CN116489741B - 一种无线传感网络跨层节能方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种无线传感网络跨层节能方法及系统，该方法通过将汇聚节点和无线传感节点进行分簇，并采用能量基尼系数来控制簇头选举的过程，优化了簇头选取策略和轮换机制，实现簇内能量的消耗平衡，在确定目标簇头后，控制各分簇中的除目标簇头外的其它子节点按照簇内队列协议向目标簇头传输数据，可以有效减少簇内通信的碰撞和数据延迟。
Description
技术领域
本发明属于无线网络传感的技术领域，具体涉及一种无线传感网络跨层节能方法及系统。
背景技术
无线传感网络是由成千上万的微型且廉价的传感器组成的一种新型的自组织网络。一般情况下，它们被密集地布置在危险或者人迹罕至的地方，通过传感器之间相互紧密的合作去收集有用的数据。近些年来，无线传感网络被广泛的应用于环境监控、目标跟踪和安全防卫等方面。传感器一旦布置便很难再重新充能，所以当传感器消耗完能量后，无线传感网络的结构便被破坏，无法再进行数据的收集。因此，近年来越来越多的研究注重于能量效率的提升和网络周期的延长。
目前，分簇策略和MAC协议被广泛地应用于提升无线传感网络的能量效率和生命周期。在分簇策略中，无线传感网络被划分为几个不同的簇，每个簇由一个簇头和相应的簇成员组成。簇头接收并整合簇成员发送的数据，减少冗余数据的能量消耗，从而减少总的能量消耗，有效的延长网络的生命周期。MAC协议主要作用于无线传感网络的MAC层，尽量确保节点在通信过程中不会受到其它节点的干扰，协调共享的介质，有效的在节点的空闲监听、串音、数据碰撞及数据延迟等方面，提升网络的能量效率。
但是，分簇策略和MAC协议并非完美无缺。分簇策略的缺陷之一在于能量不均衡，对于离簇头较近的簇成员相比，远离簇头的簇成员需要更多的能量将数据传输给簇头。因此，无线传感网络的能量会分布不均匀，网络会过早分割成多个部分，对于数据传输非常不利。为了解决此问题，传统的方法为通过不断的轮换簇头，平衡分簇内的能量分布。但是，现有的分簇算法在能效和性能方面还存在不足，并没有利用合适的簇头选取策略和轮换机制来平衡能耗。另外，MAC协议的缺陷在于，传统的MAC协议都是基于多跳通信方式设计的，在簇内单跳传输的方式中，并不适用。
发明内容
基于此，本发明实施例当中提供了一种无线传感网络跨层节能方法及系统，旨在解决现有技术中，无线传感网络中簇内能量消耗不平衡，且簇内通信的碰撞和数据延迟高的问题。
本发明实施例的第一方面提供了一种无线传感网络跨层节能方法，包括以下步骤：
步骤1，获取汇聚节点的第一地理坐标位置和无线传感节点的第二地理坐标位置，并根据所述第一地理坐标位置和所述第二地理坐标位置，将所述无线传感节点聚类分簇，得到各分簇，所述分簇由若干节点组成；
步骤2，根据能量消耗模型，分别计算各分簇中各节点作为簇头，运行预设轮次后，各分簇中各节点的预期剩余能量；
步骤3，根据所述预期剩余能量，计算各分簇中各节点作为簇头时的能量基尼系数，获取各分簇中所有所述能量基尼系数中的最小值对应的目标节点，并将所述目标节点确定为目标簇头；
步骤4，控制各分簇中的除所述目标簇头外的其它子节点按照簇内队列协议向所述目标簇头传输数据，所述目标簇头将所述数据整合后，发送给所述汇聚节点。
进一步的，所述步骤1中，首先获取所述汇聚节点的第一地理坐标位置，以所述第一地理坐标位置为圆心建立笛卡尔坐标系，并根据所述圆心确定所述无线传感节点的第二地理坐标位置。
进一步的，所述步骤3中，所述能量基尼系数的计算公式为：
其中，k表示所述预设轮次，n表示分簇的节点数量，表示经过预设轮次k后的节点g的能量基尼系数，/>表示节点g作为簇头时，簇成员节点a经过预设轮次k后的预期剩余能量，/>表示为节点i的累加预期剩余能量百分比，表示分簇的总预期剩余能量。
进一步的，所述步骤4具体包括如下子步骤：
步骤4.1，控制各分簇中的除所述目标簇头外的其它子节点进行周期性的侦听和睡眠操作，并判断在所述侦听操作期间，所述子节点是否检测到数据；
步骤4.2，当判断在所述侦听操作期间，所述子节点检测到数据时，则将发送广播消息通知相邻子节点，并在所述侦听操作结束后，将所述睡眠操作分为RFT子操作，AFTS子操作以及SLEEP子操作三个阶段；
