CN110602756B - 一种基于哈夫曼树平衡无线传感器网络节点能耗的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于哈夫曼树平衡无线传感器网络节点能耗的方法，涉及无线传感器网络领域。该方法类比不同能级的电子在原子中分层分布的现象，提出了一种哈夫曼树电量分层模型，根据各个节点剩余电量的不同，通过构建哈夫曼树将具有不同电量的节点划分到不同的层次，最低层次的节点具有相对最少的电量，然后对于每一层的节点从左到右依次从上层节点中选取距离该节点最短且可直接连接的节点作为父节点进行数据转发，使具有更多电量的节点承担更多的任务。本发明涉及无线传感器网络领域，缓解了节点电量消耗速度的不均衡性，使剩余较少电量的节点能够使用更长的时间，进而延长了整个无线传感器网络的生命周期。

Description

一种基于哈夫曼树平衡无线传感器网络节点能耗的方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络领域，具体涉及一种基于哈夫曼树平衡无线传感器网络节点能耗的方法。

背景技术

无线传感器网络通过大量的传感器节点感知环境，获取数据。现在的传感器节点大多采用多跳的方式进行通信，即节点的数据通过相邻的一些节点对数据进行转发，最终将数据发送到管理节点，管理节点可以进行处理也可以发送到服务器进行处理。

无线传感器网络中的传感器节点具有自组织能力，但在实际使用中存在一些问题：

传感器节点与具有稳定供电的管理节点不同，由于需要散布在环境中获取数据，主要靠自身电池供电，且电池能量有限，当电量耗尽时，会停止工作影响整个无线传感器网络的感知与数据转发，而且更换电池复杂；

无线传感器网络中的一些节点所处位置感知数据量较少或者承担的数据转发任务较少，与其他节点相比其电量消耗更慢，在无线传感器网络工作的过程中，不同节点的电量消耗速度是不均衡的；

传感器节点的通信能力有限，所以一般采用多跳方式进行远距离通信，但同时也带来了能量空洞(energy hole)问题，即一个节点相较于其他节点由于数据转发或感知数据过于频繁导致电量耗尽产生的节点停止工作的问题，如果一个节点停止工作，则会产生能量空洞，无线传感器网络则会失去对该节点所在区域的感知能力，缩短了整个网络的可使用生命周期，但是其他节点可能依旧有较多的剩余电量没有进行充分的利用，造成了资源的浪费；

如何平衡无线传感器网络中不同节点的能耗，是延长整个无线传感器网络生命周期面临的主要挑战。

发明内容

本发明的目的是针对上述不足，提出了一种根据各个节点剩余电量的不同，通过构建哈夫曼树将具有不同电量的节点划分到不同的层次，最低层次的节点具有相对最少的电量，具有更多电量的节点承担更多的任务，使剩余较少电量的节点能够使用更长的时间的基于哈夫曼树平衡无线传感器网络节点能耗的方法。

本发明具体采用如下技术方案：

一种基于哈夫曼树平衡无线传感器网络节点能耗的方法，包括以下步骤：

步骤1：当无线传感器网络中某个传感器节点的电量降低到设定的电量预警值数列中某一数值时，传感器节点将该信息发送到管理节点；

步骤2：管理节点获取传感器节点的数据，当无线传感器网络中降低到设定电量预警值数列的传感器节点数量到达设置的阈值，或者某一个传感器节点多次经过电量预警值数列时，通过哈夫曼树电量分层模型使用传感器节点剩余电量构建哈夫曼树对传感器节点进行分层；

步骤3：从构建的哈夫曼树最低层开始，从左到右依次为每个传感器节点选择上面所有层中能够直接连接且距离最短的传感器节点作为父节点，每个传感器节点能够设置连接的子节点数量；

步骤4：管理节点将每个传感器节点的父节点信息发送到每个传感器节点，无线传感器网络根据新分配的信息重新启动。

优选地，所述无线传感器网络具有以下特征：

a)无线传感器网络中传感器节点负责感知环境数据，感知范围固定，进行自组织，以多跳方式将数据发送到管理节点，无汇聚节点；

b)所有传感器节点使用电池供电，在网络中地位相同，初始状态及电量相同，管理节点不使用电池，具有稳定供电且具有计算能力或者将数据发送到服务器进行计算；

c)所有传感器节点散布在感知区域，位置固定，位置通过已有方法获取，管理节点能够获取传感器节点的编号、剩余电量以及位置信息；

d)管理节点可以与一定数量的传感器节点直接相连，而不只是与一个或几个传感器节点通信；

e)传感器节点能够获取周围可直接通信的其他节点的信息；

f)传感器节点能够获取管理节点发送的信息并存储。

优选地，所述步骤1中的电量预警值数列指一个从大到小排列的人为设置的数值序列，其数值与数值个数可以进行设置，当节点电量低于一个值时会发送信息到管理节点，当电量低于数列中下一个值时也会发送信息到管理节点。

