WirelessHART网络中基于集群的数据聚合与路由方法及其通信架构与流程

本发明属于实时wirelesshart网络通信的技术领域，尤其是涉及应用于实时wirelesshart网络中的一种基于集群的数据聚合与路由方法及其通信架构。

背景技术：

wirelesshart通信协议已经被iec(internationalelectrotechnicalcommission，国际电工委员会)所采用，并作为工业自动化控制系统中第一个开放式实时无线网络通信协议。wirelesshart能够满足制造工业中实时无线通信基本的可靠性、稳定性和安全性等需求。相比树状网络或者星形网络的固定连接，wirelesshart可以利用集中式控制系统从不同路径和冗余路径传输数据，确保了wirelesshart网络的高鲁棒性和容错能力。网络管理器控制整个网络的信息并且采用集中方式分派资源，因此优化了网络并且满足严格的实时需求。另外，wirelesshart通过tdma(timedivisionmultipleaccess，时分多址)精确的分配通信，并实现无冲突的网络通信。

随着大量现场设备应用在当今自动化控制网络中，对于可靠的wirelesshart通信来说能量效率成为越来越大的挑战。现在许多被提出的技术中主要包括，高能效的路由路径选择、数据聚合/融合技术和基于集群的路由。其中，数据聚合技术是融合数据的过程，为了在网络中减少数据传输，数据由几个传感器收集到一个网络包中。通过数据融合技术，数据包在网络中的传输能够有效的减少，也增加了整个网络的生命周期。在无线传感网络(wirelesssensornetworks，wsns)中为了实现高能效的数据通信，基于集群的路由策略已经被广泛的研究。然而，将基于集群的路由技术应用到硬实时无线网络中仍然是个挑战。

无线传感器网络中无线传感器的集群的概念已经有了很好的研究。集群是网络中一些相互关联节点的集合。每个集群都有一个簇头和几个簇成员；这些簇成员发送收集到的数据到簇头，簇头融合这些数据并发送到网络管理器。这个算法把整个网络分割成几个相关联的部分。关于无线传感网络wsns的许多集群路由算法已经被提出，包括leach、leach-c、ucs、heed。然而，在工业生产中时效性和可靠性的需求仍然非常严格，所以它们并不能直接应用到wirelesshart网络中。

综上所述，针对现有技术中在大量现场设备接入wirelesshart网络的情况下，如何实现将集群路由等方法集成于wirelesshart网络中达到实时和高能效数据通信的问题，尚缺乏有效的解决方案。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种wirelesshart网络中基于集群的数据聚合与路由方法及其通信架构，该方法应用于实时wirelesshart网络中，构建基于集群的数据聚合与路由通信架构，在大量现场设备接入wirelesshart网络的情况下，有效实现了wirelesshart网络可靠、实时和高能效的数据通信。

本发明的第一目的是提供一种wirelesshart网络中基于集群的数据聚合与路由方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下一种技术方案：

一种wirelesshart网络中基于集群的数据聚合与路由方法，适用于实时wirelesshart网络中，该方法包括：

在wirelesshart通信协议的上行链路选择中，在网络节点中根据其通信消耗、剩余能量和数据传输频率选择出集群中的簇头；

将整个网络节点根据选择的簇头进行数据聚合形成若干个簇，所述簇的簇内节点数据传输频率均小于簇头节点；根据所述簇通过超帧调度完成数据传输。

在本发明中，将簇头的选择过程联合到wirelesshart通信协议的上行链路选择阶段中，同时，在簇头选择中将网络节点的数据传输频率作为计算链路选择优先值的要素，实现了在大量现场设备接入wirelesshart网络出现实时约束情况时有效促进下一超帧调度阶段。

作为进一步的优选方案，在wirelesshart通信协议的上行链路选择中，根据网络节点的通信消耗、剩余能量和数据传输频率计算链路选择优先值，并进行排序，根据网络节点的链路选择优先值大小选择出集群中的簇头与簇内节点，进行初步集群分簇。

