CN112218257A - 一种无线传感器网络监测系统的路由方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无线传感器网络监测系统的路由方法，包括如下步骤：根据最优簇头公式，得到最优簇头数，根据最优簇头数进行网络区域划分；在划分的每个区域里选举簇头；根据选举的簇头，通过分簇算法进行分簇建立簇群；簇头收集融合普通节点的数据进行簇间多跳通信，寻找耗能最短路径通过多跳方式将信息发送给汇聚节点。本发明通过划分区域，综合节点的剩余能量、与汇聚节点的距离因素创新设计出一种新型方法来进行分簇，并考量簇头节点如何通信消耗最少能量决定通信路径，解决了传统路由协议不适用于特殊形状网络的问题，从而能够更好的满足特殊场景的需要，降低网络能耗，延长网络生命周期。

Description

一种无线传感器网络监测系统的路由方法
技术领域
本发明属于无线传感器网络技术领域，具体涉及一种无线传感器网络监测系统的路由方法。
背景技术
无线传感器网络(WSN)是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，目的是协作地探测、处理和传输网络覆盖区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。无线传感器网络具有自组织性、以数据为中心、网络规模大以及可靠性强等特点，因此能够广泛用于军事，环境监测，智能家居，智慧城市等方面。由于无线传感器网络是一种无基础设施的网络，一般由电池供电的传感器节点构成，电池不便补充，因此网络的生存周期受到节点能量的限制。如何降低网络能耗延长网络寿命便成为无线传感器网络研究的热点。
WSN路由协议是一套将数据从源节点传输到目的节点的机制。优良的路由协议能够有效的降低节点能量的消耗，因此高效节能的WSN路由协议的设计是无线传感器网络技术的重要课题。网络特点是路由协议设计的依据，针对不同的网络特点需要设计不同的路由协议，大部分传统的路由协议适用规则的网络形状，而在特殊形状的网络下使用效果并不是太好。现实生活中，有许多场景并非规则的，如需要对海岸带的水质、水温、土质等参数进行监测，对江河堤防的渗水情况、堤身压力、江河水位等参数进行监测等，像海岸带以及江河堤防这一类的场景呈现狭长的带状，传统的无线传感器网络路由协议不太适用。
所以，需要一个新的技术方案来解决这个问题。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，提供一种无线传感器网络监测系统的路由方法，其分析狭长特点的网络，设计出一套路由方法，能够更好的满足该特殊场景的需要，降低网络能耗，延长网络生命周期。
技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种无线传感器网络监测系统的路由方法，包括如下步骤：
S1：根据最优簇头公式，得到最优簇头数，根据最优簇头数进行网络区域划分；
S2：在划分的每个区域里选举簇头；
S3：根据选举的簇头，通过分簇算法进行分簇建立簇群；
S4：簇头收集融合普通节点的数据进行簇间多跳通信，寻找耗能最短路径通过多跳方式将信息发送给汇聚节点。
进一步的，所述步骤S1中最优簇头公式为：
Figure BDA0002655282640000021
其中，其中n为网络中节点的个数，
Figure BDA0002655282640000022
是自由空间模型下的放大器能耗，εmp为多路衰减模型下的放大器能耗，M*N为整个网络区域的面积，
Figure BDA0002655282640000023
为簇头节点到sink节点的平均距离。
进一步的，所述步骤S2中簇头的选举过程为：
A1：第一轮在每一个区域内随机选择一个节点作为首簇头，该簇头在接受其他节点的数据时会记录它们的ID以及剩余能量，为下一轮的簇头选举作准备；
A2：在下一轮开始时，上一轮的簇头节点通过记录的剩余能量以及ID宣布剩余能量最多的节点成为该轮的簇头节点。
进一步的，所述步骤S3中分簇的具体流程为：
B1：将之前划分好的区域从左到右编号，每个区域内的簇头也进行对应的编号，簇头从左到右进行编号Ci(i＝1，2...k)，区域左右边界线分别为L0、Lk；
