秦 芹

(保定學(xué)院，河北 保定 071000)

0 引言

對(duì)于溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究，國外起步較早。20世紀(jì)60年代，國外就開始對(duì)智能溫室監(jiān)控的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究，發(fā)展至今，技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟。目前，一些發(fā)達(dá)國家的溫室系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化和智能化監(jiān)控。我國的智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)起步較晚，20世紀(jì)90年代末開始研究，目前很多應(yīng)用還處于研究階段，沒有實(shí)現(xiàn)大范圍的普及。在智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)中，在智能溫室的實(shí)際量化投入使用過程中，無線傳感網(wǎng)絡(luò)的合理應(yīng)用也是重要的環(huán)節(jié)，而無線傳感網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)中的節(jié)點(diǎn)能量損耗問題一直是研究的關(guān)鍵問題[1]。路由協(xié)議的設(shè)計(jì)與優(yōu)化是影響WSN能耗的關(guān)鍵因素之一[2]。因此，通過對(duì)路由協(xié)議進(jìn)行合理優(yōu)化，能夠有效降低節(jié)點(diǎn)和無線網(wǎng)絡(luò)能量損耗，為WSN投入實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 智能溫室系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

1.1 智能溫室系統(tǒng)的整體架構(gòu)

智能溫室系統(tǒng)主要通過在現(xiàn)場布置大量傳感器，對(duì)溫室的環(huán)境信息進(jìn)行采集。首先，將采集信息通過傳入?yún)R聚節(jié)點(diǎn)。其次，匯聚節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳送至網(wǎng)關(guān)。最后，網(wǎng)關(guān)將接收到數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，根據(jù)信息的變化，啟動(dòng)聯(lián)動(dòng)裝置或?qū)⑿畔髦燎岸耍唧w如圖1所示。

圖1 整體架構(gòu)

1.2 WSN的能量消耗

WSN中，如何降低節(jié)點(diǎn)能耗是無線傳感網(wǎng)絡(luò)[3]投入使用的瓶頸，影響能耗的因素有很多，如發(fā)送/接收功率、發(fā)送/接收數(shù)據(jù)頻率等[4]。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，存在能耗不均問題，如匯聚節(jié)點(diǎn)由于承擔(dān)著局部數(shù)據(jù)交換功能，因此匯聚節(jié)點(diǎn)的能耗往往最高[5]。具體的單個(gè)能耗的計(jì)算公式如公式1所示：

Ea=PTX*ttx+PRX*trx+Pctc

(公式1)

其中，Ea代表系統(tǒng)總體能量；PTX代表發(fā)送功率；ttx代表發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)間；PRX代表接收功率；trx代表接收數(shù)據(jù)時(shí)間；Pc代表狀態(tài)切換功率；tc代表狀態(tài)切換時(shí)間。

針對(duì)上述問題，本系統(tǒng)針對(duì)目前無線傳感網(wǎng)中中間節(jié)點(diǎn)能量損耗大、節(jié)點(diǎn)能量損耗不均衡問題，對(duì)當(dāng)前的異構(gòu)路由分簇算法-SEP進(jìn)行研究分析，并做了相應(yīng)改進(jìn)。

2 研究的主要內(nèi)容

本課題針對(duì)目前WSN中中間節(jié)點(diǎn)能量損耗大、節(jié)點(diǎn)能量損耗不均衡問題，對(duì)當(dāng)前常見的WSN路由協(xié)議進(jìn)行研究分析，從以下兩個(gè)方面對(duì)異構(gòu)路由分簇算法-SEP進(jìn)行改進(jìn)。

(1)對(duì)簇頭選舉方式進(jìn)行改進(jìn)，提出了最低能量輪換選舉算法。第一輪節(jié)點(diǎn)分組按照相對(duì)距離進(jìn)行分組，當(dāng)組內(nèi)能量最高節(jié)點(diǎn)的能量低于要求的下限值時(shí)，才會(huì)放棄簇頭，再次進(jìn)行就近結(jié)組，從而保證了因頻繁更換簇頭而造成能量的浪費(fèi)。

(2)提出移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)的選擇，通過信息采集量的多少計(jì)算局部匯聚節(jié)點(diǎn)的位置，從而改進(jìn)了匯聚節(jié)點(diǎn)不變，導(dǎo)致能量損耗過大的問題，從而達(dá)到減少路由中能量損耗目的。

3 改進(jìn)算法仿真

通過對(duì)路由協(xié)議進(jìn)行合理優(yōu)化，能夠有效降低節(jié)點(diǎn)和無線網(wǎng)絡(luò)能量損耗，為無線傳感網(wǎng)投入實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)。改進(jìn)之后的SEP算法仿真結(jié)果如圖2—3所示。改進(jìn)之后的能量消耗對(duì)比如圖4所示。

4 結(jié)語

本文對(duì)異構(gòu)路由分簇算法-SEP進(jìn)行分析和研究，并提出了改進(jìn)方法。通過Matlab仿真結(jié)果可以看出，系統(tǒng)能耗得到了有效地降低。在今后的工作中將進(jìn)一步研究相關(guān)算法，使智能溫室控制系統(tǒng)能夠滿足我國實(shí)際應(yīng)用的需要。

圖2 隨機(jī)分布節(jié)點(diǎn)

圖3 簇頭選舉結(jié)果

圖4 能量消耗對(duì)比