CN113347680A - 基于ZigBee的群集树形无线传感器网络的节能路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于ZigBee的群集树形无线传感器网络的节能路由方法，属于通信网络技术领域，以ZigBee规范定义的网络层与应用程序层同IEEE802.15.4规范定义的物理层和数据链路层为基础，新提出的节能路由方法将整个群集网络按照各节点的功率等级划分成不同的子群集组，子群集组网的工作方式和整个大的群集网络相同。新的划分令整个传感器网络在显著地降低功耗，从而大大延长网络的使用寿命，充分提高无线传感器网络(WSN)的能量利用率。为不需要高传输速率的应用场景提供切实可行的选择，如农业监管、农业医疗、公园智能家居领域。

Description

基于ZigBee的群集树形无线传感器网络的节能路由方法

技术领域

本发明属于通信网络技术领域，具体涉及基于ZigBee的群集树形无线传感器网络的节能路由方法。

背景技术

无线传感器网络(WSN)是无线网络的一种类型，其由称为传感器节点的网络集合而成。每个节点通过直接或与其他节点的相互通信与网络中的一个或多个传感器相关联。群集状结构是近年来日益受到重视的重要结构之一。WSN的拓扑结构可以是星形网络或者多跳无线网状拓扑。WSN的各个节点的成本将会影响到整个网络的能量限制、通信带宽、内存以及传感器节点的计算速度。

目前，因为WSN的节点依赖有限的电池电量，如何降低能耗成为无线传感器网络中亟待解决的问题。若进行低功耗传输将对网络的连续性产生影响，而高功率传输将会缩短节点及网络的使用寿命。为最小化功耗和最大化WSN网络寿命，一些方案提出将临时网络中功耗降至最低的权衡优化方案，即通过对能量负载进行改善以及减少流量传播的平衡下实现优化；也有方案提出基于传感器状态的群集传感器网络最佳方案，即将整个能耗问题视为一个完整线性编程模型，采用基于人工智能提出的禁忌搜索算法(Tabu Search)来缩短计算时间，辅以固定树松弛和迭代分布式算法来解决功率分配问题。但上述方案有明显的缺点，即只适用于大规模网络中的某些传感器网络应用。

为了改善性能以及延长WSN的使用寿命，无线传感器网络采用了ZigBee与IEEE802.15.4标准。ZigBee规范规定了将采用一种利用信标的树形结构拓扑来定义IEEE802.15.4网络的一个实例。网络层与应用程序层仍由ZigBee规范定义，而物理层和数据链路层则由IEEE802.15.4标准规定。ZigBee与IEEE802.15.4标准因其低成本和低功耗而非常适用于WSN。但根据实际情况的使用，仍存在一些问题：

(1)ZigBee规范不能为节点提供任何节能机制，这将令由电池供电的ZigBee网络寿命降至几天之内；

(2)无线传感器网络中多个节点处于活跃状态时，路由算法无法精确求出时间比例，会发生回撤现象。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供基于ZigBee的群集树形无线传感器网络的新型节能路由方法；在适当的应用领域，新的算法以较低传输速率运行整个WSN，提高整个WSN的性能，更好地提高WSN的能量利用率，同时扩展ZigBee的可用性，提升ZigBee通讯技术的应用优势。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于ZigBee的群集树形无线传感器网络的节能路由方法，包括以下步骤：

步骤1：计算此群集组中各个节点的功率等级Pi，i＝1,2,3……n，并对其进行测量，然后将整个网络划分为数个子群集组Tj，j＝1,2,3……m，其中n代表所有节点的个数，m代表所有子群集组的个数；

