专利名称：心电监护物联网感知层中能量高效的路由协议实现方法
技术领域：
本发明属于物联网技术领域，具体涉及到用于心电监护物联网感知层中传感器节 点路由协议的实现方法。
背景技术：
物联网是将传感器、传感器网络等感知技术，通信网、互联网等传输技术，以及智 能运算、智能处理技术融为一体的连接物理世界的网络。从架构上来说，物联网由感知层、 网络层、应用层三部分组成。最底层是感知层，由传感器和传感器网络组成；中间层是网络 层，主要由移动通信网和互联网组成；最上层是应用层，是指智能运算与智能处理。本发明研究的心电医疗监护物联网架构如图1所示。感知层由监护病人身上佩戴 的心电监护传感器节点，传感器网关、无线传感器网络构成，主要完成心电监护病人节点以 自组织形式构成无线传感器网络，通过单跳或多跳方式将监测数据传到传感器网关，完成 心电信息的采集。网络层由互联网、移动通信网、信息中心和管理中心等构成。网络层将感 知层获取的信息借助无线通信或有线通信的方式传送到心电信息管理中心进行传递和处 理。应用层实现心电数据的智能处理，医护工作人员利用计算机或PDA随时查看病人的心 电数据，根据实际情况对病人采取相应措施。
发明内容
本发明的目的是保持原LEACH阈值公式不做任何改动，提出“二次选择”方案的心 电监护物联网感知层路由协议，解决路由协议中簇头和簇规模的选择问题，减少物联网感 知层总能量消耗，平衡节点能量消耗，延长网络生命周期。本发明所采用的技术方案是当簇形成之后，根据簇规模大小进行打碎或重组，将 簇头分布进行优化，平衡簇的规模。路由协议中普通节点选择簇头时，不仅考虑到各簇头， 还考虑到Sink节点，基于距离和能量耗费决定是加入某个簇，还是作为一个独立节点直接 与Sink节点通信。本发明能够减少物联网感知层总能量消耗，平衡节点能量消耗，延长网 络生命周期。本发明的效果和益处是研究了适用于心电监护物联网感知层的路由协议，以减 少物联网感知层总能量消耗，平衡节点能量消耗，延长网络生命周期，为心电监护物联网的 应用开发提供了指导意义。
图1是心电医疗监护物联网架构示意图；图2是成簇后出现簇规模小的示意图；图3是出现簇规模小改进之后成簇示意图；图4是成簇后出现簇规模大的示意图；图5是出现簇规模大改进之后成簇示意3
图6是固定节点成簇算法；
图7是平均能量消耗对比。
其中
1 物联网应用层2 物联网网络层
3 物联网感知层4 医院
5 医生6 120急救车
7 :2G网络8 物联网管理中心
9 因特网10 物联网信息中心
11 :3G网络12 :4G网络
13 无线传感器网经r 14 传感器网关
15 传感器节点
具体实施例方式以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的最佳实施例。本发明根据心电监护物联网的特点，选择经典聚类路由协议LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)作为理论基础，在LEACH协议之上提出了一种改进型低 能耗自适应聚类路由协议的路由协议LEACH-SC(LEACH-SeCOnd Choice)。其主要思想是保 持原LEACH阈值公式不做任何改动的前提下，提出了“二次选择”的方案，具体实施步骤是(1)簇头的选择由于路由协议LEACH是让网络中簇首节点是随机产生的，这种随机产生的方式存 在一个缺陷，即不能保证簇首节点的均勻分布，就不能保证簇的规模的合理性。当簇形成之 后，我们将规模过大的簇进行打碎重新在该簇内再选择一个簇头，利用两个簇头共同分担 该簇，反之则将规模过小的簇头取消，让该簇的成员进入其它簇。这样我们就可以将簇头的 分布进行优化，平衡簇的规模，在一定程度上解决簇头分布不均勻的问题。由最佳簇头数目
7j N f ^fff MkopN-^-r —...............—、⑴式中，e _，e fs是信号放大器的放大系数，dbs是从簇头节点到Sink节点的距离， M是正方形区域的边长，N是节点数量。假设M= 100，N= 100，Sink节点在(50，50)处，
设50 ( dbs ( 71带入式⑴得7 ( k。pt ( 14，则理论上每个簇的规模应该是[孓f]，即约为，那么我们可以规定当簇规模大于14时将簇重组，而当簇规模小于7时将簇打碎。图2中我们可以看出整个网络的左上角和左下角都出现了簇的规模过小，如果网 络中经常出现情况会影响网络整体的能量分布均勻性，而图3就是改进路由协议第二次选 择的显示效果。我们也可以看出其将规模小的簇打碎合并之其他簇中这样整个网络的负载 就均勻了很多。图4中左面簇规模太大这明显会使得簇头节点迅速消耗大量的能量，造成该节点 在以后会过早的失效，而图5中则是第二次选择显示出的效果。(2)簇的形成簇头选定以后，簇头节点在其通信范围内广播“加入簇”消息，告诉其它节点自己
