一种基于无线传感网的簇头节点路由方法、装置及介质与流程
本发明涉及无线传感网领域，特别是涉及一种基于无线传感网的簇头节点路由方法、装置及介质。
背景技术：
无线传感网是一组传感器节点以自适应、自组织的方式构成的无线网络。无线传感网可用于特殊环境实时信号的采集、处理和发送。无线传感网是一种全新的信息获取和处理技术，在现实生活中正被越来越广泛的使用。无线传感网是由成千上万的传感器节点自组织形成，传感器节点由电池进行供电，在传感器节点进行数据采集、融合以及传输等操作时都需要消耗电池能量，成千上万的传感器节点被部署后，往往不易于更换，因此需要保证在传感器节点有限的电量下，能够提供更长时间的服务。
当前的无线传感网在工作时具有层次结构，层次型无线传感网中的传感器节点分为三种，即成员节点、簇头节点、汇聚节点。每一个簇头节点下都有n个成员节点，成员节点将采集到的数据传输到簇头节点，进而簇头节点对数据进行处理、融合并传输给汇聚节点。但是对于现有的大型无线传感网检测环境下，大部分簇头节点与汇聚节点之间的距离较远，无法直接通信，因此需要通过目标簇头节点与汇聚节点之间的其它簇头节点进行数据的传递以最终实现目标簇头节点与汇聚节点的通信。由于传感器节点间的数据传输是无线传感网络中的必要工作内容，并且会带来相应的能量消耗，因此在簇头节点到汇聚节点之间进行合理高效的路由能够相对节省簇头节点所消耗的能量，进而延长无线传感网络的整体的生命周期。
由此可见，提供一种基于无线传感网的簇头节点路由方法，以提高簇头节点到汇聚节点之间路由的效率，进而相对节省簇头节点整体的能量消耗，延长无线传感网络整体的生命周期，是本领域技术人员亟待解决的问题。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种基于无线传感网的簇头节点路由方法、装置及介质，以提高簇头节点到汇聚节点之间路由的效率，进而相对节省簇头节点整体的能量消耗，延长无线传感网络整体的生命周期。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于无线传感网的簇头节点路由方法，包括：
获取目标簇头节点的各特征值集合；其中，各特征值集合均对应目标簇头节点的数据传输场景，且特征值集合中至少包括目标簇头节点与汇聚节点之间的目标通信路径的距离；
根据梯度下降算法，将各特征值集合中的特征值与功耗梯度参数拟合为功耗预测函数；
设置功耗阈值，并根据功耗预测函数与功耗阈值生成损失函数以衡量功耗预测函数的值与功耗阈值之间的差异；
计算当损失函数的值最小时，功耗梯度参数的参数值；
在预设功耗梯度的基础上进行参数值的迭代运算，以得到结果功耗梯度，并将结果功耗梯度作为目标簇头节点的路由指向。
优选的，特征值集合中还包括目标簇头节点的剩余能量以及目标簇头节点的数据通信量。
优选的，在预设功耗梯度的基础上进行参数值的迭代运算前，该方法进一步包括：
设置约束参数；
相应的，在预设功耗梯度的基础上进行参数值的迭代运算具体为：
通过约束参数控制迭代运算的幅度，以进行迭代运算。
优选的，约束参数的值具体为0.0001。
优选的，在得到结果功耗梯度后，该方法进一步包括：
将结果功耗梯度写入日志。
优选的，该方法进一步包括：
获取各目标簇头节点的结果功耗梯度以生成整体的路由表。
此外，本发明还提供一种基于无线传感网的簇头节点路由装置，包括：
特征值获取模块，用于获取目标簇头节点的各特征值集合；
预测函数生成模块，用于根据梯度下降算法，将各特征值集合中的特征值与功耗梯度参数拟合为功耗预测函数；
损失函数生成模块，用于设置功耗阈值，并根据功耗预测函数与功耗阈值生成损失函数以衡量功耗预测函数的值与功耗阈值之间的差异；
参数值计算模块，用于计算当损失函数的值最小时，功耗梯度参数的参数值；
迭代运算模块，用于在预设功耗梯度的基础上进行参数值的迭代运算，以得到结果功耗梯度，并将结果功耗梯度作为目标簇头节点的路由指向。
优选的，该装置进一步包括：
约束设置模块，用于设置约束参数。