步骤2：对所有节点的功率等级Pi进行排序；

步骤3：寻找出每个子群集组Tj中最大的功率等级Pj，j＝1,2,3……m，Pj对应的节点作为Tj中的代表，称其为子群集组中的代理agent。

进一步地，所述的步骤2中，具体为：找出整个网络中功率等级的最大值记为Pmax，将Pmax代表的节点作为整个网络功率中最大的节点，并将其记为群集头head。

进一步地，所述的步骤1中，划分的数个子群集组，将数据处理的方式改变，使整个群集组的功率降至最低。

进一步地，所述的步骤1中，包括如下步骤：

步骤1)各个子群集组Tj中的agent从本子群集组Tj中其他节点处接收数据，并将数据传送到整个群集组的head；

步骤2)整个群集组的head从各个agent处接收数据，并将数据传送到基站BS处进行处理。

进一步地，所述的将数据传送到基站BS处进行处理，具体包括以下几个步骤：

步骤1)数据发送到BS之后，检查整个群集组head与各子群集组Tj的agent的电源等级，以此判定head和各agent所代表的节点是否仍具有峰值功率级别；

步骤2)若各节点的峰值功率级别关系不变，则依旧作为群集组的head及各子群集组Tj的agent；若节点不满足阈值要求，则此节点成为无用节点，并选择一个新的代理节点，重新返回到权利要求1的步骤3处再次执行整个过程。

工作原理：本方法是通过处理任一子群集组节点成员与最接近子群集组边界的代理的方法来最小化内部传输距离；并且通过agent与head之间的数据连接来处理整体数据，实现通过网络传输数据包数量的最小化。两者相互结合，在降低了传输速率的同时保证了整个系统网络的可持续性利用，提高了能量利用效率。

有益效果：与现有技术相比，本发明的基于ZigBee的群集树形无线传感器网络的新型节能路由方法，能够为应用的WSN降低传输速率以及使用能耗，并且提升整体WSN的使用寿命，在传统的群集方法中，每个子群集组将同时从子群集组中的集群成员直接向head发送数据包，因此，获取数据的功率总和等于每个节点的能量总和。在提出的新方法中，head从agent处接收数据包，因此，获取数据的功率等于各个agent发送到head的总功率。本发明大大降低整个群集网络的能量消耗，从而有效延长整个网络的使用寿命。

附图说明

图1是基于ZigBee的群集树形无线传感器网络的节能路由方法流程图；

图2是基于ZigBee的群集树形无线传感器网络的节能路由方法数据流图；

图3是功耗对比图；

图4是数据包传递率对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。

基于ZigBee的群集树形无线传感器网络的节能路由方法，包括以下步骤：

步骤1：计算此群集组中各个节点的功率等级Pi，i＝1,2,3……n，并对其进行测量，然后将整个网络划分为数个子群集组Tj，j＝1,2,3……m，其中n代表所有节点的个数，m代表所有子群集组的个数；

步骤2：对所有节点的功率等级Pi进行排序；

步骤3：寻找出每个子群集组Tj中最大的功率等级Pj，j＝1,2,3……m，Pj对应的节点作为Tj中的代表，称其为子群集组中的代理agent。

步骤2中，具体为：找出整个网络中功率等级的最大值记为Pmax，将Pmax代表的节点作为整个网络功率中最大的节点，并将其记为群集头head。

步骤1中，划分的数个子群集组，将数据处理的方式改变，使整个群集组的功率降至最低。

步骤1中，包括如下步骤：

步骤1)各个子群集组Tj中的agent从本子群集组Tj中其他节点处接收数据，并将数据传送到整个群集组的head；

步骤2)整个群集组的head从各个agent处接收数据，并将数据传送到基站BS处进行处理。

将数据传送到基站BS处进行处理，具体包括以下几个步骤：

步骤1)数据发送到BS之后，检查整个群集组head与各子群集组Tj的agent的电源等级，以此判定head和各agent所代表的节点是否仍具有峰值功率级别；

步骤2)若各节点的峰值功率级别关系不变，则依旧作为群集组的head及各子群集组Tj的agent；若节点不满足阈值要求，则此节点成为无用节点，并选择一个新的代理节点，重新返回到权利要求1的步骤3处再次执行整个过程。

实施例

如图1所示，展示了所提出算法的流程图

采用本路由算法的具体步骤为：

(1)假定暂存最大功率等级变量Pt＝0，此时的Pt用来存储之后的节点功率等级信息；

(2)测量目标节点的功率等级Pi，若Pi≥Pt，则令Pt＝Pi，此处是为了保证测量的节点功率能够进入下一轮的比较；

(3)若测量到的节点功率Pi大于等于已经测量到的最大节点功率Pmax，则将Pi定为整个群集组中的head。它的主要功能是从已经划分好的子群集组中收集数据并将数据传送到基站进行处理；

