本發(fā)明屬于無線傳感器網(wǎng)絡技術領域，特別是一種兼顧負載均衡與能量均衡，網(wǎng)絡壽命長的基于移動節(jié)點的樹形無線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)收集方法。

背景技術：

無線傳感器網(wǎng)絡是由部署在監(jiān)測區(qū)域的大量低成本低功耗的傳感器節(jié)點通過無線通信連接而成的一個多跳自組織的網(wǎng)絡。這些傳感器節(jié)點負責從周邊環(huán)境中收集大量的數(shù)據(jù)，為無線網(wǎng)絡提供從簡單標量數(shù)據(jù)(如溫度、濕度等)到信息量豐富的復雜數(shù)據(jù)(如圖像、音頻、視頻等)。無線傳感網(wǎng)絡在軍事、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療護理、農業(yè)、交通控制等領域都有著廣泛的應用前景。因此，無線傳感網(wǎng)絡作為一種重要的感知技術，能夠協(xié)助物聯(lián)網(wǎng)提供多種智能服務。

無線傳感網(wǎng)絡是以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡，數(shù)據(jù)收集技術也是無線傳感網(wǎng)絡的基本技術。大量的無線傳感器節(jié)點通過多跳通信的方式形成網(wǎng)絡系統(tǒng)，以協(xié)作的方式完成大規(guī)模復雜的監(jiān)測和數(shù)據(jù)收集任務。通常的，數(shù)據(jù)收集方法可以分為原始數(shù)據(jù)收集、基于數(shù)據(jù)相關性的收集、數(shù)據(jù)匯聚和基于移動節(jié)點的數(shù)據(jù)收集。

節(jié)能和能量均衡問題是無線傳感網(wǎng)絡數(shù)據(jù)收集研究的兩個重要研究方向。傳統(tǒng)的非均勻分簇，靠近移動節(jié)點的分簇小而遠離移動節(jié)點的分簇相對較大。這種方法不能從根本上解決負載均衡問題。采用虛擬網(wǎng)格劃分的方法，可以解決負載均衡問題，但是沒有考慮能量均衡問題。

總之，現(xiàn)有技術存在的問題是：由于數(shù)據(jù)收集方法的限制，不能兼顧負載均衡和能量均衡，造成網(wǎng)絡壽命縮短。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于移動節(jié)點的樹形無線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)收集方法,兼顧負載均衡與能量均衡，網(wǎng)絡壽命長。

實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術解決方案為：

一種基于移動節(jié)點的樹形無線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)收集方法，其特征在于，包括如下步驟：

(10)網(wǎng)絡初始化：將無線傳感網(wǎng)絡劃分為大小相等的虛擬網(wǎng)格，由移動sink節(jié)點廣播初始位置；

(20)簇頭選舉：每個虛擬網(wǎng)格為一個競選單元，在每一個競選單元內進行簇頭選舉，節(jié)點根據(jù)自身的位置信息和剩余能量值采用時延機制來開啟競選定時器，定時器最先觸發(fā)的節(jié)點被選舉為簇頭節(jié)點；

(30)節(jié)點入簇：簇頭節(jié)點廣播簇頭消息通知給其它節(jié)點，非簇頭節(jié)點選擇離自己較近的簇頭節(jié)點作為下一跳節(jié)點；

(40)簇內數(shù)據(jù)傳輸：分簇完成后，簇內節(jié)點將采集到的傳感數(shù)據(jù)發(fā)送至簇頭節(jié)點，以建立多個以簇頭節(jié)點為根的最短路徑樹；

(50)移動節(jié)點數(shù)據(jù)收集：移動sink節(jié)點向所有的節(jié)點發(fā)送位置信息，每個簇頭節(jié)點通過其他簇頭節(jié)點消息找出離自己較近的簇頭作為下一跳節(jié)點，并將所收集到的簇內所有節(jié)點的傳感信息進行數(shù)據(jù)融合后發(fā)送至下一跳節(jié)點，直至傳給移動sink節(jié)點。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，其顯著優(yōu)點為：

1、能量均衡：本發(fā)明采用移動sink節(jié)點，有效地提高了網(wǎng)絡能量均衡，避免了能量空洞；在選舉簇頭節(jié)點時同時考慮了其剩余能量及距競選中心的距離，減少了簇內節(jié)點傳遞數(shù)據(jù)時的能量消耗；

2、負載均衡：整個網(wǎng)絡最終形成以移動sink節(jié)點為根節(jié)點的最短路徑樹，降低了網(wǎng)絡的能量開銷，提高了負載均衡，延長了網(wǎng)絡壽命。

下面結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步的詳細描述。

附圖說明

圖1為本發(fā)明基于移動節(jié)點的樹形無線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)收集方法的主流程圖。

圖2為網(wǎng)絡拓撲示意圖。

圖3為圖1中節(jié)點入簇步驟的流程圖。

圖4為本發(fā)明的數(shù)據(jù)收集方法與傳統(tǒng)的網(wǎng)格劃分方法CHRR節(jié)點能量均衡比較圖。

具體實施方式

如圖1所示，本發(fā)明基于移動節(jié)點的樹形無線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)收集方法，包括如下步驟：