此外，本发明还提供一种基于无线传感网的簇头节点路由装置，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行计算机程序时实现如上述的基于无线传感网的簇头节点路由方法的步骤。
此外，本发明还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上述的基于无线传感网的簇头节点路由方法的步骤。
本发明所提供的基于无线传感网的簇头节点路由方法，先获取目标簇头节点的各特征值集合，并根据梯度下降算法的思想构建包含有特征值以及功耗梯度参数的功耗预测函数，以用于预测在不同场景下目标簇头节点的数据传输功耗，进而由功耗预测函数与预设的功耗阈值构成损失函数，并且计算当损失函数的值最小，即功耗预测函数的值符合预设功耗阈值的要求时，功耗梯度参数的参数值，进而每次计算得到参数值时，即在预设功耗梯度的基础上进行该参数值的迭代运算，进而得到结果功耗梯度以作为目标簇头节点的路由指向。由于在本方法中，每个特征值集合均对应着的目标簇头节点的传输场景，可见本方法相当于对簇头节点进行大量的数据传输场景的模拟，使簇头节点进行场景的综合学习，每一次学习都根据梯度下降算法的思想对功耗梯度进行较为高效的收敛，以使功耗梯度更加适应当前综合的数据传输场景，进而将结果功耗梯度作为目标簇头节点的路由指向，能够合理且高效的进行目标簇头节点向汇聚节点的路由传输。可见，本方法提高了簇头节点到汇聚节点之间路由的效率，进而相对节省了簇头节点整体的能量消耗，延长无线传感网络整体的生命周期。此外，本发明还提供一种基于无线传感网的簇头节点路由装置及介质，有益效果如上所述。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于无线传感网的簇头节点路由方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的一种基于无线传感网的簇头节点路由装置结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。
本发明的核心是提供一种基于无线传感网的簇头节点路由方法，提高簇头节点到汇聚节点之间路由的效率，进而相对节省簇头节点整体的能量消耗，延长无线传感网络整体的生命周期。本发明的另一核心是提供一种基于无线传感网的簇头节点路由装置及介质。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
实施例一
图1为本发明实施例提供的一种基于无线传感网的簇头节点路由方法的流程图。请参考图1，基于无线传感网的簇头节点路由方法的具体步骤包括：
步骤s10：获取目标簇头节点的各特征值集合。
其中，各特征值集合均对应目标簇头节点的数据传输场景，且特征值集合中至少包括目标簇头节点与汇聚节点之间的目标通信路径的距离。
需要说明的是，在本步骤中的特征值集合中的特征值均能够表示目标簇头节点通信时某一方面的状态，进而每一个特征值集合都应对应一种目标簇头节点与其它簇头节点进行数据通信时的工作场景，由于工作场景涉及到数据的通信传输，因此特征值集合中应该至少包括目标簇头节点与汇聚节点之间的某一目标通信路径的距离。进而多个特征值集合就能够向目标簇头节点提供不同情况下的通信场景，以便于目标簇头节点对特征值集合进行综合性的分析与学习。
步骤s11：根据梯度下降算法，将各特征值集合中的特征值与功耗梯度参数拟合为功耗预测函数。
在本步骤中所构建的功耗预测函数是用于对目标簇头节点进行功耗的预测。由于目标簇头节点的功耗情况与其进行数据通信时的工作场景相关，而特征值集合能够表征目标簇头节点的工作场景，因此功耗预测函数中具有特征值集合中的特征值；另外，功耗梯度参数在功耗预测函数中是一个未知的变量，用于反映目标簇头节点在不同工作场景下向汇聚节点传输数据时的梯度情况。由于目标簇头节点的功耗受特征值集合中表征各方面因素的特征值影响，因此需要将各特征值集合中的特征值与功耗梯度参数拟合为功耗预测函数。需要强调的是，功耗梯度参数的本质为向量，因此其具有指向性。