步骤4.3，将所述子节点进行所述RFT子操作，其中，获取各所述子节点与所述目标簇头的距离，根据所述距离和预设距离范围，确定临时队头，并延迟预设时间后，控制非临时队头的子节点向所述临时队头发送QUEUE包进行组队，得到第一队列；
步骤4.4，将所述子节点进行所述RFT子操作，其中，将所述分簇中除所述第一队列以外的子节点确定为目标队头，并组成第二队列，控制所述目标队头向所述目标簇头发送AFT包，并向所述目标簇头申请所述第二队列中各目标队头的传输时隙；
步骤4.5，当所述目标簇头接收到所述AFT包时，所述目标簇头将所述SLEEP子操作的操作时间根据所述第二队列中各队列成员的数量划分为预设时隙，并发送ATS包将所述预设时隙通知各目标队头；
步骤4.6，将所述子节点进行所述SLEEP子操作，其中，控制各目标队头在预设时隙醒来，并将数据发送至所述目标簇头；
步骤4.7，当判断在所述侦听操作期间，所述子节点未检测到数据时，则在所述侦听操作结束后，进入睡眠状态。
进一步的，所述步骤4.3中，获取当前子节点在预设距离范围内的所有的邻居子节点，以及所有所述邻居子节点与所述目标簇头的目标距离，并确定最小的所述目标距离所对应的所述邻居子节点作为所述临时队头，其中，所述预设距离范围的计算公式为：
其中，表示节点i到所述目标簇头的距离，R表示所述预设距离范围。
进一步的，所述预设时间的计算公式为：
其中，表示为所述预设时间，/>表示为所述分簇中距离所述目标簇头最远的距离。
进一步的，所述步骤2中，所述预期剩余能量的计算公式为：
其中，表示为节点发送数据的能耗，/>表示为节点接收数据的能耗，/>表示为发送电路的能耗，/>表示为接收电路的能耗，/>和/>分别表示为传输放大电路的第一能耗系数和第二能耗系数，j表示为传输j-bit数据，/>表示为节点i的剩余能量，n表示分簇的节点数量，/>表示为节点i发送数据的能耗，/>表示为节点i作为簇头时的预期剩余能量，d表示为节点实际距离，d0表示为阈值距离，其中，/>。
本发明实施例的第二方面提供了一种无线传感网络跨层节能系统，所述系统包括：
获取模块，用于获取汇聚节点的第一地理坐标位置和无线传感节点的第二地理坐标位置，并根据所述第一地理坐标位置和所述第二地理坐标位置，将所述无线传感聚类分簇，得到各分簇，所述分簇由若干节点组成；
预期剩余能量计算模块，用于根据能量消耗模型，分别计算各分簇中各节点作为簇头，运行预设轮次后，各分簇中各节点的预期剩余能量；
能量基尼系数计算模块，用于根据所述预期剩余能量，计算各分簇中各节点作为簇头时的能量基尼系数，获取各分簇中所有所述能量基尼系数中的最小值对应的目标节点，并将所述目标节点确定为目标簇头；
数据传输模块，用于控制各分簇中的除所述目标簇头外的其它子节点按照簇内队列协议向所述目标簇头传输数据，所述目标簇头将所述数据整合后，发送给所述汇聚节点。
本发明实施例的第三方面提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如第一方面所述的无线传感网络跨层节能方法。
本发明实施例的第四方面提供了一种电子设备，其特征在于，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如第一方面所述的无线传感网络跨层节能方法。
本发明的有益效果为：该方法通过将汇聚节点和无线传感节点进行分簇，并采用能量基尼系数来控制簇头选举的过程，优化了簇头选取策略和轮换机制，实现簇内能量的消耗平衡，在确定目标簇头后，控制各分簇中的除目标簇头外的其它子节点按照簇内队列协议向目标簇头传输数据，可以有效减少簇内通信的碰撞和数据延迟。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的一种无线传感网络跨层节能方法的实现流程图；
图2为本发明实施例二提供的一种无线传感网络跨层节能系统的结构示意图；
图3为本发明实施例三提供的一种电子设备的示意图。
以下具体实施方式将结合上述附图进一步说明。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例一
