[發明專利]一種能量獲取傳感器網絡的休眠調度方法和系統

有效

• 申請號: 201510249657.6
• 申請日: 2015-05-15
• 公開（公告）號: CN104812036B
• 公開（公告）日: 2018-04-17
• 發明（設計）人: 陳宏濱;曾倩;趙峰
• 申請（專利權）人: 桂林電子科技大學
• 主分類號: H04L12/24
• 分類號: H04L12/24;H04W52/02;H04W84/18
• 代理公司: 廣州市一新專利商標事務所有限公司44220
• 代理人: 王德祥

技術領域

本發明涉及傳感器網絡技術領域，具體涉及一種能量獲取傳感器網絡的休眠調度方法和系統。

背景技術

能量獲取技術是近年來無線傳感器網絡領域的開發熱點，可收集的能量有光能、風能等。由于受到諸多因素的干擾，能量收集過程存在諸多不確定性以及不穩定性，很難與節點需要使用能量的情況相匹配。同時獲取的能量大小也有限，并不能完全保證節點能夠將獲取的能量無限使用。因此在設計各種算法和應用時，人們仍然需要優化利用所獲取能量、掌握能量獲取的規律、合理分配獲取的能量，提高能量使用效率。

作為有效的傳感器網絡節能措施，休眠調度技術可以使節點關閉部分通信模塊、降低節點的空閑偵聽時間、在休眠狀態和工作狀態之間相互轉換來提高能量的使用效率。休眠調度方法設計首先可以從網絡的覆蓋考慮，確定節點是否需要休眠。其次，在不同的應用中使用不同的休眠調度方法。最后，通過考慮節點的剩余能量、檢測節點與匯聚節點的距離、依據地理位置等進行休眠調度。

現有的休眠調度方法主要針對沒有能量獲取的傳感器網絡，雖然這些方法能夠有效延長網絡生命周期，但是沒有考慮能量到達隨機性和優化利用所獲取能量的問題。少數休眠調度方法涉及能量獲取傳感器網絡，但是沒有關注節點所獲取能量之間的關系。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明提供一種能量獲取傳感器網絡中基于K-means聚類的休眠調度方法以及實現該方法的休眠調度系統，能夠更好地利用從外界獲取的能量，特別適應能量獲取傳感器網絡中節點能量有限的情形，特別適用于野外監測的傳感器網絡。

下面闡述本發明的技術方案。

一種能量獲取傳感器網絡的休眠調度方法，所述方法包括：在網絡監測區域，根據每個節點所獲取能量的歷史數據，預測出第二天對應時刻的能量獲取額度，構建能量值矩陣X；能量獲取額度的預測及能量值矩陣的構建可以依據現有方法及計算公式進行。

根據預測的能量獲取額度，在每個時間段內，將所有能量獲取傳感器節點分成K個K-means聚類。

將K-means聚類節點按照能量獲取值的額度大小從小到大進行排序，在設定的休眠調度周期以及覆蓋要求的前提下，優先喚醒聚類中心值最小的K-means聚類節點；若被喚醒的K-means聚類節點不能完成此輪休眠調度的要求，則再喚醒僅大于前個聚類中心值的下一K-means類聚類節點，依此方法喚醒，直到喚醒的節點能夠滿足覆蓋要求為止，并讓聚類中心值越大的聚類的節點越有機會進行休眠。

一種能量獲取傳感器網絡的休眠調度系統，所述系統包括：在網絡監測區域，根據每個節點所獲取能量的歷史數據，預測出第二天對應時刻的能量獲取額度并構建能量值矩陣X的裝置；根據預測的能量獲取額度，在每個時間段內，將所有能量獲取傳感器節點分成K個K-means聚類的裝置；將K-means聚類節點按照能量獲取值的額度大小從大到小進行排序，在設定的休眠調度周期以及覆蓋要求的前提下，優先喚醒聚類中心值最小的K-means聚類節點的裝置。

具體實施方式

1.能量獲取傳感器網絡隨機部署在一個區域內，總共拋灑j個能量獲取傳感器節點。由于能量的到達不連續且隨機，能量到達的時間也是間斷的，因此每隔一個時間段記錄每個節點獲取的能量大小EH，將24小時一共分為i個時間段。對于每個節點在每個時間段的預測獲取的能量EH_ij，有如下公式：EH_ij＝(1-θ)EH_ij′+θEH_i′_j。EH_ij表示當前i時刻的能量獲取預測值，EH_i′_j表示上個i時刻能量獲取的測量值，EH_ij′表示上個i時刻的預測值，θ為權重，0<θ≤1。

2.將一天24小時平均分為i段，可以得到矩陣X，如下：

其中：x_ij是m×n的矩陣X中的元素，1≤i≤m,1≤j≤n，j為傳感器網絡的節點總數，i為將24小時均分成的時間間隔的總數；矩陣的每一行代表該時間段內每個節點的能量獲取預測值。

3.傳感器節點采集的數據以多跳方式發送到融合中心，休眠調度方法和部署區域的實際應用需求有關。在每個時間間隔內(每個時間段i)進行聚類時，聚類方法分為下列步驟：