一种农田无线传感器网络模型及路由算法

邬欢欢　范泽华

(塔里木大学信息工程学院， 新疆 阿拉尔 843300)



一种农田无线传感器网络模型及路由算法

邬欢欢范泽华

(塔里木大学信息工程学院， 新疆 阿拉尔 843300)

摘要面向农田监测的复杂环境，对无线传感器网络模型及路由算法进行了研究。从覆盖度及节点能耗的方面，建立了数学模型，给出了在监测区域中应部署的合适节点数目。通过使用密度控制，对LEACH路由算法进行改进，达到均衡网络中传感器节点能量消耗，从而延长无线传感器网络的生命周期。

关键词农田监测； 无线传感器网络； 模型； 路由算法

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)作为物联网的一个分支，是信息感知最基础的手段和途径，利用WSN技术进行农田信息采集与管理，已成为目前精细农业技术研究的热点。通过集成各种传感器可以探测收集与农作物生长信息有关的各种属性，如：土壤PH值、湿度、空气温度、光照度、二氧化碳浓度等，能为现代农业生产管理的科学决策提供可靠依据。因此，设计开发用于农业环境监测的无线传感器网络，研究降低其能耗、提高网络生命周期等关键技术，具有十分重要的意义[1]。本文对农田无线传感器网络进行了研究，从节省成本的角度，分析了如何在满足监测覆盖度的情况下，部署较少的节点数目；在选择传输路径的路由算法上，使用了分簇路由协议的思想，采用密度因子控制簇的规模，防止骨干节点提前死亡，较为有效地降低了节点能耗。

1农田环境监测的需求

大规模农田生产环境中，农作物生长周期较长且覆盖面积广，基于无线传感器网络的环境监测系统存在野外阻抗性、高功耗、难维护、节点能量消耗不均等问题。因此，针对WSN在农田环境中的具体应用，一般要求其性能应满足以下需求[2]：

1.1网络的覆盖率。要求传感器网络具有较大的网络容量和较好的扩展性，能够覆盖整个监测区域。覆盖率通常被定义为当前存活节点覆盖的面积与监测区域面积的百分比。

1.2网络的能耗性。农业监测环境中，传感器节点部署后一般不会移动，也不易更换，这就要求网络具有节能策略，以减小节点能量消耗，防止节点能量消耗不均，延长网络寿命。

1.3网络的硬件成本。农产品经济效益制约了信息化的投入成本，在设计网络时应有效控制传感器节点的数量。

2网络模型描述

无线传感器网络可以抽象为赋权无向图，节点集中的元素表示传感器节点，边集中的一个元素，表示两个传感器节点之间存在一条双向通信链路，这里对网络模型假设条件如下[3]：

第一，网络中节点随机部署，且分布不均匀，即传感器节点在某些区域内分布密度较大。

第二，基站(sink节点)固定且能量没有限制。

第三，所有传感器节点同构，初始能量相同，节点能量有限且不可更新，节点可以感知其剩余能量。

第四，节点部署后不再移动，地理位置可以获得，且具有唯一标识。

第五，节点以固定的速率感知环境且一直有数据要发送。

2.1覆盖度模型

无线传感器网络的部署方式一般分为网格化部署和随机部署，其中网格部署有正四边形、正六边形部署等。由于农田监测面积较广，本文在网络节点设置时采用随机部署方式，此时网络模型可以描述为一个泊松(Poisson)点过程，即所有节点以概率为λ，分布在以sink节点为圆心的区域S内，则S内节点数的概率为式(1)所示, 式中k∈{0，1，2……}，N(S)表示区域S内的节点数。

(1)

(2)

2.2能耗模型

文献[6]中提出了无线电通信的能耗模型，如图1所示。通常无线传感器节点的能量消耗采用该模型来进行仿真计算[7]。

图1　无线电能量消耗模型

该模型中，传感器节点发送和接收kbit的数据包到距离为d的另一个传感器节点，所消耗的能量ET和ER，可分别由式(3)决定：

(3)

当网络规模较大时，一般采用多跳通信方式降低能量消耗。节点将采集的数据以多跳的方式传递到基站为一个数据传输轮[8]。则第i个节点在第m数据传输轮消耗的能量可估算为式(4)：

Ei=nkEelec+nkεefsd2+(n-1)kEelec

(4)

若节点i的初始能量为E0，则节点i的生命周期Ti可定义为能量被消耗的期望时间，见式(5)，则无线传感器网络的生命周期可表述为：T=maximize{T1,T2,…Tn}。

(5)

