基于多跳分簇算法的傳感器節(jié)點剩余能量監(jiān)測

呂淑芳，高宇鵬

(山西農業(yè)大學信息學院，山西 晉中 030800)

1 引言

無線傳感器網絡是一種分布式的傳感網絡，其主要的末梢能夠感知與檢查外部世界傳感器。其中傳感器采用無線方式實現(xiàn)通信，因此網絡的設置較為靈活，設備能夠隨時進行更改，同時還能夠與互聯(lián)網實現(xiàn)無線或者有線的方式連接。傳感器網絡主要有：數(shù)據(jù)傳輸、處理以及采集三種功能，它和計算機技術以及通信技術一同組成了信息技術的三大支柱[1]。它主要是通過大量靜止或移動或靜止傳感器，通過多條以及自組織方式構建無線網絡，采用協(xié)作的感知、處理、采集以及傳輸網絡，覆蓋地理區(qū)域中全部被感知的對象信息，且最終將這些數(shù)據(jù)信息發(fā)送給使用者。因為無線傳感器網絡存在眾多種類的傳感器，能夠探測包括電磁、地震、噪聲、土壤成分、移動物體的大小、方向、速度等。所以可以應用在各行各業(yè)中：例如商業(yè)、工業(yè)、家居、醫(yī)療、航空、環(huán)境、軍事等領域。

無線傳感器網絡將數(shù)以萬計的傳感器節(jié)點采用自由式完成結合和組織，從而形成的網絡模式，構建傳感器節(jié)點單元分別是：數(shù)據(jù)處理單元、能量供應單元、數(shù)據(jù)傳輸單元以及數(shù)據(jù)采集單元，其中數(shù)據(jù)采集單元主要是用來采集監(jiān)測區(qū)域內的信息進行轉換，例如濕度、光強、大氣壓力等等；數(shù)據(jù)傳輸單元是利用無線通信與交流信息的方式，來發(fā)送接收采集的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理單元主要是處理所以節(jié)點路由協(xié)議與管理任務以及定位設備等，能量供應單元主要為了縮減傳感器節(jié)點所占據(jù)的面積。在無線傳感器網絡內，節(jié)點主要分為兩種：一種是匯聚節(jié)點，另外一種是傳感器節(jié)點[2]。匯聚節(jié)點主要工作是通過網關在傳感器節(jié)點內，把錯誤報告清除掉，同時將各個傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)整合，判斷發(fā)生的事情。用戶節(jié)點和中心節(jié)點進行連接，就能夠借助衛(wèi)星或者是廣域網絡進行直接通信，且處理收集而來的數(shù)據(jù)。

無線傳感器網絡組建方式自由，不受外界條件的限制隨時隨地可以組建；網絡拓撲構造的不確定性，從網絡層次方向觀察，拓撲結構變化不定；控制方式不集中，雖然無線傳感器將基站與傳感器節(jié)點控制起來，不過每個傳感器間控制方式都是分散的，主機與路由功能全是利用網絡終端完成各個主機獨立運行，且互為干涉，所以無線網絡的強度較高，很難被破壞。利用無線通信的方式構成一個多跳自組織的網絡，因為它主要是利用節(jié)點進行構造的，包含移動電話與電腦等設備，這些設備全是利用無線連接到彼此，接著相互之間利用網絡進行轉發(fā)數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)從一個節(jié)點跳至另外一個節(jié)點，直到目的地。除非全部節(jié)點出現(xiàn)故障，否則數(shù)據(jù)總是可用的，因此這種網絡拓撲結構可靠，并且擴展性較強[3]。不過一旦傳感器節(jié)點能量用盡，就會導致信息發(fā)送不出去，不能及時完成通信，所以需要對節(jié)點的剩余能量監(jiān)測，在能量用盡時，及時更換節(jié)點，保證網絡通暢。為此提出一種基于多跳分簇算法的傳感器節(jié)點剩余能量監(jiān)測方法，為了的是及時觀察到節(jié)點剩余的能量，對其進行處理，使通信過程順暢。