B2：对于簇头Ci，其右边的簇头为Ci+1，通过节点间的相互感知得到Ci、Ci+1到sink节点的距离分别为di、di+1，Ci与Ci+1之间的距离Di，则分别以Ci、Ci+1为圆心，Ri、Ri+1为半径作两个相切圆；
B3：作两个相切圆的公切线，记为簇线Li，最终簇线Li与簇线Li-1之间形成的区域即为i号簇群；
B4：最终形成K个簇群，并且簇群规模与簇头到汇聚节点的距离远近成正比。
进一步的，所述步骤B2中两个相切圆的表达式如下：
Figure BDA0002655282640000024
有益效果：本发明与现有技术相比，针对狭长区域的特点进行发明创新，通过划分区域，综合节点的剩余能量、与汇聚节点(sink节点)的距离因素创新设计出一种新型方法来进行分簇，并考量簇头节点如何通信消耗最少能量决定通信路径，最终完成一种针对狭长网络的无线传感器网络监测系统的路由方法，解决了传统路由协议不适用于特殊形状网络的问题，从而能够更好的满足特殊场景的需要，降低网络能耗，延长网络生命周期。
附图说明
图1为狭长网络模型图；
图2为无线电能量损耗模型图；
图3为簇头的选举流程图；
图4为分簇算法流程图；
图5为本发明的路由方法流程图；
图6为簇头选举示意图；
图7为簇群的建立示意图；
图8为簇头与sink节点通信路径示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
本实施例中需要利用无线传感器网络对一处500m*10m的狭长场景进行网络的布置，部署完传感器节点后，节点自组织形成网络，sink节点的位置在场景的中下方，具体如图1所示。
本实施例中将本发明提供的一种无线传感器网络监测系统的路由方法应用于图1所示的网络，如图5所示，其具体过程如下：
S1：根据最优簇头公式，得到最优簇头数范围，并通过仿真得到最优簇头数K，根据最优簇头数K进行网络区域划分：
最优簇头公式为：
Figure BDA0002655282640000031
其中，其中n为网络中节点的个数，
Figure BDA0002655282640000032
是自由空间模型下的放大器能耗，εmp为多路衰减模型下的放大器能耗，M*N为整个网络区域的面积，
Figure BDA0002655282640000033
为簇头节点到sink节点的平均距离。
本实施例中最优簇头数K＝5，将网络区域竖向均等划分为5个区域，具体如图6所示。
S2：在划分的每个区域里选举簇头，如图3所示，选举簇头的过程如下：
A1：第一轮在每一个区域内随机选择一个节点作为首簇头，该簇头在接受其他节点的数据时会记录它们的ID以及剩余能量，为下一轮的簇头选举作准备；
A2：在下一轮开始时，上一轮的簇头节点通过记录的剩余能量以及ID宣布剩余能量最多的节点成为该轮的簇头节点。
S3：根据选举的簇头，通过分簇算法进行分簇建立簇群，如图4所示，分簇的过程如下：
B1：将之前划分好的区域从左到右编号，每个区域内的簇头也进行对应的编号，簇头从左到右进行编号Ci(i＝1，2...k)，区域左右边界线分别为L0、Lk；
B2：首先选中簇头C1，以及其右边的相邻簇头C2，分别得到C1、C2到sink节点的距离d1、d2，以及C1到C2的距离D1，分别以C1、C2为圆心，R1、R2为半径作相切圆，其中：
Figure BDA0002655282640000041
相切圆的公切线即为簇线L1，则簇线L1与L0之间的区域为簇1。同理，选择C2，求C2和C3的簇线L2，簇线L2与L1之间的区域为簇2，簇线L3与L2之间的区域为簇3，簇线L4与L3之间的区域为簇4，簇5的区域直接由簇线L4和L5构成，最终完成簇的建立，建立的簇群具体如图7所示；
本实施例中最终形成5个簇群，并且簇群规模与簇头到汇聚节点的距离远近成正比。
S4：簇建立完成后，簇头收集融合普通节点的数据进行簇间多跳通信,多跳的路径可由弗洛伊德算法选择耗能最小的路径：
首先计算所有相邻簇头之间以及与汇聚节点之间传输数据的能耗，将其记录为节点间的能量距离，然后使用最短路径算法弗洛伊德算法得到能量消耗最小的簇头与汇聚节点的通信路由，并记录该路由，最终簇头根据该路由实现与汇聚节点的通信。
如图7所示，本实施例中假定求簇头C1到sink节点的传输路径，由弗洛伊德算法得到C1→C2→G3→sink节点的路径为最少耗能路径，其耗能要比C1→sink节点直接通信少，因此簇头与汇聚节点直接采用最少能耗通信路径C1→C2→C3→sink节点进行数据的传输。