作为进一步的优选方案，在该方法中，根据网络节点的通信消耗、剩余能量和数据传输频率计算链路选择优先值：

网络节点的链路选择优先值为网络节点的通信消耗因子、剩余能量因子和数据传输频率因子各自与其权重系数进行乘积后的累加值；

所述通信消耗因子用于表示链路选择优先值计算中网络节点的通信消耗；所述节点剩余能量因子用于表示链路选择优先值计算中网络节点的剩余能量；所述数据传输频率因子用于表示链路选择优先值计算中网络节点的数据传输频率。

作为进一步的优选方案，网络节点的通信消耗因子的具体计算步骤为：

网络节点的通信消耗因子为一减去连接网络节点时消耗的能量与连接整个集群中网络节点消耗的全部能量的商。

作为进一步的优选方案，网络节点的剩余能量因子的具体计算步骤为：

网络节点的剩余能量因子为网络节点的剩余能量与该网络节点的初始能量的商。

作为进一步的优选方案，网络节点的数据传输频率因子的具体计算步骤为：

判断网络节点的数据传输频率与预先选择的簇头节点的数据传输频率的大小；

若网络节点的数据传输频率小于等于预先选择的簇头节点的数据传输频率，则网络节点的数据传输频率因子为1；

若网络节点的数据传输频率大于预先选择的簇头节点的数据传输频率，则网络节点的数据传输频率因子为网络节点的数据传输频率与预先选择的簇头节点的数据传输频率的商；

所述预先选择的簇头节点为父节点。

作为进一步的优选方案，所述通信消耗因子的权重系数、剩余能量因子的权重系数和数据传输频率因子的权重系数通过层次分析法确定。

作为进一步的优选方案，该方法采用基于层次的聚类算法将整个网络节点根据选择的簇头进行数据聚合形成若干个簇；

所述基于层次的聚类算法的具体步骤为：

遍历当前网络层的所有节点，将未被分簇节点加入到可以到达的簇，作为其簇内节点；

计算当前网络层进行上述步骤后仍未被分簇节点的链路选择优先值并排序，将链路选择优先值最大的未被分簇节点作为新的簇头，遍历当前网络层剩余未被分簇节点，加入到可以到达的簇，作为其簇内节点；所有簇头组成簇头集合；

对于簇头集合中的任一簇头，若其上一网络层中存在链路选择优先值大于该簇头节点的两个节点，则将该两个节点加入簇头集合中，并设置为簇头；若其上一网络层中链路选择优先值大于该簇头节点的节点数少于两个，则从当前网络层中选择链路选择优先值最大的节点设置为簇头。

在本发明中，通过基于层次的聚类算法将网络节点数据聚合被分为多个簇，且保证簇内节点的传输频率小于簇头节点。通过该方法使数据的传输不会远离管理节点，满足了wirelesshart的时效性要求。分簇后的簇头节点在路由时融合收集到的数据，节省数据包头的消耗，并把更多的能量应用在传输收集到的数据，提高网络的寿命。

作为进一步的优选方案，将基于层次的聚类算法形成的簇进行优化得到优化后的簇，优化的具体步骤为：

对于簇内节点，若其上一网络层中临近的节点为簇头节点，且该簇头节点所在簇的簇内节点少于三个，则将该簇内节点加入上一网络层中簇头节点所在簇；

对于簇头节点，若其所在簇的簇头节点为空，且其上一网络层中临近的节点所在簇的簇内节点少于三个，同时该簇头节点距离其他簇远无法加入其他簇，则将该簇头节点加入上一网络层中临近的节点所在簇。

