CN111885533B - 一种适用于线型无线传感器网络的节点节能方法 - Google Patents

一种适用于线型无线传感器网络的节点节能方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于线型无线传感器网络的节点节能方法，包括步骤：一、构建线型无线传感器网络；二、无线传感器网络中多个无线传感器节点的分簇；三、簇内簇头节点选举；四、簇头节点以多跳传输方式将数据传输至基站。本发明对长直巷道中形成的线型无线传感器网络中的多个无线传感器节点进行分簇，根据簇内无线传感器节点的位置和能量选举簇头节点，簇头节点以多跳传输方式将数据传输至基站，使得无线传感器节点的能量消耗均衡，耗能合理，避免所选出的簇头节点过于集中或者过于分散、簇内节点与簇头节点之间或者簇头节点与基站节点之间的传输能耗过大，增强无线传感器网络的生存周期，避免无线传感器网络过早瘫痪、造成节点能量的浪费。

Description

一种适用于线型无线传感器网络的节点节能方法
技术领域
本发明属于无线传感器网节能技术领域，具体涉及一种适用于线型无线传感器网络的节点节能方法。
背景技术
为了解决由于矿物开采带来地表沉陷和尾矿在地表堆存产生的环境污染问题，绝大多数方案使用充填管道将尾砂、水泥和碎石等各种充填材料制成浆体或膏体对采空区进行充填。但是随着工作时间的持续增加，不同浓度的充填料浆在管道中皆会发生水化反应造成充填管道结块乃至堵管，一旦堵管或者发生爆管事故，会造成严重的环境污染和经济损失。现有矿山充填管道利用ERT传感器和无线传感网络技术，对矿山充填管道进行实时性检测和预警。ERT传感器节点位置固定于充填管道上且矿山充填管道常置于长直巷道中，所有传感器节点组成线型网络拓扑结构。线型网络拓扑结构中多个传感器节点多采用传统LEACH路由算法传输信号，传统LEACH路由算法是按轮(rounds)周期性地执行，每轮分为网络的成簇阶段和稳定工作阶段。在成簇阶段，随机选出簇头节点，通过广播告知整个网络，其他节点根据接收信息的信号强度决定从属的簇；在稳定工作阶段，簇头节点收集簇内所有非簇头节点的监测数据，然后对其进行数据融合处理并将结果发送给基站。LEACH协议在簇头节点选举保证了每个节点都有机会成为簇头节点，但其在簇头节点选举过程中没考虑节点的位置和节点的当前能量，有可能出现所选出的簇头节点过于集中或者过于分散，簇内节点与簇头节点之间或者簇头节点与基站节点之间的传输能耗过大，这样就会造成节点能量的浪费，导致整个网络的生存周期短。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种适用于线型无线传感器网络的节点节能方法，对长直巷道中形成的线型无线传感器网络中的多个无线传感器节点进行分簇，根据簇内无线传感器节点的位置和能量选举簇头节点，簇头节点以多跳传输方式将数据传输至基站，使得无线传感器节点的能量消耗均衡，耗能合理，避免所选出的簇头节点过于集中或者过于分散、簇内节点与簇头节点之间或者簇头节点与基站节点之间的传输能耗过大，增强无线传感器网络的生存周期，避免无线传感器网络过早瘫痪、造成节点能量的浪费，便于推广使用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种适用于线型无线传感器网络的节点节能方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、构建线型无线传感器网络：在矿山充填管道弯管位置处和管径变化位置处均安装无线传感器节点，沿矿山充填长直管道长度延伸方向布设安装多个无线传感器节点，矿山充填管道弯管位置处和管径变化位置处的无线传感器节点和矿山充填长直管道中的多个无线传感器节点共同构成线型无线传感器网络；
步骤二、无线传感器网络中多个无线传感器节点的分簇：设置一簇无线传感器节点数量阈值，先以矿山充填管道弯管位置处和管径变化位置处的无线传感器节点为基准对无线传感器网络中多个无线传感器节点进行分簇，位于矿山充填管道弯管位置处或管径变化位置处的簇包含相邻的两长直管道中的若干无线传感器节点，再根据一簇无线传感器节点数量阈值对长直管道中剩余无线传感器节点进行分簇，构建多个依次连续的簇，且相邻的两簇之间无共用的无线传感器节点；
