溫室下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)簇首選擇算法

岳有軍+李媛媛+王紅君+趙輝

摘要： 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)被廣泛地應(yīng)用于溫室環(huán)境下采集環(huán)境數(shù)據(jù)信息。溫室環(huán)境不是復(fù)雜和大型的環(huán)境，但是由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)本身的特點(diǎn)以及節(jié)點(diǎn)的能量消耗等原因都會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)壽命縮減。在低功耗自適應(yīng)集簇分層型（low energe adaptive clustering hierarchy，簡(jiǎn)稱LEACH）協(xié)議的基礎(chǔ)上，考慮了溫室無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)成簇過(guò)程中的節(jié)點(diǎn)能量和競(jìng)爭(zhēng)半徑等因素，優(yōu)化閾值對(duì)結(jié)果的影響，以延長(zhǎng)其壽命。分簇完成后，再將簇頭的數(shù)據(jù)沿通過(guò)蟻群算法所得到的最優(yōu)路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，最后傳給匯聚節(jié)點(diǎn)。通過(guò)Matlab仿真結(jié)果可知，節(jié)點(diǎn)死亡的速度比LEACH協(xié)議慢，數(shù)據(jù)傳輸量大，改善了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

關(guān)鍵詞： 無(wú)線傳感器；網(wǎng)絡(luò)簇；閾值；競(jìng)爭(zhēng)半徑；分簇；蟻群算法

中圖分類(lèi)號(hào)： S126；TP212.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2017）22-0233-03

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor network，簡(jiǎn)稱WSN）具有規(guī)模大、節(jié)點(diǎn)密度高、信息感知度高和數(shù)據(jù)采集量大、精度高的特點(diǎn)。WSN的節(jié)點(diǎn)具有微型化、體積小、低功耗、集成度高的特點(diǎn)，此外選擇誤差在能容納范圍內(nèi)的廉價(jià)節(jié)點(diǎn)，收集農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需要的信息，節(jié)約了成本。溫室環(huán)境是現(xiàn)在設(shè)施農(nóng)業(yè)的基本設(shè)施，可在此環(huán)境下布置傳感器節(jié)點(diǎn)來(lái)對(duì)溫室環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)。溫室中植物的生長(zhǎng)需要長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)，但是傳感器節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)其長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)[1]，這主要是由于WSN的節(jié)點(diǎn)一般都是由電池供電，盡管節(jié)點(diǎn)耗電量低，但是電池壽命有限，能量和生存時(shí)間就受到了限制，所以研究如何在溫室環(huán)境下延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期是一個(gè)重要問(wèn)題。很多學(xué)者提出了不同的協(xié)議來(lái)延長(zhǎng)生存時(shí)間。在簇頭選舉中把節(jié)點(diǎn)剩余能量作為參數(shù)，提出各簇獨(dú)立進(jìn)行的簇頭輪換機(jī)制，并采用單跳與多跳結(jié)合的簇間通信方式[2]。劉軍等在簇頭選擇時(shí)把節(jié)點(diǎn)能量和節(jié)點(diǎn)與簇首間的距離作為簇首選擇的參數(shù)[3]。Heinzelman考慮了平均剩余能量對(duì)簇頭節(jié)點(diǎn)選擇的影響，將節(jié)點(diǎn)能量高于平均剩余能量的節(jié)點(diǎn)作為簇頭節(jié)點(diǎn)，卻忽略了較低能量節(jié)點(diǎn)也可能成為簇頭節(jié)點(diǎn)[4]。陳彬兵等提出剩余能量以及平均剩余能量的觀點(diǎn)，但忽略節(jié)點(diǎn)目前所剩能量與平均剩余能量的關(guān)系[5]。

