一種農業環境無線傳感網的動態自組網方法技術

本發明專利技術涉及一種農業環境無線傳感網的動態自組網方法。本發明專利技術傳感器網絡中所有節點構建自己的鄰居節點信息列表，選舉各層的簇頭節點V

【技術實現步驟摘要】
一種農業環境無線傳感網的動態自組網方法
本專利技術涉及無線自組網領域，特別涉及一種農業環境無線傳感網的動態自組網方法。
技術介紹
隨著無線通信和微電子技術的不斷進步，由大量低成本且能量受限的多功能傳感器節點組成的無線傳感網開始廣泛地應用于農業物聯網領域。為了盡可能高效地使用傳感器節點的能量和最大限度地延長網絡的生存時間，在路由方面提出了層次化的解決方案。此類方案利用相應的算法將傳感器網絡劃分成邏輯上的層次結構，網絡中的節點分為簇頭和簇成員。簇首作為所在簇的控制中心，負責簇結構的形成、簇內成員數據的收集，融合所得數據并發送給其他簇首或者直接發送給基站。在本專利技術作出之前，目前傳統的分簇路由算法如LEACH算法，它的基本思想是：在簇生成階段，各節點選取一個[0，1]之間的隨機數，如果這個數小于閾值T(n)，則該節點當選為簇頭。T(n)的計算方法可描述為公式(1)，其中，p是簇頭占所有節點的百分比，即節點當選簇頭的概率；r是目前循環進行的輪數；G是最近1/p輪中還未當選過簇頭的節點集合。這類周期性更換簇頭的算法雖然能解決簇頭能耗過快的問題，但在簇頭選擇方面隨機性太強且沒有將能量因素納入考慮的范圍。特別地，當某一特定區域內簇頭分布不均勻或過于集中時，大部分的成員節點與自己的簇頭節點間的歐式距離很遠且只能單跳傳輸，它們就不得不通過提高發送功率將數據包傳輸至簇頭，這對網絡的能耗是極大的浪費。此外，這類算法沒有將能量因素納入簇頭選舉的考慮因素中，當某些簇頭節點的剩余能量較低無法完成正常的簇頭節點的路由任務時，整個簇內節點采集到的所有數據都將無法送出，這也會嚴重影響網絡的各方面性能。而其他傳統的分簇路由算法也多將簇分為簇頭節點和成員節點兩級，如果簇的面積較大，即使成員節點在簇頭節點通信的覆蓋范圍內，若想通過單跳完成遠距離的數據傳輸也需要大量的能量，此時，這種簇內的單跳路由方式顯然不符合無線傳感網的多跳節能原則。
技術實現思路
本專利技術的目的就在于克服上述缺陷，提出一種農業環境無線傳感網的動態自組網方法。本專利技術的技術方案如下：一種農業環境無線傳感網的動態自組網方法，其特征在于，包括如下步驟：(1)傳感器網絡中所有節點進行初始化并廣播消息，各節點構建自己的鄰居節點信息列表；(2)選舉各層的簇頭節點Vi，成為簇頭節點后，廣播簇頭生成消息并更新節點所處層數和傳輸半徑；(3)節點Vj收到Vi的簇頭生成消息后判斷是否加入Vi，若加入Vi，則節點Vj成為成員節點，受簇頭節點Vi管理；(4)節點Vk沒有收到任何簇頭生成消息，但是與成員節點Vj的距離小于最小傳輸半徑TRopt，則節點Vk加入成員節點Vj成為客人節點，受簇頭節點Vi管理；(5)重復步驟(2)-(4)，直至傳輸半徑等于整個網絡的半徑TRmax；(6)至一輪結束，重新開始下一輪。進一步的，上述步驟(1)中，各節點初始化包括如下步驟：(1.1)各節點向鄰居節點廣播的消息包括：節點ID、節點剩余能量RE和節點到基站的距離DtoBS；(1.2)各節點初始化時，初始內容為：節點層數ClusterLevel為0、簇頭節點為基站BS、競選簇頭結果為失敗、節點傳輸半徑為TRopt。