步骤三、簇内簇头节点选举：在构建的多个依次连续的簇内对每簇进行簇内簇头节点选举；簇内簇头节点选举过程中，每簇的簇内簇头节点选举方法均相同；
对任一簇的簇内簇头节点选举时，过程如下：
步骤301、根据公式
Figure GDA0002959969560000031
计算第M簇内第i个无线传感器节点的门限阈值
Figure GDA0002959969560000032
其中，p为期望簇头节点个数在本簇中所占的比例，r为当前轮数，mod为求余符号，(·)mod(·)为两数求余运算，AMi为第M簇内第i个无线传感器节点，G为在最近一轮中没有当选簇头节点的无线传感器节点集合，M为簇的编号且M＝1,2，…，m，m为簇的总数，i为簇内无线传感器节点的编号且i＝1,2，…，a，a为簇内无线传感器节点的总数；
步骤302、根据公式
Figure GDA0002959969560000033
筛选簇内候选簇头节点，其中，
Figure GDA0002959969560000034
为第M簇内第i个无线传感器节点产生的一个随机数，当
Figure GDA0002959969560000035
时，该无线传感器节点为簇内候选簇头节点；否则该无线传感器节点为非簇头节点；
步骤303、对步骤302筛选出的簇内候选簇头节点的剩余能量
Figure GDA0002959969560000036
进行排序，剩余能量最多的无线传感器节点被当选为新的簇头节点，其中，
Figure GDA0002959969560000037
为第M簇内第i个无线传感器节点的初始化节点能量，
Figure GDA0002959969560000038
为第M簇内第i个无线传感器节点的消耗能量的叠加和；
步骤四、簇头节点以多跳传输方式将数据传输至基站：在每簇内，选举的簇头节点以广播的形式向其余无线传感器节点发送数据信息，下一簇的簇头节点接收到上一簇的簇头节点的数据信息后，会将其加入该簇头节点信息集合，各个簇的簇头节点以多跳传输的方式将各无线传感器节点数据传输至基站。
上述的一种适用于线型无线传感器网络的节点节能方法，其特征在于：所述无线传感器节点为ERT无线传感器节点，所述ERT无线传感器节点中无线收发模块为LoRa无线通信模块。
上述的一种适用于线型无线传感器网络的节点节能方法，其特征在于：所述随机数
Figure GDA0002959969560000039
的取值范围为[0,1)。
上述的一种适用于线型无线传感器网络的节点节能方法，其特征在于：步骤303中，当无线传感器节点为簇头节点，且簇头节点接收本簇内其他非簇头节点数据，并进行数据融合时，该簇头节点所消耗的消耗能量ER-Head＝(a-1)kEelec+akEda，其中，Eelec为发射与接收每bit数据所消耗的能量，k为发射或接收数据的bit数，Eda为融合1bit数据所消耗的能量；
当无线传感器节点为簇头节点，且簇头节点向上一簇的簇头节点发送数据时，该簇头节点所消耗的消耗能量
Figure GDA0002959969560000041
其中，D为数据传输距离，d0为门限距离且
Figure GDA0002959969560000042
εfs为无线传感器节点发射端的自由空间模型功耗能耗，εmp为无线传感器节点发射端的多径衰减模型功耗能耗；
当无线传感器节点为非簇头节点，且非簇头节点向簇头节点发送数据时，该非簇头节点所消耗的消耗能量
Figure GDA0002959969560000043
当无线传感器节点为非簇头节点，且非簇头节点接收簇头节点传输数据时，该非簇头节点所消耗的消耗能量ER-node＝kEelec；
第M簇内第i个无线传感器节点的消耗能量
Figure GDA0002959969560000044
为该无线传感器节点在不同轮数下不同节点类型下消耗能量的叠加和。
综上所述，本发明的有益效果是：对长直巷道中形成的线型无线传感器网络中的多个无线传感器节点进行分簇，根据簇内无线传感器节点的位置和能量选举簇头节点，簇头节点以多跳传输方式将数据传输至基站，使得无线传感器节点的能量消耗均衡，耗能合理，避免所选出的簇头节点过于集中或者过于分散、簇内节点与簇头节点之间或者簇头节点与基站节点之间的传输能耗过大，增强无线传感器网络的生存周期，避免无线传感器网络过早瘫痪、造成节点能量的浪费，便于推广使用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明线型无线传感器网络的网络拓扑结构图。