低功耗自適應(yīng)集簇分層型（low energe adaptive clustering hierarchy，簡(jiǎn)稱LEACH）協(xié)議是一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，也是最早提出的分簇路由協(xié)議，其原理是以循環(huán)的方式隨機(jī)選擇簇頭節(jié)點(diǎn)，每個(gè)簇僅有1個(gè)簇頭，所有非簇頭節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳輸給所從屬的簇頭，然后簇頭進(jìn)行數(shù)據(jù)融合并將其傳輸給基站[6-7]。在簇形成階段，未擔(dān)任過(guò)簇頭的節(jié)點(diǎn)隨機(jī)產(chǎn)生1個(gè) 0～1之間的隨機(jī)數(shù)，若生成的數(shù)小于閾值，則成為簇頭節(jié)點(diǎn)。其中閾值Tn的計(jì)算方法為

式中：P為節(jié)點(diǎn)成為簇頭的百分?jǐn)?shù)；r為當(dāng)前的輪數(shù)；[WTHX]N 為最近的1/P輪數(shù)中沒(méi)有當(dāng)選為簇頭節(jié)點(diǎn)的集合。

分簇完成后，簇首節(jié)點(diǎn)采用時(shí)分多址（time division multiple access，簡(jiǎn)稱TDMA）法為簇中的普通節(jié)點(diǎn)分配向其傳送數(shù)據(jù)的時(shí)間片。在穩(wěn)定階段，節(jié)點(diǎn)將采集的數(shù)據(jù)傳送到簇首[8]。

LEACH協(xié)議存在一定的局限性。選擇簇頭時(shí)，沒(méi)有考慮到節(jié)點(diǎn)的能量以及節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)半徑與基站的相對(duì)位置問(wèn)題對(duì)網(wǎng)絡(luò)造成的影響，容易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行時(shí)間短。

在已有研究成果的基礎(chǔ)上，本研究提出了一種基于能量和競(jìng)爭(zhēng)半徑的分簇路由協(xié)議（competitive radius and energy based clustering protocol，簡(jiǎn)稱ERCP），其基本原理是在選擇簇頭階段，同時(shí)考慮了節(jié)點(diǎn)的能量、網(wǎng)絡(luò)的平均剩余能量以及節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)半徑等因素，以避免讓能量過(guò)低的節(jié)點(diǎn)充當(dāng)簇頭。分簇完成后，簇頭采用蟻群算法沿最優(yōu)路徑傳輸數(shù)據(jù)。

1 網(wǎng)絡(luò)模型和能量模型

1.1 網(wǎng)絡(luò)模型

本研究采用與LEACH協(xié)議相同的網(wǎng)絡(luò)模型，即在1個(gè) m×m的方形內(nèi)隨機(jī)部署n個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)[9]，其特點(diǎn)是：（1）該無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是靜態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，部署后節(jié)點(diǎn)不會(huì)發(fā)生移動(dòng)，且每個(gè)節(jié)點(diǎn)在隨機(jī)部署的網(wǎng)絡(luò)中僅有地址；（2）節(jié)點(diǎn)采用的是布爾感知模型，感知的半徑為d，忽略了邊界因素的影響；（3）區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)之間以及節(jié)點(diǎn)與基站之間都可以直接正常進(jìn)行通信；（4）只有1個(gè)基站且部署在該區(qū)域以外的1個(gè)確定位置；（5）基站具有足夠的能量和計(jì)算能力；（6）所有傳感器節(jié)點(diǎn)為同一種型號(hào)，節(jié)點(diǎn)的能量由電池提供；（7）節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)距離調(diào)整它的發(fā)射功率。

4 結(jié)論

本研究在溫室環(huán)境下探討節(jié)約節(jié)點(diǎn)能量的問(wèn)題。通過(guò)在LEACH算法的基礎(chǔ)上，提出改進(jìn)對(duì)簇頭的選擇。本協(xié)議考慮了通過(guò)節(jié)點(diǎn)剩余能量、平均剩余能量以及競(jìng)爭(zhēng)半徑等因素對(duì)網(wǎng)絡(luò)壽命的影響改善LEACH協(xié)議；此外，運(yùn)用蟻群算法找到簇間最佳傳輸路徑。通過(guò)上述改進(jìn)進(jìn)行仿真，結(jié)果表明，本協(xié)議比LEACH協(xié)議更有效地均衡了網(wǎng)絡(luò)能耗、數(shù)據(jù)傳輸，延長(zhǎng)了WSN的生命周期。

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