在本发明中，该优化方法有效避免了上传数据在同一网络层的两个节点之间进行的数据传输。

作为进一步的优选方案，根据所述优化后的簇通过超帧调度完成数据传输，超帧调度的具体步骤为：

将整个wirelesshart网络的超帧初始化为空集；

根据数据传输频率的由高至低遍历所有簇头节点，分别得到簇头节点的超帧，并链接簇头节点的超帧至整个wirelesshart网络的超帧；

对于任一簇头节点，得到簇头节点的超帧的具体步骤为：

根据数据传输频率的由高至低遍历簇头节点所在簇的簇内节点，对于簇头节点所在簇的任一簇内节点：

创建簇内节点的超帧；判断该簇头节点是否及时传输数据至接收节点，若是，则链接簇内节点的超帧至该簇头节点，作为簇头节点的超帧；否则，链接簇内节点的超帧至整个wirelesshart网络的超帧。

在本发明中，根据上述优化后的基于层次的聚类算法形成的簇进行重新设计wirelesshart通信协议中的超频调度阶段得到该超帧调度算法，一致性的为簇内节点和簇头节点安排超帧，有效减少数据包的传输延长了wirelesshart网络的时间，同时，也保证了每次数据传输的端对端延迟。

本发明的第二目的是提供一种wirelesshart网络中基于集群的数据聚合与路由的通信架构。

为了实现上述目的，本发明采用如下一种技术方案：

一种wirelesshart网络中基于集群的数据聚合与路由的通信架构，该通信架构基于上述基于集群的数据聚合与路由方法构建。

本发明的有益效果：

1、本发明所述的一种wirelesshart网络中基于集群的数据聚合与路由方法及其通信架构，将簇头的选择过程联合到wirelesshart通信协议的上行链路选择阶段中，同时，在簇头选择中将网络节点的数据传输频率作为计算链路选择优先值的要素，实现了在大量现场设备接入wirelesshart网络出现实时约束情况时有效促进下一超帧调度阶段。

2、本发明所述的一种wirelesshart网络中基于集群的数据聚合与路由方法及其通信架构，通过基于层次的聚类算法将网络节点数据聚合被分为多个簇，且保证簇内节点的传输频率小于簇头节点。通过该方法使数据的传输不会远离管理节点，满足了wirelesshart的时效性要求。分簇后的簇头节点在路由时融合收集到的数据，节省数据包头的消耗，并把更多的能量应用在传输收集到的数据，提高网络的寿命。

3、本发明所述的一种wirelesshart网络中基于集群的数据聚合与路由方法及其通信架构，根据优化后的基于层次的聚类算法形成的簇进行重新设计wirelesshart通信协议中的超频调度阶段得到该超帧调度算法，一致性的为簇内节点和簇头节点安排超帧，有效减少数据包的传输延长了wirelesshart网络的时间，同时，也保证了每次数据传输的端对端延迟。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明的方法流程图；

图2为网络节点数据传输对比图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明：

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种wirelesshart网络中基于集群的数据聚合与路由方法及其通信架构，该方法应用于实时wirelesshart网络中，构建基于集群的数据聚合与路由通信架构，在大量现场设备接入wirelesshart网络的情况下，有效实现了wirelesshart网络可靠、实时和高能效的数据通信。

实施例1：

本实施例1的目的是提供一种wirelesshart网络中基于集群的数据聚合与路由方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下一种技术方案：

如图1所示，

一种wirelesshart网络中基于集群的数据聚合与路由方法，适用于实时wirelesshart网络中，该方法包括：

链路选择阶段：在wirelesshart通信协议的上行链路选择中，在网络节点中根据其通信消耗、剩余能量和数据传输频率选择出集群中的簇头；

超帧调度阶段：将整个网络节点根据选择的簇头进行数据聚合形成若干个簇，所述簇的簇内节点数据传输频率均小于簇头节点；根据所述簇通过超帧调度完成数据传输。

在本发明中，将簇头的选择过程联合到wirelesshart通信协议的上行链路选择阶段中，同时，在簇头选择中将网络节点的数据传输频率作为计算链路选择优先值的要素，实现了在大量现场设备接入wirelesshart网络出现实时约束情况时有效促进下一超帧调度阶段。