优选地，所述步骤2中启用哈夫曼树电量分层模型的条件包括两类：一类是无线传感器网络中到达设置的电量预警值数列的节点数超过阈值时，阈值人为设置；另一类是无线传感器网络中的一个节点多次到达设置的电量预警值数列时，到达的次数能够人为设置。

优选地，所述步骤3是在使用哈夫曼树电量分层模型对节点分层完成后对每个节点进行父节点的分配，对于每个节点需要从该节点所处层的上面所有层的节点中选取可直接连接且距离最短的节点作为父节点；

选择父节点过程中对节点的处理顺序为从哈夫曼树的最低层到最上层，从每一层的左边到右边是由于哈夫曼树构建过程的特性，每一层的左边节点比右边节点数值更小，下层节点比上层节点数值更小，通过优先为具有较少电量的节点选择最优的父节点来延长较少剩余电量节点的使用时间，通过为每个节点选择距离最短的父节点来达到整体上的最优；

选择父节点过程中，最上面的两层节点中如果能够直接与管理节点相连，则将管理节点作为父节点，否则将最上面两层节点中自身可直接通信且距离最短的节点作为父节点，同时该父节点必须能够与管理节点相连，即将同层或者仅次于最高层的节点作为父节点。

本发明具有如下有益效果：

通过建立哈夫曼树电量分层模型，为具有较少电量的节点分配具有更多电量的节点作为父节点，同时选取距离自身最近的可通信节点作为父节点减少通信带来的能量消耗，对无线传感器网络中各节点的任务进行了重新规划，最大化节点的使用时长，减少低电量节点的数据转发，以便低电量节点可以更快的将感知数据发送出去，减少了节点通信的延迟，使感知数据少的节点承担更多的数据转发任务，使感知数据较多的节点减少数据转发任务，平衡优化了各节点的电量消耗，延长了无线传感器网络整体的生命周期。

附图说明

图1是基于哈夫曼树平衡无线传感器网络节点能耗的方法流程图；

图2是基于哈夫曼树平衡无线传感器网络节点能耗的方法中无线传感器网络组成和分布示意图；

图3是哈夫曼树节点电量分层模型的分层方法示意图；

图4是哈夫曼树平衡无线传感器网络节点能耗的方法完成后新的无线传感器网络节点连接图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：

如图1所示，一种基于哈夫曼树平衡无线传感器网络节点能耗的方法，包括以下步骤：

步骤1：当无线传感器网络中某个传感器节点的电量降低到设定的电量预警值数列中某一数值时，传感器节点将该信息发送到管理节点；

步骤2：管理节点获取传感器节点的数据，当无线传感器网络中降低到设定电量预警值数列的传感器节点数量到达设置的阈值，或者某一个传感器节点多次经过电量预警值数列时，通过哈夫曼树电量分层模型使用传感器节点剩余电量构建哈夫曼树对传感器节点进行分层；

步骤3：从构建的哈夫曼树最低层开始，从左到右依次为每个传感器节点选择上面所有层中能够直接连接且距离最短的传感器节点作为父节点，每个传感器节点能够设置连接的子节点数量；

步骤4：管理节点将每个传感器节点的父节点信息发送到每个传感器节点，无线传感器网络根据新分配的信息重新启动。

基于上述步骤1所述内容中，涉及的无线传感器网络具有以下特征：

a)无线传感器网络中传感器节点负责感知环境数据，感知范围固定，进行自组织，以多跳方式将数据发送到管理节点，无汇聚节点；

b)所有传感器节点使用电池供电，在网络中地位相同，初始状态及电量相同，管理节点不使用电池，具有稳定供电且具有计算能力或者将数据发送到服务器进行计算；

c)所有传感器节点散布在感知区域，位置固定，位置通过已有方法获取，管理节点能够获取传感器节点的编号、剩余电量以及位置信息；

d)管理节点可以与一定数量的传感器节点直接相连，而不只是与一个或几个传感器节点通信；

e)传感器节点能够获取周围可直接通信的其他节点的信息；

f)传感器节点能够获取管理节点发送的信息并存储。

如图2所示，步骤1中的电量预警值数列指一个从大到小排列的人为设置的数值序列，其数值与数值个数可以进行设置，当节点电量低于一个值时会发送信息到管理节点，当电量低于数列中下一个值时也会发送信息到管理节点，信息包括节点编号以及剩余电量等，无线传感器网络的组成与分布已经固定，传感器节点通过多跳方式与管理节点通信，管理节点与周围一定数量的节点可以直接通信，由于某些节点承担较多的数据转发任务或者所在区域环境变化频繁导致感知数据量大进而会引起电量消耗过快；如假设电量初始为100，设置的电量预警值序列为[50，40，30，25，20]，当节点的电量降低到50时会发送节点编号和剩余电量到管理节点，当节点电量继续下降到40时，也会发送信息到管理节点。

