城市综合管廊中延长无线传感器网络生存周期的方法技术

本发明专利技术公开了一种城市综合管廊中延长无线传感器网络生存周期的方法，包括步骤一、网络拓扑的确定，步骤二、网络拓扑确定后的初始化，步骤三、簇头节点的选取，步骤四、簇的形成，步骤五、数据传输，其特征在于，所述步骤一包括：将城市综合管廊的WSN部署环境简化为一个长矩形区域A，在所述长矩形区域A的中间通路铺设传感器节点能量损耗大的管道，从中间通路向两侧铺设传感器节点能量损耗渐小的管道。本发明专利技术的城市综合管廊中延长无线传感器网络生存周期的方法，能够有效延长网络的生存周期，网络寿命提高50％以上。

【技术实现步骤摘要】
城市综合管廊中延长无线传感器网络生存周期的方法
本专利技术涉及无线传感器网络数据的传输方法，尤其是一种城市综合管廊中延长无线传感器网络生存周期的方法。
技术介绍
城市综合管廊亦称共同沟，是指在城市地下用于集中铺设电力、通信、广播电视、给水、排水、热力和燃气等市政管道的公共隧道，是一种现代化、科学化和集约化的城市基础设施[11]。因城市综合管廊内所述的电力、通信、广播电视、给水、排水、热力、燃气等管道需要稳定运行，这就需要对这些管道进行实时监控，以保证能够随时发现问题，以便及时派出人员准确到达故障地点进行故障排除。而城市综合管廊内环境较差、人员不易长期值守。这就对如何能够实现自动实时采集需监控的各管道的运行信息，及时发送给观察者提出了要求。无线传感器网络(WirelessSensorNetworks，简称WSN)是一种新兴的网络模型，它由大量具有通信和计算能力的传感器节点布设在无人值守的监控区域构成。在数据传输上，WSN传统的LEACH协议信息传输模式单一，因此，广大研究者对于这些问题，做了广泛的研究。甘少波提出只对LEACH协议的节点进行一次分簇，之后的周期，都在分好的簇内选择新的簇头的算法[1]。倪文亚提出将传感器节点的能量因素和位置因素作为选择簇头标准之一，并通过粒子群算法(PSO)，根据不同网络规模选取最佳的能量和距离的比重，优化簇头选举的算法[2]。刘昌东提出了一个仿真区域中心点的概念，主要作用是让簇头节点分布更加均匀，使簇内通信消耗能量消耗不至于太高，簇头到Sink节点的能量消耗也不至于太大。为了实现这个分布，设置了距离因子和能量因子，这两个因子之间有联系，共同决定对节点的分簇[3]。李亚男提出将节点的剩余能量和距离汇聚节点的远近作为成簇的依据，使簇头的分布更加合理的算法[4]。李婧提出对簇头节点所占比例进行优化选择的算法[5]。邓柯提出在成簇阶段完成后，簇头节点根据节点的能量剩余情况，向能量剩余最多的节点发送消息，通知其担任簇头的算法[6]。邹茜提出在进行簇头选举之前，根据网络的节点数目、节点到汇聚节点的距离和网络覆盖区域大小等参数共同决定节点成为候选簇头概率的算法[7]。张现利提出将K-Means聚类算法引进LEACH路由协议中[8]。彭蕾为了降低传感器节点能耗，提出一种适用于大规模网络的基于LEACH协议的混合无线传感网络节能路由算法[9]。严静静采用WCRCM聚类算法将WSN中节点的地理位置进行聚类，从而在无线网络的监控区域形成多个虚拟子区域，达到优化簇头节点分布的目的[10]。授权公告号为CN103916942B的专利技术专利《一种降低功耗的LEACH协议改进方法》。该专利技术包括如下步骤：步骤一，确定网络拓扑：将n个普通传感器节点随机均匀分布在监控区域内，各节点的感知半径相同，覆盖区域是以节点为圆心，R为半径的圆；基站配置于监测区域之外，可以和区域内任意一个传感器节点直接通信，网络拓扑确定完毕；步骤二，网络拓扑确定后进行初始化，监测网络中所有节点的初始能量均为E，基站计算基站到每个普通节点的距离，找到距离最大值和最小值；基站泛洪广播全网信息包，包括最大距离、最小距离以及基站的位置信息，各个节点收到消息后连同自身的位置信息存储起来；步骤三，簇头节点的选取：从节点能量、节点到基站的距离、节点密度三个因子方面综合选簇头，协议根据三个因子区分出三类特殊节点，通过提高特殊节点的当选概率，均衡簇头的负担；步骤四，簇的形成：采用网格分簇方法，首先协议通过节点位置模糊匹配的方式将网络分成若干个相同大小的网格，矩形网络区域长为L，宽为W，将长边划分为a等份，宽边划分为b等份，网络被等分为a*b个矩形网格，所有节点计算自身所属网格的二维值，满足位置匹配条件的节点划分在同一网格，即二维值相同的节点分在同一簇，从而形成簇；步骤五，数据传输：当簇形成后，传感器节点采集数据并进行数据的传输，数据传递方式包括以下过程：首先规定一个距离闽值，当簇头节点n与基站的距离小于距离阈值时，节点采用单跳方式，簇头直接与基站通信，完成数据传输；当簇头节点n和基站间的距离大于距离阈值时，先完成簇内数据处理，即网格内的簇头接收本簇节点的数据包，若一个网格包含多个簇头，普通节点的数据包发送至距离最近的簇头；簇内数据处理完成后，各个网格中的簇头成为待转发节点，进行簇外数据传输，采用多跳方式，选择合适的转发节点，将数据传送至基站；计数簇头重置时间为20s，20s后处于数据稳定传输阶段的网络重新进入簇头选取阶段，调整轮数值并再次执行步骤(三)一(五)，如此循环直至所有节点能量耗尽。