[发明专利]一种无线传感器网络非均匀分簇拓扑监控方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于通信技术领域，尤其涉及一种无线传感器网络非均匀分簇拓扑监控方法及装置。

背景技术

目前，我国煤矿井下采用的有线监控系统普遍存在布线困难、易损坏、覆盖范围窄、维护成本高等缺点，将无线传感器网络应用到煤矿井下监测系统可以有效解决有线网络存在的缺陷，然而，无线传感器网络中的传感器节点通常采用能量有限的电池供电，部署后很难更换电池，因此最大限度的延长无线传感器网络的生命周期成为控制的主要目标。

合理有效的拓扑控制可以减少和均衡网络的能量消耗，最大限度的延长网络的生存时间。目前的无线传感器网络分簇拓扑控制方法簇头选举策略不合理，离sink节点较近的簇头不仅要收集处理簇内信息，还要转发大量的簇间数据，能量消耗过大，簇的更新阶段整个网络重新选取簇头也会造成网络能量的大量消耗。虽然有研究人员对LEACH分簇算法和簇间数据通信方式进行了改进，簇首选举时考虑剩余能量因素，剩余能量高的节点当选为簇头的概率较高，但簇间通信采用集中式路由，且需要知道网络的全局信息，限制了算法的扩展性。还有研究人员提出了一种优化的路由协议，利用非均匀分簇解决离sink节点较近的节点能量消耗过快的“热区”问题。但未对簇间的路由策略进行讨论。此外，还有研究人员提出了一种链状式网络模型，将网络中的簇首节点抽象成一条链状网络，理论分析了网络的最长生存时间和簇首间距之间的关系，需要对簇首的位置提前进行计算和部署，对网络的部署要求较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无线传感器网络非均匀分簇拓扑监控方法及装置，旨在解决现有井下采用的有线监控系统存在布线困难、易损坏、覆盖范围窄、维护成本高等缺点的问题。

本发明是这样实现的，一种无线传感器网络非均匀分簇拓扑监控方法，包括以下步骤：

S1、由sink节点在均匀分布于井下的无线传感器节点进行小范围广播，并从中依次选出中继节点、簇头节点，簇的大小随簇头节点距sink节点距离的增大而增大；

S2、簇内节点采用单跳式将收集到的数据在不同的时隙传送到簇头节点，簇头节点将收集的数据通过中继节点和其它簇头节点多跳至sink节点；

S3、sink节点将数据进行融合后通过环形的工业以太网传输到地面服务器进行分析处理。

优选地，在步骤S2之后还包括步骤：

S21、判断当前簇头节点的剩余能量低于阈值时，在本簇内进行新一轮的簇头选举，判断剩余能量值以及信号强度符合预定值范围且为最大的节点选为新一轮簇头节点。

优选地，所述步骤S21之后还包括步骤：

S22、判断剩余能量值以及信号强度不符合预定值范围时，增大sink节点的广播发射功率，依次重新选出新一轮中继节点、簇头节点。

优选地，所述步骤S1具体包括以下步骤：

S11、sink节点挂接在环形总线上，各无线传感器节点均匀分布于的巷道或采掘工作面的表面；

S12、Sink节点进行小范围广播并发送AskMsg询问报文，周围节点回复应答AskMsg报文，sink节点接收应答信息并分析比较后，选取通知权值较大的节点为簇头节点；

S13、根据当前簇头节点的竞争半径确定出当前簇头节点的发射功率，向周围节点发送AskMsg询问报文，接收到AskMsg报文的节点回复AckMsg应答报文，簇头节点接收到应答信息计算完成后发送InformMsg通知报文，通知具有最大值的节点当选为中继节点。

优选地，所述步骤S3之后还包括步骤：

S4、地面服务器通过环形的工业以太网将监测任务发布给sink节点，再由sink节点分配到各无线传感器节点。

本发明进一步提供了一种无线传感器网络非均匀分簇拓扑监控装置，包括节点生成模块、数据传输模块以及数据处理模块；

所述节点生成模块，用于由sink节点在均匀分布于井下的无线传感器节点进行小范围广播，并从中依次选出中继节点、簇头节点，簇的大小随簇头节点距sink节点距离的增大而增大；

所述数据传输模块，用于簇内节点采用单跳式将收集到的数据在不同的时隙传送到簇头节点，簇头节点将收集的数据通过中继节点和其它簇头节点多跳至sink节点；

所述数据处理模块，用于sink节点将数据进行融合后通过环形的工业以太网传输到地面服务器进行分析处理；其中，所述节点生成模块、数据传输模块以及数据处理模块依次连接。