图2为本发明线型无线传感器网络整体耗能随轮数的变化曲线图。
图3为本发明线型无线传感器网络中存活节点数随轮数的变化曲线图。
图4为本发明方法的方法流程框图。
具体实施方式
如图1至图4所示，本发明的一种适用于线型无线传感器网络的节点节能方法，包括以下步骤：
步骤一、构建线型无线传感器网络：在矿山充填管道弯管位置处和管径变化位置处均安装无线传感器节点，沿矿山充填长直管道长度延伸方向布设安装多个无线传感器节点，矿山充填管道弯管位置处和管径变化位置处的无线传感器节点和矿山充填长直管道中的多个无线传感器节点共同构成线型无线传感器网络；
本实施例中，所述无线传感器节点为ERT无线传感器节点，所述ERT无线传感器节点中无线收发模块为LoRa无线通信模块。
需要说明的是，将ERT无线传感器节点的采样电压数据，采用簇头多跳方式传入服务器端，服务器将根据采样电压进行传感器节点的故障诊断；根据采样电压实时重建图像来识别不同流型；根据簇内同一时刻不同位置的多个ERT无线传感器节点的实时采样电压重建图像来判断管道堵塞点位置，利用簇内多个ERT传感器节点的实时重建图像来判断充填管道堵塞情况并进行分级预警，ERT无线传感器节点位置固定于充填管道上且矿山充填管道常置于长直巷道中，所有ERT无线传感器节点组成线型网络拓扑结构，如图1所示，实际使用中，由于所有ERT无线传感器节点均固定在矿山充填管道上，因此每个ERT无线传感器节点的位置坐标确定，因此，本申请也适用于每个ERT无线传感器节点的位置坐标确定的无线传感器网络。
步骤二、无线传感器网络中多个无线传感器节点的分簇：设置一簇无线传感器节点数量阈值，先以矿山充填管道弯管位置处和管径变化位置处的无线传感器节点为基准对无线传感器网络中多个无线传感器节点进行分簇，位于矿山充填管道弯管位置处或管径变化位置处的簇包含相邻的两长直管道中的若干无线传感器节点，再根据一簇无线传感器节点数量阈值对长直管道中剩余无线传感器节点进行分簇，构建多个依次连续的簇，且相邻的两簇之间无共用的无线传感器节点；
需要说明的是，先以矿山充填管道弯管位置处和管径变化位置处的无线传感器节点为基准对无线传感器网络中多个无线传感器节点进行分簇，避免管道结构变化给无线传感器网络通信带来的干扰，再根据一簇无线传感器节点数量阈值对长直管道中剩余无线传感器节点进行分簇，构建多个依次连续的簇，且相邻的两簇之间无共用的无线传感器节点，避免信号的频繁重复发送带来的能量损耗。
步骤三、簇内簇头节点选举：在构建的多个依次连续的簇内对每簇进行簇内簇头节点选举；簇内簇头节点选举过程中，每簇的簇内簇头节点选举方法均相同；
对任一簇的簇内簇头节点选举时，过程如下：
步骤301、根据公式
Figure GDA0002959969560000061
计算第M簇内第i个无线传感器节点的门限阈值
Figure GDA0002959969560000062
其中，p为期望簇头节点个数在本簇中所占的比例，r为当前轮数，mod为求余符号，(·)mod(·)为两数求余运算，AMi为第M簇内第i个无线传感器节点，G为在最近一轮中没有当选簇头节点的无线传感器节点集合，M为簇的编号且M＝1,2，…，m，m为簇的总数，i为簇内无线传感器节点的编号且i＝1,2，…，a，a为簇内无线传感器节点的总数；
本实施例中，所述随机数
Figure GDA0002959969560000071
的取值范围为[0,1)。
步骤302、根据公式
Figure GDA0002959969560000072
筛选簇内候选簇头节点，其中，
Figure GDA0002959969560000073
为第M簇内第i个无线传感器节点产生的一个随机数，当
Figure GDA0002959969560000074
时，该无线传感器节点为簇内候选簇头节点；否则该无线传感器节点为非簇头节点；
步骤303、对步骤302筛选出的簇内候选簇头节点的剩余能量
Figure GDA0002959969560000075
进行排序，剩余能量最多的无线传感器节点被当选为新的簇头节点，其中，