链路选择阶段：

一个节点上传数据时有多个路由候选方案，我们要把每一个节点考虑在内并确保每次传输至少有两条上传链路。关于链路选择要考虑到三个基本要素：节点间的通信消耗，节点剩余能量和节点数据传输频率。并在链路选择中根据三个基本要素进行簇头的选择。

节点间的通信消耗：在一个时间段内，发送者和接受者应当完成数据和确认帧的传输。完成一次通信的能量消耗和两边之间的距离以及需要传输数据的大小有直接的关系；两边的距离越远，消耗的能量越多；传输的数据越多，消耗的能量越多。然而，wirelesshart对传输速率有一定的需求，并且在一个时间段内传输的数据包必须不能大于127b，这些都限制了一个数据包内数据的数量；

网络节点的通信消耗因子的具体计算步骤为：

网络节点的通信消耗因子为一减去连接网络节点时消耗的能量与连接整个集群中网络节点消耗的全部能量的商。

网络节点的通信消耗因子e：

其中，e为网络节点的通信消耗因子，ej是当连接节点j时消耗的能量；是连接整个集群消耗的全部能量。

节点的剩余能量：在wirelesshart网络中的数据传输过程中，剩余能量是一个重要的考虑因素。当选择数据传输的节点时，为了避免一些节点过早的死亡，需要选择那些剩余能量高的节点，同时也延长了整个网络的生命周期；

网络节点的剩余能量因子的具体计算步骤为：

网络节点的剩余能量因子为网络节点的剩余能量与该网络节点的初始能量的商。

网络节点的剩余能量因子：

其中，r是网络节点的剩余能量因子，enerycur是节点的剩余能量；eneryinit是节点的初始能量。

节点的数据传输频率：

在聚类过程中，本实施例首先考虑节点的数据传输频率，从节能型wirelesshart网络的数据聚合框架中获悉，选择父节点作为汇聚节点，因为父节点的数据传输频率相对较高并且父节点可以融合子节点的数据而不是仅仅传输子节点的数据。在这种方式下，传输次数将会减少，节点的消耗也会降低。

如图2所示，本实施例对比了在选择不同频率的节点作为簇头节点时网络的传输次数。

表1.选择高频率节点作为簇头节点

表2.选择低频率节点作为簇头

表1为选择高传输频率的节点作为簇头节点，网络能在8s中传输11次，然而表2中选择低传输频率节点作为簇头时，当网络节点数量增加时网络8s内传输14次。显而易见，选择高频率的节点可以降低数据传输次数，因此减少了能耗并且延长了网络的生命周期。

网络节点的数据传输频率因子的具体计算步骤为：

判断网络节点的数据传输频率与预先选择的簇头节点的数据传输频率的大小；

若网络节点的数据传输频率小于等于预先选择的簇头节点的数据传输频率，则网络节点的数据传输频率因子为1；

若网络节点的数据传输频率大于预先选择的簇头节点的数据传输频率，则网络节点的数据传输频率因子为网络节点的数据传输频率与预先选择的簇头节点的数据传输频率的商，即

所述预先选择的簇头节点为父节点。

网络节点的数据传输频率因子f：

其中，f是网络节点的数据传输频率因子，fc是簇头节点的频率；fic是簇中节点的频率。

在wirelesshart通信协议的上行链路选择中，根据网络节点的通信消耗、剩余能量和数据传输频率计算链路选择优先值，并进行排序，根据网络节点的链路选择优先值大小选择出集群中的簇头与簇内节点，进行初步集群分簇。