请参阅图1，图1示出了本发明第一实施例提供的一种无线传感网络跨层节能方法的实现流程图，其中，所述方法具体包括步骤1至步骤4。
步骤1，获取汇聚节点的第一地理坐标位置和无线传感节点的第二地理坐标位置，并根据所述第一地理坐标位置和所述第二地理坐标位置，将所述无线传感节点聚类分簇，得到各分簇，所述分簇由若干节点组成。
其中，可将n个无线传感节点随机分散在M×M的矩形监控区域，汇聚节点远离监控区域，由于各无线传感节点和各汇聚节点的地理位置可以通过GPS获取，那么，首先获取汇聚节点的第一地理坐标位置，以第一地理坐标位置为圆心建立笛卡尔坐标系，并根据圆心确定无线传感节点的第二地理坐标位置，可以理解的，一个汇聚节点对应多个无线传感节点，即可将所有无线传感节点划分为C个簇，簇内和簇间均采用单跳传输模式，每个分簇可以表示为：
其中，CM1至CMn为簇成员，即无线传感节点。
步骤2，根据能量消耗模型，分别计算各分簇中各节点作为簇头，运行预设轮次后，各分簇中各节点的预期剩余能量。
由于每个分簇中的节点都有机会作为簇头，所以利用能量消耗模型，计算出每个节点作为簇头时运行预设轮次后的预期剩余能量，具体的，选定传感器能耗模型为自由空间模型，按如下公式计算传输 j-bit数据的能耗：
其中，表示为节点发送数据的能耗，/>表示为节点接收数据的能耗，/>表示为发送电路的能耗，/>表示为接收电路的能耗，/>和/>分别表示为传输放大电路的第一能耗系数和第二能耗系数，j表示为传输j-bit数据，d表示为节点实际距离，d0表示为阈值距离，其中，/>。
再根据能量消耗模型，节点i作为簇头时的预期剩余能量，即：
其中，表示为节点i的剩余能量，可通过采集得到，n表示分簇的节点数量，表示为节点i发送数据的能耗，/>表示为节点i作为簇头时的预期剩余能量。
步骤3，根据所述预期剩余能量，计算各分簇中各节点作为簇头时的能量基尼系数，获取各分簇中所有所述能量基尼系数中的最小值对应的目标节点，并将所述目标节点确定为目标簇头。
需要说明的是，能量基尼系数的计算公式为：
其中，k表示所述预设轮次，n表示分簇的节点数量，表示经过预设轮次k后的节点g的能量基尼系数，/>表示节点g作为簇头时，簇成员节点a经过预设轮次k后的预期剩余能量，/>表示为节点i的累加预期剩余能量百分比，表示分簇的总预期剩余能量。
可以理解的，在每个分簇可以得到一个能量基尼系数集合EGI，之后对比每个节点的能量基尼系数，选取拥有能量基尼系数最小值的节点作为簇头，能量基尼系数集合EGI可以表示为：
步骤4，控制各分簇中的除所述目标簇头外的其它子节点按照簇内队列协议向所述目标簇头传输数据，所述目标簇头将所述数据整合后，发送给所述汇聚节点。
在本实施例当中，步骤4具体包括如下子步骤：
步骤4.1，控制各分簇中的除目标簇头外的其它子节点进行周期性的侦听和睡眠操作，并判断在侦听操作期间，子节点是否检测到数据，即是否有数据进行传输。
步骤4.2，当判断在侦听操作期间，子节点检测到数据时，则将发送广播消息通知相邻子节点，并在侦听操作结束后，将睡眠操作分为RFT子操作，AFTS子操作以及SLEEP子操作三个阶段，并依次进行RFT子操作，AFTS子操作以及SLEEP子操作。
步骤4.3，将子节点进行RFT子操作，其中，获取各子节点与目标簇头的距离，根据距离和预设距离范围，确定临时队头，并延迟预设时间后，控制非临时队头的子节点向临时队头发送QUEUE包进行组队，得到第一队列，以第一队列的形式向目标簇头传输数据。
具体的，在子节点进行RFT子操作期间，各子节点会根据自己与目标簇头的距离，选择一个离目标簇头更近，且距离范围小于R的邻居节点作为自己的临时队头，预设距离范围的计算公式为：
其中，表示节点i到目标簇头的距离，R表示预设距离范围。
当临时队头确定以后，并延迟预设时间后，控制非临时队头的子节点向临时队头发送QUEUE包进行组队，得到第一队列，预设时间的计算公式为：
其中，表示为预设时间，/>表示为分簇中距离目标簇头最远的距离，另外，预设时间的计算公式中的“1ms”可以理解为额外的延时时间，因为进行了round运算，所以加入1ms进行补充，在其它一些可选实施例当中，1ms可以变更为2ms、3ms或者其它一些时间，但在本实施例当中，为了尽可能的减少延时时间，在此设置为1ms。
