面向農業環境的無線傳感器網絡部署算法研究

苑九海　蘇健民　盛天楊等

摘要 設計了基于改進微粒群和初始能量分配的綜合優化算法。通過合理的無線傳感器網絡節點部署，在保證網絡通訊質量的同時，根據不同節點的實際功耗，均衡每個節點的能量，有效延長整個網絡的生命周期，促進無線傳感器網絡技術在農業環境監測中更廣泛的應用。

關鍵詞 無線傳感器網絡；微粒群算法；能量分配；節點部署；農業環境

中圖分類號 S126 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）05-01561-02

Abstract The integrated optimization algorithm based on the improved particle swarm optimization and energy distribution was designed. By reasonable wireless sensor networks nodes deployment， every nodes energy was balanced and the quality of the network was guaranteed according to the actual power waste of different nodes. It can extend the life cycle of the whole network and promote the widely used of wireless sensor networks technology in the monitoring of agricultural environment.

Key words Wireless sensor networks； Particle swarm optimization； Energy distribution； Node deployment； Agricultural environment

農業資源是人類賴以生存的寶貴資源，在人口日益增多的今天，如何高效地利用有限的農業資源，實現生產最大化已成為當前的熱點課題。無線傳感器網絡技術（WSN）是一種高性價比的小型網絡，由大量廉價的傳感器節點組成，每個傳感器節點由計算模塊、存儲模塊、傳感器模塊和無線通信模塊等構成。它可以實現無線自組網并通過無線傳感器節點實時地采集監測區域內目標對象的各種信息，并將它們發送至簇頭節點，以實現對監測區域內目標對象的信息檢測，用來收集和提供環境信息，如溫度、光照、濕度、二氧化碳和氧氣濃度等[1]。

多年來，能量都是網絡節點的瓶頸資源，直接影響著無線傳感器網絡的使用壽命，合理的網絡節點部署不僅可以有效地降低功耗，還可以保證網絡的通訊質量，保證交換過程中數據的有效性，提高整個網絡的可靠性，有效地延長節點以及整個網絡的壽命[2]。因此，如何優化部署無線傳感器網絡節點，合理分配利用有限的能量，對推廣WSN技術在農業環境中的應用，高效監測農業環境至關重要，是研究其在農業環境中應用的核心內容[3]。

1 無線傳感器網絡部署算法

采用改進微粒群和能量分配的綜合算法對節點進行部署，通過微粒群算法對監測區域內的節點進行部署，并根據各節點的位置通過能量分配算法對節點的初始能量進行分配，從而在保證節點的覆蓋性和網絡連通性的前提下，最大限度地延長整個無線傳感器網絡的使用壽命[4]。

1.1 改進微粒群算法

針對無線傳感器網絡設計的LEACH（LowEnergy Adaptive Clustering Hierarchy）算法，是一種低功耗自適應分層路由算法，利用循環的方式隨機選擇簇頭節點，如果所選的簇頭節點集中在網絡的某一部分，則將導致一些節點無法在附近找到簇頭[5]。同時，由于LEACH 算法在選擇簇頭時不考慮節點的剩余能量，一旦被選為簇頭的節點剩余能量較少，將會很快耗盡，導致節點過早“死亡”。微粒群算法（PSO，Particle Swarm Optimization）是一種群體智能進化算法，相對于LEACH算法，該算法在多維空間動態尋優方面具有速度快、解質量優、魯棒性好等優點，但同時微粒群算法也存在一些缺點。例如，算法不能有效地進行局部搜索，不能確保算法可以找到全局最優解，同時不同的參數設置對微粒群算法的搜索影響性也很大，因此，該設計采用一種改進的微粒群算法對無線傳感器網絡節點的部署問題進行優化[6]。

3 結語

與傳統的LEECH算法與HEED算法相比，該研究提出的改進微粒群和初始能量分配的綜合優化算法結合距離與能量綜合考慮，根據功耗不同設置不同的初始能量，將剩余能量較多的節點優先設為簇頭結點，能平衡各節點的功耗，減少通信能耗。通過平衡剩余能量與功耗的方法，避免了出現瓶頸節點過早死亡導致整個網絡癱瘓的可能，該算法有效地提高了網絡的生存周期，對無線傳感器網絡技術在農業環境中的推廣應用具有一定的促進作用。

參考文獻

[1] 劉彬，許屏，裴大剛，等.無線傳感器網絡的節點部署方法的研究進展[J].傳感器世界，2009，15（8）：10-15.

[2]袁浩.基于改進蜂群算法無線傳感器感知節點部署優化[J].計算機應用研究，2010，27（7）：2704-2705.

[3]曹峰，劉麗萍，王智.能量有效的無線傳感器網絡部署[J].信息與控制，2006，30（2）：147-153.

[4]劉麗萍，王智，孫優賢.無線傳感器網絡部署及其覆蓋問題研究[J].電子與信息學報，2006，28（9）：1752-1757.

[5]劉毅.模擬退火遺傳算法對無線傳感器網絡部署研究[J].計算機仿真，2011（5）：171-174.

[6]高騰.能量高效的無線傳感器網絡分簇路由協議研究[D].大連：大連理工大學，2011.

[7]趙清華.無線傳感器節點能量管理系統的研究[D].太原：太原理工大學，2010.