3基于节点密度的LEACH路由算法

考虑农田环境复杂，监测采集信息量大及数据冗余，在面向农田监测的WSN中一般采用层次型路由协议。低能量自适应分簇路由(Low-Energy Adaptive Clustering Hierarch，LEACH)是WSN中最早提出的分簇路由协议，其路由算法按照轮运行，每轮可分为簇的建立阶段和数据传输两个阶段。在簇的建立阶段，每个节点按照阀值公式选举簇头[9]。簇头确定后，未成为簇头的节点根据收到簇头广播信号的强弱来决定加入哪个簇，并回复该簇头，从而得到簇头的邻居节点集，并建立簇。

LEACH路由算法在选取簇头时，是将单个节点的状态作为度量标准，没有考虑簇头周围节点的影响，这样会造成簇头节点分布不均匀，并且当簇头节点采用多跳传输方式时，也会造成离汇聚节点近的骨干节点过早死亡。因此，本文在簇的建立过程中引入密度控制，考虑节点的疏密情况，以及簇的规模，定义密度因子如式(6)。

(6)

其中，N为当前网络中传感器节点集，NBRi是节点i的邻居节点集，di是节点i到基站的距离，R为节点通信半径，di/R表示离基站远的簇的规模要大于离基站近的簇的规模。

为了使簇的分布更加均匀，应增大密集区域内节点成为簇头的概率，对于节点稀疏区域，则减少其中节点成为簇头的概率。因此，可以将簇头选举的阀值公式修改为式(7)：

(7)

式中，G是在1/p轮中未成为簇头的节点集，p是网络中簇头数与总节点数的百分比，r是当前选举轮数。

4实验仿真

为了评估模型及路由算法的有效性，在MATLAB上设计了WSN的仿真程序。在仿真实验中，节点感知半径r=15m，通信半径R=50m，随机部署在100m×100m的农田监测区域内，基站(sink节点)部署在区域中心的位置，所有节点初始能量为0.5J，簇内节点要发送的数据包大小为4000bit，能耗模型中，

Eelec=50nJ/bit，εefs=10pJ/bit/m2，εemp

=0.0013pJ/bit/m4。

由于是随机部署方式，经过多次实验，网络的覆盖度取95%，根据式(2)可以确定节点数目为40个，节点部署见图2。

图2　网络节点部署图

图3给出了存活节点数目和算法运行轮数的关系。可以看出，随着网络不断运行，传感器节点的能量逐渐消耗至死亡。图中LEACH算法在900个工作周期时，开始出现死亡节点，LEACH-D算法为基于节点密度的改进算法，它在1100个周期时出现死亡节点，表明通过密度控制，较为有效的延长了节点的生存时间。

图3　节点生存时间图

5结束语

文中分析了农田无线传感器网络面对的挑战，研究了网络覆盖模型和能耗模型，给出了较为合适的节点部署数目，在路由算法方面，使用密度因子改进了LEACH中簇头的选举阀值公式，减小了节点密集区域簇的规模，均衡了节点稀疏区域能量消耗，延长网络的工作时间，能够适用于农田环境监测的需求。

参考文献

[1]张伟．面向精细农业的无线传感器网络关键技术研究[D]．浙江：浙江大学，2013．

[2]刘卉，孟志军，李传中，等．农业区域环境监测传感器网络的设计方法[J]．热带农业工程，2010，34(6)：7-11．

[3]乔俊峰，刘三阳，曹祥宇．无线传感器网络中基于节点密度的簇算法[J]．计算机科学，2009，36(12)：46-49．

[4]温俊，蹇强，蒋杰，等．保证覆盖的无线传感器网络梯度部署方法[J]．计算机工程与科学，2008，30(6)：86-90．

[5]孙玉文．基于无线传感器网络的农田环境监测系统研究与实现[D]．南京：南京农业大学，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，马超．一种能量高效的无线传感器网络拓扑控制算法[J]．传感器与微系统，2014，33(2)：146-149．

[8]苑九海，苏健民，盛天杨，等．面向农业环境的无线传感器网络部署算法研究[J]．安徽农业科学，2014，42(5)：1561-1562．

[9]刘东江，贾卓生．基于分簇的无线传感器网络路由协议的研究[J]．计算机科学，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

中图分类号：TP393

文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.1009-0568.2015.04.014

文章编号：1009-0568(2015)04-0088-05

作者简介：邬欢欢(1982-)，男，硕士，讲师，研究方向为无线传感器网络。E-mail：50076569@qq.com

基金项目：塔里木大学校长基金硕士项目(TDZKSS201319)。

收稿日期：2015-03-18