以上的这些研究，在对LEACH协议的簇头选举、区域划分、信息传输方式和能量消耗等方面做了改进，提高了网络的生存能力，降低了网络的能耗，但这些改进都是针对一个长宽差异不大的部署环境提出的，而城市综合管廊的建设需要对道路及两侧建筑物的空间影响进行考虑，这决定了其必定是一个长度远大于宽度的建筑结构，假设城市综合管廊某一段为长500m、直径是20m的半圆柱体，则截面半圆的周长约为31.4m，20m、31.4m对于500m的长度占比分别为4％和6.28％，相差较小，可以抽象成长矩形平面。而传统LEACH协议的应用环境通常是正方形。因此，针对城市综合管廊的应用环境特点，如何设计出适合的WSN来监控城市综合管廊内的各个管道，具有重要的研究价值。本专利技术针对WSN和城市综合管廊自身特点详细分析现有WSN的节点模型和LEACH协议的选簇机制，分析得出LEACH协议在城市综合管廊的应用中存在如下缺陷：在选举簇头过程中，由于节点部署具有随机性，簇头的产生也伴随着这种随机性，而在大多数需要部署无线传感网络的环境中，是需要考虑位置信息和能量信息的。如果选择位置距离基站节点较远或者剩余能量较少的节点作为簇头，会严重降低网络的存活时间。同样，如果某些节点过于频繁地担任簇头，在节点初始能量相同的情况下，这种节点将会过早死亡，造成网络萎缩。参考文献：[1]甘少波.基于LEACH协议的无线传感器网络路由协议改进算法[D].华中师范大学，2015.[2]倪文亚.无线传感器网络Leach路由协议的研究与改进[D].华东理工大学，2015.[3]刘昌东.一种新的基于LEACH的WSN路由协议研究[D].哈尔滨理工大学，2015.[4]李亚男，徐夫田，陈金鑫.基于LEACH的WSNs分簇优化策略[J].传感技术学报，2014，27(05)：670-674.[5]李婧.无线传感器网络路由及定位技术的研究[D].太原理工大学，2015.[6]邓柯.基于遗传算法的无线传感器网络层次路由协议研究[D].陕西师范大学，2015.[7]邹茜.地理环境信息监测中的能量有效无线传感器网络路由算法研究[D].成都理工大学，2014.[8]张现利.基于LEACH协议改进的物联网能耗均衡路由算法[D].吉林大学，2016.[9]彭蕾，吕敬祥，刘秋平.大规模无线传感网络的混合LEACH协议研究[J].传感技术学报，2016，29(11)：1737-1741.[10]严静静.基于粗糙C-均值聚类的WSN能量均衡路由算法研究[D].南京邮电大学，2016.[11]白海龙.城市综合管廊发展趋势研究[J].中国市政工程，2015本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种城市综合管廊中延长无线传感器网络生存周期的方法，包括步骤一、网络拓扑的确定，步骤二、网络拓扑确定后的初始化，步骤三、簇头节点的选取，步骤四、簇的形成，步骤五、数据传输，其特征在于，所述步骤一包括：将城市综合管廊的WSN部署环境简化为一个长矩形区域A，在所述长矩形区域A的中间通路铺设传感器节点能量损耗大的管道，从中间通路向两侧铺设传感器节点能量损耗渐小的管道。

【技术特征摘要】
1.一种城市综合管廊中延长无线传感器网络生存周期的方法，包括步骤一、网络拓扑的确定，步骤二、网络拓扑确定后的初始化，步骤三、簇头节点的选取，步骤四、簇的形成，步骤五、数据传输，其特征在于，所述步骤一包括：将城市综合管廊的WSN部署环境简化为一个长矩形区域A，在所述长矩形区域A的中间通路铺设传感器节点能量损耗大的管道，从中间通路向两侧铺设传感器节点能量损耗渐小的管道。2.根据权利要求1所述的城市综合管廊中延长无线传感器网络生存周期的方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑豪男，周志鑫，李剑，周慧敏，项斌，张飞翔，邵晨宁，惠国华，
申请(专利权)人：浙江农林大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33