步骤s12：设置功耗阈值，并根据功耗预测函数与功耗阈值生成损失函数以衡量功耗预测函数的值与功耗阈值之间的差异。
本步骤中所设置的功耗阈值是用户根据目标簇头节点的整体状态所规定的最大的功耗值，表明的是某区域内的簇头节点将数据传输至汇聚节点所消耗的能量至多为多少，不能超过该功耗阈值，否则会造成没有必要的网络能量浪费。另外，通过功耗预测函数与功耗阈值所生成的损失函数表示的是功耗预测函数的值与功耗阈值之间存在的差异。
步骤s13：计算当损失函数的值最小时，功耗梯度参数的参数值。
需要说明的是，梯度下降算法的根本目的是沿着梯度下降的方式计算出函数的最小值，进而获取在函数为最小值的情况下梯度的值。因此本步骤的目的是计算损失函数取最小值，即功耗预测函数的值与功耗阈值之间的差异最小时，功耗梯度参数的参数值。本步骤中所获得的功耗梯度参数的参数值即能够满足功耗预测函数的值与功耗阈值的差异最小。
步骤s14：在预设功耗梯度的基础上进行参数值的迭代运算，以得到结果功耗梯度，并将结果功耗梯度作为目标簇头节点的路由指向。
由于在上述步骤所获得的功耗梯度参数的参数值反映的仅为当前特征值集合情况下对应的功耗梯度，为了使功耗梯度不断精确以及合理，需要目标簇头节点分析并学习更多的数据传输场景，进而获取更多场景下的功耗梯度的参数值，进而在预设功耗梯度的基础上进行参数值的迭代运算，每一次迭代运算就相当于对功耗梯度的一次更新，每次更新都使功耗梯度更加准确，进而使目标簇头节点的路由方向更加合理，最后得到结果功耗梯度。需要说明的是，结果功耗梯度是相对的概念，当前全部的特征值集合的数量决定结果功耗梯度的收敛程度，但是如增加特征值集合的数量以继续进行功耗梯度的迭代，则结果功耗梯度仍会继续收敛精确。
本发明所提供的基于无线传感网的簇头节点路由方法，先获取目标簇头节点的各特征值集合，并根据梯度下降算法的思想构建包含有特征值以及功耗梯度参数的功耗预测函数，以用于预测在不同场景下目标簇头节点的数据传输功耗，进而由功耗预测函数与预设的功耗阈值构成损失函数，并且计算当损失函数的值最小，即功耗预测函数的值符合预设功耗阈值的要求时，功耗梯度参数的参数值，进而每次计算得到参数值时，即在预设功耗梯度的基础上进行该参数值的迭代运算，进而得到结果功耗梯度以作为目标簇头节点的路由指向。由于在本方法中，每个特征值集合均对应着的目标簇头节点的传输场景，可见本方法相当于对簇头节点进行大量的数据传输场景的模拟，使簇头节点进行场景的综合学习，每一次学习都根据梯度下降算法的思想对功耗梯度进行较为高效的收敛，以使功耗梯度更加适应当前综合的数据传输场景，进而将结果功耗梯度作为目标簇头节点的路由指向，能够合理且高效的进行目标簇头节点向汇聚节点的路由传输。可见，本方法提高了簇头节点到汇聚节点之间路由的效率，进而相对节省了簇头节点整体的能量消耗，延长无线传感网络整体的生命周期。
实施例二
在上述实施例的基础上，本发明还提供以下优选的实施方式。
作为一种优选的实施方式，特征值集合中还包括目标簇头节点的剩余能量以及目标簇头节点的数据通信量。
可以理解的是，由于特征值集合表征的是目标簇头节点的工作场景，因此特征值集合中的特征值种类越多则该特征值集合所表征的工作场景越细致。而目标簇头节点的剩余能量以及目标簇头节点的数据通信量是共同影响目标簇头节点路由通信的重要因素，因此将目标簇头节点的剩余能量以及目标簇头节点的数据通信量作为特征值集合中的元素，能够使功耗梯度的计算考虑到更多维度的因素，并且更加细致及准确。例如，在一种场景下，目标簇头节点的可传输范围之内存在有两个其它簇头节点，但是这两个其它簇头节点各自距离目标簇头节点的距离不相同，而距离目标簇头节点较远的其它簇头节点距离汇聚节点更近，但是目标簇头节点将数据传输至较远的其它簇头节点所需要功耗更大，此时特征值集合中目标簇头节点的剩余能量以及数据通信量就可以作为不同维度上的制约因素，以进行综合的评定并选取最合理的路由路径。
此外，作为一种优选的实施方式，在预设功耗梯度的基础上进行参数值的迭代运算前，该方法进一步包括：
