一種無線傳感器網(wǎng)絡非均勻分簇拓撲監(jiān)控方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種無線傳感器網(wǎng)絡非均勻分簇拓撲監(jiān)控控制方法及裝置，通過由sink節(jié)點進行小范圍廣播，依次選出中繼節(jié)點、簇頭節(jié)點，簇的大小隨簇頭節(jié)點距sink節(jié)點距離的增大而增大；數(shù)據(jù)傳輸階段，簇內(nèi)數(shù)據(jù)單跳傳輸?shù)酱仡^節(jié)點，簇頭節(jié)點收集的數(shù)據(jù)通過中繼節(jié)點和其它簇頭節(jié)點多跳至sink節(jié)點進行處理，本發(fā)明不僅可以減少網(wǎng)絡的分簇能量消耗，還可以均衡網(wǎng)絡的能量消耗，提高整個網(wǎng)絡的生存時間，適合在井下各監(jiān)測或定位系統(tǒng)中應用。
【專利說明】一種無線傳感器網(wǎng)絡非均勻分簇拓撲監(jiān)控方法及裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于通信【技術領域】，尤其涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡非均勻分簇拓撲監(jiān)控方法及裝置。
【背景技術】
[0002]目前，我國煤礦井下采用的有線監(jiān)控系統(tǒng)普遍存在布線困難、易損壞、覆蓋范圍窄、維護成本高等缺點，將無線傳感器網(wǎng)絡應用到煤礦井下監(jiān)測系統(tǒng)可以有效解決有線網(wǎng)絡存在的缺陷，然而，無線傳感器網(wǎng)絡中的傳感器節(jié)點通常采用能量有限的電池供電，部署后很難更換電池，因此最大限度的延長無線傳感器網(wǎng)絡的生命周期成為控制的主要目標。
[0003]合理有效的拓撲控制可以減少和均衡網(wǎng)絡的能量消耗，最大限度的延長網(wǎng)絡的生存時間。目前的無線傳感器網(wǎng)絡分簇拓撲控制方法簇頭選舉策略不合理，離sink節(jié)點較近的簇頭不僅要收集處理簇內(nèi)信息，還要轉(zhuǎn)發(fā)大量的簇間數(shù)據(jù)，能量消耗過大，簇的更新階段整個網(wǎng)絡重新選取簇頭也會造成網(wǎng)絡能量的大量消耗。雖然有研究人員對LEACH分簇算法和簇間數(shù)據(jù)通信方式進行了改進，簇首選舉時考慮剩余能量因素，剩余能量高的節(jié)點當選為簇頭的概率較高，但簇間通信采用集中式路由，且需要知道網(wǎng)絡的全局信息，限制了算法的擴展性。還有研究人員提出了一種優(yōu)化的路由協(xié)議，利用非均勻分簇解決離sink節(jié)點較近的節(jié)點能量消耗過快的“熱區(qū)”問題。但未對簇間的路由策略進行討論。此外，還有研究人員提出了一種鏈狀式網(wǎng)絡模型，將網(wǎng)絡中的簇首節(jié)點抽象成一條鏈狀網(wǎng)絡，理論分析了網(wǎng)絡的最長生存時間和簇首間距之間的關系，需要對簇首的位置提前進行計算和部署，對網(wǎng)絡的部署要求較高。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種無線傳感器網(wǎng)絡非均勻分簇拓撲監(jiān)控方法及裝置，旨在解決現(xiàn)有井下采用的有線監(jiān)控系統(tǒng)存在布線困難、易損壞、覆蓋范圍窄、維護成本高等缺點的問題。
[0005]本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種無線傳感器網(wǎng)絡非均勻分簇拓撲監(jiān)控方法，包括以下步驟:
[0006]S1、由sink節(jié)點在均勻分布于井下的無線傳感器節(jié)點進行小范圍廣播,并從中依次選出中繼節(jié)點、簇頭節(jié)點，簇的大小隨簇頭節(jié)點距sink節(jié)點距離的增大而增大；
