CN105338587A - 一种非均匀分簇多跳能耗均衡性无线测量方法及其装置 - Google Patents

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朱正伟
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Abstract

本发明涉及一种非均匀分簇多跳能耗均衡性无线测量方法及其装置，采用非均匀分簇和多跳路由相结合的方法，距离基站较近的簇选取节点数目相对较少，使簇首在簇内通信消耗相对较少的能量，更多的能量转发远距离簇首的传送数据到基站。本发明的目的是在水产养殖溶解氧浓度的无线测量中，通过对LEACH无线通信协议中均匀分簇的优化，依据无线通信传输距离的远近，对远距离簇首向基站传送数据采用多跳通信，促使各通信节点能耗更加均衡化，达到延长无线通信网络有效生命周期的效果。

Description

一种非均匀分簇多跳能耗均衡性无线测量方法及其装置
技术领域
本发明涉及水产养殖中溶解氧浓度的测量领域，尤其是一种非均匀分簇多跳能耗均衡性无线测量方法及其装置。
背景技术
为了延长无线传感网络的有效生命周期，一般采用低功耗自适应分群分层协议(lowenergyadaptiveclusteringhierarchy,LEACH)。LEACH协议中所有节点轮流充当簇首，簇首把本簇内其他节点测量数据融合后以单跳方式发送给基站。当测量范围较近时(簇首与基站通信距离小于efs为自由空间传输参数，emp为多路径衰减传输参数，d0表示无线通信距离)，采用Friss自由空间模型(FrissFreeSpaceModel),传播能量损失与d0 2成正比；当测量范围广时(大于d0)，信道采用多路径损耗模型，传播能量损失与d0 4成正比。远距离通信的簇首能耗远远大于近距离通信簇首能耗，容易引起距离基站远的节点提前死亡。并且测量网络节点一般采用锂电池供电，频繁单个更换测量节点锂电池使人力成本浪费严重。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提出一种非均匀分簇多跳能耗均衡性无线测量方法及其装置，在低功耗自适应分群分层协议的无线测量网络中采用非均匀分簇，解决能耗不均匀等问题，延长网络生命周期。
本发明所采用的技术方案为：一种非均匀分簇多跳能耗均衡性无线测量方法，包括以下步骤：
1)在靠近基站的位置设置数量相对较少的簇节点并形成簇N，在远离基站的位置设置数量相对较多的簇节点并形成簇M；
2)簇M的簇首接受本簇内簇节点发送的测量数据并融合；
3)融合后，簇M的簇首向靠近基站的上一级簇的簇首发送数据；
4)以此类推，直到簇N的簇首接收到的测量数据后发送给基站；
其中M、N均为自然数。
进一步的说，本发明所述的簇M的节点数大于簇N的节点数。
再进一步的说，本发明所述的簇N的簇首直接向基站传送数据，簇M的簇首通过多跳向基站传送数据。
同时，本发明还提供一种非均匀分簇多跳能耗均衡性无线测量装置，包括微处理器；所述的微处理器包括A/D接口、FLASH接口以及RF射频天线；所述的调理电路的输出端与A/D接口相连接；微处理器通过RF射频天线传输数据；所述的调理电路与微处理器由锂电池供电；所述的调理电路的输入端连接溶解氧传感器；所述的FLASH接口输入端连接***时钟电路；所述的溶解氧传感器输出的电压信号经过调理电路放大后输入微处理器的A/D接口，微处理器读取信号并处理后在规定时隙内向簇首发送数据。
本发明的目的是在水产养殖溶解氧浓度的无线测量中，通过对LEACH无线通信协议中均匀分簇的优化，依据无线通信传输距离的远近，对远距离簇首向基站传送数据采用多跳通信，促使各通信节点能耗更加均衡化，达到延长无线通信网络有效生命周期的目的。
本发明的有益效果是：
1、通过非均匀分簇使远近距离簇首能耗更加均衡，避免了少数节点提前死亡，延长了网络有效生命周期；
2、通过对远距离簇首采取多跳路由向基站传送数据，避免了信道采用多路径损耗模型(传播能量损失与d0 2成正比)；使所有节点通信都采用采用自由空间模型(传播能量损失与d0 2成正比)。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明测量节点结构原理框图；
图2a)和b)是非均匀分簇单跳和多跳示意图。
具体实施方式
现在结合附图和优选实施例对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
***结构如图1所示，水体溶解氧浓度传感器型号：YDC-100，输出电压信号经过调理电路放大后输入微处理器CC2430的A/D输入端口，微处理器读取信号并处理后在规定时隙内向簇首发送数据。测量节点通过锂电池(CR1108)供电。CPU采用CC2430微处理器,无线通信协议采用低能量自适应分群分层协议(LEACH)。
在无线传感网络中功率损耗表示如下：
E t x = E e l e c ( k ) + E a m p k = kE e l e c + ke f s d 2 , d < d 0 kE e l e c + ke m p d 4 , d &GreaterEqual; d 0 - - - ( 1 )
Erx＝Eelec(k)＝kEelec(2)
d 0 = e f s e m p - - - ( 3 )
其中Etx表示节点发送k比特数据功耗，Erx表示接收k比特数据功耗，Eelec(k)表示发射k比特数据发射电路功耗，Eampk表示发射k比特数据时功率放大电路功耗，Eelec表示发射或接收每比特数据发射和接收电路功耗，efs为自由空间传输参数，emp为多路径衰减传输参数，d0表示无线通信距离。在水产养殖溶解氧浓度测量中距离基站(采用固定电源供电)远的簇首(距离大于d0)向基站发送数据时的能耗远远大于靠近基站的簇首，在均匀分簇时，不同簇首在簇内的能耗基本一致，但距离基站的远近通信能耗相差很大，远距离簇首容易提前死亡。
如图2所示，无线通信协议中采用非均匀分簇，距离基站近的簇内节点数量较少，距离基站远的簇节点数量较多。为了避免远距离(大于d0)簇首向基站发送数据采用多路径损耗模型(能耗大)，当簇2的簇首接受完簇内测量节点的发送数据并融合后，先向靠近基站的簇1的簇首发送数据，簇1的簇首再将数据转发给基站。如果水产养殖池面积很大，可以采用多次转发，保证通信距离小于d0，采用自由空间模型(能耗小)。但如果采用均匀分簇，则簇1的簇首能耗太大，易提前失效，为此采用非均匀分簇，如图2中簇1只有7个节点，簇2有9个节点，簇1的节点相对较少，则簇首在簇内数据通信和数据融合的能耗也相应减少，弥补了转发数据的损耗。达到了整个无线传感网络节点能耗的相对均衡。同时由于避免了多路径损耗模型传送数据，整个无线通信网络的能耗也降低。
以上说明书中描述的只是本发明的具体实施方式，各种举例说明不对本发明的实质内容构成限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了说明书后可以对以前所述的具体实施方式做修改或变形，而不背离本发明的实质和范围。

