岳有军+李媛媛+王红君+赵辉

摘要： 无线传感器网络被广泛地应用于温室环境下采集环境数据信息。温室环境不是复杂和大型的环境，但是由于无线传感器网络本身的特点以及节点的能量消耗等原因都会导致网络寿命缩减。在低功耗自适应集簇分层型（low energe adaptive clustering hierarchy，简称LEACH）协议的基础上，考虑了温室无线传感器网络成簇过程中的节点能量和竞争半径等因素，优化阈值对结果的影响，以延长其寿命。分簇完成后，再将簇头的数据沿通过蚁群算法所得到的最优路径进行数据传输，最后传给汇聚节点。通过Matlab仿真结果可知，节点死亡的速度比LEACH协议慢，数据传输量大，改善了无线传感器网络的生命周期。

关键词： 无线传感器；网络簇；阈值；竞争半径；分簇；蚁群算法

中图分类号： S126；TP212.9 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2017）22-0233-03

无线传感器网络（wireless sensor network，简称WSN）具有规模大、节点密度高、信息感知度高和数据采集量大、精度高的特点。WSN的节点具有微型化、体积小、低功耗、集成度高的特点，此外选择误差在能容纳范围内的廉价节点，收集农业生产所需要的信息，节约了成本。温室环境是现在设施农业的基本设施，可在此环境下布置传感器节点来对温室环境进行监测。温室中植物的生长需要长时间监测，但是传感器节点网络无法实现对其长时间监测[1]，这主要是由于WSN的节点一般都是由电池供电，尽管节点耗电量低，但是电池寿命有限，能量和生存时间就受到了限制，所以研究如何在温室环境下延长网络的生命周期是一个重要问题。很多学者提出了不同的协议来延长生存时间。在簇头选举中把节点剩余能量作为参数，提出各簇独立进行的簇头轮换机制，并采用单跳与多跳结合的簇间通信方式[2]。刘军等在簇头选择时把节点能量和节点与簇首间的距离作为簇首选择的参数[3]。Heinzelman考虑了平均剩余能量对簇头节点选择的影响，将节点能量高于平均剩余能量的节点作为簇头节点，却忽略了较低能量节点也可能成为簇头节点[4]。陈彬兵等提出剩余能量以及平均剩余能量的观点，但忽略节点目前所剩能量与平均剩余能量的关系[5]。

低功耗自适应集簇分层型（low energe adaptive clustering hierarchy，簡称LEACH）协议是一种无线传感器网络路由协议，也是最早提出的分簇路由协议，其原理是以循环的方式随机选择簇头节点，每个簇仅有1个簇头，所有非簇头节点将数据传输给所从属的簇头，然后簇头进行数据融合并将其传输给基站[6-7]。在簇形成阶段，未担任过簇头的节点随机产生1个 0～1之间的随机数，若生成的数小于阈值，则成为簇头节点。其中阈值Tn的计算方法为

式中：P为节点成为簇头的百分数；r为当前的轮数；[WTHX]N 为最近的1/P轮数中没有当选为簇头节点的集合。

分簇完成后，簇首节点采用时分多址（time division multiple access，简称TDMA）法为簇中的普通节点分配向其传送数据的时间片。在稳定阶段，节点将采集的数据传送到簇首[8]。

LEACH协议存在一定的局限性。选择簇头时，没有考虑到节点的能量以及节点竞争半径与基站的相对位置问题对网络造成的影响，容易导致网络的运行时间短。

在已有研究成果的基础上，本研究提出了一种基于能量和竞争半径的分簇路由协议（competitive radius and energy based clustering protocol，简称ERCP），其基本原理是在选择簇头阶段，同时考虑了节点的能量、网络的平均剩余能量以及节点的竞争半径等因素，以避免让能量过低的节点充当簇头。分簇完成后，簇头采用蚁群算法沿最优路径传输数据。

1 网络模型和能量模型

1.1 网络模型

本研究采用与LEACH协议相同的网络模型，即在1个 m×m的方形内随机部署n个无线传感器网络节点[9]，其特点是：（1）该无线传感器网络是静态的网络，部署后节点不会发生移动，且每个节点在随机部署的网络中仅有地址；（2）节点采用的是布尔感知模型，感知的半径为d，忽略了边界因素的影响；（3）区域内节点之间以及节点与基站之间都可以直接正常进行通信；（4）只有1个基站且部署在该区域以外的1个确定位置；（5）基站具有足够的能量和计算能力；（6）所有传感器节点为同一种型号，节点的能量由电池提供；（7）节点可以根据距离调整它的发射功率。

4 结论

本研究在温室环境下探讨节约节点能量的问题。通过在LEACH算法的基础上，提出改进对簇头的选择。本协议考虑了通过节点剩余能量、平均剩余能量以及竞争半径等因素对网络寿命的影响改善LEACH协议；此外，运用蚁群算法找到簇间最佳传输路径。通过上述改进进行仿真，结果表明，本协议比LEACH协议更有效地均衡了网络能耗、数据传输，延长了WSN的生命周期。

参考文献：

[1] 余 华，孙艳红，车银超，等. 无线传感器网络在现代农业中的应用[J]. 安徽农业科学，2010，38（4）：2172-2174.

[2]张 强，卢 潇，崔晓臣. 基于能量高效的无线传感器网络LEACH协议改进[J]. 计算机工程与设计，2011，32（2）：427-429.

[3]刘 军，李 岩，齐 华. 基于NS2的无线传感器网络LEACH协议的改进与仿真[J]. 电子技术应用，2012，38（2）：21-23，27.

[4]Heinzelman W B. Application-specific protocol architectures for wireless networks[M]. Cambridge：Massachusetts Institute of Technology，2000.endprint

[5]陈彬兵，施叶玲. 基于区域簇头选择的WSN路由协议[J]. 计算机工程，2011，37（19）：96-98.

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