岳有軍+李媛媛+王紅君+趙輝

摘要： 無線傳感器網(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，但是由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)本身的特點以及節(jié)點的能量消耗等原因都會導(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，簡稱LEACH）協(xié)議的基礎(chǔ)上，考慮了溫室無線傳感器網(wǎng)絡(luò)成簇過程中的節(jié)點能量和競爭半徑等因素，優(yōu)化閾值對結(jié)果的影響，以延長其壽命。分簇完成后，再將簇頭的數(shù)據(jù)沿通過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。通過Matlab仿真結(jié)果可知，節(jié)點死亡的速度比LEACH協(xié)議慢，數(shù)據(jù)傳輸量大，改善了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

關(guān)鍵詞： 無線傳感器；網(wǎng)絡(luò)簇；閾值；競爭半徑；分簇；蟻群算法

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

文章編號：1002-1302（2017）22-0233-03

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor network，簡稱WSN）具有規(guī)模大、節(jié)點密度高、信息感知度高和數(shù)據(jù)采集量大、精度高的特點。WSN的節(jié)點具有微型化、體積小、低功耗、集成度高的特點，此外選擇誤差在能容納范圍內(nèi)的廉價節(jié)點，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)點來對溫室環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測。溫室中植物的生長需要長時間監(jiān)測，但是傳感器節(jié)點網(wǎng)絡(luò)無法實現(xiàn)對其長時間監(jiān)測[1]，這主要是由于WSN的節(jié)點一般都是由電池供電，盡管節(jié)點耗電量低，但是電池壽命有限，能量和生存時間就受到了限制，所以研究如何在溫室環(huán)境下延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期是一個重要問題。很多學(xué)者提出了不同的協(xié)議來延長生存時間。在簇頭選舉中把節(jié)點剩余能量作為參數(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把節(jié)點能量和節(jié)點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簇頭節(jié)點選擇的影響，將節(jié)點能量高于平均剩余能量的節(jié)點作為簇頭節(jié)點，卻忽略了較低能量節(jié)點也可能成為簇頭節(jié)點[4]。陳彬兵等提出剩余能量以及平均剩余能量的觀點，但忽略節(jié)點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，簡稱LEACH）協(xié)議是一種無線傳感器網(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，每個簇僅有1個簇頭，所有非簇頭節(jié)點將數(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)任過簇頭的節(jié)點隨機(jī)產(chǎn)生1個 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。其中閾值Tn的計算方法為

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

分簇完成后，簇首節(jié)點采用時分多址（time division multiple access，簡稱TDMA）法為簇中的普通節(jié)點分配向其傳送數(shù)據(jù)的時間片。在穩(wěn)定階段，節(jié)點將采集的數(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，沒有考慮到節(jié)點的能量以及節(jié)點競爭半徑與基站的相對位置問題對網(wǎng)絡(luò)造成的影響，容易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行時間短。

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爭半徑的分簇路由協(xié)議（competitive radius and energy based clustering protocol，簡稱ERCP），其基本原理是在選擇簇頭階段，同時考慮了節(jié)點的能量、網(wǎng)絡(luò)的平均剩余能量以及節(jié)點的競爭半徑等因素，以避免讓能量過低的節(jié)點充當(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 m×m的方形內(nèi)隨機(jī)部署n個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點[9]，其特點是：（1）該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是靜態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，部署后節(jié)點不會發(fā)生移動，且每個節(jié)點在隨機(jī)部署的網(wǎng)絡(luò)中僅有地址；（2）節(jié)點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)點之間以及節(jié)點與基站之間都可以直接正常進(jìn)行通信；（4）只有1個基站且部署在該區(qū)域以外的1個確定位置；（5）基站具有足夠的能量和計算能力；（6）所有傳感器節(jié)點為同一種型號，節(jié)點的能量由電池提供；（7）節(jié)點可以根據(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)點能量的問題。通過在LEACH算法的基礎(chǔ)上，提出改進(jìn)對簇頭的選擇。本協(xié)議考慮了通過節(jié)點剩余能量、平均剩余能量以及競爭半徑等因素對網(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，延長了WSN的生命周期。

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