程陽

摘 要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能量資源有限，能耗的降低對網(wǎng)絡(luò)壽命產(chǎn)生著至關(guān)重要的影響。文章在介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基本概念的基礎(chǔ)上，針對防火網(wǎng)絡(luò)的特點，對經(jīng)典路由協(xié)議原理進行了簡要分析，并在此基礎(chǔ)上對經(jīng)典的LEACH算法進行了改進，然后將改進后的算法與原來算法用Matlab進行仿真。仿真結(jié)果顯示，改進后的算法可有效均衡網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；路由協(xié)議；算法改進；LEACH算法

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）04-0-02

0 引 言

火災是威脅人類安全的重要災害之一，屬于人員密集型場所的學校是學生的聚集地點，如果滾滾濃煙和熊熊烈焰發(fā)生在我們美麗的校園時，那將是十分危險的狀況。學生宿舍是校園內(nèi)最容易引發(fā)火災的地方，因而預防學生宿舍發(fā)生火災是防火工作的重點。針對此種危害巨大的事件設(shè)計出一種基于無線傳感器的防火網(wǎng)絡(luò)。

1 相關(guān)內(nèi)容

1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）是由大量廉價微型傳感器節(jié)點部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，通過多跳方式自組織成一個無線通信的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，各節(jié)點之間協(xié)作地感知、收集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并將此信息加以融合后發(fā)送給觀察者。WSN節(jié)點的布署具有快速展開，抗毀性強等特點，不依賴于其他預設(shè)的軟、硬件設(shè)施。并且無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用之廣泛已經(jīng)涉及到各個領(lǐng)域，包括軍事、交通、工業(yè)、環(huán)保等眾多方面。

1.2 無線傳感器防火網(wǎng)絡(luò)

基于無線傳感器的防火網(wǎng)絡(luò)由一定數(shù)目的傳感器節(jié)點以無線自組織的方式形成。依次分為節(jié)點、網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控中心以及終端的層次結(jié)構(gòu)。傳感器節(jié)點具有對數(shù)據(jù)處理和對信息進行通信的能力，各傳感器節(jié)點負責搜集周圍區(qū)域的各種信息，進而將數(shù)據(jù)通過多跳的無線通信方式傳向匯聚節(jié)點。針對于學生宿舍無線傳感器的防火網(wǎng)絡(luò)是將傳感器節(jié)點部署在監(jiān)測區(qū)域即住宿區(qū)域范圍內(nèi)，以物理位置的遠近為依據(jù)自組織成簇，當傳感器節(jié)點檢測到周圍環(huán)境空氣中的溫濕度變化以及煙霧的比例如果超出設(shè)定的閾值，則傳感器向匯聚節(jié)點（監(jiān)控室）發(fā)送所采集到的異樣數(shù)據(jù)，此時監(jiān)控室便會發(fā)出類似警報等的通知信號從而達到防火及快速救火的目的。在此過程中，終端節(jié)點如何在耗能較小的情況下將檢測到的信息傳送到匯聚節(jié)點將是本文研究的重點[1]。

2 適用于無線傳感器的防火網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議

在防火網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究中我們?nèi)砸詿o線傳感器網(wǎng)絡(luò)經(jīng)典的分簇路由協(xié)議LEACH算法為基礎(chǔ)。LEACH是一種典型的自適應(yīng)分簇路由協(xié)議。LEACH中首次定義了一種概念“輪”，每一輪由兩個階段組成，即簇的建立及穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通信 [2]。在簇建立階段，處于傳感器網(wǎng)絡(luò)中鄰近區(qū)域的節(jié)點通過動態(tài)的方式形成簇，并且以隨機的方式產(chǎn)生出簇頭；在數(shù)據(jù)通信階段，各簇區(qū)域內(nèi)部的節(jié)點將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給簇頭，而各簇頭對接收到的數(shù)據(jù)包進行數(shù)據(jù)融合處理后將所得結(jié)果再傳輸給匯聚節(jié)點。為了延長網(wǎng)絡(luò)運行時間保持傳感器節(jié)點間能量的均衡消耗，按照輪周期性的隨機選舉策略選舉簇頭，每一輪簇頭選舉的方法為：編號為n的節(jié)點隨機產(chǎn)生一個處于[0，1]之間的數(shù)，如果這個數(shù)小于已經(jīng)設(shè)置的閾值T（n），那么此節(jié)點將成為本輪工作的簇頭。T（n）的計算公式如下：

