專利名稱：一種基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的橋梁狀態(tài)監(jiān)測路由方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無線傳感網(wǎng)絡(luò)(WSN，Wireless Sensor Network)的路由方法，尤其涉及一種基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的橋梁狀態(tài)監(jiān)測路由方法。
背景技術(shù)：
基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的橋梁狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)是將不同監(jiān)測部位的傳感器數(shù)據(jù)按照無線傳感網(wǎng)絡(luò)的路由方法發(fā)送到無線傳感網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點。而對于大跨度橋梁來說，需要布置海量監(jiān)測傳感器，并且節(jié)點之間需要采用中繼多跳的方式傳輸數(shù)據(jù)。所以節(jié)點間路由路徑的最優(yōu)化是數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)闹匾ＷC。在采用分簇結(jié)構(gòu)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通常被劃分為若干個簇。每個簇通常由一個簇頭節(jié)點(CH，Cluster Header)以及多個簇成員節(jié)點(CMAlusterMember)組成。簇成員節(jié)點只與自身所在簇的簇頭節(jié)點通信，簇頭節(jié)點之間構(gòu)成較高一級的虛擬骨干網(wǎng)，負責簇內(nèi)的數(shù)據(jù)融合和簇間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。目前在分簇結(jié)構(gòu)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，常用的路由方法主要采用LEACH算法、HEED 算法等，此類方法通常由每個節(jié)點獨立運行簇頭選取算法，然后自主決定是否當選為簇頭， 而不考慮節(jié)點的地理位置信息。由于無線傳感網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的設(shè)計是基于應(yīng)用驅(qū)使的，由于橋梁本身的結(jié)構(gòu)有別于一般的檢測對象，其空間跨度較大，常用的路由方法在用于橋梁狀態(tài)的監(jiān)測時容易產(chǎn)生節(jié)點密集處簇頭較多、節(jié)點稀疏處無簇頭以及簇頭分布在無線傳感網(wǎng)絡(luò)邊緣處等不合理情況，因此，傳統(tǒng)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)路由方法已經(jīng)不能有效地進行橋梁狀態(tài)監(jiān)測，因此，亟需一種傳輸路徑較短、傳輸速度較快、負荷均衡且節(jié)點能耗較低的路由方法。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷或不足，本發(fā)明的目的在于，提供一種基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的橋梁狀態(tài)監(jiān)測路由方法，該方法傳輸路徑較短、傳輸速度較快、負荷均衡且較低能
^^ ο為了達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)解決方案一種基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的橋梁狀態(tài)監(jiān)測路由方法，其特征在于，具體包括以下步驟S101，計算得到無線傳感網(wǎng)絡(luò)的簇頭數(shù)目；S102,以無線傳感網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測區(qū)域的中心為圓心，以該區(qū)域半徑的3/4為半徑畫圓，然后從圓心向外發(fā)散m。pt條射線將該圓m。pt等分，每條射線與圓周相交的點記為初始點，共得到m。pt個初始點；S103，隨機選一個未選擇過的初始點為當前初始點，計算當前初始點與所有非簇頭節(jié)點的距離，將距離當前初始點最近的非簇頭節(jié)點標為當前節(jié)點，所述非簇頭節(jié)點指其簇頭標志位設(shè)為非簇頭標志的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點；S104，檢測當前節(jié)點的能量值E ；
