[发明专利]一种无线传感器网络分簇路由方法

说明书

本发明提供一种无线传感器网络分簇路由方法，包括：提供一部署有多个中继节点的无线传感器网络；在所有存活的中继节点中进行当前的无线网关节点的选举；将当前的无线网关节点之外存活的中继节点作为普通节点，进行簇首节点的选举并建立分簇；传感器接入到最近的中继节点并将数据传输到中继节点上，簇首节点以外的普通节点通过单跳的方式将数据传输到其对应分簇的簇首节点；簇首节点对数据进行数据融合，并且簇首节点之间采用多跳组网的方式传输数据，以将数据传输到无线网关节点；无线网关将数据传输到监测平台；重复上述步骤。本发明的无线传感器网络分簇路由方法可以解决输变配电场景下的无线传感器网络能耗过高，网络生存周期过短的问题。

技术领域

本发明涉及无线传感器网络路由协议，具体涉及一种基于改进SSA算法的、面向输变配场景的无线传感器网络分簇路由方法。

背景技术

输电线路传输距离长，监测区域广，并且处于室外，无人值守。变电站中布线复杂，长距离传输线易受电磁干扰。而监测环境信息和获得设备运行状况均依赖于大量的传感器，包含微气象、压力、舞动、覆冰等传感器，因此，无线传感器网络(Wireless SensorNetwork，WSN)^[1]技术是这一问题的有效手段。无线传感器网络是一种结合了传感器技术和网络通信技术，采用低成本的节点，自动组网，动态配置，具有较高的扩展性和鲁棒性。因此，电力系统中各种传感器被广发使用。

而无线传感器网络中能耗的问题在输变配电场景中仍有体现，无线传感节点大部分由电池供电，而且长期处于无人值守地区，更换电池比较困难，即使节点使用取能技术，从周围的环境获取电能(如太阳能、机械振动能)，但是收环境的影响很大，降低系统尤为关键。同时，输变配电环境中，监测区域大，传输距离长，包含着大量的传感器，且难以供电，链状的传输导致汇聚节点周围的“热点节点”承担了大量传感器节点的信息转发，自身也在收集环境信息，能量被快速消耗，节点过早死亡，网络生存周期严重缩短。

输变配电场景中，传输数据到监测平台的功能通常由4G模块完成，4G模块会定时向监测平台发送心跳和数据，产生的能耗较大，大于相同时间下与单个传感器通信产生的能耗。而中继节点间也可以通过与传感器通信的方式进行组网，并且产生的能耗会小于节点直接传输数据到监测平台的能耗。

高效的路由和调度算法对于降低网络的能耗，延长网络的生存周期有着重要的作用，其综合位置信息等各类因素，分配和调度节点数据报文的转发，规划较优的路径，节省每一轮系统传输带来的能耗，同时考虑节点的剩余能耗，保证负载均衡，防止特殊节点迅速死亡，延长网络生存周期。

目前，现有的传感器网络分簇路由算法虽然相对于平面型路由均衡了负载，延长了网络的生存时间^[3]。但也存在一个或多个以下的问题：1)没有考虑到部分传感器没有组网能力，而且传感器众多的情况。具体来说，为了节约成本，部分传感器的计算能力较低，不具有组网能力，无法成为“簇首节点”或中继节点，只能以单跳的传输方式进行数据传输。2)没有考虑到节点的剩余能量，能耗低的节点依然有一定的概率成为簇首，导致迅速死亡。3)没有考虑到位置因素，选举出的簇首可能为边缘节点，导致这个网络的结构分布不够均匀，周围的节点数量较少，或者距离汇聚节点距离较远，传输代价较高。4)节点之间均为单跳传输，对于距离汇聚节点较远的节点，提高发射功率，扩大传输半径的代价很高，反而转发到附近的节点，通过多跳传输会节省很多能量。因此，网络传输中仅有单跳传输的策略是不足的。

因此，结合电力物联网中输变配电环境的特点，研究一个高效、节能和稳定的新的路由和调度算法，对于输变配电场景的监测系统有着重要的意义。

麻雀搜索算法(Sparrow Search Algorithm，SSA)^[2]是由Xue等在2020年提出的一种模拟麻雀觅食和警戒行为的智能算法，在高维多峰的优化上其求解成功率、收敛速度等方面表现优异，已应用于图像分割，三维无人机航空优化等场景。而输变配电场景中节点个数众多，对于最优簇首集合的选举问题，SSA算法寻优精度高，有着一定的优势，并且尚未应用在簇首选举当中。