公式（1）中，r為當前的運行輪數(shù)，p為網(wǎng)絡(luò)中選出的簇頭數(shù)占節(jié)點總數(shù)的比例，G為網(wǎng)絡(luò)運行的前1/p輪沒有承擔過簇頭的節(jié)點集合。當節(jié)點被選舉為簇頭后，便廣播一個聲明自己成為新簇頭的消息，而未當選為簇頭的節(jié)點則根據(jù)接收到消息信號的強弱程度決定加入的簇，并發(fā)消息給該簇頭。各簇頭與其簇內(nèi)節(jié)點之間通過CSMS＼MAC協(xié)議通信，簇頭使用TDMA方式為自己簇內(nèi)的節(jié)點分配不同的時隙進行通信，簇內(nèi)普通節(jié)點只與簇頭通信只能在自己的時隙內(nèi)進行，除此時隙之外節(jié)點的通信模塊將休眠，從而使得節(jié)點的能耗盡可能最小化[3]。此種方式的優(yōu)點在于網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點可以等概率擔任簇頭，從而保持網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各節(jié)點能量消耗的相對均衡，延長整個網(wǎng)絡(luò)的運行時間。其缺點有以下兩點：

（1）LEACH算法各簇頭使用單跳方式向匯聚節(jié)點傳輸信息，其能耗的不均衡性導致該算法不適合大規(guī)模的工作網(wǎng)絡(luò)；

（2）存在動態(tài)分簇導致簇頭頻繁變換和大量廣播當選簇頭的消息等這樣的額外開銷。

3 對相關(guān)路由協(xié)議的改進

4 對改進算法的仿真

4.1 仿真實驗場景設(shè)置

仿真過程中的使用參數(shù)：網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點個數(shù)N=100；正方形仿真場景的邊長M=100；各仿真節(jié)點初始能量E0=2×109；無線通信模型中的幾個重要參數(shù)分別設(shè)置為Efs=10，Eelec=50×103和Eamp=0.001 3；簇頭節(jié)點對單位數(shù)據(jù)融合所消耗的能量EDA=5×103；相對于正方形場景基站位置的坐標p=[50，175]。

4.2 仿真結(jié)果與分析

首先在邊長為100的正方形仿真場景內(nèi)以隨機方式部署100個傳感器節(jié)點。在以上仿真場景下，未改進的算法與改進后的算法其每一輪的能量消耗如圖1所示。

從圖1可以看出，本文改進后的算法在網(wǎng)絡(luò)運行中第一個節(jié)點能量消耗盡時，其網(wǎng)絡(luò)總能量明顯小于相同情況下的LEACH原算法的能耗，即改進后的算法能夠相對均衡網(wǎng)絡(luò)中的能耗。

從上圖仿真結(jié)果可以看到改進后的算法在延長網(wǎng)絡(luò)生命周期、均衡網(wǎng)絡(luò)能耗等各方面均比原算法優(yōu)越。原算法在選取簇頭時隨機因素比較大，每輪的簇頭選取中原算法均按照網(wǎng)絡(luò)前期運行中的節(jié)點是否當選過簇頭作為唯一的選擇條件，并不考慮節(jié)點的剩余能量及節(jié)點間的能量差異，這種選舉簇頭的方式會導致部分能量低的節(jié)點被選作簇頭從而嚴重加快這些節(jié)點的能量消耗速度。而本文改進后的算法比較全面的考慮了一個重要因素——各個節(jié)點的剩余能量水平，即網(wǎng)絡(luò)運行中會盡量選擇剩余能量較多的節(jié)點來充當簇頭，并且保證當選簇頭的節(jié)點其剩余能量要大于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點平均能量水平。

5 結(jié) 語

未來無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議除了能夠高效地利用節(jié)點的有限資源，保證網(wǎng)絡(luò)的安全路由能力和各傳感器節(jié)點之間很好地協(xié)作之外，還應(yīng)該能夠支持網(wǎng)絡(luò)的一些個性需求。例如基于無線傳感器的防火裝置采用的路由協(xié)議應(yīng)保證網(wǎng)絡(luò)高度的移動性、敏銳性及自組織能力，使傳感器網(wǎng)絡(luò)具備能夠作用在各種應(yīng)用場合中的能力。

參考文獻

[1]劉兆偉，楊波，張遠，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究分析[J].信息技術(shù)與信息化，2008，37（5）：34-37.

[2]周建欽，劉成.WSN分簇路由協(xié)議LEACH的研究與改進[J].杭州電子科技大學學報，2014，34（6）：8-12.

[3]張巖.一種基于LEACh的分階段簇頭選舉算法[J].科學技術(shù)與工程，2012，12（31）：8419-8423.

[4]畢艷忠，孫利民.傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)融合[J].計算機科學，2004，31（7）：101-103.

[5]黃真金，李道全，張俊虎.WSN中基于LEACH的改進路由協(xié)議[J].電腦知識與技術(shù)，2014，10（6）：1216-1219.

[6]黃廷輝，楊旻，崔更申，等.基于LEACH協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)密鑰管理路由方案[J].傳感技術(shù)學報，2014，27（8）：1143-1146.