另外，QUEUE包中包含有发送节点地址、接收节点地址以及发送节点的队列成员ID，其中，该发送节点地址为非临时队头的子节点的地址，该接收节点地址为临时队头的地址，该队列成员ID即为非临时队头的子节点的ID。
步骤4.4，将子节点进行RFT子操作，其中，将分簇中除第一队列以外的子节点确定为目标队头，并组成第二队列，控制目标队头向目标簇头发送AFT包，并向目标簇头申请第二队列中各目标队头的传输时隙。
其中，第二队列中包含若干目标队头，由该目标队头向目标簇头发送AFT包，该AFT包中包括发送者地址、接收者地址以及队列成员的个数，该发送者地址为目标队头的地址，接收者地址为目标簇头的地址，队列成员的个数为目标队头的总个数。
在其它一些可选实施例当中，也可在若干目标队头中选出队长，该队长可以为距离目标簇头最近的目标队头，队长用于将第二队列中包含的其它目标队头的信息进行汇总，与目标簇头进行通信。
步骤4.5，当目标簇头接收到AFT包时，目标簇头将SLEEP子操作的操作时间根据第二队列中各队列成员的数量划分为预设时隙，并发送ATS包将预设时隙通知各目标队头。
可以理解的，当簇头接收到AFT包时，簇头会将SLEEP子操作的操作时间划分为多个时隙，并将这些时隙根据第二队列的成员个数划分出来之后，可以发送ATS包将分配好的时隙通知第二队列的队长，最后由队长通知所有的队列成员，其中每个时隙通能充足的传输一个完整数据包，并发送ACK包，其中，ATS包为时隙分配包，ACK包为确认字符包，用于表示发来的数据已确认接收无误。
步骤4.6，将子节点进行SLEEP子操作，其中，控制各目标队头在预设时隙醒来，并将数据发送至目标簇头。
步骤4.7，当判断在侦听操作期间，子节点未检测到数据时，说明没有数据进行传输，则在侦听操作结束后，进入睡眠状态。
需要说明的是，在实际无线传感网络数据传输过程当中，将循环步骤2到步骤4直至无线传感网络无法继续工作，具体的，由于步骤2到步骤4是一个基于基尼系数的簇头轮换过程，且伴随着数据的传输，传输过程会消耗节点能量，当节点剩余能量不足以进行数据传输时，则无线传感网络也无法继续工作。
综上，本发明实施例提供的一种无线传感网络跨层节能方法，该方法通过将汇聚节点和无线传感节点进行分簇，并采用能量基尼系数来控制簇头选举的过程，优化了簇头选取策略和轮换机制，实现簇内能量的消耗平衡，在确定目标簇头后，控制各分簇中的除目标簇头外的其它子节点按照簇内队列协议向目标簇头传输数据，可以有效减少簇内通信的碰撞和数据延迟。
实施例二
请参阅图2，为本发明实施例二提供了一种无线传感网络跨层节能系统，所述无线传感网络跨层节能系统200包括：
获取模块21，用于获取汇聚节点的第一地理坐标位置和无线传感节点的第二地理坐标位置，并根据所述第一地理坐标位置和所述第二地理坐标位置，将所述无线传感聚类分簇，得到各分簇，所述分簇由若干节点组成；
预期剩余能量计算模块22，用于根据能量消耗模型，分别计算各分簇中各节点作为簇头，运行预设轮次后，各分簇中各节点的预期剩余能量，其中，所述预期剩余能量的计算公式为：
其中，表示为节点发送数据的能耗，/>表示为节点接收数据的能耗，/>表示为发送电路的能耗，/>表示为接收电路的能耗，/>和/>分别表示为传输放大电路的第一能耗系数和第二能耗系数，j表示为传输j-bit数据，/>表示为节点i的剩余能量，n表示分簇的节点数量，/>表示为节点i发送数据的能耗，/>表示为节点i作为簇头时的预期剩余能量，d表示为节点实际距离，d0表示为阈值距离，其中，/>；
能量基尼系数计算模块23，用于根据所述预期剩余能量，计算各分簇中各节点作为簇头时的能量基尼系数，获取各分簇中所有所述能量基尼系数中的最小值对应的目标节点，并将所述目标节点确定为目标簇头；
数据传输模块24，用于控制各分簇中的除所述目标簇头外的其它子节点按照簇内队列协议向所述目标簇头传输数据，所述目标簇头将所述数据整合后，发送给所述汇聚节点。
