[发明专利]基于层次聚类的数据汇聚方法和系统

说明书

技术领域

本发明涉及无线传感器网络技术领域，特别是涉及一种基于层次聚类的数据汇聚方法和基于层次聚类的数据汇聚系统。

背景技术

随着传感器技术、嵌入式计算技术、通信技术、分布式信息处理技术、微电子制造技术以及软件编程技术的发展，促成了无线传感器网络的迅速兴起。无线传感器可以感知一定网络范围内的监测对象的状态，并把收集到的数据进行处理和转发。无线传感器网络需要周期性的采集数据转发到数据处理中心，为了保证实时性，数据转发的周期很短，因此在无线传感器网络中，存在大量的数据需要传输，可能会造成数据传输拥塞。同时，由于距离近的传感器之间数据的相似性，会造成数据的冗余。另外，传感器一般采用电池供电，能量有限，不易补充。为了改善无线传感器网络，下面两种技术方案做了相关改进。

第一种主要通过四步完成：第一、各锚节点进行第一次广播，通过泛洪的方式向整个网络传递锚节点的坐标及跳数信息，每个锚节点获取其他锚节点的坐标及跳数信息，每个未知节点获取距离最短的锚节点的坐标及跳数信息；第二、根据每个锚节点与其它锚节点位置和相隔跳数计算网络中平均每跳距离，并将平均每跳距离作为一个校正值广播至网络中；第三、各锚节点进行第二次广播，将校正值继续以泛洪的方式在网络中传递，未知节点获取距离最短的锚节点的校正值作为该未知节点的平均每跳距离，并计算未知节点到锚节点的距离；第四、通过最小二乘法计算未知节点的坐标。该技术方案采用洪泛的方式进行数据采集，因此效率比较低，会造成较高的网络负载。

第二种主要通过三步完成：第一、网络初始化阶段，汇聚节点在整个网络中发送广播消息，所有节点根据接收到的信号强度RSSI(Received Signal Strength Indication，接收的信号强度指示)计算出其到汇聚节点的近似距离并放在缓存中；第二、轮簇过程，节点根据自身的剩余能量和每一轮的能量采集速率每周期时间进行一次轮簇过程，每个节点根据自身的剩余能量和能量采集速率值竞争簇头，每一轮包括成簇阶段和簇间路由阶段；第三、成簇阶段：节点根据自身剩余能量和能量采集速率进行分簇和竞选簇头。该算法虽然可以尽可能延长网络的寿命，但是效率较低，不适用于大规模网络。

综上所述，现有的无线传感器网络，由于距离近的传感器之间数据的相似性，会造成数据的冗余，传输效率较低。

发明内容

基于此，有必要针对现有的无线传感器网络传输效率较低的问题，提供一种基于层次聚类的数据汇聚方法和系统。

一种基于层次聚类的数据汇聚方法，包括以下步骤：

(1)根据层次聚类算法将所有节点中两两之间的距离最短的两个节点合并为一类，根据合并的类以及其他节点重新进行合并，直到将所有节点合并为一个类；

(2)对合并的类进行分组，计算将节点分为不同组数时所有节点的总开销，获取总开销最小的分组数；根据总开销最小的分组数将合并的类的所有节点进行分组；

(3)根据每个分组的节点寻找各个分组的聚合节点，组成第一层聚合节点，对第一层聚合节点依据步骤(1)和(2)的方式进行重新分组，并以分组的第一层聚合节点寻找下一层的聚合节点，直到最后一层的聚合节点少于设定的个数时，确定最后一层的聚合节点；

其中，寻找分组的聚合节点方法包括：

s1、选择本组中的一个节点，以该节点为初始聚合节点；

s2、计算本组中其他节点到所述初始聚合节点的链路总开销；

s3、从本组中剩下的节点中选择一个节点，并以该节点为初始聚合节点，计算本组中其他节点到该初始聚合节点的链路总开销；

s4、判断是否选择所有节点，若是，选择链路总开销最小对应的节点作为汇聚组内节点数据的第一层聚合节点，否则返回s3；

(4)将最后一层的聚合节点对应的节点数据发送至数据处理中心。

一种基于层次聚类的数据汇聚系统，包括：

合并模块，用于根据层次聚类算法将所有节点中两两之间的距离最短的两个节点合并为一类，根据合并的类以及其他节点重新进行合并，直到将所有节点合并为一个类；

分组模块，用于对合并的类进行分组，计算将节点分为不同组数时所有节点的总开销，获取总开销最小的分组数；根据总开销最小的分组数将合并的类的所有节点进行分组；

寻找模块，用于根据每个分组的节点寻找各个分组的聚合节点，组成第一层聚合节点，对第一层聚合节点依据所述合并模块和分组模块的方式进行重新分组，并以分组的第一层聚合节点寻找下一层的聚合节点，直到最后一层的聚合节点少于设定的个数时，确定最后一层的聚合节点；