(10)網(wǎng)絡初始化：將無線傳感網(wǎng)絡劃分為大小相等的虛擬網(wǎng)格，由移動sink節(jié)點廣播初始位置；

所述(10)網(wǎng)絡初始化步驟中，移動sink節(jié)點的初始位置在節(jié)點區(qū)域的邊緣，并且能量可充。

網(wǎng)絡拓撲示意圖如圖2所示。

圖2中，無線傳感網(wǎng)絡包括由各圓點表示的傳感器，其中實心圓表示簇頭節(jié)點。無線傳感器網(wǎng)絡的感知區(qū)域為半徑為R的圓形區(qū)域，在感知區(qū)域邊緣放置一個移動sink節(jié)點，沿感知區(qū)域邊緣移動。將感知區(qū)域劃分為若干個正方形虛擬網(wǎng)格，在虛擬網(wǎng)格中選舉出簇頭節(jié)點；節(jié)點入簇后將傳感信息發(fā)送給簇頭節(jié)點，簇頭節(jié)點將信息傳送至自己的下一跳節(jié)點，直至到移動sink節(jié)點，形成一棵以移動節(jié)點為根的最短路徑樹。

采用正方形虛擬網(wǎng)格而非六邊形劃分是因為正方形具有更好的覆蓋性和連通可靠性。

(20)簇頭選舉：每個虛擬網(wǎng)格為一個競選單元，在每一個競選單元內進行簇頭選舉，節(jié)點根據(jù)自身的位置信息和剩余能量值采用時延機制來開啟競選定時器，定時器最先觸發(fā)的節(jié)點被選舉為簇頭節(jié)點；

在每個競選單元中進行簇頭選舉時，要盡量選取剩余能量較大、距離競選單元中心較近的節(jié)點作為簇頭節(jié)點，這里采用時延機制開啟定時器，當網(wǎng)格內某個節(jié)點的定時器觸發(fā)時，表明該節(jié)點競選簇頭成功。

設(x_i,y_i)為節(jié)點i的位置坐標，節(jié)點i到競選中心(即虛擬網(wǎng)格正方形中心)的距離d滿足：

其中，(x₀,y₀)表示移動sink節(jié)點的初始位置坐標，a表示正方形虛擬網(wǎng)格的邊長，(G_x,G_y)表示虛擬網(wǎng)格的邏輯坐標。

節(jié)點i按照(2)式開啟定時器，定時器的時長T(i)滿足如下公式：

其中，C₁和C₂為加權系數(shù)，且滿足C₁+C₂＝1。E_i表示節(jié)點i當前的剩余能量，E₀表示初始能量。

(30)節(jié)點入簇：簇頭選舉成功后，簇頭節(jié)點廣播簇頭消息通知給其它節(jié)點，非簇頭節(jié)點選擇離自己較近的簇頭節(jié)點作為下一跳節(jié)點；

如圖3所示，所述(30)節(jié)點入簇步驟包括：

(31)簇頭消息廣播：選舉成功的簇頭節(jié)點以最大廣播半徑廣播簇頭消息，所述簇頭消息包括簇頭節(jié)點的位置坐標和剩余能量；

(32)簇頭消息反應：非簇頭節(jié)點接收到簇頭消息，判斷該簇頭消息是否來自同一網(wǎng)格的簇頭節(jié)點，若是，則記錄消息并且撤銷自身的定時器，否，則該節(jié)點只記錄簇頭消息內容；

(33)下一跳節(jié)點選擇：非簇頭節(jié)點選擇距離自己較近的簇頭節(jié)點作為下一跳節(jié)點，就近入簇。

(40)簇內數(shù)據(jù)傳輸：分簇完成后，簇內節(jié)點將采集到的傳感數(shù)據(jù)發(fā)送至簇頭節(jié)點，以建立多個以簇頭節(jié)點為根的最短路徑樹；

(50)移動節(jié)點數(shù)據(jù)收集：移動sink節(jié)點向所有的節(jié)點發(fā)送位置信息，每個簇頭節(jié)點通過其他簇頭節(jié)點消息找出離自己較近的簇頭作為下一跳節(jié)點，并將所收集到的簇內所有節(jié)點的傳感信息進行數(shù)據(jù)融合后發(fā)送至下一跳節(jié)點，直至傳給移動sink節(jié)點。最終建立一個以移動sink節(jié)點為根節(jié)點的最短路徑樹。

當完成一輪數(shù)據(jù)采集后，移動sink節(jié)點沿無線傳感網(wǎng)絡感知區(qū)域移動一段距離后，重復上述過程進入新一輪數(shù)據(jù)采集。

對本發(fā)明基于移動節(jié)點的樹形無線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)收集方法(Data Gathering Method based on Mobile-Sink and Tree,DGMMT)進行性能測試，并將其與傳統(tǒng)的網(wǎng)格劃分方法CHRR進行比較，如圖4所示。為了使實驗結果更加清晰，統(tǒng)計了每輪數(shù)據(jù)收集后剩余能量節(jié)點的方差，由于CHRR方法沒有考慮能量均衡問題，從圖4中可以看出其節(jié)點能量方差值較大。實驗表明，本發(fā)明的數(shù)據(jù)收集方法能夠更好的均衡網(wǎng)絡能量和負載，延長網(wǎng)絡的生命周期。