基于K均值的矿井环境无线传感网分簇路由方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN108521633A(43)申请公布日2018.09.11(21)申请号201810163646.XH04W40/22(2009.01)(22)申请日2018.02.27H04W84/18(2009.01)G06K9/62(2006.01)(71)申请人南京邮电大学地址210044江苏省南京市栖霞区文苑路9号申请人南京邮电大学南通研究院有限公司(72)发明人张昀于舒娟董茜茜金海红何伟朱文峰(74)专利代理机构南京经纬专利商标代理有限公司32200代理人朱小兵(51)Int.Cl.H04W4/30(2018.01)H04W40/10(2009.01)H04W40/20(2009.01)权利要求书2页说明书6页附图1页(54)发明名称基于K均值的矿井环境无线传感网分簇路由方法(57)摘要本发明提出了基于K均值的矿井环境无线传感网分簇路由方法。所述方法在长距离带状区域环境下，通过获取传感器节点地理位置信息，采用K均值聚类算法形成多个均匀分簇，再选举离质心最近的节点为初始簇首；然后采用基于阈值的动态簇首轮换方法，最后在融合数据传输阶段根据簇首与基站、簇首与簇首之间距离动态选择单跳与多跳的混合传输方式传输数据；分簇一旦建立，不再以轮为单位重新分簇，每轮仅进行基于剩余能量和地理位置的簇首动态更换。本发明方法和传统的分层路由协议LEACH相比，能够更加有效均衡网络负载，延长整个网络的生命周期，在同等条件下，优于传统的低功耗自适应集簇分层型协议方法。CN108521633ACN108521633A权利要求书1/2页1.基于K均值的矿井环境无线传感网分簇路由方法，其特征在于，包含步骤如下：步骤A，计算最优聚类簇首数目Kopt：其中，N为传感器节点的总数量；εfs为自由空间模型放大器能耗；εmp为多路衰减放大器能耗；M1、M2分别为环境区域的长和宽；dtoBS为所有传感器节点到基站的平均距离；步骤B，根据K均值算法，将传感器节点样本集D＝{x1,x2,…,xN}聚类为的最小化平方误差函数为：其中，表示节点n被归类到簇k时为1，否则为0；Kopt为最优聚类簇首数目；N为传感器节点的总数量；xn为第n个传感器节点；μk为每个簇中的样本均值；步骤C，根据当rnk满足时，平方误差函数J取得最小值，迭代终止；产生Kopt个初始化种子质心和其聚类成员；选择距离各质心最近的传感器节点为初始簇首节点，剩余节点根据欧氏距离选择最近的簇首加入；步骤D，计算每个簇的质心位置为：其中，X、Y分别表示该簇质心的横纵坐标；xi、yi分别表示传感器节点的横纵坐标；S为其簇内成员个数；步骤E，计算各个簇内成员节点到质心的距离并升序排列，依次给成员节点编号，距离越近编号越小；步骤F，计算网络运行过程中每一轮簇首节点发送数据信息到基站消耗的能量：通过中间节点以多跳方式发送数据的簇首每轮消耗的能量EICH为：直接与基站以单跳方式发送数据的簇首每轮消耗的能量ECH为：2CN108521633A权利要求书2/2页其中，为常数；l为传输的信息数据包长度；Eelec为无线收发电路能耗；EDA为数据融合能耗；nc为簇内成员数目；ni为此簇首作为中间节点的总跳数；dtoICH为簇首到中间节点的距离；Kc为和基站以多跳方式传输数据的簇首总数；dCHtoBS为簇首到基站的距离；步骤G，计算簇首能量阈值Ethreshold为：步骤H，判断当前簇首在下一轮是否继续担任簇首：如果当前簇首的剩余能量Eresidual大于簇首能量阈值Ethreshold，此节点仍为簇首节点；否则，检查簇内所有成员节点的编号，选择大于当前簇首节点编号且编号最小的节点作为新的簇首；新的簇首节点向簇内成员节点发送广播信息，通知簇内成员节点下一轮的簇首节点编号。3CN108521633A说明书1/6页基于K均值的矿井环境无线传感网分簇路由方法技术领域[0001]本发明属于无线传感网领域，尤其是涉及基于K均值的矿井环境无线传感网分簇路由方法。背景技术[0002]近年来，矿井重大事故频发，造成了国家财产和公民生命的巨大损失。矿井安全生产和应急救援已成为社会关注的焦点。因无线传感器网络(WirelessSensorNetwork,WSN)具有部署方便、成本低、结构灵活和抗毁性强等优点，所以特别适合应用于矿井井下的综合监测。将WSN引入煤矿安全监测系统，利用其自组织和无线通信的特点，可有效地实现对那些有线监控系统无法到达的安全生产盲区的监测及灾后的数据采集，是对现有监控系统很好的补充，将极大提高煤矿安全生产水平。考虑到矿井下无线传感网的网络拓扑结构呈长距离带状，能耗不均、数据冗余及数据延迟问题十分严重，如果采用平面多跳路由方法，数据收集过程会转发大量冗余信息，且需