[发明专利]一种基于LEACH协议的无线传感器网络数据传输方法

说明书

技术领域

本发明属于无线传感器网络系统技术领域，尤其涉及一种基于LEACH协议的无线传感器网络数据传输方法。

背景技术

无线传感器网络是由大量传感器节点通过无线传输构成的自组织网络，目的是实时感知、监测、采集和处理区域内的相关环境参数，并最终发送给终端用户。无线传感器网络中节点的能量是由电池提供，节点的生存时间受到电池容量限制，因此，节能问题一直是无线传感器网络的研究热点。基于此，设计高效低能耗的路由算法来延长网络的生存期，并提高网络的利用率，对无线传感器网络来说非常重要。基于分簇的路由算法能够有效延长网络生存期和提高网络利用率，目前，LEACH路由算法是无线传感器网络中分簇路由算法的研究基础。其基本思想是周期性地以一定概率随机选出簇头节点，其他节点选择较近的簇头入簇，并在自己所属的时间片内将数据直接发送给本簇的簇头，簇头节点接收并融合本簇内节点发送来的数据并直接传输给基站。LEACH算法将整个网络的能量消耗平均分配到每个传感器节点中，从而达到降低网络能量消耗、提高网络整体生存时间的目的。

但也存在着一些问题：

LEACH路由协议算法中没有说明簇头节点如何进行选举分配，才能保证网络数据信息传递的更优，可能会导致被选成簇头的节点集中分布在一个局部区域内，通往汇聚节点的关键路径上节点能量迅速耗尽；

LEACH路由协议算法中每进行一轮的数据传输，全网就进行一次簇头的重新选举，一些不必要的全网簇头选举需要消耗过多的能量，大部分的电池能量可能被浪费在簇头的重新选举中；

LEACH路由协议算法中的簇头选举不具有合理性，仅通过非常简单的公式设定簇头选举的阈值，不利于提高无线传感器网络能量的利用率。没有考虑节点的剩余能量、密度以及地理位置等的影响。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于LEACH分簇协议的无线传感器网络数据传输方法及系统。

本发明是这样实现的，一种基于LEACH分簇协议的无线传感器网络数据传输方法，在所述改进后的方法中，减少不必要的全网簇头选举，把它改为簇内的局部选举，并且在簇头的选举过程中考虑了节点的剩余能量、节点密度以及节点位置，以均衡各个节点能量的消耗，最终无线传感器网络寿命的提高。

本发明的主要思路是，通过设置一个能量阈值V_a，将数据传输过程分为全网簇头选举和簇内簇头选举；

当在所有簇头中存在能量小于能量阈值V_a时，采用全网选举的方法，使区域内的每一个节点都有机会成为簇头；

当在所有簇头中存在能量大于能量阈值V_a时，进行簇内选举，依据剩余能量、节点密度和到簇内质心的距离的约束条件来选择新的簇内簇头，簇的结构不变化，在簇内选举一个非簇头节点成为新的簇头。

进一步，所述基于LEACH分簇协议的无线传感器网络数据传输方法包括以下步骤：

步骤一，第一轮进行全网簇头选举，依据剩余能量，节点密度，采用簇头选举阈值公式选举簇头；

步骤二，检查所有簇头剩余能量，簇头中有剩余能量小于V_a的簇头，进行步骤三；否则进行步骤四；

步骤三，进行全网簇头选举，首先，选取剩余能量大于节点平均剩余能量的节点为候选节点G₁；所述设计的阈值簇头选举公式与节点的相对密度和到汇聚节点的相对距离有关，G₁集合中的节点产生随机数，跟簇头选举阈值公式产生的值进行比较，如果随机数小于簇头选举阈值公式产生的值，G₁集合中的节点成为簇头，否则成为普通节点；簇头广播加簇信息，普通节点根据接收信号大小，选取簇头，并且加入簇头；

步骤四，进行簇内簇头选举，簇内节点的集合为L，选取簇内剩余能量大于或等于平均剩余能量的节点为集合L₁，在集合L₁中选取节点相对密度大于或等于平均相对密度的节点为集合L₂，在集合L₂中选取簇内离质心最近的节点为簇头节点；原始簇头将为普通节点，维持簇成员不变；

步骤五，稳定阶段，进行数据信息的收集和传送；

步骤六，进行下一轮簇头选举，从步骤二开始。

进一步，所述步骤三中计算簇头选举阈值的方法具体包括：