一種面向消防的無線傳感器執行器網絡的路由方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及無線網絡技術領域，具體涉及一種面向消防的無線傳感器執行器網絡 路由方法。
【背景技術】
[0002] 火災作為現代城市的主要災害，越來越受到人們的廣泛關注。隨著經濟和技術的 不斷發展，城市高層建筑、地下工程、商場、人員密集場所、加油站等日益增多，滅火救助的 難度也在相應增加，同時對消防通信的要求也越來越高，目前已經不僅僅停留在保證消防 通信實時性，減少網絡節點整體能耗上，還要求提升網絡節點能耗的公平性，即各個同類節 點的能耗盡量均勻，這樣才能避免關鍵節點耗盡能量而導致網絡無法運行，導致發生火災 時造成重大損失。
【發明內容】
[0003] 本發明為解決上述問題，提供了一種面向消防的無線傳感器執行器網絡路由方 法。包括以下步驟：
[0004] 確定執行器節點數量和傳感器節點位置；
[0005] 利用加權維諾圖方法將面向消防的無線傳感器執行器網絡分成多個簇；
[0006] 根據每個簇的拓撲信息，使用度約束最小生成樹計算路由路徑；
[0007] 每個簇均由一個執行器節點和一組傳感器節點組成，執行器節點之間相互交換剩 余能量信息，并把路由表和收到的能量信息發送給自己簇內的每一個傳感器節點；
[0008] 簇內的每一個傳感器節點都按照接收到的路由表向執行器節點傳輸剩余能量信 息數據。
[0009] 進一步的，在所述加權維諾圖中，令A = {AuAbAy . . AJ為2D監控平面內不同執 行器節點的集合，五廣為每個執行器節點的剩余能量，Cf為每個執行器節點的執行能力， 則加權維諾圖可以表示為：
[0010]
記執行器節點的加權 維諾圖為V/，則笮
[0011] 進一步的，所述度約束最小生成樹具體方法為：
[0012] 步驟1，每個簇均為一個無向連通圖，將圖中的執行器節點刪除，得到m個連通分 量；
[0013] 步驟2,對每個連通分量求最小生成樹，得到m個最小生成樹；
[0014] 步驟3,從每個連通分量中找與執行器節點關聯的權值最小的邊，與執行器節點相 連接，得到執行器節點的的m度約束最小生成樹；
[0015] 步驟4,當k < m時，該樹不存在；
[0016] 當k多m時，構建m+1度約束最小生成樹，將與執行器節點關聯的且不在當前的樹 中的邊加入生成樹中；
[0017] 步驟5,加入的邊，會產生一個環，刪掉該環中與執行器節點不關聯的權值最大邊， 得到加入該邊后的最小生成樹，且是m+1度的最小生成樹；
[0018] 步驟6,枚舉步驟5的邊，找到權值最小生成樹，即是m+1度約束的最小生成樹；當 m+1度約束最小生成樹的值大于m度約束最小生成樹時，直接輸出當前m度約束最小生成樹 即可；
[0019] 步驟7,重復步驟4、5、6,直至k = n時，則k度約束最小生成樹出現。
[0020] 本發明技術方案中使用度約束最小生成樹算法來計算面向消防的無線傳感器執 行器網絡中執行器節點和傳感器節點間的路由路徑，在保證網絡實時性，減少網絡能耗的 同時，還提升了網絡節點能量消耗的公平性。
【附圖說明】
[0021] 圖1為本發明一實施例，一種新型的面向消防的無線傳感器執行器網絡分簇方法 中執行器節點維諾分簇圖。
[0022] 圖2為本發明一實施例，一種面向消防的無線傳感器執行器網絡路由方法中WSAN 某簇示意拓撲圖；
[0023] 圖3為本發明一實施例，一種面向消防的無線傳感器執行器網絡路由方法中能量 模型中EACBR分區示意圖；
[0024] 圖4為本發明一實施例，一種面向消防的無線傳感器執行器網絡路由方法中能量 模型中VDMST分區示意圖；
[0025] 圖5為本發明一實施例，一種面向消防的無線傳感器執行器網絡路由方法中傳感 器節點剩余能量示意表；
[0026] 圖6為本發明一實施例，一種面向消防的無線傳感器執行器網絡路由方法中執行 器節點能量消耗表。
【具體實施方式】
