本發(fā)明屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳遞數(shù)據(jù)的方法。

背景技術(shù)：

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wirelesssensornetworks,wsn)通常是由大量微小而且低成本的傳感器組成，傳感器節(jié)點通過單跳或者多跳的方式向匯聚節(jié)點發(fā)送收集過來的信息。這些傳感器節(jié)點本身具有計算能力、存儲能力和通信能力。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用十分廣泛，比如說，環(huán)境監(jiān)測，智能家居，智能醫(yī)療等等。但由于應(yīng)用環(huán)境的特殊性，很難為每個無線傳感器更換電池，所以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期會受到能量的限制。如何利用每個傳感器節(jié)點有限的能量資源并采用一種高效數(shù)據(jù)傳遞方法，使能量消耗和能量負(fù)載達(dá)到平衡成為一個重要的研究課題。

由于傳感器節(jié)點體積較小，節(jié)點的計算、存儲和通信能力都有限；特別是傳感器節(jié)點一般采用電池供電,節(jié)點一旦布置很難再對它們進(jìn)行充電。因此,研究高能效的數(shù)據(jù)傳輸路由協(xié)議和算法,提高節(jié)點的能量使用效率、延長網(wǎng)絡(luò)壽命,一直是wsn中的一個研究熱點和難點。

在傳統(tǒng)的路由協(xié)議中，一般傳感器節(jié)點通過多跳的方式，把搜集的信息傳給匯聚節(jié)點(或基站)，最后由匯聚節(jié)點發(fā)送給遠(yuǎn)端的管理者。由于匯聚節(jié)點通常是固定不動的，這就導(dǎo)致了所謂的“能量空洞”現(xiàn)象；即靠近匯聚節(jié)點的傳感器由于有更多的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)負(fù)擔(dān)，它們會更早地耗盡自身的能量，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的分割和網(wǎng)絡(luò)壽命降低。對應(yīng)的傳感器節(jié)點也稱為“熱節(jié)點”。

蟻群算法的思想來源與蟻群的行為特點，這種算法適用于移動匯聚節(jié)點的移動策略。螞蟻能夠獲得一些全局最優(yōu)性能，例如找到巢穴與食物源之間的最短路徑。螞蟻會在它們的旅途中釋放信息素來標(biāo)記它們的路徑，螞蟻選擇一條路徑的概率與信息素濃度成反比，通過這種機(jī)制螞蟻最終會找到巢穴與食物源之間一條最短路徑。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提出一種在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳遞數(shù)據(jù)的方法，克服了現(xiàn)有技術(shù) 中存在的能量空洞現(xiàn)象以及簇頭分布不均勻、網(wǎng)絡(luò)延遲的問題，減輕了網(wǎng)絡(luò)流量負(fù)載，大大延長了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳遞信息的方法，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)感知區(qū)域的邊緣放置一個移動匯聚節(jié)點；將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)感知區(qū)域劃分為若干等分，每一份為一個簇集；在每一個簇集中確定一個簇頭，簇集中的其他無線傳感器節(jié)點將信息發(fā)送給簇頭，簇頭對簇集內(nèi)信息進(jìn)行融合；移動匯聚節(jié)點根據(jù)蟻群算法找出訪問每一個簇頭的最優(yōu)路徑后依次訪問每一個簇頭。

進(jìn)一步，將每個簇集內(nèi)擁有最高剩余能量的傳感器節(jié)點作為所述簇頭。

進(jìn)一步，選擇擁有最高剩余的傳感器節(jié)點時，將位于簇集中央的傳感器節(jié)點作為候選簇頭，所述候選簇頭在一定范圍內(nèi)向其他傳感器節(jié)點廣播包含有其id和剩余能量信息的數(shù)據(jù)包；如果接收到所述數(shù)據(jù)包的傳感器節(jié)點的剩余能量大于所述候選簇頭，則將該傳感器節(jié)點作為新的候選簇頭；如果接收到所述數(shù)據(jù)包的傳感器節(jié)點的剩余能量與所述候選簇頭的剩余能量相等，則將兩者中具有較小id者作為新的候選簇頭；如果接收到所述數(shù)據(jù)包的傳感器節(jié)點的剩余能量小于所述候選簇頭的剩余能量，則所述候選簇頭繼續(xù)廣播所述數(shù)據(jù)包；直至選出簇集內(nèi)擁有最高剩余能量的傳感器節(jié)點。

