[发明专利]基于聚类和模糊系统的无线传感器网络分簇路由协议方法

说明书

本发明涉及一种基于聚类和模糊系统的无线传感器网络分簇路由协议方法，采用K‑means++聚类算法通过迭代将网络分为k个最优的固定簇，首轮簇头由汇聚节点通过模糊系统计算各个节点的优先度，排序后指定簇内优先度最大的节点为簇头节点；随后每轮开始，簇头节点记录簇内节点距离和能量信息，通过模糊系统计算优先度，排序后将优先度最大的作为下轮簇头。本发明设计合理，其仅在第一轮时参与簇头选举，之后簇头选举便分布式运行，每轮的簇头节点可以直接决定下轮簇头的节点ID，无需簇内节点与汇聚节点直接通信，大大降低了能耗，提高了网络性能。

技术领域

本发明属于无线传感器网络技术领域，尤其是一种基于聚类和模糊系统的无线传感器网络分簇路由协议方法。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)是由大量部署在监测区域内的廉价微型传感器节点组成，通过无线网络传输方式形成的一个多跳的自组织、自适应的智能网络系统，其目的是合作地感知、收集并处理网络覆盖区域的信息并发送给管理者。由于传感器节点计算能力、电源能量和通信能力等资源有限，同时又具有网络规模大、自组织等特性，因此实现网络的能量有效利用、延长其网络生存时间是一个很大的挑战。

在WSN中采用分簇路由协议可以显著降低网络功耗，平衡节点之间的能量消耗，延长网络的生存时间。分簇路由协议是将网络中的节点分成若干个簇，每个簇中选举出一个特殊的节点，此节点叫做簇头。簇头节点收集本簇内的其他节点接收到的信息，通过计算将数据融合后传送给汇聚节点,通常汇聚是拥有丰富的计算和能量资源的节点，其将数据处理后通过互联网或者卫星等传输给云服务器或者终端用户。通过这样的方式，每轮仅簇头节点需要与汇聚节点通信，采用合适的分簇路由协议便可以大大降低能耗，但是，现有集中式协议需要汇聚节点决定每轮的簇头，每轮需要和节点直接通信，而分布式的协议需要节点自己计算，必须采取简单的协议，而又很难保证网络的性能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种设计合理、能耗低且性能稳定的基于聚类和模糊系统的无线传感器网络分簇路由协议方法。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于聚类和模糊系统的无线传感器网络分簇路由协议方法，包括以下步骤：

步骤1、汇聚节点采用聚类算法通过迭代将无线传感器网络分为k个最优的固定簇；

步骤2、汇聚节点用基于模糊系统的分簇算法计算出模糊规则，将模糊规则以及每个节点自身的节点到汇聚节点的距离D^tos、节点到簇的中心点的距离D^toc和所属的簇的编号分发给每个节点；

步骤3、首轮汇聚节点通过模糊系统计算出每个簇中簇头的优先度P^choose的最大值，拥有最大簇头的优先度P^choose的节点为所在簇的簇头，汇聚簇头将节点ID以及对应簇的编号广播，节点识别出并记录所在簇的簇头ID；

步骤4、簇内通信采用TDMA方式，簇头节点给各个簇内节点分配时隙，每轮最后一个时隙空出，用来广播下轮簇头的节点ID；簇内节点在自己的时隙内将自己的剩余能量、汇聚节点的距离D^tos、节点到簇的中心点的距离D^toc和采集的数据发送给簇头，簇头接收、融合簇内节点采集的数据，处理后将数据包转发给汇聚节点；

步骤5、簇头节点在完成本轮簇内节点数据传输后，将收到的簇内各节点的剩余能量归一化，计算节点的剩余能量E^res，采用模糊系统计算出最大簇头的优先度P^choose，找出最大的P^choose的节点ID，作为下一轮簇头，并将其广播；

步骤6、网络正常工作时，重复步骤4和步骤5；