Figure GDA0002959969560000076
为第M簇内第i个无线传感器节点的初始化节点能量，
Figure GDA0002959969560000077
为第M簇内第i个无线传感器节点的消耗能量的叠加和；
需要说明的是，在选举簇头上，依然保持LEACH算法的选举方式，只是面向对象不是全部节点，而是在每组簇内分别选举，根据簇内无线传感器节点的位置和能量选举簇头节点，使得无线传感器节点的能量消耗均衡，耗能合理，避免所选出的簇头节点过于集中或者过于分散、簇内节点与簇头节点之间或者簇头节点与基站节点之间的传输能耗过大，增强无线传感器网络的生存周期，避免无线传感器网络过早瘫痪、造成节点能量的浪费。
本实施例中，步骤303中，当无线传感器节点为簇头节点，且簇头节点接收本簇内其他非簇头节点数据，并进行数据融合时，该簇头节点所消耗的消耗能量ER-Head＝(a-1)kEelec+akEda，其中，Eelec为发射与接收每bit数据所消耗的能量，k为发射或接收数据的bit数，Eda为融合1bit数据所消耗的能量；
当无线传感器节点为簇头节点，且簇头节点向上一簇的簇头节点发送数据时，该簇头节点所消耗的消耗能量
Figure GDA0002959969560000078
其中，D为数据传输距离，d0为门限距离且
Figure GDA0002959969560000079
εfs为无线传感器节点发射端的自由空间模型功耗能耗，εmp为无线传感器节点发射端的多径衰减模型功耗能耗；
当无线传感器节点为非簇头节点，且非簇头节点向簇头节点发送数据时，该非簇头节点所消耗的消耗能量
Figure GDA0002959969560000081
当无线传感器节点为非簇头节点，且非簇头节点接收簇头节点传输数据时，该非簇头节点所消耗的消耗能量ER-node＝kEelec；
第M簇内第i个无线传感器节点的消耗能量
Figure GDA0002959969560000082
为该无线传感器节点在不同轮数下不同节点类型下消耗能量的叠加和。
步骤四、簇头节点以多跳传输方式将数据传输至基站：在每簇内，选举的簇头节点以广播的形式向其余无线传感器节点发送数据信息，下一簇的簇头节点接收到上一簇的簇头节点的数据信息后，会将其加入该簇头节点信息集合，各个簇的簇头节点以多跳传输的方式将各无线传感器节点数据传输至基站。
如图2所示，本发明使用时，随着仿真轮数的增加，整个无线传感网络的能量消耗变化可以看出，任取一个时间点，LEACH协议在网络能量消耗上都明显高于本申请对应的网络能量消耗，表明LEACH协议在网络能量消耗较多，这是因为数据通信消耗的能量大，而本实施例在未出现死亡节点之前，其能量消耗呈线性稳定增加，较好地均衡了节点的能耗。
如图3所示，从整个无线传感网络的节点存活数变化曲线中可以看出，本实施例中第一个死亡节点时间显著延迟，这主要是本申请考虑到节点位置与剩余能量，可以有效的减少节点的能量消耗，减少簇头负载，使整个网络生存周期延长，从图3中可以看出，在220轮左右，无线传感器网络使用LEACH协议已经出现了节点死亡，而本申请采用的方式在900轮左右才开始出现节点死亡现象，说明本申请对应的方法使无线传感器网络生存周期明显高于现有无线传感器网络使用LEACH协议对应的生存周期，适合矿下工况环境条件使用，具有可实施性。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (4)

1.一种适用于线型无线传感器网络的节点节能方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、构建线型无线传感器网络：在矿山充填管道弯管位置处和管径变化位置处均安装无线传感器节点，沿矿山充填长直管道长度延伸方向布设安装多个无线传感器节点，矿山充填管道弯管位置处和管径变化位置处的无线传感器节点和矿山充填长直管道中的多个无线传感器节点共同构成线型无线传感器网络；
步骤二、无线传感器网络中多个无线传感器节点的分簇：设置一簇无线传感器节点数量阈值，先以矿山充填管道弯管位置处和管径变化位置处的无线传感器节点为基准对无线传感器网络中多个无线传感器节点进行分簇，位于矿山充填管道弯管位置处或管径变化位置处的簇包含相邻的两长直管道中的若干无线传感器节点，再根据一簇无线传感器节点数量阈值对长直管道中剩余无线传感器节点进行分簇，构建多个依次连续的簇，且相邻的两簇之间无共用的无线传感器节点；
