[发明专利]一种用于内河水质监测无线传感网络的拓扑控制方法

摘要

本发明公开了一种适用于内河水质监测无线传感网络的拓扑控制方法，包含网络初始化阶段，成簇阶段，簇头竞选阶段，簇内通信阶段，簇间通信阶段。针对多汇聚节点、长距离双线型分布的内河水质监测无线传感网络，将网络划分成大小相等的虚拟格，一个虚拟格里的所有活跃的传感器节点组成一个簇。每轮，簇选择通信代价小、剩余能量多的节点作为簇头，其余节点采用单跳数据传输方式将自身的监测数据发送给簇头，簇头进行数据融合后，采用簇间多跳数据传输方式，将数据发送给较近的汇聚节点，若路径不通，则将数据反向发送给较远的汇聚节点。本发明有效地延长了网络的生命周期，均衡了网络的负载，优化了网络的性能。

主权项

一种用于内河水质监测无线传感网络的拓扑控制方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)、网络初始化，在内河中取一长方形区域作为网络环境，在长方形区域长向的两个对顶角处分别设置汇聚节点A和B，在长方形区域的两个长边上均匀的设置N个传感器节点；(2)、使传感器节点成簇，具体包括如下步骤：(2a)、汇聚节点A和B广播位置信息，获知长方形网络的分布范围信息，即网络的长度L和宽度W，并且网络中的传感器节点获知节点自身与汇聚节点A和B的距离信息；(2b)、将网络划分成M个大小相等的虚拟格，虚拟格的宽w为W/2，虚拟格的长l，每个虚拟格里的所有传感器节点组成一个簇，共M个簇，设置虚拟格的宽w＝W/2，长且L mod l＝0，其中d0是各节点之间通信能耗模型的距离阈值，将M个簇分别标记为C1,C2,…Cm,…，CM,其中，M＝L/l,m为[1,M]内任意整数，m为簇的序号；(3)、簇头竞选，即选剩余能量多、通信代价小的簇内节点作为簇头，包括以下子步骤：(3a)、所有活跃的传感器节点广播自身的簇ID和节点ID信息，并且每个活跃的传感器节点获得其所在簇的活跃节点数以及簇内所有活跃节点的ID信息；(3b)、根据式(1)计算簇内活跃传感器节点的竞争因子，其中，P(Cm，i)为簇Cm内节点i的竞争因子，D(i，j)是簇Cm内的节点j和节点i的距离，N(m)为步骤(3a)中的活跃节点数，Er(i)是节点i的剩余能量；(3c)、簇Cm内节点广播竞争因子信息，若节点接受到的竞争因子有大于本身的竞争因子，则节点设置为本轮的簇内节点，反之，若节点接受到的竞争因子都小于本身的竞争因子则节点设置为本轮的簇头节点，并标记为cm，其中，m为[1,M]内任意整数，簇头节点广播通告自身的簇头信息，并通告簇内节点可以发送信息；(4)、簇内通信，簇内节点之间采用单跳方式通信，簇头节点根据簇内节点数分配TDMA时隙，簇内节点在指定的时隙将各自的监测数据发送给簇头节点，簇头节点收到簇内所有数据后，进行数据融合；(5)、簇间通信，簇头节点将数据发送给与簇头节点距离较近的汇聚节点，若簇头节点与汇聚节点的距离不大于距离阀值d0，直接将数据单跳传输给汇聚节点，反之，该簇头节点在传输方向上选择相邻簇的簇头节点作为中继节点；若该簇头节点发出请求信息后，没有收到返回信息，则该簇头节点将数据反向发送给较远的汇聚节点；选择中继节点时，簇头节点ci会向传输方向上的相邻簇的簇头发送中继请求信息，相邻簇的簇头节点cj接收到请求后，返回自身能量信息给请求节点，簇头节点ci根据下跳能耗比选择通信代价小，剩余能量多的相邻簇的簇头节点作为其中继节点，其中Er(cj)为节点cj的剩余能量，D(ci，cj)为节点ci和节点cj之间的距离；(6)、重复执行步骤(2)到(5)，直到执行次数达到指定轮数或者网络死亡。