S105，判斷當前節(jié)點的能量值E是否大于能量閾值，如果是則執(zhí)行步驟S106，否則執(zhí)行步驟107 ；S106，將當前節(jié)點選為簇頭，即將當前節(jié)點的簇頭標志位改為簇頭標志，執(zhí)行步驟
5108；S107，將下一個距離當前初始點最近的節(jié)點作為當前節(jié)點，執(zhí)行步驟S104 ；S108，判斷當前簇頭是否是第m。pt個被選為簇頭的節(jié)點，是則執(zhí)行步驟109，否則執(zhí)行步驟S103 ；S109，此時監(jiān)測區(qū)域內(nèi)共有!11_個簇頭，每個簇頭均有一個僅包括自身節(jié)點的簇， 隨機選擇一個尚未加入任何簇的非簇頭節(jié)點作為當前節(jié)點；S110，計算當前節(jié)點分別與每個簇頭進行代價函數(shù)，比較得到與該當前節(jié)點的通信代價最小的簇頭，將當前節(jié)點加入該簇頭的簇；S111，更新簇頭利用聚類算法對新加入節(jié)點的簇計算該簇的中心，并計算該簇中的每個節(jié)點與該簇的中心的距離，選擇與該簇的中心距離最近的節(jié)點作為新的簇頭，如果該最近的節(jié)點并非該簇原來的簇頭，則將該最近的節(jié)點的簇頭標志位改為簇頭標志，并將該簇原來的簇頭的簇頭標志位改為非簇頭標志；執(zhí)行步驟S112 ；S112，判斷當前節(jié)點是否為最后一個未加入任何簇的非簇頭節(jié)點，如果是，則無線傳感網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的所有節(jié)點分簇完畢，得到m。pt個簇，執(zhí)行步驟S113 ；否則執(zhí)行步驟
5109；S113，所有節(jié)點與Sink節(jié)點通信，實時將采集到的信息實時傳遞給Sink節(jié)點。進一步的，所述步驟S113中所述的所有節(jié)點與Sink節(jié)點通信，具體包括如下步驟Sl 13-1，將每個與Sink節(jié)點的距離不大于節(jié)點通信距離S的簇頭節(jié)點標記為可通信；執(zhí)行步驟Sl 13-2;S113-2，將每個可通信的簇頭節(jié)點周圍S距離的范圍內(nèi)的、未標記可通信的簇頭節(jié)點標記為可通信；依次類推，直至沒有可繼續(xù)被標記的簇頭節(jié)點為止；執(zhí)行步驟S113-3 ；S113-3，判斷被標記可通信的簇頭節(jié)點是否為m。pt個，是則執(zhí)行S113-4;否則執(zhí)行 S113-5 ；S113-4，每個簇頭節(jié)點按照最短路徑算法，通過多跳中繼的方式與Sink節(jié)點進行通信，該簇頭節(jié)點的簇內(nèi)的非簇頭節(jié)點通過該簇頭節(jié)點與Sink節(jié)點通信；執(zhí)行步驟 S113-9 ；Sl 13-5，將Sink節(jié)點作為一個可通信的簇頭節(jié)點，隨機選取一個未標記可通信的簇頭節(jié)點作為當前簇頭節(jié)點，判斷距當前簇頭節(jié)點最近的可通信的簇頭節(jié)點是否是Sink 節(jié)點，是則執(zhí)行步驟S113-6 ；否則執(zhí)行步驟S113-7 ；S113-6，將當前簇頭節(jié)點到Sink節(jié)點之間的連線P等分，P為d/S的值向上取整， 其中，d為當前簇頭節(jié)點距Sink節(jié)點的距離，S為節(jié)點通信距離；選擇距每個等分點最近的非簇頭節(jié)點作為虛擬簇頭節(jié)點，當前簇頭節(jié)點通過虛擬簇頭節(jié)點按照最短路徑算法，通過多跳中繼的方式與Sink節(jié)點進行通信，該簇頭節(jié)點簇內(nèi)的非簇頭節(jié)點通過該簇的簇頭節(jié)點與Sink節(jié)點通信；將當前簇頭節(jié)點標記為可通信；執(zhí)行步驟S113-8 ；S113-7，將當前簇頭節(jié)點到與其最近的已通信的簇頭節(jié)點之間的連線T等分，T為D/S的值向上取整，其中，D為簇頭節(jié)點距最近的已通信的簇頭節(jié)點的距離，S為節(jié)點通信距離；選擇距每個等分點最近的非簇頭節(jié)點作為虛擬簇頭節(jié)點，當前簇頭節(jié)點通過虛擬簇頭節(jié)點按照最短路徑算法，通過多跳中繼的方式與Sink節(jié)點進行通信，該簇頭節(jié)點簇內(nèi)的非簇頭節(jié)點通過該簇的簇頭節(jié)點與Sink節(jié)點通信；將當前簇頭節(jié)點標記為可通信；執(zhí)行步驟 S113-8 ；S113-8，判斷當前簇頭節(jié)點是否是最后一個未標記可通信的簇頭節(jié)點，是則執(zhí)行步驟Sl 13-9 ；否則執(zhí)行步驟Sl 13-5 ；S113-9，無線傳感網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有節(jié)點實時將采集到的信息實時傳遞給Sink節(jié)點。進一步的，所述的通信距離S是指本發(fā)明所應(yīng)用的關(guān)于橋梁狀態(tài)監(jiān)測的無線傳感網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點的最遠傳輸距離，S取60m。進一步的，所述的最短路徑算法采用dijkstra算法。進一步的，所述步驟SlOl 計算得到無線傳感網(wǎng)絡(luò)的簇頭數(shù)目是指利用如下公式計算并將結(jié)果取整