2 多跳分簇算法下傳感器節(jié)點剩余能量監(jiān)測

2.1 簇頭計算

為了減少簇頭出現(xiàn)聚集情況以及均衡網絡的消耗，需要在簇頭選擇的階段，進行充分的考慮所在區(qū)域節(jié)點分布密度，通過引入密度因子，將簇頭的選擇概率T(n)進行加權，而能量因子會讓能量較高的節(jié)點作為簇頭的概率增加，能量小的減小節(jié)點的概率，且密度因子會讓密度比較高的區(qū)域內節(jié)點成為簇頭概率增加[4]。

當每一輪對簇頭進行提取時，此輪就會按照固定方法生成一個閾值T(n)，在網絡內全部的存活節(jié)點會同時生成一個0至1間的隨機數(shù)，假如該數(shù)比閾值T(n)小時，就會成為簇頭，反之即為普通節(jié)點。從閾值計算公式可以看出，每個節(jié)點在被選出簇頭概率是相等的，能夠在網絡起始化時刻可以均衡網絡內每個節(jié)點的能量消耗，不過因為沒有考慮節(jié)點目前所剩余的能量是否適合做觸頭，經過工作一定時間之后，在網絡內節(jié)點的剩余能量比較少的會成為簇頭，加速能量損耗[5]。若在擔當簇頭期間它的能量損耗盡，那么會導致該輪中，此簇頭節(jié)點信息無法發(fā)送，嚴重則會導致網絡出現(xiàn)不連通，使網絡數(shù)據(jù)無法進行采集工作。

而在無線傳感器網絡內，需要充分通過節(jié)點自身有限資源以及信息來盡量降低節(jié)點能耗，無線傳感器網絡的節(jié)點通常都知道本身剩余能量以及鄰居節(jié)點個數(shù)。其中一個節(jié)點鄰居個數(shù)就能夠直接反映出此節(jié)點所在區(qū)域節(jié)點的大致密度。而鄰居節(jié)點越多，那么此區(qū)域節(jié)點的密度就越大，否則密度就越小。

引入能量因子，選取簇頭時，需要對節(jié)點目前剩余能量進行考慮，通過增加剩余能量的節(jié)點當選概率，然后引入能量的調節(jié)參數(shù)，具體公式為

(1)

式中：Esur(n)代表節(jié)點n目前剩余的能量值，Ea代表此輪網絡全部節(jié)點能量預期平均值，具體大小公式為

(2)

式中：Et代表網絡起始時全部節(jié)點能量的總和，r代表目前輪數(shù)，N代表網絡起始時刻全部活動節(jié)點數(shù)目，rmax代表網絡預期能夠工作輪數(shù)。

引入密度因子，在網絡內節(jié)點通信時，通常接收節(jié)點所接收到的信息內，會具有一個信號的強度值，依據(jù)該值能夠計算出發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點間的距離[6]，能夠確定鄰居節(jié)點個數(shù)，既而引入密度的調節(jié)參數(shù)，具體公式為

(3)

式中：Neighbor(n)代表節(jié)點n鄰居節(jié)點個數(shù)，Nr代表目前輪數(shù)全部存活節(jié)點個數(shù)，H代表最佳簇頭數(shù)。

2.2 多跳路經的選取

在數(shù)據(jù)的傳輸過程中，采用多跳方式，那么就具有多跳路經選取，通過改進的蟻群算法來優(yōu)化多跳路徑，具體如下所示：

1)引入全局更新，由于引進蟻群算法是對簇頭節(jié)點和匯聚節(jié)點之間距離進行優(yōu)化，所以螞蟻并沒有爬完全部節(jié)點[7]，而為了防止螞蟻不選取未爬過的路經上面信息素降低，通過引入全局更新的機制，將最大最小的系統(tǒng)以及螞蟻系統(tǒng)的兩個特征進行結合，從而完成全局更新，具體信息素的更新公式選取為

τij(t+1)=(1-ρ)τij(t)+ρΔτij(t，t+1)

(4)