最终整个路由方法的一轮完成，簇头与sink节点通信路径具体如图8所示。
基于上述方法，本实施例中针对上述狭长场景网络对方案进行分析：
本发明设计的路由协议属于层次性路由协议，层次性路由协议的显著特点就是对网络进行分簇，簇内分为簇头节点和普通节点，簇头节点负责整个簇内的数据融合和转发。
分簇过程中可能会出现如下问题：
首先对于狭长场景进行分析，由于场景延伸较长的特性，边缘的簇头节点会距离sink节点较远。根据图2的能量模型，可以得到传感器节点发送L比特节点到d距离出消耗的能量ETX(L，D)为：
Figure BDA0002655282640000051
其中Eelec表示无线收发1bit数据消耗的能量，
Figure BDA0002655282640000052
是自由空间模型下的放大器能耗，εmp为多路衰减模型下的放大器能耗，
Figure BDA0002655282640000053
为通信模型距离阈值。由公式可以看出当通信距离d在d0之内时，节点能量消耗与通信距离的平方成正比；当通信距离大于等于d0时，节点能量消耗与通信距离的四次方成正比。
由以上分析可以得到，远离sink节点的簇头节点能量会消耗过快，进而导致网络寿命减少。针对该状况，本发明的解决方案是不采用簇头直接与sink节点通信的方式，而采用簇间多跳的数据传输方式，即簇头先与靠近sink节点的簇头通信，然后再通过较近的簇头传输数据给sink节点。
但是采用簇间多跳传输方式又会存在以下问题：将靠近sink节点的簇头叫做近簇头，远离sink节点的叫远簇头。近簇头会多次承担接收发送的任务从而导致能量消耗较快，而远簇头作为中间传输点的机会要远小于近簇头，针对该问题本发明选择的方法是不均匀分簇。簇群的规模正比于簇头到sink节点的距离，使近簇头所在簇群规模小，远簇头所在簇群规模大，从而通过减小近簇头点的规模减少其能耗，均衡其收发其他簇头数据的能耗。

Claims (5)

1.一种无线传感器网络监测系统的路由方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：根据最优簇头公式，得到最优簇头数，根据最优簇头数进行网络区域划分；
S2：在划分的每个区域里选举簇头；
S3：根据选举的簇头，通过分簇算法进行分簇建立簇群；
S4：簇头收集融合普通节点的数据进行簇间多跳通信，寻找耗能最短路径通过多跳方式将信息发送给汇聚节点。
2.根据权利要求1所述的一种无线传感器网络监测系统的路由方法，其特征在于：所述步骤S1中最优簇头公式为：
Figure FDA0002655282630000011
其中，其中n为网络中节点的个数，εfs是自由空间模型下的放大器能耗，εmp为多路衰减模型下的放大器能耗，M*N为整个网络区域的面积，
Figure FDA0002655282630000012
为簇头节点到sink节点的平均距离。
3.根据权利要求1所述的一种无线传感器网络监测系统的路由方法，其特征在于：所述步骤S2中簇头的选举过程为：
A1：第一轮在每一个区域内随机选择一个节点作为首簇头，该簇头在接受其他节点的数据时会记录它们的ID以及剩余能量，为下一轮的簇头选举作准备；
A2：在下一轮开始时，上一轮的簇头节点通过记录的剩余能量以及ID宣布剩余能量最多的节点成为该轮的簇头节点。
4.根据权利要求1所述的一种无线传感器网络监测系统的路由方法，其特征在于：所述步骤S3中分簇的具体流程为：
B1：将之前划分好的区域从左到右编号，每个区域内的簇头也进行对应的编号，簇头从左到右进行编号Ci(i＝1，2...k)，区域左右边界线分别为LO、Lk；
B2：对于簇头Ci，其右边的簇头为Ci+1，通过节点间的相互感知得到Ci、Ci+1到sink节点的距离分别为di、di+1，Ci与Ci+1之间的距离Di，则分别以Ci、Ci+1为圆心，Ri、Ri+1为半径作两个相切圆；
B3：作两个相切圆的公切线，记为簇线Li，最终簇线Li与簇线Li-1之间形成的区域即为i号簇群；
B4：最终形成K个簇群，并且簇群规模与簇头到汇聚节点的距离远近成正比。
5.根据权利要求4所述的一种无线传感器网络监测系统的路由方法，其特征在于：所述步骤B2中两个相切圆的表达式如下：
Figure FDA0002655282630000021
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