[发明专利]一种面向环境监测的无线传感器网络优化方法

摘要

本发明提供一种面向环境监测的无线传感器网络优化方法，该方法采用基于遗传算法来解决包含传感器节点、簇头、汇聚节点在内的无线传感器网络中簇的组建和重构的问题，引入活跃节点、普通节点、休眠节点的概念，综合考虑了网络的连通性约束、能量节约等方面的需要，通过适应度函数计算各个节点的适应度取值，选取适应度取值最高的节点成为簇头节点，实现节点在活跃、普通和休眠三种状态下的自动切换。本发明能够扩大网络监测范围、提高在环境监测中网络节点能量利用效率，极大地延长网络寿命。

主权项

1.一种面向环境监测的无线传感器网络优化方法，其特征在于采用基于遗传算法来解决包含传感器节点、簇头、汇聚节点在内的无线传感器网络中簇的组建和重构的问题，通过适应度函数计算各个节点的适应度取值，选取适应度取值最高的节点成为簇头节点，实现均匀分配网络负荷，对延长无线传感器网络生命期起到关键作用，所述方法包含的步骤为：1）网络初始化，完成第一次选择簇头和形成簇结构：11）交换初始信息：各节点感知邻居节点的地理位置，向自身覆盖范围内的节点发送自己的状态信息；12）选择簇头：汇聚节点向整个网络广播建立分簇的消息；活跃节点计算适应度函数f=1/(a₁A+a₂B+a₃C+a₄D+a₅E+a₆F+a₇G)，通过通信交互来决定是否成为簇头,其中A是休眠节点比例；B是网络覆盖率；C是簇内节点数；D是断线节点比例；E是运行能量消耗；F是通讯能量消耗；G是剩余能量调整值；a₁、a₂、a₃、a₄、a₅、a₆、a₇分别是上述七项参数的学习因子，初始状态下它们均被设置为1；13）簇的形成：每个簇头以洪泛方式向整个网络通告自己已成为“簇头”，非簇头活跃节点、普通节点以及休眠节点根据能量与距离的比值从高到低的顺序选择距离自己最近的簇头，形成簇结构；簇头节点通过通信交互获得簇内各个活跃节点信息，形成包含空闲活跃节点及其地理位置信息的空闲活跃节点表；2）簇的维护：簇结构形成以后，网络按照相关的路由协议传输信息，做如下各种簇的维护工作：21）工作/休眠状态控制：簇内节点按照剩余能量排名，处于后10%的节点进入休眠状态，原先的休眠节点如果脱离此范围，则成为工作节点；22）连通性控制：汇聚节点根据网络覆盖率即网络中工作节点所占的比例、簇内节点数、断线节点数即与簇头节点断开连接的节点数这三项指标考察簇头节点的连通性，如果网络覆盖率下降到80%以下、簇内节点数超过10、断线节点所占比例超过5%，则网络进行簇的重构，进入步骤3）；23）能量控制：①汇聚节点根据下式计算网络运行能量消耗，当运行能量消耗超过预先设定的阈值时，通过网络中能量最少的10%活跃节点切换为普通节点，其中，a是簇头节点数；b是活跃节点数；c是普通节点数；N是网络总节点数；②汇聚节点根据下式计算网络通讯能量消耗，当通讯能量消耗高于预先设定的阈值时则网络进行簇的重构，进入步骤3），其中c是网络中簇的个数，n_i是第i个簇中节点的个数，d_ij是第i个簇中第j个节点到簇头的发射距离，μ和k是常数，在此，u的值取为1，k得值取3；③每当节点切换到一个新的工作状态，根据下式更新自己的剩余能量调整值，进入簇的重构过程后，此数值作为选举新簇头节点的依据，其中惩罚因子是由节点上一阶段的工作状态决定的，簇头节点取20、活跃节点取2、普通节点取1；3）簇的重构31）重构过程的触发：当某个簇头节点的能量过低时，簇头通知簇内节点进行簇重构；当前簇头根据簇内各个活跃节点的剩余能量和邻居节点数目选择新簇头；剩余能量越高，邻居节点数目越多的簇内节点，成为新簇头的概率越高；32）新簇头的产生：每个簇重启簇的重构过程时，先判断给簇内有没有活跃节点，如果存在活跃节点，则活跃节点参与竞争簇头节点，最终由活跃节点计算适应度函数f=1/(a₁A+a₂B+a₃C+a₄D+a₅E+a₆F+a₇G)取值最高者成为簇头节点。