基于上述步骤2所述内容中，管理节点获取的传感器数据包括传感器节点的感知到的环境数据、编号、剩余电量以及周围可直接通信的节点的编号等，还可以获取步骤1中传感器节点到达电量预警值数列时发送的信息并进行存储，(防止重复发送数据造成冗余与浪费)。

启用哈夫曼树电量分层模型的条件包括两类：一类是无线传感器网络中到达设置的电量预警值数列的节点数超过阈值时，阈值人为设置；另一类是无线传感器网络中的一个节点多次到达设置的电量预警值数列时，到达的次数能够人为设置。

管理节点在无线传感器网络构建好并启动后，可以通过已有方法获取传感器节点的位置、编号、剩余电量、感知数据与转发数据、传感器节点周围可通信的节点编号等，传感器节点位置的确定可以选择使用定位模块获取，也可以通过传感器之间的相对位置进行确定，同样也可以选择其他方法获取各节点的位置。

可以设置启动哈夫曼树电量分层模型的条件中的两个阈值分别为3和2，当由3个节点到达电量预警值数列时，如节点a的电量由51降低到50，节点b的电量由41降低到40，节点c的电量由31降低到30，三个节点会向管理节点发送信息，管理节点会对收到的此类信息计数，当到达设置的阈值3时，开始启动哈夫曼树电量分层模型进行处理，然后计数清零，等待无线传感器网络重启后重新计数，同理，当节点a的电量由51降低到50，经过一段时间后又降低到40，这里的一段时间的时长也可以进行设置以免节点的电量快速消耗，节点a会发送两次信息到管理节点，管理节点会进行计数，当到达设置的阈值后，开始启动哈夫曼树电量分层模型进行处理。

管理节点中保存由节点编号与剩余电量等其他信息的对应关系，使用哈夫曼树电量分层模型时是通过节点的剩余电量值构建哈夫曼树，构建完成后可以确定节点所在层次，参考图3所示，构建过程如下：假设有n个传感器节点，则构造出的哈夫曼树有n个叶子结点。n个权值分别设为w1、w2、…、wn(其中权值为每个节点的剩余电量值)，则哈夫曼树的构造规则为，

(1)将w1、w2、…，wn看成是有n棵树的森林(每棵树仅有一个结点)；

(2)在森林中选出两个根结点的权值最小的树合并，作为一棵新树的左、右子树，且新树的根结点权值为其左、右子树根结点权值之和；

(3)从森林中删除选取的两棵树，并将新树加入森林；

(4)重复(2)、(3)步，直到森林中只剩一棵树为止，该树即为所求得的哈夫曼树。

如图3所示，构建完成哈夫曼树后，由于哈夫曼树具有数据结构中二叉树的性质，这里对哈夫曼树进行分层，具有最低电量的节点为最低层次，具有最多电量的节点为最高层次。

基于上述步骤3所述内容，步骤3是在使用哈夫曼树电量分层模型对节点分层完成后对每个节点进行父节点的分配，对于每个节点需要从该节点所处层的上面所有层的节点中选取可直接连接且距离最短的节点作为父节点。

选择父节点过程中对节点的处理顺序为从哈夫曼树的最低层到最上层，从每一层的左边到右边是由于哈夫曼树构建过程的特性，每一层的左边节点比右边节点数值更小，下层节点比上层节点数值更小，通过优先为具有较少电量的节点选择最优的父节点来延长较少剩余电量节点的使用时间，通过为每个节点选择距离最短的父节点来达到整体上的最优。

选择父节点过程中，最上面的两层节点中如果能够直接与管理节点相连，则将管理节点作为父节点，否则将最上面两层节点中自身可直接通信且距离最短的节点作为父节点，同时该父节点必须能够与管理节点相连，即将同层或者仅次于最高层的节点作为父节点。

如图3所示，构建完成哈夫曼树并进行分层后，图中样例的节点分为三层，从最低层开始，即剩余电量为21的节点开始，管理节点根据之前获取的该节点周围可直接通信节点的编号在上面两层中选择距离最短的节点作为父节点，这里也可以对父节点的剩余电量进行限制以实现距离较多且父节点剩余电量较多，这里选择剩余电量为51的节点作为父节点，那么此时该节点在整个网络中就变成了边缘节点，不会接收其他节点的数据进行转发，结合图3中所示，该剩余电量21的节点所在区域环境变化频繁，由于感知数据带来的电量消耗较多，通过对父节点的重新分配以专注于数据感知而不是数据转发来减缓电量消耗。

