溫室下無線傳感器網絡雙簇頭異構成簇算法的研究

王紅君 常慧青 岳有軍 趙輝

摘要：在溫室下無線傳感器網絡中，采用基于低功耗自適應集簇分層型算法進行分簇時，存在簇分布不均勻及路由能量消耗過快的問題。因此，本研究基于雙簇頭異構成簇算法，優化了簇頭選擇算法。在分好的簇中布署1個異構節點做為第一簇頭，根據能量因素選擇另1個簇頭，2個簇頭履行不同的職責，達到均攤能量消耗、延長網絡生命周期的目的。其中，采用單跳與多跳結合方法將第一簇頭節點信息傳送到匯聚節點以達到提高傳輸效率的目的。仿真結果表明，該算法平衡了靜態節點能耗，延長了網絡存活時間。

關鍵詞：溫室;無線傳感器網絡;雙簇頭;異構節點;LEACH算法

中圖分類號： TP212.9? 文獻標志碼： A? 文章編號：1002-1302（2019）05-0180-04

收稿日期：2017-12-21

基金項目：天津市農業科技成果轉化與推廣項目（編號：201203060、201303080）。

作者簡介：王紅君（1963—），女，天津人，碩士，教授，碩士生導師，研究方向為流程工業先進控制技術。E-mail：hongewang@126.com。

通信作者：常慧青，碩士，主要研究方向為網絡控制理論與技術。E-mail：623516651@qq.com。

無線傳感器網絡指布署的微型傳感器節點利用無線通信的方式得到的多跳自組織網絡系統，其作用是獲取監控區域的目標信息并發送給觀察者[1]。在設施溫室中布署傳感器節點可以實現對農作物和環境的實時監測，但由于傳感器節點體積小并且采用電池供電時其能源和帶寬非常有限，因此，研究如何在溫室環境下延長網絡的生命周期是一個有待解決的問題。無線傳感器網絡體系結構見圖1[2]。

目前，眾多學者對路由協議進行了大量研究，如（low energy adaptive clustering hierarchy，簡稱LEACH[3]）、（directed diffusion，簡稱DD[4]）、（geographical and energy aware routing，簡稱GEAR[5]）等。筆者主要研究溫室下無線傳感器網絡雙簇頭異構成簇算法，首先以LEACH為基礎進行分析。

LEACH協議將網絡的運行分成若干輪，每輪隨機地選取簇首節點，將網絡的能量均攤到每個節點中[6]，延長網絡的生存時間。每輪過程包含簇的建立與數據傳輸2個階段。建立階段指進行簇頭的選舉和節點的加簇過程;傳輸階段指每個節點將所得數據發送到簇頭，簇頭匯總每個節點的數據傳到用戶終端。LEACH協議的分簇拓撲結構有效降低了路由控制進程中能量的消耗，簇頭的輪換機制也使節點能量消耗減慢，從而延長了網絡生存時間。

然而，LEACH協議也有自身缺點。簇頭節點選舉過程有較大的隨機性，在每輪的簇頭選擇階段，每個節點有相同的概率成為簇頭且與其位置無關。節點分布不均時LEACH算法所選簇頭可能沒有均勻分布在監測區域內;當節點分布區域比較稀疏時，簇頭節點較少或沒有，此時普通節點會直接與匯聚節點通信，導致普通節點的死亡速度加快，影響整個網絡的生命周期[7]。

1 網絡模型與能量模型

1.1 網絡模型

由于網絡中異構節點的加入，需要特別設置網絡模型，在1個m×m的區域內隨機布署n個傳感器節點，其中包括k個異構傳感器節點，異傳感器節點能量是普通傳感器節點能量的h倍。具體設置如下：（1）由于節點分布不均勻，所以本研究的普通節點都是隨機分布的;（2）基站位置唯一且固定，并擁有足夠的能量、計算能力和存儲能力;（3）節點可以根據距離調整它的發射功率;（4）異構節點采用確定布署的方式，且布署后位置不發生改變。

1.2 能量模型

本研究采用能量消耗模型[8]，模型結構見圖2。

節點發送k bit數據到距離d的位置，消耗的能量為發射電路損耗的能量與功率放大損耗能量的和，其計算公式為

式中：Eelec表示發射電路損耗的能量;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。接收數據消耗的能量為

式中：k表示接收的數據數量。

2 雙簇頭異構成簇算法

本研究針對LEACH協議簇頭隨機選取導致的簇頭分布不均勻、簇頭節點能量消耗過快等問題，提出了雙簇頭異構成簇算法。（1）利用k-Medoids聚類算法將整個網絡區域的節點分為若干個類;（2）在每個類中布署1個異構節點作為第一簇頭，用于數據的傳輸;（3）根據能量因素選取另外1個簇頭作為第二簇頭，用于數據的融合;（4）第二簇頭將融合好的數據傳輸給第一簇頭，由第一簇頭經過單跳與多跳相結合模式將信息發給基站。算法流程見圖3。

2.1 簇的形成

利用k-Medoids算法隨機選取k個節點作為初始Medoid，1個節點表示1個聚類，根據節點與各聚類中心的距離將其他節點分配到最近的聚類中，然后根據其他所有節點與這k個節點的距離d進行聚類，直到k個medoids固定。其中，k值的選取定義為

式中：Ncluster指要選取的簇頭個數;Nm為節點個數。

2.2 異構節點的布署

節點布署主要分為確定布署和隨機布署。本研究普通節點采用隨機布署的方式，異構節點采用確定布署的方式即采用選址理論[9]的方法，網絡中異構節點的地理位置根據所有普通節點設置。

假定在無線傳感器網絡中包含k個類，每個類中包含n個普通節點，其地理位置為Li=（xi，yi），1≤i≤n。唯一的異構傳感器節點應該布署在PH（u，v），可以使所有普通節點和最近的異構節點之間的通信開銷C（u，v）最小。假設異構節點的能量是普通節點能量的h倍，則

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