进一步的，所述获取模块21中，首先获取所述汇聚节点的第一地理坐标位置，以所述第一地理坐标位置为圆心建立笛卡尔坐标系，并根据所述圆心确定所述无线传感节点的第二地理坐标位置。
进一步的，所述能量基尼系数计算模块23中，所述能量基尼系数的计算公式为：
其中，k表示所述预设轮次，n表示分簇的节点数量，表示经过预设轮次k后的节点g的能量基尼系数，/>表示节点g作为簇头时，簇成员节点a经过预设轮次k后的预期剩余能量，/>表示为节点i的累加预期剩余能量百分比，表示分簇的总预期剩余能量。
进一步的，所述数据传输模块24包括：
判断单元，用于控制各分簇中的除所述目标簇头外的其它子节点进行周期性的侦听和睡眠操作，并判断在所述侦听操作期间，所述子节点是否检测到数据；
操作单元，用于当判断在所述侦听操作期间，所述子节点检测到数据时，则将发送广播消息通知相邻子节点，并在所述侦听操作结束后，将所述睡眠操作分为RFT子操作，AFTS子操作以及SLEEP子操作三个阶段；
第一队列形成单元，用于将所述子节点进行所述RFT子操作，其中，获取各所述子节点与所述目标簇头的距离，根据所述距离和预设距离范围，确定临时队头，并延迟预设时间后，控制非临时队头的子节点向所述临时队头发送QUEUE包进行组队，得到第一队列，其中，所述预设距离范围的计算公式为：
其中，表示节点i到所述目标簇头的距离，R表示所述预设距离范围，所述预设时间的计算公式为：
其中，表示为所述预设时间，/>表示为所述分簇中距离所述目标簇头最远的距离；
第二队列形成单元，用于将所述子节点进行所述RFT子操作，其中，将所述分簇中除所述第一队列以外的子节点确定为目标队头，并组成第二队列，控制所述目标队头向所述目标簇头发送AFT包，并向所述目标簇头申请所述第二队列中各目标队头的传输时隙；
时隙通知单元，用于当所述目标簇头接收到所述AFT包时，所述目标簇头将所述SLEEP子操作的操作时间根据所述第二队列中各队列成员的数量划分为预设时隙，并发送ATS包将所述预设时隙通知各目标队头；
数据发送单元，用于将所述子节点进行所述SLEEP子操作，其中，控制各目标队头在预设时隙醒来，并将数据发送至所述目标簇头；
睡眠单元，用于当判断在所述侦听操作期间，所述子节点未检测到数据时，则在所述侦听操作结束后，进入睡眠状态。
实施例三
本发明另一方面还提出一种电子设备，请参阅图3，所示为本发明第三实施例当中的电子设备的示意图，包括存储器20、处理器10以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序30，所述处理器10执行所述计算机程序30时实现如上述的无线传感网络跨层节能方法。
其中，处理器10在一些实施例中可以是中央处理器（Central Processing Unit,CPU）、控制器、微控制器、微处理器或其他数据处理芯片，用于运行存储器20中存储的程序代码或处理数据，例如执行访问限制程序等。
其中，存储器20至少包括一种类型的可读存储介质，所述可读存储介质包括闪存、硬盘、多媒体卡、卡型存储器（例如，SD或DX存储器等）、磁性存储器、磁盘、光盘等。存储器20在一些实施例中可以是电子设备的内部存储单元，例如该电子设备的硬盘。存储器20在另一些实施例中也可以是电子设备的外部存储装置，例如电子设备上配备的插接式硬盘，智能存储卡（Smart Media Card, SMC），安全数字（Secure Digital, SD）卡，闪存卡（FlashCard）等。进一步地，存储器20还可以既包括电子设备的内部存储单元也包括外部存储装置。存储器20不仅可以用于存储电子设备的应用软件及各类数据，还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
需要指出的是，图3示出的结构并不构成对电子设备的限定，在其它实施例当中，该电子设备可以包括比图示更少或者更多的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
本发明实施例还提出一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述的无线传感网络跨层节能方法。