進(jìn)一步，各傳感器節(jié)點向簇頭發(fā)送數(shù)據(jù)時，通過中繼節(jié)點選擇能量消耗最小的路由向簇頭發(fā)送數(shù)據(jù)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點在于，(1)簇頭通過數(shù)據(jù)融合大大減少了發(fā)送的數(shù)據(jù)量；(2)采用移動匯聚節(jié)點，避免了能量空洞現(xiàn)象；(3)采用蟻群算法尋找移動匯聚節(jié)點的最優(yōu)移動路徑以訪問每個簇頭節(jié)點，不僅緩解了網(wǎng)絡(luò)時延的問題，而且避免了簇頭與匯聚節(jié)點之間長距離傳輸現(xiàn)象，大大減少了簇頭的能量消耗。

附圖說明

圖1是實施本發(fā)明的一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)示意圖。

圖2是本發(fā)明方法流程圖。

具體實施方式

容易理解，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案，在不變更本發(fā)明的實質(zhì)精神的情況下，本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員可以想象出本發(fā)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳遞信息的多種實施方式。因此，以下具體實施方式和附圖僅是對本發(fā)明的技術(shù)方案的示例性說明，而不應(yīng)當(dāng)視為本發(fā)明的 全部或者視為對本發(fā)明技術(shù)方案的限制或限定。

結(jié)合圖1，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括由各圓點表示的無線傳感器，三角形表示簇頭，在感知區(qū)域邊緣放置一個由五角星表示的移動匯聚節(jié)點。

對于靜止的匯聚節(jié)點的方案，靠近匯聚節(jié)點的傳感器的能量消耗會遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)離匯聚節(jié)點的傳感器，因為靠近匯聚節(jié)點的傳感器承擔(dān)著轉(zhuǎn)發(fā)大量數(shù)據(jù)流量的任務(wù)，導(dǎo)致能量消耗過快，最終出現(xiàn)所謂的能量空洞的現(xiàn)象。本發(fā)明采用移動的匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點按照一定的周期移動，實現(xiàn)了匯聚節(jié)點周圍傳感器能量負(fù)載平衡，有效的避免了能量空洞的現(xiàn)象。

步驟a、如圖1所示，將矩形的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)感知區(qū)域平均分為四等份，每一等份就是一個簇集。

將感知區(qū)域平均分成若干等份作為每一個簇集，每一個簇集內(nèi)只有一個簇頭，這種方案相比較傳統(tǒng)的分簇協(xié)議，例如leach，有效的避免了簇頭的分布不均勻。

步驟b、簇頭選取

每一個簇集內(nèi)只有一個簇頭，相同的簇集內(nèi)的其他傳感器節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)給簇頭節(jié)點，然后簇頭節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，從而減少了流量負(fù)載。

在選擇簇頭時，首先選擇每個簇集中央的傳感器節(jié)點si作為簇頭節(jié)點的候選者，然后傳感器節(jié)點si在范圍r內(nèi)廣播一個包含有其id和剩余能量信息的數(shù)據(jù)包，只有在發(fā)送范圍r內(nèi)的其他傳感器節(jié)點可以接受到這個廣播信息，目的是為了讓簇內(nèi)其他傳感器節(jié)點競爭成為簇頭。如果傳感器節(jié)點sj的剩余能量大于傳感器節(jié)點si的剩余能量，則將傳感器節(jié)點sj作為新的簇頭候選者，并由傳感器節(jié)點sj在范圍r內(nèi)廣播一個包含有其id和剩余能量信息的數(shù)據(jù)包，進(jìn)行下一輪簇頭競爭；如果傳感器節(jié)點sj的剩余能量和傳感器節(jié)點si的剩余能量相等，則將帶有較小id的傳感器節(jié)點作為新的簇頭候選者；如果傳感器節(jié)點sj的剩余能量小于傳感器節(jié)點si的剩余能量，則傳感器節(jié)點si繼續(xù)廣播包含有其id和剩余能量信息的數(shù)據(jù)包。經(jīng)過前述競爭，每個簇內(nèi)擁有最高剩余能量的傳感器節(jié)點將成為簇頭。其中，i和j分別為簇內(nèi)不同傳感器節(jié)點的編號，用于表示不同的傳感器節(jié)點。