在本实施例中，根据上述网络节点的通信消耗、剩余能量和数据传输频率计算链路选择优先值：

网络节点的链路选择优先值为网络节点的通信消耗因子、剩余能量因子和数据传输频率因子各自与其权重系数进行乘积后的累加值。

pij＝x1*r+x2*e+x3*f

其中，pij是链路选择的优先值，x1,x2,x3是三个变量的权重，从0到1进行改变，它的值代表了相应的因素的重要性。

所述通信消耗因子的权重系数、剩余能量因子的权重系数和数据传输频率因子的权重系数通过层次分析法确定。

首先，构造比较矩阵。

其中，

第二，构建判断矩阵。

其中，cb是一个常数，我们将其设置为9，rmax＝max{r1，r2，r3}，rmin＝min{r1，r2，r3}。

第三，一致性检测，得到权重系数(x1,x2,x3)＝(0.29,0.56,0.15)。

超帧调度阶段：

如果簇内节点太多，那么就会因为数据包大小的限制，数据不会再同一时间内被传输。所以在一个传输时期内簇头会分几次传输接收的数据。簇头的节点应当拒绝那些在一个时间段内需要全部传输的数据，来提高能效，避免一个采样时期内多次的数据传输并且避免了过早死亡的簇头。

网络中各个节点的安排后，网络管理器根据每个节点的位置和传输半径计算可以直接与每个节点通信的邻居节点，并向每个节点发送邻居表。路由映射是由网络管理器产生的连接每个网络节点的路径的集合。

采用基于层次的聚类算法将整个网络节点根据选择的簇头进行数据聚合形成若干个簇；

所述基于层次的聚类算法的具体步骤为：

步骤(1)：遍历当前网络层的所有节点，将未被分簇节点加入到可以到达的簇，作为其簇内节点；

步骤(2)：计算当前网络层进行上述步骤后仍未被分簇节点的链路选择优先值并排序，将链路选择优先值最大的未被分簇节点作为新的簇头，遍历当前网络层剩余未被分簇节点，加入到可以到达的簇，作为其簇内节点；所有簇头组成簇头集合；

步骤(3)：对于簇头集合中的任一簇头，若其上一网络层中存在链路选择优先值大于该簇头节点的两个节点，则将该两个节点加入簇头集合中，并设置为簇头；若其上一网络层中链路选择优先值大于该簇头节点的节点数少于两个，则从当前网络层中选择链路选择优先值最大的节点设置为簇头。

将基于层次的聚类算法形成的簇进行优化得到优化后的簇，优化的具体步骤为：

步骤(4)：对于簇内节点，若其上一网络层中临近的节点为簇头节点，且该簇头节点所在簇的簇内节点少于三个，则将该簇内节点加入上一网络层中簇头节点所在簇；

步骤(5)：对于簇头节点，若其所在簇的簇头节点为空，且其上一网络层中临近的节点所在簇的簇内节点少于三个，同时该簇头节点距离其他簇远无法加入其他簇，则将该簇头节点加入上一网络层中临近的节点所在簇。

算法1：基于层次的聚类算法

符号：

maxlevel是网络的最大层次

currentlevel是网络的当前层次，从0到maxlevel

n是currentlevel当前层的节点集合

n’是没有聚合的节点的集合，层次与currentlevel相等

ch是簇头节点的集合

cni是以节点ni为簇头的簇内节点的集合

开始：

结束

在本发明中，通过基于层次的聚类算法将网络节点数据聚合被分为多个簇，且保证簇内节点的传输频率小于簇头节点。通过该方法使数据的传输不会远离管理节点，满足了wirelesshart的时效性要求。分簇后的簇头节点在路由时融合收集到的数据，节省数据包头的消耗，并把更多的能量应用在传输收集到的数据，提高网络的寿命。在本发明中，优化方法有效避免了上传数据在同一网络层的两个节点之间进行的数据传输。

超帧路由是一种特殊的路由选择方式。对于由现场设备产生并发送至网关的数据来说是一条可靠路径。路径由网络管理器产生。每一次数据传输通过超帧进行调度。

本发明中，数据传输被分为两种形式：集群内部数据传输和簇间数据传输。簇内数据传输采用单跳传输模式，簇间数据传输采用多跳传输。为了防止冲突，本发明同时为簇内和簇间数据传输安排超帧。