本领域技术人员可以理解，在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备（如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统）使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。
计算机可读介质的更具体的示例（非穷尽性列表）包括以下：具有一个或多个布线的电连接部（电子装置），便携式计算机盘盒（磁装置），随机存取存储器（RAM），只读存储器（ROM），可擦除可编辑只读存储器（EPROM或闪速存储器），光纤装置，以及便携式光盘只读存储器（CDROM）。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或它们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列（PGA），现场可编程门阵列（FPGA）等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示 例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例 或示例中以合适的方式结合。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种无线传感网络跨层节能方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，获取汇聚节点的第一地理坐标位置和无线传感节点的第二地理坐标位置，并根据所述第一地理坐标位置和所述第二地理坐标位置，将所述无线传感节点聚类分簇，得到各分簇，所述分簇由若干节点组成；
步骤2，根据能量消耗模型，分别计算各分簇中各节点作为簇头，运行预设轮次后，各分簇中各节点的预期剩余能量；
步骤3，根据所述预期剩余能量，计算各分簇中各节点作为簇头时的能量基尼系数，获取各分簇中所有所述能量基尼系数中的最小值对应的目标节点，并将所述目标节点确定为目标簇头；
步骤4，控制各分簇中的除所述目标簇头外的其它子节点按照簇内队列协议向所述目标簇头传输数据，所述目标簇头将所述数据整合后，发送给所述汇聚节点；
所述步骤4具体包括如下子步骤：
步骤4.1，控制各分簇中的除所述目标簇头外的其它子节点进行周期性的侦听和睡眠操作，并判断在所述侦听操作期间，所述子节点是否检测到数据；
步骤4.2，当判断在所述侦听操作期间，所述子节点检测到数据时，则将发送广播消息通知相邻子节点，并在所述侦听操作结束后，将所述睡眠操作分为RFT子操作，AFTS子操作以及SLEEP子操作三个阶段；
步骤4.3，将所述子节点进行所述RFT子操作，其中，获取各所述子节点与所述目标簇头的距离，根据所述距离和预设距离范围，确定临时队头，并延迟预设时间后，控制非临时队头的子节点向所述临时队头发送QUEUE包进行组队，得到第一队列；
步骤4.4，将所述子节点进行所述RFT子操作，其中，将所述分簇中除所述第一队列以外的子节点确定为目标队头，并组成第二队列，控制所述目标队头向所述目标簇头发送AFT包，并向所述目标簇头申请所述第二队列中各目标队头的传输时隙；
步骤4.5，当所述目标簇头接收到所述AFT包时，所述目标簇头将所述SLEEP子操作的操作时间根据所述第二队列中各队列成员的数量划分为预设时隙，并发送ATS包将所述预设时隙通知各目标队头；
步骤4.6，将所述子节点进行所述SLEEP子操作，其中，控制各目标队头在预设时隙醒来，并将数据发送至所述目标簇头；
步骤4.7，当判断在所述侦听操作期间，所述子节点未检测到数据时，则在所述侦听操作结束后，进入睡眠状态。
2.根据权利要求1所述的无线传感网络跨层节能方法，其特征在于，所述步骤1中，首先获取所述汇聚节点的第一地理坐标位置，以所述第一地理坐标位置为圆心建立笛卡尔坐标系，并根据所述圆心确定所述无线传感节点的第二地理坐标位置。
3.根据权利要求1所述的无线传感网络跨层节能方法，其特征在于，所述步骤3中，所述能量基尼系数的计算公式为：