[0007]S2、簇內(nèi)節(jié)點采用單跳式將收集到的數(shù)據(jù)在不同的時隙傳送到簇頭節(jié)點，簇頭節(jié)點將收集的數(shù)據(jù)通過中繼節(jié)點和其它簇頭節(jié)點多跳至sink節(jié)點；
[0008]S3、sink節(jié)點將數(shù)據(jù)進行融合后通過環(huán)形的工業(yè)以太網(wǎng)傳輸?shù)降孛娣掌鬟M行分析處理。
[0009]優(yōu)選地,在步驟S2之后還包括步驟:
[0010]S21、判斷當前簇頭節(jié)點的剩余能量低于閾值時，在本簇內(nèi)進行新一輪的簇頭選舉，判斷剩余能量值以及信號強度符合預定值范圍且為最大的節(jié)點選為新一輪簇頭節(jié)點。[0011]優(yōu)選地，所述步驟S21之后還包括步驟:
[0012]S22、判斷剩余能量值以及信號強度不符合預定值范圍時，增大sink節(jié)點的廣播發(fā)射功率，依次重新選出新一輪中繼節(jié)點、簇頭節(jié)點。
[0013]優(yōu)選地，所述步驟SI具體包括以下步驟:
[0014]SlUsink節(jié)點掛接在環(huán)形總線上，各無線傳感器節(jié)點均勻分布于的巷道或采掘工作面的表面；
[0015]S12、Sink節(jié)點進行小范圍廣播并發(fā)送AskMsg詢問報文，周圍節(jié)點回復應答AskMsg報文，sink節(jié)點接收應答信息并分析比較后，選取通知權值較大的節(jié)點為簇頭節(jié)
占.[0016]S13、根據(jù)當前簇頭節(jié)點的競爭半徑確定出當前簇頭節(jié)點的發(fā)射功率，向周圍節(jié)點發(fā)送AskMsg詢問報文,接收到AskMsg報文的節(jié)點回復AckMsg應答報文,簇頭節(jié)點接收到應答信息計算完成后發(fā)送InformMsg通知報文，通知具有最大值的節(jié)點當選為中繼節(jié)點。
[0017]優(yōu)選地，所述步驟S3之后還包括步驟:
[0018]S4、地面服務器通過環(huán)形的工業(yè)以太網(wǎng)將監(jiān)測任務發(fā)布給sink節(jié)點，再由sink節(jié)點分配到各無線傳感器節(jié)點。
[0019]本發(fā)明進一步提供了一種無線傳感器網(wǎng)絡非均勻分簇拓撲監(jiān)控裝置，包括節(jié)點生成模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊以及數(shù)據(jù)處理模塊；
[0020]所述節(jié)點生成模塊,用于由sink節(jié)點在均勻分布于井下的無線傳感器節(jié)點進行小范圍廣播，并從中依次選出中繼節(jié)點、簇頭節(jié)點，簇的大小隨簇頭節(jié)點距sink節(jié)點距離的增大而增大；
[0021]所述數(shù)據(jù)傳輸模塊，用于簇內(nèi)節(jié)點采用單跳式將收集到的數(shù)據(jù)在不同的時隙傳送到簇頭節(jié)點，簇頭節(jié)點將收集的數(shù)據(jù)通過中繼節(jié)點和其它簇頭節(jié)點多跳至sink節(jié)點；
[0022]所述數(shù)據(jù)處理模塊，用于sink節(jié)點將數(shù)據(jù)進行融合后通過環(huán)形的工業(yè)以太網(wǎng)傳輸?shù)降孛娣掌鬟M行分析處理；其中，所述節(jié)點生成模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊以及數(shù)據(jù)處理模塊依次連接。
[0023]優(yōu)選地，該無線傳感器網(wǎng)絡非均勻分簇拓撲監(jiān)控裝置還包括簇局部更新模塊，所述簇局部更新模塊，用于判斷當前簇頭節(jié)點的剩余能量低于閾值時，在本簇內(nèi)進行新一輪的簇頭選舉，判斷剩余能量值以及信號強度符合預定值范圍且為最大的節(jié)點選為新一輪簇頭節(jié)點；其中，所述簇局部更新模塊與數(shù)據(jù)傳輸模塊連接。
