基于Anycast 模型的农田环境下的无线传感器网络研究

高承彬，于 雪，魏常进，刘茹敏，李洁静

（1.沧州职业技术学院，河北 沧州 061101；2.河北水利电力学院，河北 沧州 061101；3.河北省工业机械手控制与可靠性技术创新中心，河北 沧州 061101；4.国网河北省电力公司青县供电分公司，河北 青县 062650）

0 引 言

目前，我国农业从传统农业向现代化农业转变，无线传感器网络技术的广泛应用，有效促进农田环境下的无线传感器网络检测的发展。根据农田环境下的无线传感器网络高效率、稳定性、低能耗的要求，单基站的无线传感器网络通信服务无法实现不同服务质量要求的数据时延应用[1]。因此，为延长无线传感器网络通信服务系统的使用周期和节点数据量传输效率，需在多个基站的数据通信中确定最优路径，且在最优路径通信前，完成对基站的评估并确立对应传输节点的最优基站[2]。本研究通过Anycast 多基站网络通信系统服务技术可有效完成节点传输的最优基站选择。

1 农田无线传感器网络模型

本研究将多基站网络通信系统服务分析为一个无向图G(V,E)。子集合V为n个基站的网络拓扑中节点、基站，无向图网络拓扑节点、基站通信需一跳或多跳；子集合E为网络拓扑中网络连接的集合。假设k属于E的节点的相邻节点集合为Lk，那么任意节点i可以与Li范围的一切节点连接进行数据通信。农田环境下的无线传感器网络中多个源节点同基站为无序分布，源节点能够将农田环境采集的信息数据经过一跳、多跳传输到其中的一个基站。

农田无线传感器网络每个节点有信息采集、空闲、通信监听、信息接收以及信息播报等状态，各个状态的功耗都不相同[3-4]。uo为信息采集1 Byte 数据的功耗，um为空闲状态的功耗，1 Byte 的信息播报功耗为ec=50 nJ、且放大增益ea=100 pJ/（b·m2），节点信息接收1 Byte 数据功耗ej=ec[5]。那么，网络中一节点数据到相邻另一节点功耗为

式中：D为节点k数据的传送路径长度；w为路径能耗模型量值，通信监听功耗um=ec。假设nk为节点k对基站传送1 Byte 数据信息的功耗，nk表示为

农田环境下的无线传感器网络路由算法以搭建适应农田特殊数据采集环境要求的最优连接为技术关键。本研究的农田环境下的无线传感器网络路由算法为

式中：Q'为从任意1 个节点传输数据到相邻节点路由搭建的费用和资源消耗；sk为多跳传输距离的信息数据通信功耗后的能耗余量；∂i为yk的分析权重量。采用Anycast 多基站网络通信系统服务技术的邻节点路由搭建的费用和资源消耗为

式中：pk为最优功评价耗权重，农田环境下的无线传感器网络中一节点数据到相邻节点功耗最优功耗的关键为pk=1[6]；td为信息从任意节点传输到双亲节点的时延；sc为此节点信息传输前的能耗余量。依据农田环境无线传感器网络监测需求，本研究的Anycast 路由计算采用(∂1,∂2,∂3,∂4)=(0,1,0,1)的多跳模式。

2 Anycast 无线传感器网络模型

农田环境下的无线传感器网络中每个基站完成一个相应的Anycast 树拓扑，拓扑的根是基站节点，网络拓扑内非基站节点在树拓扑内对应信息可达其双亲节点，一直联通至拓扑树根，且任意节点都确保联通至一个最优的Anycast 树拓扑。Anycast 树拓扑中的任意节点都可完成其相邻的节点子节点的广播模式，内容包括位置信息、地址信息、Anycast 树拓扑地址、邻节点路由搭建的费用和资源消耗以及其路径所有节点地址。如果广播信息的Anycas 树拓扑地址为0，则说明发送广播信息的节点已将信息加入其中1 棵Anycas 树拓扑，对应的信息内容在其双亲节点单元内；如果Anycas 树拓扑地址为1，则说明发送广播信息的节点以将信息为加入1 棵Anycas 树拓扑，可忽略此信息。

任意节点接收到广播信息后，通过一个递减数值判断是否能够进行节点数据下一跳传输，其中接收广播信息中根据最优节点选择作为双亲节点，并回执应答信号[7]。由于每一个基站存在独立的Anycast 树拓扑，同时Anycast 树拓扑中每个节点都可以与根节点直接通信，则根节点无须保留其子节点的数据内容，而子节点必须记录其双亲节点的数据内容，任意子节点通信其所在的Anycast 树拓扑双亲节点后，通过其双亲节点信息表示下一跳的条件，分析其路由搭建的费用和资源消耗，重新计算并记录其对应的节点相关数据。

当农田环境下的无线传感器网络中节点全部划分至Anycas 树拓扑，数据首节点利用树拓扑发送信息至其双亲节点，再经过数据处理传送至根节点。根节点采集Anycas 树拓扑所有首发节点信息，所有Anycas 树拓扑路由协议在网络内公开，利用基站间每个Anycast 树拓扑的通信，有效减少系统负载，进而减少路径中间节点的转送能耗，减少信息发送延迟时间。另外，通过Anycas 算法建立费用和资源消耗最低的节点间连接，根据农田环境监测数据时延等级对应Anycas 算法的权重分配，从而满足网络数据传输的节能性及有效性。

网络中信息首节点信息可能存在较大的时域空间关联，同时网络中信息首节点信息或传送至副基站，基站内的信息同样具有一定的关联性，需要信息融合来删去大量的信息冗余，避免造成信息传送频率上升和信息干扰。因此，本研究采用Anycas 技术将树内所有节点归属其对应树后，统一将信息字节发送至根节点，由根节点完成信息融合。

3 实验仿真

本研究通过Matlab 仿真软件，在200 m×200 m的仿真模拟场地中任意布置3 ～5 个基站、60 个首节点及中间节点，任意节点的最大通信距离为150 m，在模拟场地内任何节点之间可进行连接并完成数据传输，按每个信息组大小为512 kB，所有节点的原始能量为100 mJ，节点发送或接收一个信息组功耗参数为50 nJ/b。在以上仿真模拟场地中依次建3、4、5个基站，仿真测试后的系统功耗如图1 所示。

图1 不同基站数量随时间变化的网络功耗

根据图1 可知，随着基站数量增加，网络内树结构增加，首节点传送至根节点的路径变短，传输效率提高且功耗降低。当基站从3 个提高至5 个后，系统功耗大致为原功耗的2/3，系统使用周期也显著提高。

本研究采用的Anycas 技术与Leach 技术、Aodv技术进行仿真分析，如图2 所示。当首节点信息量增达时，由于Aodv 技术数据路径较长，系统效率逐渐降低，功耗变大；Leach 技术由于节点的范围更广，节点数据组发送、接收数据的功耗随之上升。

图2 3 种技术模型随时间变化的网络功耗分析

4 结 论

Anycast 多基站网络通信系统服务技术，为每个农田环境传感器基站搭建一个Anycast 树，使网络节点选择最优相邻节点,达到减小功耗目的，并根据网络环境时延情况，调整权重参数连接双亲节点。首节点数据依据所在的树拓扑结构传输至其根节点，仿真实验表明多基站Anycast 网络通信系统服务技术能有效改善农田环境无线传感器网络通信效率，延长系统的使用时间，为农田环境下的无线传感器网络系统搭建提供了一种有效方法。