4是簇头。通常，在收到各个簇头的广播消息后，普通节点要选择一个簇头，成为该簇头的一 个子成员。在路由协议LEACH中，节点根据自己与簇头的距离选择加入哪个簇。这种成簇方 法存在一个问题，就是当普通节点到Sink节点的距离远小于其到任何簇头的距离时，不选 择Sink节点，而是选择一个簇头加入该簇，这时节点的通信所需要的能量会大于节点直接 与Sink节点通信所需要的能量，因此浪费了能量。在改进路由协议LEACH_SC中普通节点 选择簇头时，不仅考虑到各簇头，还考虑到Sink节点，基于距离和能量耗费决定是加入某 个簇，还是作为一个独立节点直接与Sink节点通信。图6是节点成簇算法流程图。(3)簇头的路由当簇头不在Sink节点通信范围之内时，簇头不能直接与Sink节点通信，即使簇头 在Sink节点通信范围之内但离Sink节点较远时，簇头直接与Sink节点通信将会消耗很大 的能量。改进算法LEACH_SC中簇头采用单跳和多跳结合的路由。当簇头离Sink节点较近 时，采用单跳方式直接与其通信；当簇头离Sink节点较远时，采用多跳方式通过其它簇头 节点把数据传递到Sink。为了评价改进后路由协议的性能，本发明采用MATLAB对LEACH和LEACH_SC进行 仿真。在100mX 100m的正方形区域中，随机部署100个节点，Sink节点位于(50，50)处， 理想簇头概率为P = 0. 07，仿真区域为100m*100m的方形区域(xm*ym)，所有的节点初始能 量E0为0. 5J，接受数据消耗能量E_T和发送数据消耗能量E_Rx均为50nJ/bit，控制数据 包CPackage为30位，数据包DPackage长500*50bit，融合系数Df为0. 6。平均能量消耗 仿真结果如图7所示，图7中右边曲线表示LEACH_SC，左边曲线表示LEACH，由于优化了节 点成簇的选择方案，能量消耗可以达到全局平衡，随机选择簇头时很少出现能量消耗殆尽 或能量剩余很多的情况，这样所有节点都较为平缓的消耗能量，LEACH-SC的平均能量消耗 曲线斜率更小，从而增加了整个网络的生存周期。
权利要求
一种心电监护物联网感知层中能量高效的路由协议实现方法，提出保持原LEACH阈值公式不做任何改动，进行“二次选择”的心电监护物联网感知层路由协议实现方法。当簇形成之后，根据簇规模大小进行打碎或重组，将簇头分布进行优化，平衡簇的规模。路由协议中普通节点选择簇头时，不仅考虑到各簇头，还考虑到Sink节点，基于距离和能量耗费决定是加入某个簇，还是作为一个独立节点直接与Sink节点通信。其特征在于包括如下步骤(1)簇头的选择当簇形成之后，我们将规模过大的簇进行打碎重新在该簇内再选择一个簇头，利用两个簇头共同分担该簇，反之则将规模过小的簇头取消，让该簇的成员进入其它簇。这样我们就可以将簇头的分布进行优化，平衡簇的规模，在一定程度上解决簇头分布不均匀的问题；(2)簇的形成簇头选定以后，簇头节点在其通信范围内广播“加入簇”消息，告诉其它节点自己是簇头。普通节点选择簇头时，不仅考虑到各簇头，还考虑到Sink节点，基于距离和能量耗费决定是加入某个簇，还是作为一个独立节点直接与Sink节点通信；(3)簇头的路由当簇头离Sink节点较近时，采用单跳方式直接与其通信；当簇头离Sink节点较远时，采用多跳方式通过其它簇头节点把数据传递到Sink。
全文摘要
一种心电监护物联网感知层中能量高效的路由协议实现方法，属于物联网技术领域。经典聚类路由协议LEACH是让无线传感器网络中簇首节点随机产生，这样就不能保证簇首节点的均匀分布和簇规模的合理性。本发明提出保持原LEACH阈值公式不做任何改动，进行“二次选择”的心电监护物联网感知层路由协议实现方法。当簇形成之后，根据簇规模大小进行打碎或重组，将簇头分布进行优化，平衡簇的规模。路由协议中普通节点选择簇头时，不仅考虑到各簇头，还考虑到Sink节点，基于距离和能量耗费决定是加入某个簇，还是作为一个独立节点直接与Sink节点通信。本发明能够减少物联网感知层总能量消耗，平衡节点能量消耗，延长网络生命周期。
文档编号H04L12/56GK101917344SQ20101026823
公开日2010年12月15日 申请日期2010年8月31日 优先权日2010年8月31日
发明者于晓刚, 孙鑫明, 李鸿强, 王嘉庆, 田文涛, 苗长云 申请人:天津工业大学