一種農田無線傳感器網絡模型及路由算法

鄔歡歡　范澤華

(塔里木大學信息工程學院， 新疆 阿拉爾 843300)

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一種農田無線傳感器網絡模型及路由算法

鄔歡歡范澤華

(塔里木大學信息工程學院， 新疆 阿拉爾 843300)

摘要面向農田監測的復雜環境，對無線傳感器網絡模型及路由算法進行了研究。從覆蓋度及節點能耗的方面，建立了數學模型，給出了在監測區域中應部署的合適節點數目。通過使用密度控制，對LEACH路由算法進行改進，達到均衡網絡中傳感器節點能量消耗，從而延長無線傳感器網絡的生命周期。

關鍵詞農田監測； 無線傳感器網絡； 模型； 路由算法

無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks，WSN)作為物聯網的一個分支，是信息感知最基礎的手段和途徑，利用WSN技術進行農田信息采集與管理，已成為目前精細農業技術研究的熱點。通過集成各種傳感器可以探測收集與農作物生長信息有關的各種屬性，如：土壤PH值、濕度、空氣溫度、光照度、二氧化碳濃度等，能為現代農業生產管理的科學決策提供可靠依據。因此，設計開發用于農業環境監測的無線傳感器網絡，研究降低其能耗、提高網絡生命周期等關鍵技術，具有十分重要的意義[1]。本文對農田無線傳感器網絡進行了研究，從節省成本的角度，分析了如何在滿足監測覆蓋度的情況下，部署較少的節點數目；在選擇傳輸路徑的路由算法上，使用了分簇路由協議的思想，采用密度因子控制簇的規模，防止骨干節點提前死亡，較為有效地降低了節點能耗。

1農田環境監測的需求

大規模農田生產環境中，農作物生長周期較長且覆蓋面積廣，基于無線傳感器網絡的環境監測系統存在野外阻抗性、高功耗、難維護、節點能量消耗不均等問題。因此，針對WSN在農田環境中的具體應用，一般要求其性能應滿足以下需求[2]：

1.1網絡的覆蓋率。要求傳感器網絡具有較大的網絡容量和較好的擴展性，能夠覆蓋整個監測區域。覆蓋率通常被定義為當前存活節點覆蓋的面積與監測區域面積的百分比。

1.2網絡的能耗性。農業監測環境中，傳感器節點部署后一般不會移動，也不易更換，這就要求網絡具有節能策略，以減小節點能量消耗，防止節點能量消耗不均，延長網絡壽命。

1.3網絡的硬件成本。農產品經濟效益制約了信息化的投入成本，在設計網絡時應有效控制傳感器節點的數量。

2網絡模型描述

無線傳感器網絡可以抽象為賦權無向圖，節點集中的元素表示傳感器節點，邊集中的一個元素，表示兩個傳感器節點之間存在一條雙向通信鏈路，這里對網絡模型假設條件如下[3]：

第一，網絡中節點隨機部署，且分布不均勻，即傳感器節點在某些區域內分布密度較大。

第二，基站(sink節點)固定且能量沒有限制。

第三，所有傳感器節點同構，初始能量相同，節點能量有限且不可更新，節點可以感知其剩余能量。

第四，節點部署后不再移動，地理位置可以獲得，且具有唯一標識。

第五，節點以固定的速率感知環境且一直有數據要發送。

2.1覆蓋度模型

無線傳感器網絡的部署方式一般分為網格化部署和隨機部署，其中網格部署有正四邊形、正六邊形部署等。由于農田監測面積較廣，本文在網絡節點設置時采用隨機部署方式，此時網絡模型可以描述為一個泊松(Poisson)點過程，即所有節點以概率為λ，分布在以sink節點為圓心的區域S內，則S內節點數的概率為式(1)所示, 式中k∈{0，1，2……}，N(S)表示區域S內的節點數。

(1)

(2)

2.2能耗模型

文獻[6]中提出了無線電通信的能耗模型，如圖1所示。通常無線傳感器節點的能量消耗采用該模型來進行仿真計算[7]。

圖1　無線電能量消耗模型

該模型中，傳感器節點發送和接收kbit的數據包到距離為d的另一個傳感器節點，所消耗的能量ET和ER，可分別由式(3)決定：

(3)

當網絡規模較大時，一般采用多跳通信方式降低能量消耗。節點將采集的數據以多跳的方式傳遞到基站為一個數據傳輸輪[8]。則第i個節點在第m數據傳輸輪消耗的能量可估算為式(4)：

Ei=nkEelec+nkεefsd2+(n-1)kEelec

(4)

若節點i的初始能量為E0，則節點i的生命周期Ti可定義為能量被消耗的期望時間，見式(5)，則無線傳感器網絡的生命周期可表述為：T=maximize{T1,T2,…Tn}。

(5)

3基于節點密度的LEACH路由算法

考慮農田環境復雜，監測采集信息量大及數據冗余，在面向農田監測的WSN中一般采用層次型路由協議。低能量自適應分簇路由(Low-Energy Adaptive Clustering Hierarch，LEACH)是WSN中最早提出的分簇路由協議，其路由算法按照輪運行，每輪可分為簇的建立階段和數據傳輸兩個階段。在簇的建立階段，每個節點按照閥值公式選舉簇頭[9]。簇頭確定后，未成為簇頭的節點根據收到簇頭廣播信號的強弱來決定加入哪個簇，并回復該簇頭，從而得到簇頭的鄰居節點集，并建立簇。