整个分配过程从下到上，从左到右依次进行，当进行到最高的两层时，如果该节点的可通信范围内的节点包含管理节点，则直接将管理节点设置为该节点的父节点。

在对节点的分配过程中可以设置节点可连接子节点的数量，以避免连接过多的子节点导致电量消耗过快。

基于上述步骤4所述内容，图3所示传感器节点连接情况经过重新分配后如图4所示，处在环境变化频繁区域的节点以及由于数据转发消耗电量过快的节点经过重新分配后变为了边缘节点，不再进行数据转发任务，具有较多剩余电量的节点则承担起了数据转发任务，可以有效的延长低电量节点的使用时间，充分利用了其他节点较多的剩余电量资源，实现了传感器网络中节点能耗的平衡。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于哈夫曼树平衡无线传感器网络节点能耗的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：当无线传感器网络中某个传感器节点的电量降低到设定的电量预警值数列中某一数值时，传感器节点将该信息发送到管理节点；

步骤2：管理节点获取传感器节点的数据，当无线传感器网络中降低到设定电量预警值数列的传感器节点数量到达设置的阈值，或者某一个传感器节点多次经过电量预警值数列时，通过哈夫曼树电量分层模型使用传感器节点剩余电量构建哈夫曼树对传感器节点进行分层；

步骤3：从构建的哈夫曼树最低层开始，从左到右依次为每个传感器节点选择上面所有层中能够直接连接且距离最短的传感器节点作为父节点，每个传感器节点能够设置连接的子节点数量；

选择父节点过程中对节点的处理顺序为从哈夫曼树的最低层到最上层，从每一层的左边到右边是由于哈夫曼树构建过程的特性，每一层的左边节点比右边节点数值更小，下层节点比上层节点数值更小，通过优先为具有低电量的节点选择最优的父节点来延长低剩余电量节点的使用时间，通过为每个节点选择距离最短的父节点来达到整体上的最优,也可以对父节点的剩余电量进行限制以实现距离较多且父节点剩余电量较多；

选择父节点过程中，最上面的两层节点中如果能够直接与管理节点相连，则将管理节点作为父节点，否则将最上面两层节点中自身可以直接通信且距离最短的节点作为父节点，同时该父节点必须能够与管理节点相连，即将同层或者仅次于最高层的节点作为父节点；

步骤4：管理节点将每个传感器节点的父节点信息发送到每个传感器节点，无线传感器网络根据新分配的信息重新启动。

2.如权利要求1所述的基于哈夫曼树平衡无线传感器网络节点能耗的方法，其特征在于，所述无线传感器网络具有以下特征：

a)无线传感器网络中传感器节点负责感知环境数据，感知范围固定，进行自组织，以多跳方式将数据发送到管理节点，无汇聚节点；

b)所有传感器节点使用电池供电，在网络中地位相同，初始状态及电量相同，管理节点不使用电池，具有稳定供电且具有计算能力或者将数据发送到服务器进行计算；

c)所有传感器节点散布在感知区域，位置固定，位置通过已有方法获取，管理节点能够获取传感器节点的编号、剩余电量以及位置信息；

d)管理节点可以与一定数量的传感器节点直接相连，而不只是与一个或几个传感器节点通信；

e)传感器节点能够获取周围可直接通信的其他节点的信息；

f)传感器节点能够获取管理节点发送的信息并存储。

3.如权利要求1所述的基于哈夫曼树平衡无线传感器网络节点能耗的方法，其特征在于，所述步骤1中的电量预警值数列指一个从大到小排列的人为设置的数值序列。

4.如权利要求1所述的基于哈夫曼树平衡无线传感器网络节点能耗的方法，其特征在于，所述步骤2中启用哈夫曼树电量分层模型的条件包括两类：一类是无线传感器网络中到达设置的电量预警值数列的节点数超过阈值时，阈值人为设置；另一类是无线传感器网络中的一个节点多次到达设置的电量预警值数列时，到达的次数能够人为设置。

5.如权利要求1所述的基于哈夫曼树平衡无线传感器网络节点能耗的方法，其特征在于，所述步骤3是在使用哈夫曼树电量分层模型对节点分层完成后对每个节点进行父节点的分配，对于每个节点需要从该节点所处层的上面所有层的节点中选取可直接连接且距离最短的节点作为父节点。

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