[发明专利]一种基于粒子群优化的无线传感器网络分簇方法

说明书

技术领域

本发明属于无线传感器网络拓扑控制领域，具体涉及一种基于粒子群优化的无线传感器网络分簇方法。本专利设计的方法通过优化分簇，达到降低资源受限的传感器网络能耗，延长网络生存时间和提高系统扩展性的目的。

背景技术

无线传感器作为感知采集数据的常用设备，引起了越来越多的关注，在军事、工业控制、环境检测等领域应用广泛，尤其在农田环境检测领域有重要应用价值。无线传感器节点通常体积微小，采用能量有限的电池供电，需尽量延长无线传感器的生存时间，采集更多的农田环境检测数据。无线传感器网络拓扑控制对网络的性能影响很大，优良的拓扑结构能提高MAC协议和路由协议的效率，为数据融合与目标定位等提供基础，有利于延长整个网络的生存时间。

传感器节点的无线通信模块在空闲状态下也消耗较多的能量，且大部分时间空闲，故关闭传感器节点的通信模块，可大幅降低能耗开销。考虑选择某些节点作为簇头节点打开通信模块，关闭非簇头节点的通信模块，由簇头节点组建一个连通网络负责数据的采集、路由与转发，这样既保证了覆盖范围内的数据通信，也节省了大量的能量。在这种拓扑管理机制下，网络中的节点可划分为簇头节点和普通节点。簇头节点对簇内的普通节点进行管理，协调簇内节点，负责数据的融合与转发，能量消耗较大，故分簇算法通常周期性的选择簇头节点来均衡网络中传感器节点的能量消耗，达到延长网络生存时间，避免过早出现能量“空洞”的目的。层次型结构有很多优点，比如簇头节点负责数据融合，减少了数据通信量；分簇结构有利于分布式算法的大规模部署，提高了系统的可扩展性；大部分节点长时间关闭通信模块，显著的延长了网络的生存时间。

Wendi B.Heinzelman等人提出了LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)，LEACH执行是周期性的，节点轮流当选簇头，使得传感器节点能耗相对均衡，从而有效的延长了网络的生存时间。但是LEACH中节点只是按照一定的概率当选簇头，未考虑节点的剩余能量、节点的邻居节点分布以及与基站间的距离等因素，簇头的选择随机性大，簇头的分布不均匀，故未很好的均衡整个网络的能耗，整个网络的能量利用率较低。

在LEACH的基础上提出了很多改进，比如HEED(Hybrid Energy-Efficient Distributed clustering)，针对LEACH进行了改进，以簇内平均可达能量作为衡量簇内通信的标准。但是该仅强调簇内能耗的优化，未考虑簇头与基站的距离等因素，簇头分布也不是太均匀，导致能耗相对较高。

发明内容

本发明提出了一种基于粒子群优化的无线传感器网络分簇方法，在农田环境监测应用中，无线传感器采用电池供电，需尽量延长传感器的生存时间，采集更多的农田监测数据。此方法通过粒子群优化来进行分簇，解决了无线传感器网络簇头分布不均，能量消耗不均衡从而带来的网络生存时间短等问题，从而有效的利用能量，提高网络的扩展性和稳定性，延长网络的生存周期。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案，一种基于粒子群优化的无线传感器网络分簇方法，包括簇头选择、簇的形成以及数据传输三个阶段，具体如下：

1)簇头选择：首先根据当前农田环境检测网络的状况，动态决定最优簇的数目K；然后考虑影响能耗的因素如邻居节点分布与数量，节点剩余能量以及与基站间的距离等，经过认真分析与多次实验总结，构造适应值函数f，运用粒子群优化选择最优解，基站将最优粒子对应的簇头节点集广播至无线传感器网络。首次簇头选择前，节点需广播自己的状态信息，比如位置、剩余能量等信息；在随后的运行过程中，采取“捎带”的方式携带节点状态信息，大大减少能耗。其中最优簇的数目K采用公式(1)，适应值函数采用公式(2)。

2)簇的形成：各节点收到基站的广播信息后，成为簇头的节点通过CSMA码广播自身信息，非簇头节点收到该广播信息后，根据接收信号的强弱向最强信号的簇头发送加入请求；簇头收到加入信息后，分配一个TDMA时隙给该节点，该节点在该TDMA时隙内传输数据。

3)数据传输：簇头收集簇内节点采集的感知信息，汇聚压缩后采用一阶无线模型发送至基站；同时当然节点的状态信息，比如位置、剩余能量等信息通过“捎带”的方式发送至基站。由于该发明的应用场景为基站位于感知区域中心且感知区域不大，故采用单跳方式进行通信，简化模型。

本发明的优点：