LEACH路由算法在選取簇頭時，是將單個節點的狀態作為度量標準，沒有考慮簇頭周圍節點的影響，這樣會造成簇頭節點分布不均勻，并且當簇頭節點采用多跳傳輸方式時，也會造成離匯聚節點近的骨干節點過早死亡。因此，本文在簇的建立過程中引入密度控制，考慮節點的疏密情況，以及簇的規模，定義密度因子如式(6)。

(6)

其中，N為當前網絡中傳感器節點集，NBRi是節點i的鄰居節點集，di是節點i到基站的距離，R為節點通信半徑，di/R表示離基站遠的簇的規模要大于離基站近的簇的規模。

為了使簇的分布更加均勻，應增大密集區域內節點成為簇頭的概率，對于節點稀疏區域，則減少其中節點成為簇頭的概率。因此，可以將簇頭選舉的閥值公式修改為式(7)：

(7)

式中，G是在1/p輪中未成為簇頭的節點集，p是網絡中簇頭數與總節點數的百分比，r是當前選舉輪數。

4實驗仿真

為了評估模型及路由算法的有效性，在MATLAB上設計了WSN的仿真程序。在仿真實驗中，節點感知半徑r=15m，通信半徑R=50m，隨機部署在100m×100m的農田監測區域內，基站(sink節點)部署在區域中心的位置，所有節點初始能量為0.5J，簇內節點要發送的數據包大小為4000bit，能耗模型中，

Eelec=50nJ/bit，εefs=10pJ/bit/m2，εemp

=0.0013pJ/bit/m4。

由于是隨機部署方式，經過多次實驗，網絡的覆蓋度取95%，根據式(2)可以確定節點數目為40個，節點部署見圖2。

圖2　網絡節點部署圖

圖3給出了存活節點數目和算法運行輪數的關系?？梢钥闯?，隨著網絡不斷運行，傳感器節點的能量逐漸消耗至死亡。圖中LEACH算法在900個工作周期時，開始出現死亡節點，LEACH-D算法為基于節點密度的改進算法，它在1100個周期時出現死亡節點，表明通過密度控制，較為有效的延長了節點的生存時間。

圖3　節點生存時間圖

5結束語

文中分析了農田無線傳感器網絡面對的挑戰，研究了網絡覆蓋模型和能耗模型，給出了較為合適的節點部署數目，在路由算法方面，使用密度因子改進了LEACH中簇頭的選舉閥值公式，減小了節點密集區域簇的規模，均衡了節點稀疏區域能量消耗，延長網絡的工作時間，能夠適用于農田環境監測的需求。

參考文獻

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[2]劉卉，孟志軍，李傳中，等．農業區域環境監測傳感器網絡的設計方法[J]．熱帶農業工程，2010，34(6)：7-11．

[3]喬俊峰，劉三陽，曹祥宇．無線傳感器網絡中基于節點密度的簇算法[J]．計算機科學，2009，36(12)：46-49．

[4]溫俊，蹇強，蔣杰，等．保證覆蓋的無線傳感器網絡梯度部署方法[J]．計算機工程與科學，2008，30(6)：86-90．

[5]孫玉文．基于無線傳感器網絡的農田環境監測系統研究與實現[D]．南京：南京農業大學，2013．

[6]Heinzelman W B，Chandrakasan A P，Balakrishnan H．An application specific protocol architecture for wireless microsensor networks[J]．IEEEE Transaction on Wireless Communication，2002，1(4)：660-670．

[7]江禹生，李萍，馬超．一種能量高效的無線傳感器網絡拓撲控制算法[J]．傳感器與微系統，2014，33(2)：146-149．

[8]苑九海，蘇健民，盛天楊，等．面向農業環境的無線傳感器網絡部署算法研究[J]．安徽農業科學，2014，42(5)：1561-1562．

[9]劉東江，賈卓生．基于分簇的無線傳感器網絡路由協議的研究[J]．計算機科學，2012，39(10)：23-25．

A model and Routing Algorithm for Farmland Wireless Sensor Networks

Wu HuanhuanFan Zehua

(College of Information Engineering, Tarim University, Alar, Xinjiang 843300)

AbstractThe article researches the mode of wireless sensor networks (WSN) in the complex environment of farmland monitoring. A mathematical model is established, respectively from the aspects of coverage and the node energy consumption, to determine the appropriate number of nodes should be deployed in the monitoring area. Through the use of density control, the LEACH routing protocol is improved, to achieve the balance energy consumption of each sensor node, so as to prolong the lifetime of Wireless Sensor Networks.

Key wordsfarmland monitoring; WSN; model; routing algorithm

中圖分類號：TP393

文獻標識碼：ADOI：10.3969/j.issn.1009-0568.2015.04.014

文章編號：1009-0568(2015)04-0088-05

作者簡介：鄔歡歡(1982-)，男，碩士，講師，研究方向為無線傳感器網絡。E-mail：50076569@qq.com

基金項目：塔里木大學校長基金碩士項目(TDZKSS201319)。

收稿日期：2015-03-18