刘 斌

（山东大学外国语学院, 济南 250000）

随着微电子技术的快速发展，低成本、小型化、功能集成度和可靠性高的传感器的生产已经变成现实，这些非常小的传感器元件已经拥有强大的多种功能，其中包括数据处理、信息收集和无线通信等。部署在监测地点数量庞大的微型传感器节点组成无线传感器网络（w ire less senso r netw o rk ，WSN），各节点之间协同感知、采集和处理覆盖感知对象的区域信息，通过无线通信系统，形成一个多跳的自组织网络，并将信息发送给基站[1,2,5]。无线传感器网络的这种工作方式是以往所不具备的，可以扩展人类的能力，融合客观物理世界与逻辑信息世界，改变人类认识世界的方式以及与大自然的互动方式。

1 无线传感器网络概述

1.1 无线传感器网络的结构

无线传感器节点、感知对象、观察者共同组成了无线传感器网络的三大要素，承担着网络的构建任务，网络结构如下图1-1所示。

1.2 无线传感器网络的特点

与传统网络相比，无线传感器网络有以下几大特点：

1）能量有限

2）计算能力有限

3）存储能力有限

4）通信范围有限

5）拓扑结构时刻变化

6）自组织性

2 无线传感器网络路由协议

无线传感器网络的能源有效性是指消耗单位能量的情况下解决的数据请求数量。无线传感器节点携带的能量很少，减少能量的消耗是设计必须要考虑的问题。

不同于传统网络的特点与应用，所以无线传感器网络不能照搬传统网络的路由协议，需要设计专用的路由协议。路由协议的设计开发过程中有以下几个困难。

1）没有唯一的标示符，节点的寻址不方便。

2）所有的节点都可以采集数据，发送到目标节点。

3）有大量冗余的节点存在，采集的数据会有很大一部分是相同的，需要进行数据融合。

4）每个节点的能量是有限的，由于能量的限制，导致每个节点的存储能力、处理能力和传输能力都很有限。

从上述几个特点可以看出，无线传感器网络的路由协议是需要专门设计的。

LEACH协议是一种典型的无线传感器网络路由协议，该协议中根据一定的规则进行分簇，然后选取簇首节点，所有的簇首节点都直接与基站进行通信，这样不可避免地浪费大量的能量，特别是距离基站比较远的簇首节点，导致整个无线传感器网络存活时间缩短。LEACH-EE在LEACH的基础上，提出了一个新的算法，能够有效改善LEACH协议的存活时间。LEACH-EE根据一定的算法，在簇首之间形成一条多跳链，各簇首的数据沿着多跳链传递给基站，这样就能有效节省距离基站远的簇首节点的能量。但是在拓扑路由信息传递时，簇首节点形成的多跳链可能会形成迂回，这样部分能量会消耗在迂回的过程中，导致能量消耗和网络存活时间的缩短[3,4]。

LEACH-EE协议的网络拓扑图如下图4-1所示，从图中可以清晰地看出簇首生成的多条链所形成的迂回问题。

3 PRIM-LEACH实验仿真

为了验证以上算法的正确性，本文以m atlab对实验过程进行了仿真，比较了PRIM—LEACH，LEACH以及LEACH—EE三种协议，从仿真中可以看出PRIM-LEACH确实能够延长网络存活期。

3.1 仿真的目

仿真的目的是为了查看无线传感器网络在PRIM-LEACH协议的工作状况，最关心的问题就是能量的使用情况。

3.2 仿真结果

仿真时首先对PRIM-LEACH的分簇算法进行验证，根据理论应该是节点剩余能量越大，被选为簇首的可能性越大；节点距离簇首越近，被选为簇首的可能性越大。分簇过程中众多节点都会发送信息，在通信的过程中都会抢占信道，如果信息发送冲突或者在不合适的时候发送信息，比如普通节点还没有选择加入哪个簇时，簇首节点就向基站发送自身的ID标识和位置信息，就会导致信息紊乱，不知道现在的信息到底是发给谁的，应该由谁来接收，所以就需要制定规则，规定各节点发送信息的时间段。

4 教室灯光节能控制系统

以上通过仿真实验证明PRIM-LEACH算法确实可行，在相同的条件下比以往的算法能够节省将近一半能量。但是真实的情形与实验模拟的情形不尽相同，下面将算法应用到实际的项目中，即教室灯光节能控制系统，观察算法在真实情形下的表现状况。

该系统利用本文提出的PRIM-LEACH算法对无线传感器网络进行簇首选取和簇间路由路径选择，能够较真实的表现出该算法的工作情况。

4.1 项目内容

系统以单片机Am eg16为控制核心，利用nRF24L01无线收发模块实现节点间通信，通过w5100无线上网模块实现SINK与上位机通信。

该系统工作示意图如图所示。

4.2 项目学术价值

教室灯光节能控制系统是为了验证本文提出的PRIM-LEACH协议，该协议不仅可以应用在教室灯光节能控制系统中，还可以应用在其他的类似调度控制系统中。教室灯光节能控制系统能够改进现在高校教室以及类似场所对电力的利用率，在以下几个方面有所突破。

1）解决了利用红外热释电传感器感知人体位置所面临的三个问题：

（1）增强感知精度

（2）设置关灯感知时间

（3）设置开灯感知时间

2）与传统的教室灯光节能控制系统相比，在对应灯安装传感器节点，可获得人体所在的大体位置，然后相应的打开对应的灯，保证了在满足照明需要的前提下，大幅度节能。

3）应用PRIM-LEACH算法，能够有效地节省能源，使整个网络的存活时间延长。在项目的开展和实际应用中，利用PRIM-LEACH算法会导致整个项目的复杂度有所提升，但是好处也是显而易见的，那就是网络的生命周期得到提升，而这也是无线传感器网络最为关键的评价指标。

4.3 项目实施步骤

项目实施步骤包括构造传感器节点、部署传感器节点、放置中央控制器和系统集成四步，其中在构造传感器节点时，程序控制命令就已经写在了单片机上。系统集成时会运用前面提到的PRIM-LEACH算法来选取簇首以及选取簇间路由路径。

5 总结与展望

本文通过理论分析证明协议的高效，同时利用实验仿真来验证理论分析的正确，而且还有实际项目证明了协议的可行性。但是协议还相对粗糙，模型定义相对简单，下一步的工作就是针对不同的情形制定不同的传输机制，不同的情况制定不同的能量等级。同时每一轮工作时，都需要进行分簇会过多的消耗能量，未来会考虑应该何时分簇。

[1] 李成法,陈贵海,叶懋,吴杰. 一种基于非均匀分簇的无线传感器网络路由协议[J] . 计算机学报,2007,30(1):65-67.

[2] 郑国桓,周瑶,张柯.高校教室灯光节能控制系统的设计[J] .光明工程学报,2010，2(2):22-27.

[3] 徐进,刘坤.智能化照明系统的研究.光明工程学报[J] .2010,21(2):33-37.

[4] Manjeshwar A, Agrawal DP. TEEN: A routing protocol for enhanced ef f iciency in wireless sensor networks. In:Proceedings of the 15th Paral lel and Dist ributed Processing Symposium. San Francisco: IEEE Computer Societ y, 2001,3(2):54～59.

[5] Wendi B. Heinzelman, Anantha P. Chandrakasan and Hari Balakrishnan. Appl ication-speci fic protocol architecture for wireless microsensor networks, 2003, 4:25-30.