[0027] 為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附 圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明 一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有 作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0028] 本實施例中提供了一種面向消防的無線傳感器執行器網絡的路由方法。包括以下 步驟：
[0029] 確定執行器節點數量和傳感器節點位置；
[0030] 利用加權維諾圖方法將面向消防的無線傳感器執行器網絡分成多個簇；
[0031] 根據每個簇的拓撲信息，使用度約束最小生成樹計算路由路徑；
[0032] 每個簇均由一個執行器節點和一組傳感器節點組成，執行器節點之間相互交換剩 余能量信息，并把路由表和收到的能量信息發送給自己簇內的每一個傳感器節點；
[0033] 簇內的每一個傳感器節點都按照接收到的路由表向執行器節點傳輸剩余能量信 息數據。
[0034] 在本實施例中，以d(a，b)代表點a和b之間的歐氏距離，在平面中我們可以得到：
^其中（ax，ay)，（b x，by)分別為點a，b在二維空間中的橫縱坐 標?
[0035] 令A = {AdA2, A3. . . AN}為2D監控平面內不同執行器節點的集合， 這些節點可以看做維諾多邊形的生長中心。任給A為監控區域內一點，令
則為執行器節點4的維諾多邊形。任 給A內一執行器節點~，就有一對應的維諾多邊形顯而易見，整個執行器節點的監 控區域就是由這些維諾多邊形組成的，記為VA，則有
維諾多邊 形是由一個執行器節點4和一組傳感器節點S= {SuSdS^.SJ組成，也就是面向消 防的無線傳感器執行器網絡的一個維諾分簇。簇內所有傳感器節點到執行器節點Si的距 離比到其他任何一個執行器節點都要小。圖1展示了一個典型的執行器節點維諾分簇圖， 圖中用實心圓點來代表執行器節點，周圍的多邊形區域就是維諾分簇。顯然的，當執行器節 點個數為n的時候，整個網絡被分割為n個維諾分簇，每一個的維諾分簇由一個執行器節點 和一組傳感器節點組成，由執行器節點作為簇頭，統籌管理簇內傳感器節點來完成網絡任 務。維諾圖有兩個顯著的特點，第一個就是維諾分簇的個數隨執行器節點數量的增加而線 性增加，并不復雜；第二個是局部動態特性，執行器節點數目改變只對鄰近的維諾分簇產生 影響。
[0036] 圖1所示的只是最基本的一種情況，但是在實際應用中，雖然起始階段執行器節 點能量豐富，但是每個執行器節點的操作和通信所耗費的能量是不一樣的，所以當網絡運 行一定時間之后，每個執行器節點的剩余能量可能有所不同；除此之外，由于執行器節點硬 件上的差異，可能每個執行器節點的執行能力也并不相同。為了提升網絡公平性，需要統 籌安排執行器節點的通信和操作行為。主要思想為，剩余能量較多的執行器節點承擔較多 的通信任務，并且結合執行器節點本身執行能力來決定每個執行器節點負責操作區域的范 圍。考慮到執行器節點的剩余能量和執行能力，本實施例中提出了基于加權維諾圖對執行 器節點進行分區的協議。
[0037] 在加權維諾圖中令A = 為2D監控平面內不同執行器節點的集 合，為每個執行器節點的剩余能量，er為每個執行器節點的執行能力，則加權維諾圖 可以表示為：
[0038]
記執行器節點的加權 維諾圖為V/，則有
[0039] 在本實施例中，提出了一種面向能量有效性的無線傳感器執行器網絡（Wireless Sensor and Actor Network) WSAN 協議，VDMST (Protocol based on weighted Voronoi diagram and Degree-constrained Minimum Spanning Tree),主要思想為