步驟c、簇內(nèi)路由選擇

每個傳感器節(jié)點發(fā)送一個l-bits信息經(jīng)過距離d所消耗的能量etx以及接受數(shù)據(jù)所消耗的能量erx的能量公式如下：

erx(l)＝leelec

其中，eelec表示發(fā)送器或者接收器發(fā)送或者接收每一位數(shù)據(jù)需要消耗的能量，εfs和εmp分別表示發(fā)送器放大器的功效和信道條件。

簇集內(nèi)任意一個傳感器節(jié)點si，直接發(fā)送數(shù)據(jù)到簇頭所需要消耗的能量的能量公式如下：

可以看出，當(dāng)若離簇頭較遠(yuǎn)的傳感器節(jié)點si直接發(fā)送數(shù)據(jù)給簇頭時，會產(chǎn)生較多的能量消耗，所以需要選擇一個傳感器節(jié)點sj作為中繼節(jié)點，從傳感器節(jié)點si到中繼節(jié)點sj再到簇頭所消耗的能量的能量公式如下：

節(jié)點之間路由選擇就根據(jù)和中選取能量消耗值較小的路徑：

e(si)便是傳感器節(jié)點si選擇中繼節(jié)點的判斷標(biāo)準(zhǔn)。

本發(fā)明簇集內(nèi)的傳感器節(jié)點根據(jù)其與簇頭之間的距離選擇直接向簇頭發(fā)送數(shù)據(jù)或者通過中繼節(jié)點間接向簇頭發(fā)送數(shù)據(jù)，并不是如傳統(tǒng)的簇內(nèi)路由協(xié)議那樣直接向簇頭發(fā)送數(shù)據(jù)，離簇頭較遠(yuǎn)的傳感器節(jié)點可以選擇合適的中繼節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，避免了因為長距離傳輸消耗過多的能量。

步驟d、移動匯聚節(jié)點尋找訪問每一個簇頭的最優(yōu)路徑過程：

在蟻群算法中，假設(shè)有m個城市和n只螞蟻，m個城市代表m個簇頭，簇頭就是螞蟻所要經(jīng)過的城市，每一只螞蟻選擇下一個城市的概率與信息素強(qiáng)度成正比，但是與螞蟻所在當(dāng)前城市和下一個城市之間的距離是成反比，在時刻t，對于第k只螞蟻從簇頭chi到chj的傳播概率如下：

其中，k∈n,allowedki∈m,j∈m,i≠j，allowedk表示還未被訪問的簇頭集合；τij表示簇頭chi和chj之間路徑信息素強(qiáng)度；ηij表示期望值，且ηij＝1/dij；dij則表示歐幾里得距離；α和β表示兩個常數(shù)，代表了螞蟻做出決定的影響因素。經(jīng)過時間δt后，信息素強(qiáng)度τij的更新方式如下：

τij(t+δt)＝(1-ρ)*τij(t)+δτij

其中，ρ表示信息素蒸發(fā)率，并且在所有螞蟻結(jié)束它們的旅行后完成更新，δτij是所有螞蟻釋放出信息素的總和，其計算公式如下：

其中，表示的是螞蟻k在路徑上單位長度所留下的信息素的量，其計算公式如下：

經(jīng)過給定的迭代次數(shù)，最終就能找到移動匯聚節(jié)點訪問每一個簇頭的最優(yōu)移動路徑。

如果簇頭直接向匯聚節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的話，就會出現(xiàn)離匯聚節(jié)點較遠(yuǎn)的簇頭以長距離的傳輸與匯聚節(jié)點直接通信，導(dǎo)致能量消耗過快。采用蟻群算法為移動匯聚節(jié)點找到一條最優(yōu)路徑，移動匯聚節(jié)點依次訪問每一個簇頭，不僅避免了收集數(shù)據(jù)存在的時延問題，這在實時監(jiān)測中有重大意思，而且避免了長距離的直接通信，大大減少了簇頭的能量消耗。