Claims (4)

1.一种非均匀分簇多跳能耗均衡性无线测量方法，其特征在于包括以下步骤：
1)在靠近基站的位置设置数量相对较少的簇节点并形成簇N，在远离基站的位置设置数量相对较多的簇节点并形成簇M；
2)簇M的簇首接受本簇内簇节点发送的测量数据并融合；
3)融合后，簇M的簇首向靠近基站的上一级簇的簇首发送数据；
4)以此类推，直到簇N的簇首接收到的测量数据后发送给基站；
其中M、N均为自然数。
2.如权利要求1所述的一种非均匀分簇多跳能耗均衡性无线测量方法，其特征在于：所述的簇M的节点数大于簇N的节点数。
3.如权利要求1所述的一种非均匀分簇多跳能耗均衡性无线测量方法，其特征在于：所述的簇N的簇首直接向基站传送数据，簇M的簇首通过多跳向基站传送数据。
4.一种非均匀分簇多跳能耗均衡性无线测量装置，其特征在于：包括微处理器；所述的微处理器包括A/D接口、FLASH接口以及RF射频天线；所述的调理电路的输出端与A/D接口相连接；微处理器通过RF射频天线传输数据；所述的调理电路与微处理器由锂电池供电；所述的调理电路的输入端连接溶解氧传感器；所述的FLASH接口输入端连接***时钟电路；所述的溶解氧传感器输出的电压信号经过调理电路放大后输入微处理器的A/D接口，微处理器读取信号并处理后在规定时隙内向簇首发送数据。
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