溫室下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)雙簇頭異構(gòu)成簇算法的研究

王紅君 常慧青 岳有軍 趙輝

摘要：在溫室下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，采用基于低功耗自適應(yīng)集簇分層型算法進(jìn)行分簇時(shí)，存在簇分布不均勻及路由能量消耗過(guò)快的問(wèn)題。因此，本研究基于雙簇頭異構(gòu)成簇算法，優(yōu)化了簇頭選擇算法。在分好的簇中布署1個(gè)異構(gòu)節(jié)點(diǎn)做為第一簇頭，根據(jù)能量因素選擇另1個(gè)簇頭，2個(gè)簇頭履行不同的職責(zé)，達(dá)到均攤能量消耗、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期的目的。其中，采用單跳與多跳結(jié)合方法將第一簇頭節(jié)點(diǎn)信息傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)以達(dá)到提高傳輸效率的目的。仿真結(jié)果表明，該算法平衡了靜態(tài)節(jié)點(diǎn)能耗，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)存活時(shí)間。

關(guān)鍵詞：溫室;無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò);雙簇頭;異構(gòu)節(jié)點(diǎn);LEACH算法

中圖分類(lèi)號(hào)： TP212.9? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A? 文章編號(hào)：1002-1302（2019）05-0180-04

收稿日期：2017-12-21

基金項(xiàng)目：天津市農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化與推廣項(xiàng)目（編號(hào)：201203060、201303080）。

作者簡(jiǎn)介：王紅君（1963—），女，天津人，碩士，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榱鞒坦I(yè)先進(jìn)控制技術(shù)。E-mail：hongewang@126.com。

通信作者：常慧青，碩士，主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)控制理論與技術(shù)。E-mail：623516651@qq.com。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)指布署的微型傳感器節(jié)點(diǎn)利用無(wú)線通信的方式得到的多跳自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其作用是獲取監(jiān)控區(qū)域的目標(biāo)信息并發(fā)送給觀察者[1]。在設(shè)施溫室中布署傳感器節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物和環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，但由于傳感器節(jié)點(diǎn)體積小并且采用電池供電時(shí)其能源和帶寬非常有限，因此，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)有待解決的問(wèn)題。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1[2]。

目前，眾多學(xué)者對(duì)路由協(xié)議進(jìn)行了大量研究，如（low energy adaptive clustering hierarchy，簡(jiǎn)稱(chēng)LEACH[3]）、（directed diffusion，簡(jiǎn)稱(chēng)DD[4]）、（geographical and energy aware routing，簡(jiǎn)稱(chēng)GEAR[5]）等。筆者主要研究溫室下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)雙簇頭異構(gòu)成簇算法，首先以LEACH為基礎(chǔ)進(jìn)行分析。

LEACH協(xié)議將網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行分成若干輪，每輪隨機(jī)地選取簇首節(jié)點(diǎn)，將網(wǎng)絡(luò)的能量均攤到每個(gè)節(jié)點(diǎn)中[6]，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。每輪過(guò)程包含簇的建立與數(shù)據(jù)傳輸2個(gè)階段。建立階段指進(jìn)行簇頭的選舉和節(jié)點(diǎn)的加簇過(guò)程;傳輸階段指每個(gè)節(jié)點(diǎn)將所得數(shù)據(jù)發(fā)送到簇頭，簇頭匯總每個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳到用戶(hù)終端。LEACH協(xié)議的分簇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有效降低了路由控制進(jìn)程中能量的消耗，簇頭的輪換機(jī)制也使節(jié)點(diǎn)能量消耗減慢，從而延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。

然而，LEACH協(xié)議也有自身缺點(diǎn)。簇頭節(jié)點(diǎn)選舉過(guò)程有較大的隨機(jī)性，在每輪的簇頭選擇階段，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有相同的概率成為簇頭且與其位置無(wú)關(guān)。節(jié)點(diǎn)分布不均時(shí)LEACH算法所選簇頭可能沒(méi)有均勻分布在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi);當(dāng)節(jié)點(diǎn)分布區(qū)域比較稀疏時(shí)，簇頭節(jié)點(diǎn)較少或沒(méi)有，此時(shí)普通節(jié)點(diǎn)會(huì)直接與匯聚節(jié)點(diǎn)通信，導(dǎo)致普通節(jié)點(diǎn)的死亡速度加快，影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期[7]。