進一步的，上述步驟(1.2)中各節點的最優通信范圍TRopt可描述為公式(2)Eelec表示接收/發射電路接收/發射每比特信號所消耗的能量，εamp為節點的發射放大電路在單位面積內傳播每比特信號所消耗的能量。進一步的，上述步驟(2)中，節點Vi競選簇頭時需要符合如下要求：(2.1)節點Vi之前沒有被選為簇頭，即節點Vi消息中的競選簇頭結果為失敗，只有網絡中的非簇頭節點才能成為上層簇頭的候選節點，且某一節點只能成為某一層的簇頭；(2.2)在節點Vi之前沒有被選為簇頭的基礎上，在(0，1)范圍內選取一個隨機數，如果這個數小于T(n)，節點Vi才當選為簇頭；(2.3)節點Vi被選為簇頭后，需要更新節點Vi的簇頭生成消息，具體包括：競選簇頭結果為成功、節點層數值加1、傳輸半徑值更新為TRopt*節點層數值。進一步的，上述步驟(2.2)中的閾值T(n)可描述為公式(3)p是簇頭占所有節點的百分比，即節點當選為簇頭的概率，r是當前循環進行的輪數，rs表示節點連續未當選簇頭的輪次，一旦當選了簇頭，rs重置為0.進一步的，上述步驟(2.3)中各簇頭節點廣播消息時采用的半徑大小不同，其最小取值為TRopt，但最大不超過整個網絡的半徑大小TRmax。進一步的，上述步驟(3)中，節點Vj收到Vi的簇頭生成消息后需要判斷是否加入Vi，判斷依據如下：(3.1)節點Vj收到Vi的簇頭生成消息后，先檢查該消息對應的簇頭所屬層數是否是自己的直接上層，即判斷Vj(ClusterLevel)+1＝Vi(ClusterLevel)是否成立，如果不成立，則節點Vj不做任何響應直接丟棄，否則，將節點Vi的簇頭生成消息保存在Vj的候選簇頭列表SCH；(3.2)如果Vj的候選簇頭列表SCH中有多個簇頭節點的消息，即Vj的鄰居節點中有多個簇頭在傳輸半徑內，則比較候選簇頭列表SCH中各簇頭的剩余能量RE與它們到基站的距離DtoBS的比值RE/DtoBS，取比值最大的節點Vi做為Vj的簇頭，Vj成為Vi的成員節點并受它管理；(3.3)如果Vj的候選簇頭列表SCH中只有一個簇頭節點Vi的消息，即Vj的鄰居節點中只有一個簇頭節點Vi在傳輸半徑內，則直接加入節點Vi所在的簇，Vj成為Vi的成員節點并受它管理。進一步的，上述步驟(4)中，對于那些候選簇頭列表SCH為空的節點Vk，需通過鄰居節點中距離最近的成員節點加入相應的簇，方法如下：(4.1)節點Vk的候選簇頭列表SCH為空時，尋找鄰居節點中距離自己最近的一個成員節點Vj，判斷距離是否小于最小傳輸半徑TRopt，若成立，則節點Vk加入成員節點Vj成為客人節點，且客人節點Vk和成員節點Vj均受簇頭節點Vi管理，若不成立，則節點Vk不做任何響應等待下一個簇頭生成消息。進一步的，上述步驟(5)中，當某層節點采用TRmax作為當前傳輸半徑時，簇頭生成消息就將覆蓋整個網絡，此時整個網絡中的節點都會加入相應層的簇，簇生成階段結束。本專利技術的有益效果包括以下幾點：1、本專利技術采用多層分簇路由機制使簇頭節點的更替更加合理，通過最小化簇達到最大限度地均衡能量消耗，簇內通信數據量進一步減少，從而有效減輕簇頭的通信負擔；2、在競選簇頭節點時，通過將能量因素納入考慮的范圍來改進閾值計算方面的不足，從而使簇頭節點的選舉更加合理，進一步延長整個網絡的生存時間；3、簇內節點分簇頭節點、成員節點和客人節點三級，當某個非簇頭節點未收到簇頭生成消息時可通過成員節點間接加入簇，提高了節點布置稀疏區域網絡的連通性。