设置约束参数；
相应的，在预设功耗梯度的基础上进行参数值的迭代运算具体为：
通过约束参数控制迭代运算的幅度，以进行迭代运算。
需要说明的是，设置约束参数的作用是在进行迭代运算时，对参与迭代运算的功耗梯度参数的参数值缩小相应的倍数以达到控制迭代运算的幅度的目的。约束参数是为了防止由于少数特征值集合之间的差异较大而造成整体的运算精度的下降，约束参数对每次迭代的功耗梯度参数的参数值进行缩小，以相对减少上述情况造成的引起的结果误差。另外，对于约束参数的值的设定应根据各特征值集合之间的差异性以及用户的具体需要而定，在此不做具体限定。
在上述实施方式的基础上，作为一种优选的实施方式，约束参数的值具体为0.0001。
由于将约束参数的值设置为0.0001对于功耗梯度参数的参数值的缩小程度相对较大，因此对于降低迭代运算的误差具有普适性的作用。用户可以将0.0001作为一个约束参数的设置基础，并在此基础下根据具体需求对约束参数的值进行增减，在此不做具体限定。
此外，作为一种优选的实施方式，在得到结果功耗梯度后，该方法进一步包括：
将结果功耗梯度写入日志。
可以理解的是，将结果功耗梯度写入日志后，用户如需获取结果功耗梯度则可直接在日志中进行获取，无需再次进行迭代运算，实现了“一次写入，多次获取”的效果。另外，当需要进一步迭代运算以继续收敛功耗梯度时，则可以直接由日志中读取到结果功耗梯度以作为新的预设功耗梯度，以对功耗梯度进行进一步的精确。可见将结果功耗梯度写入日志为其后续的使用提供了便利。
此外，作为一种优选的实施方式，该方法进一步包括：
获取各目标簇头节点的结果功耗梯度以生成整体的路由表。
可以理解的是，由于每一个目标簇头节点仅能够关注到自身的下一跳簇头节点的路由方向，因此针对于用户来说仅针对于某一目标簇头节点的获取路由方向无法获取到整体的路由规划情况，而获取各目标簇头节点的结果功耗梯度以生成整体的路由表，能够有助于用户了解无线传感网络整体簇头节点的路由规划情况。
下面就本方案的某一种实施方式，以函数及公式的形式进行进一步的说明：
功耗预测函数为h(x)＝hθ(x)＝θ0x0+θ1x1+θ2x2，其中θ表示功耗梯度参数，χ表示输入的特征值集合，x0表示目标簇头节点的剩余能量，x1表示目标簇头节点与汇聚节点之间的目标通信路径的距离，x2表示目标簇头节点的数据通信量，相应的θ0、θ1、θ2分别为x0、x1、x2对应的功耗梯度参数分量；
损失函数为
迭代运算的公式为
上述的公式以及函数仅作为本发明的一种具体的实施方式下的运算内容，仅为展示说明，在遵循本发明主旨以及意图的情况下可以对各参数以及公式进行相应的变动，在此不做具体限定。
实施例三
在上文中对于基于无线传感网的簇头节点路由方法的实施例进行了详细的描述，本发明还提供一种与该方法对应的基于无线传感网的簇头节点路由装置，由于装置部分的实施例与方法部分的实施例相互对应，因此装置部分的实施例请参见方法部分的实施例的描述，这里暂不赘述。
图2为本发明实施例提供的一种基于无线传感网的簇头节点路由装置结构图。本发明实施例提供的基于无线传感网的簇头节点路由装置，具体包括：
特征值获取模块10，用于获取目标簇头节点的各特征值集合。
预测函数生成模块11，用于根据梯度下降算法，将各特征值集合中的特征值与功耗梯度参数拟合为功耗预测函数。
损失函数生成模块12，用于设置功耗阈值，并根据功耗预测函数与功耗阈值生成损失函数以衡量功耗预测函数的值与功耗阈值之间的差异。
参数值计算模块13，用于计算当损失函数的值最小时，功耗梯度参数的参数值。
迭代运算模块14，用于在预设功耗梯度的基础上进行参数值的迭代运算，以得到结果功耗梯度，并将结果功耗梯度作为目标簇头节点的路由指向。