[0024]優(yōu)選地，該無線傳感器網(wǎng)絡非均勻分簇拓撲監(jiān)控裝置還包括簇全局更新模塊，所述簇全局更新模塊，用于判斷剩余能量值以及信號強度不符合預定值范圍時，增大sink節(jié)點的廣播發(fā)射功率，依次重新選出新一輪中繼節(jié)點、簇頭節(jié)點；其中，所述簇全局更新模塊與簇局部更新模塊連接。
[0025]優(yōu)選地，所述節(jié)點生成模塊包括節(jié)點布設模塊、簇頭節(jié)點生成模塊以及中繼節(jié)點生成模塊；
[0026]所述節(jié)點布設模塊，用于將sink節(jié)點掛接在環(huán)形總線上，各無線傳感器節(jié)點均勻分布于的巷道或采掘工作面的表面；
[0027]所述簇頭節(jié)點生成模塊,用于通過Sink節(jié)點進行小范圍廣播并發(fā)送AskMsg詢問報文，周圍節(jié)點回復應答AskMsg報文，sink節(jié)點接收應答信息并分析比較后，選取通知權值較大的節(jié)點為簇頭節(jié)點；
[0028]所述中繼節(jié)點生成模塊，用于根據(jù)當前簇頭節(jié)點的競爭半徑確定出當前簇頭節(jié)點的發(fā)射功率，向周圍節(jié)點發(fā)送AskMsg詢問報文,接收到AskMsg報文的節(jié)點回復AckMsg應答報文，簇頭節(jié)點接收到應答信息計算完成后發(fā)送InformMsg通知報文，通知具有最大權值的節(jié)點當選為中繼節(jié)點；
[0029]其中，所述節(jié)點布設模塊、簇頭節(jié)點生成模塊、中繼節(jié)點生成模塊以及數(shù)據(jù)傳輸模塊依次連接。
[0030]優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)處理模塊，還用于由地面服務器通過環(huán)形的工業(yè)以太網(wǎng)將監(jiān)測任務發(fā)布給sink節(jié)點，再由sink節(jié)點分配到各無線傳感器節(jié)點。
[0031]本發(fā)明克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種無線傳感器網(wǎng)絡非均勻分簇拓撲監(jiān)控方法，如圖1所示，礦井無線傳感器網(wǎng)絡由布署在巷道或采掘工作面中的無線傳感器普通節(jié)點、中繼節(jié)點、簇頭節(jié)點和掛接在環(huán)形總線上的Sink節(jié)點組成，Sink節(jié)點將數(shù)據(jù)進行融合后通過環(huán)形的工業(yè)以太網(wǎng)傳輸?shù)降孛娣掌鬟M行分析處理，或者地面服務器通過環(huán)形的工業(yè)以太網(wǎng)將監(jiān)測任務發(fā)布給sink節(jié)點，再由sink節(jié)點分配到各無線傳感器節(jié)點。在本發(fā)明的具體操作過程中，先由sink節(jié)點進行小范圍廣播，依次選出中繼節(jié)點、簇頭節(jié)點，簇的大小隨簇頭節(jié)點距sink節(jié)點距離的增大而增大。數(shù)據(jù)傳輸階段，簇內(nèi)數(shù)據(jù)單跳傳輸?shù)酱仡^節(jié)點，簇頭節(jié)點收集的數(shù)據(jù)通過中繼節(jié)點和其它簇頭節(jié)點多跳至sink節(jié)點進行處理，仿真實驗表明，該算法不僅可以減少網(wǎng)絡的分簇能量消耗，還可以均衡網(wǎng)絡的能量消耗，提高整個網(wǎng)絡的生存時間，適合在井下各監(jiān)測或定位系統(tǒng)中應用。
[0032]在此基礎上，本發(fā)明進一步提供了與上述方法對應的無線傳感器網(wǎng)絡非均勻分簇拓撲監(jiān)控裝置。
