一种农业环境无线传感网的动态自组网方法技术

本发明专利技术涉及一种农业环境无线传感网的动态自组网方法。本发明专利技术传感器网络中所有节点构建自己的邻居节点信息列表，选举各层的簇头节点V

【技术实现步骤摘要】
一种农业环境无线传感网的动态自组网方法
本专利技术涉及无线自组网领域，特别涉及一种农业环境无线传感网的动态自组网方法。
技术介绍
随着无线通信和微电子技术的不断进步，由大量低成本且能量受限的多功能传感器节点组成的无线传感网开始广泛地应用于农业物联网领域。为了尽可能高效地使用传感器节点的能量和最大限度地延长网络的生存时间，在路由方面提出了层次化的解决方案。此类方案利用相应的算法将传感器网络划分成逻辑上的层次结构，网络中的节点分为簇头和簇成员。簇首作为所在簇的控制中心，负责簇结构的形成、簇内成员数据的收集，融合所得数据并发送给其他簇首或者直接发送给基站。在本专利技术作出之前，目前传统的分簇路由算法如LEACH算法，它的基本思想是：在簇生成阶段，各节点选取一个[0，1]之间的随机数，如果这个数小于阈值T(n)，则该节点当选为簇头。T(n)的计算方法可描述为公式(1)，其中，p是簇头占所有节点的百分比，即节点当选簇头的概率；r是目前循环进行的轮数；G是最近1/p轮中还未当选过簇头的节点集合。这类周期性更换簇头的算法虽然能解决簇头能耗过快的问题，但在簇头选择方面随机性太强且没有将能量因素纳入考虑的范围。特别地，当某一特定区域内簇头分布不均匀或过于集中时，大部分的成员节点与自己的簇头节点间的欧式距离很远且只能单跳传输，它们就不得不通过提高发送功率将数据包传输至簇头，这对网络的能耗是极大的浪费。此外，这类算法没有将能量因素纳入簇头选举的考虑因素中，当某些簇头节点的剩余能量较低无法完成正常的簇头节点的路由任务时，整个簇内节点采集到的所有数据都将无法送出，这也会严重影响网络的各方面性能。而其他传统的分簇路由算法也多将簇分为簇头节点和成员节点两级，如果簇的面积较大，即使成员节点在簇头节点通信的覆盖范围内，若想通过单跳完成远距离的数据传输也需要大量的能量，此时，这种簇内的单跳路由方式显然不符合无线传感网的多跳节能原则。
技术实现思路
本专利技术的目的就在于克服上述缺陷，提出一种农业环境无线传感网的动态自组网方法。本专利技术的技术方案如下：一种农业环境无线传感网的动态自组网方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)传感器网络中所有节点进行初始化并广播消息，各节点构建自己的邻居节点信息列表；(2)选举各层的簇头节点Vi，成为簇头节点后，广播簇头生成消息并更新节点所处层数和传输半径；(3)节点Vj收到Vi的簇头生成消息后判断是否加入Vi，若加入Vi，则节点Vj成为成员节点，受簇头节点Vi管理；(4)节点Vk没有收到任何簇头生成消息，但是与成员节点Vj的距离小于最小传输半径TRopt，则节点Vk加入成员节点Vj成为客人节点，受簇头节点Vi管理；(5)重复步骤(2)-(4)，直至传输半径等于整个网络的半径TRmax；(6)至一轮结束，重新开始下一轮。进一步的，上述步骤(1)中，各节点初始化包括如下步骤：(1.1)各节点向邻居节点广播的消息包括：节点ID、节点剩余能量RE和节点到基站的距离DtoBS；(1.2)各节点初始化时，初始内容为：节点层数ClusterLevel为0、簇头节点为基站BS、竞选簇头结果为失败、节点传输半径为TRopt。进一步的，上述步骤(1.2)中各节点的最优通信范围TRopt可描述为公式(2)Eelec表示接收/发射电路接收/发射每比特信号所消耗的能量，εamp为节点的发射放大电路在单位面积内传播每比特信号所消耗的能量。进一步的，上述步骤(2)中，节点Vi竞选簇头时需要符合如下要求：(2.1)节点Vi之前没有被选为簇头，即节点Vi消息中的竞选簇头结果为失败，只有网络中的非簇头节点才能成为上层簇头的候选节点，且某一节点只能成为某一层的簇头；(2.2)在节点Vi之前没有被选为簇头的基础上，在(0，1)范围内选取一个随机数，如果这个数小于T(n)，节点Vi才当选为簇头；(2.3)节点Vi被选为簇头后，需要更新节点Vi的簇头生成消息，具体包括：竞选簇头结果为成功、节点层数值加1、传输半径值更新为TRopt*节点层数值。进一步的，上述步骤(2.2)中的阈值T(n)可描述为公式(3)p是簇头占所有节点的百分比，即节点当选为簇头的概率，r是当前循环进行的轮数，rs表示节点连续未当选簇头的轮次，一旦当选了簇头，rs重置为0.进一步的，上述步骤(2.3)中各簇头节点广播消息时采用的半径大小不同，其最小取值为TRopt，但最大不超过整个网络的半径大小TRmax。进一步的，上述步骤(3)中，节点Vj收到Vi的簇头生成消息后需要判断是否加入Vi，判断依据如下：(3.1)节点Vj收到Vi的簇头生成消息后，先检查该消息对应的簇头所属层数是否是自己的直接上层，即判断Vj(ClusterLevel)+1＝Vi(ClusterLevel)是否成立，如果不成立，则节点Vj不做任何响应直接丢弃，否则，将节点Vi的簇头生成消息保存在Vj的候选簇头列表SCH；(3.2)如果Vj的候选簇头列表SCH中有多个簇头节点的消息，即Vj的邻居节点中有多个簇头在传输半径内，则比较候选簇头列表SCH中各簇头的剩余能量RE与它们到基站的距离DtoBS的比值RE/DtoBS，取比值最大的节点Vi做为Vj的簇头，Vj成为Vi的成员节点并受它管理；(3.3)如果Vj的候选簇头列表SCH中只有一个簇头节点Vi的消息，即Vj的邻居节点中只有一个簇头节点Vi在传输半径内，则直接加入节点Vi所在的簇，Vj成为Vi的成员节点并受它管理。进一步的，上述步骤(4)中，对于那些候选簇头列表SCH为空的节点Vk，需通过邻居节点中距离最近的成员节点加入相应的簇，方法如下：(4.1)节点Vk的候选簇头列表SCH为空时，寻找邻居节点中距离自己最近的一个成员节点Vj，判断距离是否小于最小传输半径TRopt，若成立，则节点Vk加入成员节点Vj成为客人节点，且客人节点Vk和成员节点Vj均受簇头节点Vi管理，若不成立，则节点Vk不做任何响应等待下一个簇头生成消息。进一步的，上述步骤(5)中，当某层节点采用TRmax作为当前传输半径时，簇头生成消息就将覆盖整个网络，此时整个网络中的节点都会加入相应层的簇，簇生成阶段结束。本专利技术的有益效果包括以下几点：1、本专利技术采用多层分簇路由机制使簇头节点的更替更加合理，通过最小化簇达到最大限度地均衡能量消耗，簇内通信数据量进一步减少，从而有效减轻簇头的通信负担；2、在竞选簇头节点时，通过将能量因素纳入考虑的范围来改进阈值计算方面的不足，从而使簇头节点的选举更加合理，进一步延长整个网络的生存时间；3、簇内节点分簇头节点、成员节点和客人节点三级，当某个非簇头节点未收到簇头生成消息时可通过成员节点间接加入簇，提高了节点布置稀疏区域网络的连通性。附图说明图1——本专利技术的无线传感器网络结构示意图。图2——本专利技术的层内节点的动态自组织过程示意图；其中，A是第一轮自组织示意图，B是第二轮自组织示意图，C是第三轮自组织示意图，D是第四轮自组织示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步描述。如图1所示为本专利技术的无线传感器网络结构示意图，本专利技术所属的无线自组网中包括多个汇聚节点、若干簇头节点、若干成员节点和若干客人节点。如图1所示，将所有节点分层且每层都进行簇头节点的选举，说明了在应本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种农业环境无线传感网的动态自组网方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)传感器网络中所有节点进行初始化并广播消息，各节点构建自己的邻居节点信息列表；(2)选举各层的簇头节点V