附圖說明圖1——本專利技術的無線傳感器網絡結構示意圖。圖2——本專利技術的層內節點的動態自組織過程示意圖；其中，A是第一輪自組織示意圖，B是第二輪自組織示意圖，C是第三輪自組織示意圖，D是第四輪自組織示意圖。具體實施方式下面結合附圖和具體實施例對本專利技術作進一步描述。如圖1所示為本專利技術的無線傳感器網絡結構示意圖，本專利技術所屬的無線自組網中包括多個匯聚節點、若干簇頭節點、若干成員節點和若干客人節點。如圖1所示，將所有節點分層且每層都進行簇頭節點的選舉，說明了在應本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種農業環境無線傳感網的動態自組網方法，其特征在于，包括如下步驟：(1)傳感器網絡中所有節點進行初始化并廣播消息，各節點構建自己的鄰居節點信息列表；(2)選舉各層的簇頭節點V

【技術特征摘要】
1.一種農業環境無線傳感網的動態自組網方法，其特征在于，包括如下步驟：(1)傳感器網絡中所有節點進行初始化并廣播消息，各節點構建自己的鄰居節點信息列表；(2)選舉各層的簇頭節點Vi，成為簇頭節點后，廣播簇頭生成消息并更新節點所處層數和傳輸半徑；(3)節點Vj收到Vi的簇頭生成消息后判斷是否加入Vi，若加入Vi，則節點Vj成為成員節點，受簇頭節點Vi管理；(4)節點Vk沒有收到任何簇頭生成消息，但是與成員節點Vj的距離小于最小傳輸半徑TRopt，則節點Vk加入成員節點Vj成為客人節點，受簇頭節點Vi管理；(5)重復步驟(2)-(4)，直至傳輸半徑等于整個網絡的半徑TRmax；(6)至一輪結束，重新開始下一輪。2.根據權利要求1所述的一種農業環境無線傳感網的動態自組網方法，其特征在于：所述步驟(1)中，各節點初始化包括如下步驟：(1.1)各節點向鄰居節點廣播的消息包括：節點ID、節點剩余能量RE和節點到基站的距離DtoBS；(1.2)各節點初始化時，初始內容為：節點層數ClusterLevel為0、簇頭節點為基站BS、競選簇頭結果為失敗、節點傳輸半徑為TRopt。進一步的，上述步驟(1.2)中各節點的最優通信范圍TRopt計算公式為Eelec表示接收/發射電路接收/發射每比特信號所消耗的能量，εamp為節點的發射放大電路在單位面積內傳播每比特信號所消耗的能量。3.根據權利要求1所述的一種農業環境無線傳感網的動態自組網方法，其特征在于：所述步驟(2)中，節點Vi競選簇頭時需要符合如下要求：(2.1)節點Vi之前沒有被選為簇頭，即節點Vi消息中的競選簇頭結果為失敗，只有網絡中的非簇頭節點才能成為上層簇頭的候選節點，且某一節點只能成為某一層的簇頭；(2.2)在節點Vi之前沒有被選為簇頭的基礎上，在(0，1)范圍內選取一個隨機數，如果這個數小于T(n)，節點Vi才當選為簇頭；(2.3)節點Vi被選為簇頭后，需要更新節點Vi的簇頭生成消息，具體包括：競選簇頭結果為成功、節點層數值加1、傳輸半徑值更新為TRopt*節點層數值。進一步的，上述步驟(2.2)中的閾值T(n)的計算公式為

【專利技術屬性】
技術研發人員：張正華，李忍忍，朱俊武，李云，
申請(專利權)人：揚州大學，
類型：發明
國別省市：江蘇,32