转移到另一个区域，因此应该同步迁移活动的簇以确保相邻的活动节点尽可能被分到相同的簇内。一旦活动节点检测到事件，它首先发送一个“查询消息”给它的簇头，簇头将广播一个“回复消息”来通知其所在的簇内所有活动节点的数量消息。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

相对于传统的分簇方法，本发明根据节点的剩余能量来确定簇头，并引入了簇头重新调整的能量阈值，使存在活动事件发生的活动节点的事件能够从首选簇头迁移至候选簇头，可以确保活动簇恰好位于事件区域中，不活动的节点不需要参与数据传输，减少了簇的形成的开销，从而能适用于动态变化的事件驱动型应用场景，使得节点感知数据具有更好的时空相关性，有效地降低整个网络的能量消耗，显著延长网络的生命周期。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (5)

1.一种基于事件检测的无线传感器网络动态分簇的方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取无线传感器网络WSNs的本地和全局信息，并根据所获取的WSNs的本地和全局信息，得到各本地网络所含的节点，以及得到各本地网络中各节点所接收到的邻居节点ID号及携带的剩余能量；

在各本地网络中将所有节点广播竞争信息的半径设为同一定值，并根据所得到的各本地网络中各节点接收到的邻居节点ID号及携带的剩余能量，筛选出各本地网络中携带的剩余能量最大的节点；

判定各本地网络中携带的剩余能量最大的节点是否在给定的等待时间之前接收到某一节点广播的竞争信息，并根据判定结果，确定出各本地网络的簇头；

检测出各本地网络中存在活动事件发生的节点作为活动节点，并在各本地网络的簇头之中，得到各活动节点广播消息得到反馈后各自对应的两个最近簇头，且进一步将各活动节点各自得到的两个簇头之中剩余能量最大的簇头作为各活动节点的首选簇头，剩余能量次之的簇头作为各活动节点的候选簇头；

将各活动节点的首选簇头所在簇作为各活动节点加入的簇，并待各活动节点向各自加入的簇发送感知数据一段时间后，一旦检测出各活动节点的首选簇头的剩余能量降低至一定阈值，则重新选择各活动节点的候选簇头作为各活动节点的首选簇头，且将重新选择的各活动节点的候选簇头所在簇作为各活动节点加入的簇，用以自动实现网络耗能平衡。

2.如权利要求1所述的基于事件检测的无线传感器网络动态分簇的方法，其特征在于，所述WSNs的本地和全局信息是通过雾节点向本地网络及云端发送hello消息，以及各本地网络中各节点向其邻居广播握手消息来获取到的。

3.如权利要求2所述的基于事件检测的无线传感器网络动态分簇的方法，其特征在于，所述各本地网络与雾节点的距离由接收到Hello消息的信号强度来决定；所述各本地网络中各节点所接收到的邻居节点ID号及携带的剩余能量是通过同一本地网络中各节点向其邻居广播握手消息来获取到的。

4.如权利要求1所述的基于事件检测的无线传感器网络动态分簇的方法，其特征在于，通过公式

确定所述各本地网络中节点广播竞争信息的延时；其中，E_re(i)是第i个节点的剩余能量；T_i为各本地网络中节点广播竞争信息的延时。

5.如权利要求1所述的基于事件检测的无线传感器网络动态分簇的方法，其特征在于，所述判定各本地网络中携带的剩余能量最大的节点是否在给定的等待时间之前接收到某一节点广播的竞争信息，并根据判定结果，确定出各本地网络的簇头的具体步骤包括：

若各本地网络中携带的剩余能量最大的节点是在给定的等待时间之前接收到某一节点广播的竞争信息，则将各本地网络中广播竞争信息至剩余能量最大节点上的节点设为簇头；反之，则将各本地网络中携带的剩余能量最大的节点设为簇头。

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