通過引入信息素值上下界，就是τij(t)∈[τmin，τmax]。

2)改變啟發(fā)式因子，將發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點間的距離設置為dij，在dij

(5)

3)能量損耗的最小路經，蟻群算法主要是求距離的最小值，在本著降低能量消耗，提升無線傳感器網絡的使用壽命下，因為距離和能耗是不成線性的變化，因此把求路經長度最小值更改成求能量消耗最小值，所以Δτij(t，t+1)同樣需要變動，具體公式為

(6)

求解路經應該是從簇頭節(jié)點至基站路經，就是目標節(jié)點子終點路經[9]。

2.3 鄰居節(jié)點

簇頭至匯聚節(jié)點的通信路經主要有蟻群優(yōu)化，因此最佳簇頭數(shù)和單跳網絡不一樣，利用dtoBS代表簇頭和匯聚節(jié)點通信多跳路經，在理想的狀態(tài)下，簇頭間數(shù)據(jù)的傳輸主要是自由空間傳輸數(shù)據(jù)的衰減模型，所以可以得到公式為

(7)

(8)

2.4 傳感器節(jié)點剩余能量監(jiān)測

在無線傳感器網絡的剩余監(jiān)測工作過程中，簇頭始終是處于活動的智能體，來進行計算處理、傳輸通信以及數(shù)據(jù)采集等工作，而絕大部分能量的消耗都用于傳輸通信，在休眠狀態(tài)下的節(jié)點則會關閉無線通信的模塊，并不會進行通信傳輸?shù)膭幼鳎芰康南闹皇窃诒旧硭鶊?zhí)行監(jiān)測任務時消耗的能量，對于活動節(jié)點通信的能量損耗是忽略不計的，因此本文監(jiān)測的剩余能量消耗都是指通信傳輸?shù)牟糠帧?/p>

而對于通信傳輸?shù)南哪芰浚饕怯糜跀?shù)據(jù)接收以及發(fā)送，假設簇內的活動節(jié)點Agenti與Agentj處于標準距離d0下，其最小通信能量的消耗是P0，那么Agenti通信能量消耗Pi和兩個節(jié)點的空間距離dij有關，具體表達式為

(9)

從網絡內的節(jié)點智能體轉換成本身的狀態(tài)，可以通過監(jiān)測能耗的角度對其有效性進行分析，計算能量的消耗，觀察是否需要對其進行監(jiān)測[12]。如果簇頭節(jié)點Agenti在活動的狀態(tài)下功耗是Pactive，而處于休眠的狀態(tài)時功耗會降為Psleep，如果它處于tsleep時刻是由活動狀態(tài)轉換到休眠的狀態(tài)時，其轉換所需要花費的時間為τoff，若在τoff內的平均能耗是Eoff=τoff(Pactive+Psleep)/2，接著維持Psleep直到tactive時再度被激活，那么休眠狀態(tài)所需要的能量公式為

Esleep=τoff(Pactive+Psleep)/2+Psleep(tactive-tsleep-τoff)

(10)

從另外一方面如果它從tsleep到tactive的時間段內，一直處于維持活動的狀態(tài)，而不進行狀態(tài)的轉換，那么Agenti即為此時間段中能耗，具體公式為

Eactive=Pactive(tactive-tsleep)

(11)

如果tactive時刻Agenti再次被監(jiān)測的電場強度值超出閾值，則重新激活需要時間為τon，相同設置τon時間中轉換能量消耗為Eon=τon(Pactive+Psleep)/2，因此只有在Esaved>Eon時，Agenti經過轉換至休眠狀態(tài)時，所進行的節(jié)能方式才會有效。

如果檢測過程內，節(jié)點智能體從休眠到再度被激活之間，會具有很大的時間間隔，或者是智能體在轉換本身狀態(tài)時所消耗的能量會比較小，可以忽略不計。因此只需要監(jiān)測正常通信的過程中，所消耗的能量，完成剩余節(jié)點的能量監(jiān)測。

3 實驗證明

3.1 實驗數(shù)據(jù)