權(quán)利要求
1.一種基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的橋梁狀態(tài)監(jiān)測路由方法，其特征在于，具體包括以下步驟S101，計算得到無線傳感網(wǎng)絡(luò)的簇頭數(shù)目；S102，以無線傳感網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測區(qū)域的中心為圓心，以該區(qū)域半徑的3/4為半徑畫圓，然后從圓心向外發(fā)散m。pt條射線將該圓m。pt等分，每條射線與圓周相交的點記為初始點，共得到m。pt個初始點；S103，隨機選一個未選擇過的初始點為當前初始點，計算當前初始點與所有非簇頭節(jié)點的距離，將距離當前初始點最近的非簇頭節(jié)點標為當前節(jié)點，所述非簇頭節(jié)點指其簇頭標志位設(shè)為非簇頭標志的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點； S104，檢測當前節(jié)點的能量值E;S105，判斷當前節(jié)點的能量值E是否大于能量閾值，如果是則執(zhí)行步驟S106，否則執(zhí)行步驟107 ；S106，將當前節(jié)點選為簇頭，即將當前節(jié)點的簇頭標志位改為簇頭標志，執(zhí)行步驟5108；S107，將下一個距離當前初始點最近的節(jié)點作為當前節(jié)點，執(zhí)行步驟S104 ； S108，判斷當前簇頭是否是第m。pt個被選為簇頭的節(jié)點，是則執(zhí)行步驟109，否則執(zhí)行步驟S103 ；S109,此時監(jiān)測區(qū)域內(nèi)共有m。pt個簇頭，每個簇頭均有一個僅包括自身節(jié)點的簇，隨機選擇一個尚未加入任何簇的非簇頭節(jié)點作為當前節(jié)點；S110，計算當前節(jié)點分別與每個簇頭進行代價函數(shù)，比較得到與該當前節(jié)點的通信代價最小的簇頭，將當前節(jié)點加入該簇頭的簇；S111，更新簇頭利用聚類算法對新加入節(jié)點的簇計算該簇的中心，并計算該簇中的每個節(jié)點與該簇的中心的距離，選擇與該簇的中心距離最近的節(jié)點作為新的簇頭，如果該最近的節(jié)點并非該簇原來的簇頭，則將該最近的節(jié)點的簇頭標志位改為簇頭標志，并將該簇原來的簇頭的簇頭標志位改為非簇頭標志；執(zhí)行步驟S112 ；S112，判斷當前節(jié)點是否為最后一個未加入任何簇的非簇頭節(jié)點，如果是，則無線傳感網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的所有節(jié)點分簇完畢，得到111_個簇，執(zhí)行步驟S113 ；否則執(zhí)行步驟5109；S113，所有節(jié)點與Sink節(jié)點通信，將采集到的信息實時傳遞給Sink節(jié)點。
2.如權(quán)利要求1所述的基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的橋梁狀態(tài)監(jiān)測路由方法，其特征在于，所述步驟S113中所述的所有節(jié)點與Sink節(jié)點通信，具體包括如下步驟S113-1，將每個與Sink節(jié)點的距離不大于節(jié)點通信距離S的簇頭節(jié)點標記為可通信； 執(zhí)行步驟Sl 13-2 ；S113-2，將每個可通信的簇頭節(jié)點周圍S距離的范圍內(nèi)的、未標記可通信的簇頭節(jié)點標記為可通信；依次類推，直至沒有可繼續(xù)被標記的簇頭節(jié)點為止；執(zhí)行步驟S113-3 ；S113-3，判斷被標記可通信的簇頭節(jié)點是否為m。pt個，是則執(zhí)行S113-4 ；否則執(zhí)行 S113-5 ；S113-4，每個簇頭節(jié)點按照最短路徑算法，通過多跳中繼的方式與Sink節(jié)點進行通信，該簇頭節(jié)點的簇內(nèi)的非簇頭節(jié)點通過該簇頭節(jié)點與Sink節(jié)點通信；執(zhí)行步驟S113-9 ；S113-5，將Sink節(jié)點作為一個可通信的簇頭節(jié)點，隨機選取一個未標記可通信的簇頭節(jié)點作為當前簇頭節(jié)點，判斷距當前簇頭節(jié)點最近的可通信的簇頭節(jié)點是否是Sink節(jié)點， 是則執(zhí)行步驟S113-6 ；否則執(zhí)行步驟S113-7 ；S113-6，將當前簇頭節(jié)點到Sink節(jié)點之間的連線P等分，P為d/S的值向上取整，其中， d為當前簇頭節(jié)點距Sink節(jié)點的距離，S為節(jié)點通信距離；選擇距每個等分點最近的非簇頭節(jié)點作為虛擬簇頭節(jié)點，當前簇頭節(jié)點通過虛擬簇頭節(jié)點按照最短路徑算法，通過多跳中繼的方式與Sink節(jié)點進行通信，該簇頭節(jié)點簇內(nèi)的非簇頭節(jié)點通過該簇的簇頭節(jié)點與 