1 網(wǎng)絡(luò)模型與能量模型

1.1 網(wǎng)絡(luò)模型

由于網(wǎng)絡(luò)中異構(gòu)節(jié)點(diǎn)的加入，需要特別設(shè)置網(wǎng)絡(luò)模型，在1個(gè)m×m的區(qū)域內(nèi)隨機(jī)布署n個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，其中包括k個(gè)異構(gòu)傳感器節(jié)點(diǎn)，異傳感器節(jié)點(diǎn)能量是普通傳感器節(jié)點(diǎn)能量的h倍。具體設(shè)置如下：（1）由于節(jié)點(diǎn)分布不均勻，所以本研究的普通節(jié)點(diǎn)都是隨機(jī)分布的;（2）基站位置唯一且固定，并擁有足夠的能量、計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力;（3）節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)距離調(diào)整它的發(fā)射功率;（4）異構(gòu)節(jié)點(diǎn)采用確定布署的方式，且布署后位置不發(fā)生改變。

1.2 能量模型

本研究采用能量消耗模型[8]，模型結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

節(jié)點(diǎn)發(fā)送k bit數(shù)據(jù)到距離d的位置，消耗的能量為發(fā)射電路損耗的能量與功率放大損耗能量的和，其計(jì)算公式為

式中：Eelec表示發(fā)射電路損耗的能量;εfs、εmp分別為自由空間模型、多路徑衰減模型中功率放大消耗的能量。接收數(shù)據(jù)消耗的能量為

式中：k表示接收的數(shù)據(jù)數(shù)量。

2 雙簇頭異構(gòu)成簇算法

本研究針對(duì)LEACH協(xié)議簇頭隨機(jī)選取導(dǎo)致的簇頭分布不均勻、簇頭節(jié)點(diǎn)能量消耗過(guò)快等問(wèn)題，提出了雙簇頭異構(gòu)成簇算法。（1）利用k-Medoids聚類(lèi)算法將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的節(jié)點(diǎn)分為若干個(gè)類(lèi);（2）在每個(gè)類(lèi)中布署1個(gè)異構(gòu)節(jié)點(diǎn)作為第一簇頭，用于數(shù)據(jù)的傳輸;（3）根據(jù)能量因素選取另外1個(gè)簇頭作為第二簇頭，用于數(shù)據(jù)的融合;（4）第二簇頭將融合好的數(shù)據(jù)傳輸給第一簇頭，由第一簇頭經(jīng)過(guò)單跳與多跳相結(jié)合模式將信息發(fā)給基站。算法流程見(jiàn)圖3。

2.1 簇的形成

利用k-Medoids算法隨機(jī)選取k個(gè)節(jié)點(diǎn)作為初始Medoid，1個(gè)節(jié)點(diǎn)表示1個(gè)聚類(lèi)，根據(jù)節(jié)點(diǎn)與各聚類(lèi)中心的距離將其他節(jié)點(diǎn)分配到最近的聚類(lèi)中，然后根據(jù)其他所有節(jié)點(diǎn)與這k個(gè)節(jié)點(diǎn)的距離d進(jìn)行聚類(lèi)，直到k個(gè)medoids固定。其中，k值的選取定義為

式中：Ncluster指要選取的簇頭個(gè)數(shù);Nm為節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。

2.2 異構(gòu)節(jié)點(diǎn)的布署

節(jié)點(diǎn)布署主要分為確定布署和隨機(jī)布署。本研究普通節(jié)點(diǎn)采用隨機(jī)布署的方式，異構(gòu)節(jié)點(diǎn)采用確定布署的方式即采用選址理論[9]的方法，網(wǎng)絡(luò)中異構(gòu)節(jié)點(diǎn)的地理位置根據(jù)所有普通節(jié)點(diǎn)設(shè)置。

假定在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中包含k個(gè)類(lèi)，每個(gè)類(lèi)中包含n個(gè)普通節(jié)點(diǎn)，其地理位置為L(zhǎng)i=（xi，yi），1≤i≤n。唯一的異構(gòu)傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)該布署在PH（u，v），可以使所有普通節(jié)點(diǎn)和最近的異構(gòu)節(jié)點(diǎn)之間的通信開(kāi)銷(xiāo)C（u，v）最小。假設(shè)異構(gòu)節(jié)點(diǎn)的能量是普通節(jié)點(diǎn)能量的h倍，則

式中：wi表示節(jié)點(diǎn)i的通信量，通常情況下所有普通傳感器節(jié)點(diǎn)的通信量一樣，即wi=1。然后通過(guò)多次迭代得到u和v，從而使C（u，v）最小。