【技术特征摘要】
1.一种农业环境无线传感网的动态自组网方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)传感器网络中所有节点进行初始化并广播消息，各节点构建自己的邻居节点信息列表；(2)选举各层的簇头节点Vi，成为簇头节点后，广播簇头生成消息并更新节点所处层数和传输半径；(3)节点Vj收到Vi的簇头生成消息后判断是否加入Vi，若加入Vi，则节点Vj成为成员节点，受簇头节点Vi管理；(4)节点Vk没有收到任何簇头生成消息，但是与成员节点Vj的距离小于最小传输半径TRopt，则节点Vk加入成员节点Vj成为客人节点，受簇头节点Vi管理；(5)重复步骤(2)-(4)，直至传输半径等于整个网络的半径TRmax；(6)至一轮结束，重新开始下一轮。2.根据权利要求1所述的一种农业环境无线传感网的动态自组网方法，其特征在于：所述步骤(1)中，各节点初始化包括如下步骤：(1.1)各节点向邻居节点广播的消息包括：节点ID、节点剩余能量RE和节点到基站的距离DtoBS；(1.2)各节点初始化时，初始内容为：节点层数ClusterLevel为0、簇头节点为基站BS、竞选簇头结果为失败、节点传输半径为TRopt。进一步的，上述步骤(1.2)中各节点的最优通信范围TRopt计算公式为Eelec表示接收/发射电路接收/发射每比特信号所消耗的能量，εamp为节点的发射放大电路在单位面积内传播每比特信号所消耗的能量。3.根据权利要求1所述的一种农业环境无线传感网的动态自组网方法，其特征在于：所述步骤(2)中，节点Vi竞选簇头时需要符合如下要求：(2.1)节点Vi之前没有被选为簇头，即节点Vi消息中的竞选簇头结果为失败，只有网络中的非簇头节点才能成为上层簇头的候选节点，且某一节点只能成为某一层的簇头；(2.2)在节点Vi之前没有被选为簇头的基础上，在(0，1)范围内选取一个随机数，如果这个数小于T(n)，节点Vi才当选为簇头；(2.3)节点Vi被选为簇头后，需要更新节点Vi的簇头生成消息，具体包括：竞选簇头结果为成功、节点层数值加1、传输半径值更新为TRopt*节点层数值。进一步的，上述步骤(2.2)中的阈值T(n)的计算公式为

【专利技术属性】
技术研发人员：张正华，李忍忍，朱俊武，李云，
申请(专利权)人：扬州大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32