為了驗證本文方法的有效性，在無線傳感器的網絡平臺上，使用Micaz進行分析。先將收集到的數(shù)據(jù)信號傳輸至電腦上，利用電腦記錄實時測量數(shù)據(jù)且繪制能量消耗曲線。因為MicaZ節(jié)點運行的是開源嵌入式操作系統(tǒng)上點的Blink程序，程序在操作節(jié)點上3個LED顯示燈是以不同頻率進行閃爍的。通常處理器經過定時從休眠的狀態(tài)下喚醒，且操作LED燈開關，在完成處理器的任務之后，從空閑的狀態(tài)又重新進入休眠的狀態(tài)。其整體過程是處于Ti-nyOS動態(tài)能量消耗的管理框架下自動運轉的，以此就能觀察到LED燈與處理器的工作狀態(tài)。

實驗設置如下：將供電電壓設置為3.3V，而傳感器部分，對MTS310CA傳感器板上的每個傳感器進行供電，具體每一個傳感器的工作狀態(tài)所消耗電流如表1所示。

表1 感應器供電狀態(tài)下能量消耗

3.2 傳感器剩余能量損耗監(jiān)測

對硬件方面考慮，無線傳感器的節(jié)點消耗部分，主要有：無線通信模塊、處理器模塊以及傳感器模塊。因為傳感器的絕大部分能量都是損耗在無線通信的模塊上，具體如圖1所示。

圖1 無線傳感器網絡的能量消耗

通過圖1能夠看出，傳感器與處理器在工作時能量所消耗的比例已經非常小了，以此即可證明，其中絕大部分能量都是消耗在無線通信的模塊上。所以在圖1內給出了詳細無線通信的各工作模式下功耗，但并沒有對處理器以及傳感器工作狀態(tài)進行討論。

在采用本文的節(jié)點剩余能量監(jiān)測方法，對MicaZ節(jié)點和配套的MTS310CA的傳感器板能量消耗進行監(jiān)測，具體如圖2所示。

圖2 剩余能量消耗監(jiān)測

通過圖2所得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)，與歷史所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進行對比，數(shù)據(jù)幾乎相同。其中，處理器的部分采取的是單片機活動狀態(tài)，并沒有休眠機制，而無線部分采用的是無線監(jiān)聽，讓無線模塊一直處于在接收監(jiān)聽的狀態(tài)。以此可以看出，各部分未使用休眠策略，無線傳感器的實際損耗能量并沒有像圖1所示一樣。在對無線通信采用了能量管理策略下(把無線傳感器的節(jié)點發(fā)射功率設置成0、-3、-6、-9dBm)，例如：動態(tài)功耗的管理TinyOS系統(tǒng)，通信與處理器的能耗都獲得了管理優(yōu)化，此時傳感器的能量消耗會具有不可忽視比重。

除此之外，通過改變發(fā)送數(shù)據(jù)包大小和改變通信距離，對節(jié)點的剩余能量進行監(jiān)測，具體可以獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)結果如表2和表3所示。

表2 改變發(fā)送的數(shù)據(jù)包大小節(jié)點能量消耗測試

表3 改變通信距離節(jié)點能量的消耗測試

由表2和表3可以驗證，傳輸通信消耗和兩個節(jié)點之間的距離成正比關系，可得出本文檢測方法能夠敏銳感知節(jié)點能量變化，通過實時監(jiān)測傳感器的能量損耗，得出自身節(jié)點剩余的能量多少，且監(jiān)測的數(shù)據(jù)精準，效果良好。

4 結束語

本文提出的基于多跳分簇算法的傳感器節(jié)點剩余能量監(jiān)測方法，能夠及時地對剩余能量進行監(jiān)測，且監(jiān)測的數(shù)據(jù)精確，效果良好，不過由于網絡的技術快速發(fā)展，所需求的工作量也越來越大，這就導致節(jié)點的能量消耗也越來越快，所以未來本文還需要進一步研究，爭取能夠更加精確快速地監(jiān)測剩余能量。