本发明所提供的基于无线传感网的簇头节点路由装置，先获取目标簇头节点的各特征值集合，并根据梯度下降算法的思想构建包含有特征值以及功耗梯度参数的功耗预测函数，以用于预测在不同场景下目标簇头节点的数据传输功耗，进而由功耗预测函数与预设的功耗阈值构成损失函数，并且计算当损失函数的值最小，即功耗预测函数的值符合预设功耗阈值的要求时，功耗梯度参数的参数值，进而每次计算得到参数值时，即在预设功耗梯度的基础上进行该参数值的迭代运算，进而得到结果功耗梯度以作为目标簇头节点的路由指向。由于在本装置中，每个特征值集合均对应着的目标簇头节点的传输场景，可见本装置相当于对簇头节点进行大量的数据传输场景的模拟，使簇头节点进行场景的综合学习，每一次学习都根据梯度下降算法的思想对功耗梯度进行较为高效的收敛，以使功耗梯度更加适应当前综合的数据传输场景，进而将结果功耗梯度作为目标簇头节点的路由指向，能够合理且高效的进行目标簇头节点向汇聚节点的路由传输。可见，本装置提高了簇头节点到汇聚节点之间路由的效率，进而相对节省了簇头节点整体的能量消耗，延长无线传感网络整体的生命周期。
在实施例三的基础上，该装置还包括：
约束设置模块，用于设置约束参数。
实施例四
本发明还提供一种基于无线传感网的簇头节点路由装置，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行计算机程序时实现如上述的基于无线传感网的簇头节点路由方法的步骤。
本发明所提供的基于无线传感网的簇头节点路由装置，先获取目标簇头节点的各特征值集合，并根据梯度下降算法的思想构建包含有特征值以及功耗梯度参数的功耗预测函数，以用于预测在不同场景下目标簇头节点的数据传输功耗，进而由功耗预测函数与预设的功耗阈值构成损失函数，并且计算当损失函数的值最小，即功耗预测函数的值符合预设功耗阈值的要求时，功耗梯度参数的参数值，进而每次计算得到参数值时，即在预设功耗梯度的基础上进行该参数值的迭代运算，进而得到结果功耗梯度以作为目标簇头节点的路由指向。由于在本装置中，每个特征值集合均对应着的目标簇头节点的传输场景，可见本装置相当于对簇头节点进行大量的数据传输场景的模拟，使簇头节点进行场景的综合学习，每一次学习都根据梯度下降算法的思想对功耗梯度进行较为高效的收敛，以使功耗梯度更加适应当前综合的数据传输场景，进而将结果功耗梯度作为目标簇头节点的路由指向，能够合理且高效的进行目标簇头节点向汇聚节点的路由传输。可见，本装置提高了簇头节点到汇聚节点之间路由的效率，进而相对节省了簇头节点整体的能量消耗，延长无线传感网络整体的生命周期。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上述的基于无线传感网的簇头节点路由方法的步骤。
本发明所提供的基于无线传感网的簇头节点路由的计算机可读存储介质，先获取目标簇头节点的各特征值集合，并根据梯度下降算法的思想构建包含有特征值以及功耗梯度参数的功耗预测函数，以用于预测在不同场景下目标簇头节点的数据传输功耗，进而由功耗预测函数与预设的功耗阈值构成损失函数，并且计算当损失函数的值最小，即功耗预测函数的值符合预设功耗阈值的要求时，功耗梯度参数的参数值，进而每次计算得到参数值时，即在预设功耗梯度的基础上进行该参数值的迭代运算，进而得到结果功耗梯度以作为目标簇头节点的路由指向。由于在本计算机可读存储介质中，每个特征值集合均对应着的目标簇头节点的传输场景，可见本计算机可读存储介质相当于对簇头节点进行大量的数据传输场景的模拟，使簇头节点进行场景的综合学习，每一次学习都根据梯度下降算法的思想对功耗梯度进行较为高效的收敛，以使功耗梯度更加适应当前综合的数据传输场景，进而将结果功耗梯度作为目标簇头节点的路由指向，能够合理且高效的进行目标簇头节点向汇聚节点的路由传输。可见，本计算机可读存储介质提高了簇头节点到汇聚节点之间路由的效率，进而相对节省了簇头节点整体的能量消耗，延长无线传感网络整体的生命周期。
以上对本发明所提供的一种基于无线传感网的簇头节点路由方法、装置及介质进行了详细介绍。说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
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