Sink節(jié)點通信；將當前簇頭節(jié)點標記為可通信；執(zhí)行步驟S113-8 ；S113-7，將當前簇頭節(jié)點到與其最近的已通信的簇頭節(jié)點之間的連線T等分，T為D/ S的值向上取整，其中，D為簇頭節(jié)點距最近的已通信的簇頭節(jié)點的距離，S為節(jié)點通信距離；選擇距每個等分點最近的非簇頭節(jié)點作為虛擬簇頭節(jié)點，當前簇頭節(jié)點通過虛擬簇頭節(jié)點按照最短路徑算法，通過多跳中繼的方式與Sink節(jié)點進行通信，該簇頭節(jié)點簇內(nèi)的非簇頭節(jié)點通過該簇的簇頭節(jié)點與Sink節(jié)點通信；將當前簇頭節(jié)點標記為可通信；執(zhí)行步驟 S113-8 ；S113-8，判斷當前簇頭節(jié)點是否是最后一個未標記可通信的簇頭節(jié)點，是則執(zhí)行步驟 Sl 13-9 ；否則執(zhí)行步驟Sl 13-5 ；S113-9，無線傳感網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有節(jié)點將采集到的信息實時傳遞給Sink節(jié)點。
3.如權(quán)利要求2所述的基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的橋梁狀態(tài)監(jiān)測路由方法，其特征在于，所述所述的通信距離S是指本發(fā)明所應(yīng)用的關(guān)于橋梁狀態(tài)監(jiān)測的無線傳感網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點的最遠傳輸距離，S取60m。
4.如權(quán)利要求2所述的基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的橋梁狀態(tài)監(jiān)測路由方法，其特征在于，所述所述的最短路徑算法采用dijkstra算法。
5.如權(quán)利要求1所述的基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的橋梁狀態(tài)監(jiān)測路由方法，其特征在于，所述步驟SlOl 計算得到無線傳感網(wǎng)絡(luò)的簇頭數(shù)目是指利用如下公式計算并將結(jié)果取整
6.如權(quán)利要求1所述的基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的橋梁狀態(tài)監(jiān)測路由方法，其特征在于，所述步驟S105中所述的能量閾值為節(jié)點飽和電量值的1/2。
7.如權(quán)利要求1所述的基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的橋梁狀態(tài)監(jiān)測路由方法，其特征在于，所述步驟SllO中所述代價函數(shù)的公式為
8.如權(quán)利要求1所述的基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的橋梁狀態(tài)監(jiān)測路由方法，其特征在于，所述步驟Slll中所述的聚類算法采用基于位置的k-means算法。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的橋梁狀態(tài)監(jiān)測路由方法，該方法通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點位置信息計算需要劃分簇的數(shù)目，然后結(jié)合聚類算法引入代價函數(shù)對無線傳感網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點進行分簇，最后各簇頭與匯聚節(jié)點之間采用最短路徑以多跳中繼的方式進行通信，并在簇頭節(jié)點與基站的距離超過節(jié)點通信距離時采用虛擬簇頭的方法，多跳中繼通信，從而有效避免了普通的狀態(tài)信息檢測路由方法對橋梁狀態(tài)監(jiān)測時，產(chǎn)生的節(jié)點密集處簇頭較多、節(jié)點稀疏處無簇頭以及簇頭分布在網(wǎng)絡(luò)邊緣處的不合理情況。本發(fā)明使得無線傳感網(wǎng)絡(luò)的負荷更為均衡，同時縮短了傳輸路徑，提高了傳輸速度和傳輸效率，有效降低了網(wǎng)絡(luò)能耗，適用于大跨度橋梁的狀態(tài)監(jiān)測。
文檔編號H04W84/18GK102300281SQ20111026936
公開日2011年12月28日 申請日期2011年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月14日
發(fā)明者劉占文, 史昕, 徐志剛, 楊峰, 楊瀾, 王海彬, 趙祥模, 雷濤 申請人:長安大學