[0033]本發(fā)明的設計思路和基本原理在于:
[0034]由于節(jié)點用于感測和計算所消耗的能量遠遠小于通信的能量消耗，所以通常在實際計算時只考慮通信能量消耗。本發(fā)明采用常用的無線通信能量消耗模型，若某一節(jié)點發(fā)射比特為I的數(shù)據(jù)到相鄰節(jié)點，兩者的距離為d，則節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)所消耗的能量Etx由發(fā)射電路的損耗和功率放大電路的損耗兩部分組成，即
【權利要求】
1.一種無線傳感器網(wǎng)絡非均勻分簇拓撲監(jiān)控方法，其特征在于包括以下步驟: S1、由sink節(jié)點在均勻分布于井下的無線傳感器節(jié)點進行小范圍廣播,并從中依次選出中繼節(jié)點、簇頭節(jié)點，簇的大小隨簇頭節(jié)點距sink節(jié)點距離的增大而增大； S2、簇內(nèi)節(jié)點采用單跳式將收集到的數(shù)據(jù)在不同的時隙傳送到簇頭節(jié)點，簇頭節(jié)點將收集的數(shù)據(jù)通過中繼節(jié)點和其它簇頭節(jié)點多跳至sink節(jié)點； S3、sink節(jié)點將數(shù)據(jù)進行融合后通過環(huán)形的工業(yè)以太網(wǎng)傳輸?shù)降孛娣掌鬟M行分析處理。
2.如權利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡非均勻分簇拓撲監(jiān)控方法，其特征在于，在步驟S2之后還包括步驟: S21、判斷當前簇頭節(jié)點的剩余能量低于閾值時，在本簇內(nèi)進行新一輪的簇頭選舉，判斷剩余能量值以及信號強度符合預定值范圍且為最大的節(jié)點選為新一輪簇頭節(jié)點。
3.如權利要求2所述的無線傳感器網(wǎng)絡非均勻分簇拓撲監(jiān)控方法，其特征在于，所述步驟S21之后還包括步驟: S22、判斷剩余能量值以及信號強度不符合預定值范圍時，增大sink節(jié)點的廣播發(fā)射功率，依次重新選出新一輪中繼節(jié)點、簇頭節(jié)點。
4.如權利要求3所述的無線傳感器網(wǎng)絡非均勻分簇拓撲監(jiān)控方法，其特征在于，所述步驟SI具體包括以下步驟: Sl1.sink節(jié)點掛接在環(huán)形總線上，各無線傳感器節(jié)點均勻分布于的巷道或采掘工作面的表面； S12、Sink節(jié)點進行小范圍廣播并發(fā)送AskMsg詢問報文，周圍節(jié)點回復應答AskMsg報文，sink節(jié)點接收應答信息并分析比較后，選取通知權值較大的節(jié)點為簇頭節(jié)點； S13、根據(jù)當前簇頭節(jié)點的競爭半徑確定出當前簇頭節(jié)點的發(fā)射功率，向周圍節(jié)點發(fā)送AskMsg詢問報文,接收到AskMsg報文的節(jié)點回復AckMsg應答報文,簇頭節(jié)點接收到應答信息計算完成后發(fā)送InformMsg通知報文，通知具有最大權值的節(jié)點當選為中繼節(jié)點。
5.如權利要求4所述的無線傳感器網(wǎng)絡非均勻分簇拓撲監(jiān)控方法，其特征在于，所述步驟S3之后還包括步驟: S4、地面服務器通過環(huán)形的工業(yè)以太網(wǎng)將監(jiān)測任務發(fā)布給sink節(jié)點，再由sink節(jié)點分配到各無線傳感器節(jié)點。