步骤三、簇内簇头节点选举：在构建的多个依次连续的簇内对每簇进行簇内簇头节点选举；簇内簇头节点选举过程中，每簇的簇内簇头节点选举方法均相同；
对任一簇的簇内簇头节点选举时，过程如下：
步骤301、根据公式
Figure FDA0002959969550000011
计算第M簇内第i个无线传感器节点的门限阈值
Figure FDA0002959969550000012
其中，p为期望簇头节点个数在本簇中所占的比例，r为当前轮数，mod为求余符号，(·)mod(·)为两数求余运算，AMi为第M簇内第i个无线传感器节点，G为在最近一轮中没有当选簇头节点的无线传感器节点集合，M为簇的编号且M＝1,2，…，m，m为簇的总数，i为簇内无线传感器节点的编号且i＝1,2，…，a，a为簇内无线传感器节点的总数；
步骤302、根据公式
Figure FDA0002959969550000021
筛选簇内候选簇头节点，其中，
Figure FDA0002959969550000022
为第M簇内第i个无线传感器节点产生的一个随机数，当
Figure FDA0002959969550000023
时，该无线传感器节点为簇内候选簇头节点；否则该无线传感器节点为非簇头节点；
步骤303、对步骤302筛选出的簇内候选簇头节点的剩余能量
Figure FDA0002959969550000024
进行排序，剩余能量最多的无线传感器节点被当选为新的簇头节点，其中，
Figure FDA0002959969550000025
Figure FDA0002959969550000026
为第M簇内第i个无线传感器节点的初始化节点能量，
Figure FDA0002959969550000027
为第M簇内第i个无线传感器节点的消耗能量的叠加和；
步骤四、簇头节点以多跳传输方式将数据传输至基站：在每簇内，选举的簇头节点以广播的形式向其余无线传感器节点发送数据信息，下一簇的簇头节点接收到上一簇的簇头节点的数据信息后，会将其加入该簇头节点信息集合，各个簇的簇头节点以多跳传输的方式将各无线传感器节点数据传输至基站。
2.按照权利要求1所述的一种适用于线型无线传感器网络的节点节能方法，其特征在于：所述无线传感器节点为ERT无线传感器节点，所述ERT无线传感器节点中无线收发模块为LoRa无线通信模块。
3.按照权利要求1所述的一种适用于线型无线传感器网络的节点节能方法，其特征在于：所述随机数
Figure FDA0002959969550000028
的取值范围为[0,1)。
4.按照权利要求1所述的一种适用于线型无线传感器网络的节点节能方法，其特征在于：步骤303中，当无线传感器节点为簇头节点，且簇头节点接收本簇内其他非簇头节点数据，并进行数据融合时，该簇头节点所消耗的消耗能量ER-Head＝(a-1)kEelec+akEda，其中，Eelec为发射与接收每bit数据所消耗的能量，k为发射或接收数据的bit数，Eda为融合1bit数据所消耗的能量；
当无线传感器节点为簇头节点，且簇头节点向上一簇的簇头节点发送数据时，该簇头节点所消耗的消耗能量
Figure FDA0002959969550000031
其中，D为数据传输距离，d0为门限距离且
Figure FDA0002959969550000032
εfs为无线传感器节点发射端的自由空间模型功耗能耗，εmp为无线传感器节点发射端的多径衰减模型功耗能耗；
当无线传感器节点为非簇头节点，且非簇头节点向簇头节点发送数据时，该非簇头节点所消耗的消耗能量
Figure FDA0002959969550000033
当无线传感器节点为非簇头节点，且非簇头节点接收簇头节点传输数据时，该非簇头节点所消耗的消耗能量ER-node＝kEelec；
第M簇内第i个无线传感器节点的消耗能量
Figure FDA0002959969550000034
为该无线传感器节点在不同轮数下不同节点类型下消耗能量的叠加和。
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