其中，k表示所述预设轮次，n表示分簇的节点数量，表示经过预设轮次k后的节点g的能量基尼系数，/>表示节点g作为簇头时，簇成员节点a经过预设轮次k后的预期剩余能量，/>表示为节点i的累加预期剩余能量百分比，表示分簇的总预期剩余能量。
4.根据权利要求1所述的无线传感网络跨层节能方法，其特征在于，所述步骤4.3中，获取当前子节点在预设距离范围内的所有的邻居子节点，以及所有所述邻居子节点与所述目标簇头的目标距离，并确定最小的所述目标距离所对应的所述邻居子节点作为所述临时队头，其中，所述预设距离范围的计算公式为：
其中，表示节点i到所述目标簇头的距离，R表示所述预设距离范围。
5.根据权利要求4所述的无线传感网络跨层节能方法，其特征在于，所述预设时间的计算公式为：
其中，表示为所述预设时间，/>表示为所述分簇中距离所述目标簇头最远的距离。
6.根据权利要求1所述的无线传感网络跨层节能方法，其特征在于，所述步骤2中，所述预期剩余能量的计算公式为：
其中，表示为节点发送数据的能耗，/>表示为节点接收数据的能耗，/>表示为发送电路的能耗，/>表示为接收电路的能耗，/>和/>分别表示为传输放大电路的第一能耗系数和第二能耗系数，j表示为传输j-bit数据，/>表示为节点i的剩余能量，n表示分簇的节点数量，/>表示为节点i发送数据的能耗，/>表示为节点i作为簇头时的预期剩余能量，d表示为节点实际距离，d0表示为阈值距离，其中，/>。
7.一种无线传感网络跨层节能系统，其特征在于，所述系统包括：
获取模块，用于获取汇聚节点的第一地理坐标位置和无线传感节点的第二地理坐标位置，并根据所述第一地理坐标位置和所述第二地理坐标位置，将所述无线传感节点聚类分簇，得到各分簇，所述分簇由若干节点组成；
预期剩余能量计算模块，用于根据能量消耗模型，分别计算各分簇中各节点作为簇头，运行预设轮次后，各分簇中各节点的预期剩余能量；
能量基尼系数计算模块，用于根据所述预期剩余能量，计算各分簇中各节点作为簇头时的能量基尼系数，获取各分簇中所有所述能量基尼系数中的最小值对应的目标节点，并将所述目标节点确定为目标簇头；
数据传输模块，用于控制各分簇中的除所述目标簇头外的其它子节点按照簇内队列协议向所述目标簇头传输数据，所述目标簇头将所述数据整合后，发送给所述汇聚节点；
所述数据传输模块包括：
判断单元，用于控制各分簇中的除所述目标簇头外的其它子节点进行周期性的侦听和睡眠操作，并判断在所述侦听操作期间，所述子节点是否检测到数据；
操作单元，用于当判断在所述侦听操作期间，所述子节点检测到数据时，则将发送广播消息通知相邻子节点，并在所述侦听操作结束后，将所述睡眠操作分为RFT子操作，AFTS子操作以及SLEEP子操作三个阶段；
第一队列形成单元，用于将所述子节点进行所述RFT子操作，其中，获取各所述子节点与所述目标簇头的距离，根据所述距离和预设距离范围，确定临时队头，并延迟预设时间后，控制非临时队头的子节点向所述临时队头发送QUEUE包进行组队，得到第一队列；
第二队列形成单元，用于将所述子节点进行所述RFT子操作，其中，将所述分簇中除所述第一队列以外的子节点确定为目标队头，并组成第二队列，控制所述目标队头向所述目标簇头发送AFT包，并向所述目标簇头申请所述第二队列中各目标队头的传输时隙；
时隙通知单元，用于当所述目标簇头接收到所述AFT包时，所述目标簇头将所述SLEEP子操作的操作时间根据所述第二队列中各队列成员的数量划分为预设时隙，并发送ATS包将所述预设时隙通知各目标队头；
数据发送单元，用于将所述子节点进行所述SLEEP子操作，其中，控制各目标队头在预设时隙醒来，并将数据发送至所述目标簇头；
睡眠单元，用于当判断在所述侦听操作期间，所述子节点未检测到数据时，则在所述侦听操作结束后，进入睡眠状态。
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1－6任一项所述的无线传感网络跨层节能方法。
9.一种电子设备，其特征在于，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1－6任一项所述的无线传感网络跨层节能方法。
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