6.一種無線傳感器網(wǎng)絡非均勻分簇拓撲監(jiān)控裝置，其特征在于，包括節(jié)點生成模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊以及數(shù)據(jù)處理模塊； 所述節(jié)點生成模塊，用于由sink節(jié)點在均勻分布于井下的無線傳感器節(jié)點進行小范圍廣播，并從中依次選出中繼節(jié)點、簇頭節(jié)點，簇的大小隨簇頭節(jié)點距sink節(jié)點距離的增大而增大； 所述數(shù)據(jù)傳輸模塊，用于簇內(nèi)節(jié)點采用單跳式將收集到的數(shù)據(jù)在不同的時隙傳送到簇頭節(jié)點，簇頭節(jié)點將收集的數(shù)據(jù)通過中繼節(jié)點和其它簇頭節(jié)點多跳至sink節(jié)點； 所述數(shù)據(jù)處理模塊，用于sink節(jié)點將數(shù)據(jù)進行融合后通過環(huán)形的工業(yè)以太網(wǎng)傳輸?shù)降孛娣掌鬟M行分析處理；其中，所述節(jié)點生成模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊以及數(shù)據(jù)處理模塊依次連接。
7.如權利要求6所述的無線傳感器網(wǎng)絡非均勻分簇拓撲監(jiān)控裝置，其特征在于，該無線傳感器網(wǎng)絡非均勻分簇拓撲監(jiān)控裝置還包括簇局部更新模塊，所述簇局部更新模塊，用于判斷當前簇頭節(jié)點的剩余能量低于閾值時，在本簇內(nèi)進行新一輪的簇頭選舉，判斷剩余能量值以及信號強度符合預定值范圍且為最大的節(jié)點選為新一輪簇頭節(jié)點；其中，所述簇局部更新模塊與數(shù)據(jù)傳輸模塊連接。
8.如權利要求7所述的無線傳感器網(wǎng)絡非均勻分簇拓撲監(jiān)控裝置，其特征在于，該無線傳感器網(wǎng)絡非均勻分簇拓撲監(jiān)控裝置還包括簇全局更新模塊，所述簇全局更新模塊，用于判斷剩余能量值以及信號強度不符合預定值范圍時，增大sink節(jié)點的廣播發(fā)射功率，依次重新選出新一輪中繼節(jié)點、簇頭節(jié)點；其中，所述簇全局更新模塊與簇局部更新模塊連接。
9.如權利要求8所述的無線傳感器網(wǎng)絡非均勻分簇拓撲監(jiān)控裝置，其特征在于，所述節(jié)點生成模塊包括節(jié)點布設模塊、簇頭節(jié)點生成模塊以及中繼節(jié)點生成模塊； 所述節(jié)點布設模塊，用于將sink節(jié)點掛接在環(huán)形總線上，各無線傳感器節(jié)點均勻分布于的巷道或采掘工作面的表面； 所述簇頭節(jié)點生成模塊，用于通過Sink節(jié)點進行小范圍廣播并發(fā)送AskMsg詢問報文，周圍節(jié)點回復應答AskMsg報文，sink節(jié)點接收應答信息并分析比較后，選取通知權值較大的節(jié)點為簇頭節(jié)點； 所述中繼節(jié)點生成模塊，用于根據(jù)當前簇頭節(jié)點的競爭半徑確定出當前簇頭節(jié)點的發(fā)射功率，向周圍節(jié)點發(fā)送AskMsg詢問報文,接收到AskMsg報文的節(jié)點回復AckMsg應答報文，簇頭節(jié)點接收到應 答信息計算完成后發(fā)送InformMsg通知報文，通知具有最大權值的節(jié)點當選為中繼節(jié)點； 其中，所述節(jié)點布設模塊、簇頭節(jié)點生成模塊、中繼節(jié)點生成模塊以及數(shù)據(jù)傳輸模塊依次連接。
10.如權利要求9所述的無線傳感器網(wǎng)絡非均勻分簇拓撲監(jiān)控裝置，其特征在于，所述數(shù)據(jù)處理模塊，還用于由地面服務器通過環(huán)形的工業(yè)以太網(wǎng)將監(jiān)測任務發(fā)布給sink節(jié)點，再由sink節(jié)點分配到各無線傳感器節(jié)點。
【文檔編號】H04W40/10GK103916928SQ201410145457
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年4月11日 優(yōu)先權日:2014年4月11日
【發(fā)明者】黃友銳, 曲立國, 陳珍萍, 唐超禮, 劉佳 申請人:安徽理工大學