[发明专利]一种无线传感器网络中基于能耗均衡的动态分簇方法

说明书

本发明公开了一种无线传感器网络中基于能耗均衡的动态分簇方法，包括：确定传感器网络中簇头节点的位置；簇头节点根据能量权重更大的竞争函数，从传感器网络的非簇头节点中选择第一批节点并加入自身簇中；簇头节点根据自身簇的总能量均衡状态值及距离权重更大的竞争函数，选择下一批节点加入自身簇中；根据能量与距离权重相同的竞争函数，将簇内节点分为若干级；簇内节点将数据按级别依次上传至所在簇的簇头节点。本发明在保证一定的数据采集量优势前提下，簇间能耗更加均衡，存活节点的剩余能量分布更加均衡，网络生命周期得到延长，而且对簇内节点分级可以缓解簇头节点的负载压力，解决数据远距离传输的节点能耗问题以及数据易丢失问题。

技术领域

本发明无线传感器网络数据采集领域，具体涉及一种无线传感器网络中基于能耗均衡的动态分簇方法。

背景技术

随着互联网时代的发展，物联网在工业等领域具有广阔的应用前景。由大量部署在监测区域的传感器节点互相通信所组成的无线传感器网络是物联网底层的重要技术形式。无线传感器网络中重要的应用之一是数据采集，但是在一些应用场景比如军事基地、森林火灾监测等，传感器节点的能量有限且不便于随时进行补充，因此在无线传感器网络进行数据采集过程中，其能量使用效率是一个需要关注的问题。

在无线传感器网络中，通常节点数量较多且有些节点之间距离很远，聚类传感器节点是延长传感器网络寿命的重要方法之一。聚类包括对传感器节点进行分簇，然后从每个簇中选出一个簇头，对每个节点的数据进行汇总，再将收集到的数据转发给基站，其中，LEACH算法是最经典的聚类算法。在关注能量效率的同时，网络剩余能量的均匀分布也对传感器网络的生命周期有着重要的影响。为了提高网络的生存时间和剩余能量，分簇算法和簇头节点的选择变得越来越重要。

发明内容

本发明提供一种无线传感器网络中基于能耗均衡的动态分簇方法，可以提升无线传感器网络中的网络能量效率和网络生命周期，提高传感器网络在森林等不便于补充节点能量场景的应用效率。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种无线传感器网络中基于能耗均衡的动态分簇方法，包括以下步骤：

步骤1，采用现有聚类方法确定传感器网络中k个簇头节点的位置；

步骤2，每个簇头节点根据第一竞争函数值，从传感器网络的非簇头节点中选择第一批节点并加入自身簇中；第一竞争函数为：

式中，e_res为节点的剩余能量，d_itoj为两个节点之间的欧式距离，λ₁为节点剩余能量在第一竞争函数中的权重；

步骤3，每个簇头节点根据自身簇的总能量均衡状态值以及第二竞争函数值，从传感器网络的未成簇的节点中选择下一批节点加入自身簇中，直到所有节点均成为簇成员；第二竞争函数为：

式中，λ₂为节点剩余能量在第二竞争函数中的权重；

步骤4，根据第三竞争函数值，将各簇内非簇头节点分为若干级别；第三竞争函数为：

式中，λ₃为节点剩余能量在第三竞争函数中的权重；

步骤5，簇内节点将数据按级别依次递增的路径依次上传至所在簇的簇头节点，更新簇头节点，并返回步骤4；

步骤6，在簇内节点每进行T₀轮数据采集并上传后，判断传感器网络的状态平衡值是否小于预设的状态平衡阈值，若小于则返回步骤1，否则返回步骤4。

在更优的技术方案中，步骤1中簇头节点数量k的确定方法为：