超帧主要分为两部分，分别为簇内超帧和簇头超帧。

在簇内，集群中的每个节点把数据传输直接传输到簇头，所以路由相对也简单。当数据在簇头之间传输数据时，每个簇头选择两个具有最佳链路质量的节点上传，并确保数据可以经过一条冗余路径被上传到网关节点。

根据所述优化后的簇通过超帧调度完成数据传输，超帧调度的具体步骤为：

步骤(1)：将整个wirelesshart网络的超帧sf初始化为空集；

步骤(2)：根据数据传输频率的由高至低遍历所有簇头节点，分别得到簇头节点的超帧sfi，并链接簇头节点的超帧至整个wirelesshart网络的超帧sf；

在步骤(2)中，对于任一簇头节点，得到簇头节点的超帧的具体步骤为：

根据数据传输频率的由高至低遍历簇头节点所在簇的簇内节点，对于簇头节点所在簇的任一簇内节点：

创建簇内节点的超帧sfn；

判断该簇头节点是否及时传输数据至ap(accesspoint)节点，若是，则链接簇内节点的超帧至该簇头节点，作为簇头节点的超帧sfi；否则，链接簇内节点的超帧至整个wirelesshart网络的超帧sf。

算法2:超帧调度

notations:

n是簇头的集合

ei是从节点ni∈n上传到一个接收点的链路

sfi是簇头ni的超帧

sf是整个wirelesshart网络的超帧

开始:

结束

在本发明中，根据上述优化后的基于层次的聚类算法形成的簇进行重新设计wirelesshart通信协议中的超频调度阶段得到该超帧调度算法，一致性的为簇内节点和簇头节点安排超帧，有效减少数据包的传输延长了wirelesshart网络的时间，同时，也保证了每次数据传输的端对端延迟。

将本实施例与现有的wirelesshart通信协议进行对比实验，实验评估显示，本发明提出的一种wirelesshart网络中基于集群的数据聚合与路由方法相比于最先进的wirelesshart通信协议提升了40％的网络寿命，并且满足端对端的延迟约束。

实施例2：

本实施例2的目的是提供一种wirelesshart网络中基于集群的数据聚合与路由的通信架构。

为了实现上述目的，本发明采用如下一种技术方案：

一种wirelesshart网络中基于集群的数据聚合与路由的通信架构，该通信架构基于实施例1中的基于集群的数据聚合与路由方法进行构建得到。

本发明的有益效果：

1、本发明所述的一种wirelesshart网络中基于集群的数据聚合与路由方法及其通信架构，将簇头的选择过程联合到wirelesshart通信协议的上行链路选择阶段中，同时，在簇头选择中将网络节点的数据传输频率作为计算链路选择优先值的要素，实现了在大量现场设备接入wirelesshart网络出现实时约束情况时有效促进下一超帧调度阶段。

2、本发明所述的一种wirelesshart网络中基于集群的数据聚合与路由方法及其通信架构，通过基于层次的聚类算法将网络节点数据聚合被分为多个簇，且保证簇内节点的传输频率小于簇头节点。通过该方法使数据的传输不会远离管理节点，满足了wirelesshart的时效性要求。分簇后的簇头节点在路由时融合收集到的数据，节省数据包头的消耗，并把更多的能量应用在传输收集到的数据，提高网络的寿命。

3、本发明所述的一种wirelesshart网络中基于集群的数据聚合与路由方法及其通信架构，根据优化后的基于层次的聚类算法形成的簇进行重新设计wirelesshart通信协议中的超频调度阶段得到该超帧调度算法，一致性的为簇内节点和簇头节点安排超帧，有效减少数据包的传输延长了wirelesshart网络的时间，同时，也保证了每次数据传输的端对端延迟。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。