(4)若测量到的节点功率Pi小于已知的最大节点功率Pmax，且小于能够成为agent的阈值功率，那么此节点便作为无用节点抛弃，仅作为一个子群集组中的成员将数据传输到所在子群集组中的agent；

(5)若测量到的节点功率Pi小于已知最大节点功率Pmax，但不小于能够成为agent的阈值，那么此节点便可以作为此子群集组中的agent，其主要功能是从所在子群集组中的其他成员处接收数据并将数据传输到整个群集组的head处；

(6)上述是整个群集组节点功率检测的一次循环，整个传输过程将持续这样的循环，从步骤(1)处开始，避免整个集群组中初始head和agent因电源不足而无法传输节点的数据的情况发生。

图2是提出的节能路由方法的数据流图，如图2可以观察到属于同一个群集界内的群集组成员，各自将自己需要传输的数据流传送到所在次要群集组的agent，然后各个agent将各自需要传输的数据流传送到主要群集组的head，最终由整个群集组的head同外界的数据塔进行数据传输，图中仅展示了一个主要群集组的数据流向。

如图3与图4分别是传统集群方法与新提出的算法在不同时隙以及信标量的功耗对比图与数据包传输率对比图，图3所示可知，相同时隙及信标量条件下，本发明提出的路由算法均比传统的集群方法消耗更低的功率，就可以间接延长网络的使用寿命。根据图4，在相同时隙及信标量条件下，本发明提出的算法数据包传输率比传统方法略微下降，这是由于数据包在达到整个群集组的head之前，需要通过包含一系列群集节点的多个路径，出现略微延迟，不适用与实时要求极高的应用场合。

以上的方法表明，采用此路由算法的无线传感器网络，在能耗方面比传统的方法多倍的效率，使得整个网络寿命得到大大提升，即间接降低网络的部署成本。

Claims (5)

1.基于ZigBee的群集树形无线传感器网络的节能路由方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：计算此群集组中各个节点的功率等级Pi，i＝1,2,3……n，并对其进行测量，然后将整个网络划分为数个子群集组Tj，j＝1,2,3……m，其中n代表所有节点的个数，m代表所有子群集组的个数；

步骤2：对所有节点的功率等级Pi进行排序；

步骤3：寻找出每个子群集组Tj中最大的功率等级Pj，j＝1,2,3……m，Pj对应的节点作为Tj中的代表，称其为子群集组中的代理agent。

2.根据权利要求1所述的基于ZigBee的群集树形无线传感器网络的节能路由方法，其特征在于，所述的步骤2中，具体为：找出整个网络中功率等级的最大值记为Pmax，将Pmax代表的节点作为整个网络功率中最大的节点，并将其记为群集头head。

3.根据权利要求1所述的基于ZigBee的群集树形无线传感器网络的节能路由方法，其特征在于，所述的步骤1中，划分的数个子群集组，将数据处理的方式改变，使整个群集组的功率降至最低。

4.根据权利要求2所述的基于ZigBee的群集树形无线传感器网络的节能路由方法，其特征在于，所述的步骤1中，包括如下步骤：

步骤1)各个子群集组Tj中的agent从本子群集组Tj中其他节点处接收数据，并将数据传送到整个群集组的head；

步骤2)整个群集组的head从各个agent处接收数据，并将数据传送到基站BS处进行处理。

5.根据权利要求4中所述的基于ZigBee的群集树形无线传感器网络的节能路由方法，其特征在于，所述的将数据传送到基站BS处进行处理，具体包括以下几个步骤：

步骤1)数据发送到BS之后，检查整个群集组head与各子群集组Tj的agent的电源等级，以此判定head和各agent所代表的节点是否仍具有峰值功率级别；

步骤2)若各节点的峰值功率级别关系不变，则依旧作为群集组的head及各子群集组Tj的agent；若节点不满足阈值要求，则此节点成为无用节点，并选择一个新的代理节点，重新返回到权利要求1的步骤3处再次执行整个过程。

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