基于WSN的防火装置路由协议的设计

程阳

摘 要：无线传感器网络节点能量资源有限，能耗的降低对网络寿命产生着至关重要的影响。文章在介绍无线传感器网络基本概念的基础上，针对防火网络的特点，对经典路由协议原理进行了简要分析，并在此基础上对经典的LEACH算法进行了改进，然后将改进后的算法与原来算法用Matlab进行仿真。仿真结果显示，改进后的算法可有效均衡网络的能量消耗，延长网络生命周期。

关键词：无线传感器网络；路由协议；算法改进；LEACH算法

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）04-0-02

0 引 言

火灾是威胁人类安全的重要灾害之一，属于人员密集型场所的学校是学生的聚集地点，如果滚滚浓烟和熊熊烈焰发生在我们美丽的校园时，那将是十分危险的状况。学生宿舍是校园内最容易引发火灾的地方，因而预防学生宿舍发生火灾是防火工作的重点。针对此种危害巨大的事件设计出一种基于无线传感器的防火网络。

1 相关内容

1.1 无线传感器网络

无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是由大量廉价微型传感器节点部署在监测区域内，通过多跳方式自组织成一个无线通信的网络系统，各节点之间协作地感知、收集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并将此信息加以融合后发送给观察者。WSN节点的布署具有快速展开，抗毁性强等特点，不依赖于其他预设的软、硬件设施。并且无线传感器网络应用之广泛已经涉及到各个领域，包括军事、交通、工业、环保等众多方面。

1.2 无线传感器防火网络

基于无线传感器的防火网络由一定数目的传感器节点以无线自组织的方式形成。依次分为节点、网关、数据采集及监控中心以及终端的层次结构。传感器节点具有对数据处理和对信息进行通信的能力，各传感器节点负责搜集周围区域的各种信息，进而将数据通过多跳的无线通信方式传向汇聚节点。针对于学生宿舍无线传感器的防火网络是将传感器节点部署在监测区域即住宿区域范围内，以物理位置的远近为依据自组织成簇，当传感器节点检测到周围环境空气中的温湿度变化以及烟雾的比例如果超出设定的阈值，则传感器向汇聚节点（监控室）发送所采集到的异样数据，此时监控室便会发出类似警报等的通知信号从而达到防火及快速救火的目的。在此过程中，终端节点如何在耗能较小的情况下将检测到的信息传送到汇聚节点将是本文研究的重点[1]。

2 适用于无线传感器的防火网络的路由协议

在防火网络路由协议的研究中我们仍以无线传感器网络经典的分簇路由协议LEACH算法为基础。LEACH是一种典型的自适应分簇路由协议。LEACH中首次定义了一种概念“轮”，每一轮由两个阶段组成，即簇的建立及稳定的数据通信 [2]。在簇建立阶段，处于传感器网络中邻近区域的节点通过动态的方式形成簇，并且以随机的方式产生出簇头；在数据通信阶段，各簇区域内部的节点将采集到的数据发送给簇头，而各簇头对接收到的数据包进行数据融合处理后将所得结果再传输给汇聚节点。为了延长网络运行时间保持传感器节点间能量的均衡消耗，按照轮周期性的随机选举策略选举簇头，每一轮簇头选举的方法为：编号为n的节点随机产生一个处于[0，1]之间的数，如果这个数小于已经设置的阈值T（n），那么此节点将成为本轮工作的簇头。T（n）的计算公式如下：

公式（1）中，r为当前的运行轮数，p为网络中选出的簇头数占节点总数的比例，G为网络运行的前1/p轮没有承担过簇头的节点集合。当节点被选举为簇头后，便广播一个声明自己成为新簇头的消息，而未当选为簇头的节点则根据接收到消息信号的强弱程度决定加入的簇，并发消息给该簇头。各簇头与其簇内节点之间通过CSMS＼MAC协议通信，簇头使用TDMA方式为自己簇内的节点分配不同的时隙进行通信，簇内普通节点只与簇头通信只能在自己的时隙内进行，除此时隙之外节点的通信模块将休眠，从而使得节点的能耗尽可能最小化[3]。此种方式的优点在于网络中各节点可以等概率担任簇头，从而保持网络内各节点能量消耗的相对均衡，延长整个网络的运行时间。其缺点有以下两点：

（1）LEACH算法各簇头使用单跳方式向汇聚节点传输信息，其能耗的不均衡性导致该算法不适合大规模的工作网络；

（2）存在动态分簇导致簇头频繁变换和大量广播当选簇头的消息等这样的额外开销。

3 对相关路由协议的改进

4 对改进算法的仿真

4.1 仿真实验场景设置

仿真过程中的使用参数：网络中节点个数N=100；正方形仿真场景的边长M=100；各仿真节点初始能量E0=2×109；无线通信模型中的几个重要参数分别设置为Efs=10，Eelec=50×103和Eamp=0.001 3；簇头节点对单位数据融合所消耗的能量EDA=5×103；相对于正方形场景基站位置的坐标p=[50，175]。

4.2 仿真结果与分析

首先在边长为100的正方形仿真场景内以随机方式部署100个传感器节点。在以上仿真场景下，未改进的算法与改进后的算法其每一轮的能量消耗如图1所示。

从图1可以看出，本文改进后的算法在网络运行中第一个节点能量消耗尽时，其网络总能量明显小于相同情况下的LEACH原算法的能耗，即改进后的算法能够相对均衡网络中的能耗。

从上图仿真结果可以看到改进后的算法在延长网络生命周期、均衡网络能耗等各方面均比原算法优越。原算法在选取簇头时随机因素比较大，每轮的簇头选取中原算法均按照网络前期运行中的节点是否当选过簇头作为唯一的选择条件，并不考虑节点的剩余能量及节点间的能量差异，这种选举簇头的方式会导致部分能量低的节点被选作簇头从而严重加快这些节点的能量消耗速度。而本文改进后的算法比较全面的考虑了一个重要因素——各个节点的剩余能量水平，即网络运行中会尽量选择剩余能量较多的节点来充当簇头，并且保证当选簇头的节点其剩余能量要大于网络内所有节点平均能量水平。

5 结 语

未来无线传感器网络路由协议除了能够高效地利用节点的有限资源，保证网络的安全路由能力和各传感器节点之间很好地协作之外，还应该能够支持网络的一些个性需求。例如基于无线传感器的防火装置采用的路由协议应保证网络高度的移动性、敏锐性及自组织能力，使传感器网络具备能够作用在各种应用场合中的能力。

参考文献

[1]刘兆伟，杨波，张远，等.无线传感器网络路由协议研究分析[J].信息技术与信息化，2008，37（5）：34-37.

[2]周建钦，刘成.WSN分簇路由协议LEACH的研究与改进[J].杭州电子科技大学学报，2014，34（6）：8-12.

[3]张岩.一种基于LEACh的分阶段簇头选举算法[J].科学技术与工程，2012，12（31）：8419-8423.

[4]毕艳忠，孙利民.传感器网络中的数据融合[J].计算机科学，2004，31（7）：101-103.

[5]黄真金，李道全，张俊虎.WSN中基于LEACH的改进路由协议[J].电脑知识与技术，2014，10（6）：1216-1219.

[6]黄廷辉，杨旻，崔更申，等.基于LEACH协议的无线传感器网络密钥管理路由方案[J].传感技术学报，2014，27（8）：1143-1146.