面向智慧農(nóng)業(yè)的無線傳感器路由協(xié)議和節(jié)點定位算法研究

,

(1.蘭州理工大學 電氣工程與信息工程學院，蘭州 730050; 2.甘肅省工業(yè)過程先進控制重點實驗室，蘭州 730050; 3.蘭州理工大學 電氣與控制工程國家級實驗教學示范中心，蘭州 730050)

0 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，我國的農(nóng)業(yè)也開始向精細化，精準，智能，無人監(jiān)測的方向發(fā)展，提高了農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈的生產(chǎn)效率，推動了農(nóng)產(chǎn)業(yè)鏈的改造升級[1],智慧農(nóng)業(yè)依據(jù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，大數(shù)據(jù)以及云計算等現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的數(shù)據(jù)進行智能化感知，然后對收集的數(shù)據(jù)進行分析，從而實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的精準化管理[2-3]。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks)是由許多個采集數(shù)據(jù)的傳感器節(jié)點組網(wǎng)而成，這些部署在監(jiān)測區(qū)域的傳感器節(jié)點能夠采集，感知，處理監(jiān)測對象的數(shù)據(jù)信息，這個網(wǎng)絡(luò)由傳感器普通節(jié)點，簇頭節(jié)點，基站，通信網(wǎng)絡(luò)，任務(wù)管理節(jié)點等組成。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)引用領(lǐng)域有很大的應(yīng)用發(fā)展空間，通過WSNs可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控，無需人工看守，WSNs可以監(jiān)視農(nóng)作物水分，光照強度和土壤空氣等情況，來實現(xiàn)精細，精準化的管理。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)有網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、時鐘同步技術(shù)、數(shù)據(jù)融合技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)覆蓋和網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、定位技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)[4]。本文著重對面向農(nóng)業(yè)無線監(jiān)控系統(tǒng)中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議和節(jié)點定位技術(shù)進行研究。文獻[5]改進了LEACH算法的不足，選舉簇頭節(jié)點時考慮了簇頭節(jié)點的情況，但是只考慮了同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。文獻[6]提出各節(jié)點通過剩余能量來競爭簇頭，并通過此簇頭將全網(wǎng)的數(shù)據(jù)融合發(fā)送給匯聚節(jié)點。并沒有考慮劃分網(wǎng)格來在每個網(wǎng)格內(nèi)生成簇頭。文獻[7-8]給出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智慧城市和風機監(jiān)測系統(tǒng)中的具體引用，包括節(jié)點布置，路由協(xié)議的選擇，可以供無線監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建做思考。智慧農(nóng)業(yè)中考慮節(jié)點定位的算法很少，本文提出基于臨時錨節(jié)點逐步定位算法，考慮了實際農(nóng)田或者溫室大棚中節(jié)點非均勻隨機部署，降低節(jié)點部署成本和部署節(jié)點輕巧微型化等要求。

1 智慧農(nóng)業(yè)的實際應(yīng)用

智慧農(nóng)業(yè)要求監(jiān)測系統(tǒng)具有實時監(jiān)控，智能化數(shù)據(jù)傳輸和管理能力?；谥腔坜r(nóng)業(yè)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要采集農(nóng)業(yè)監(jiān)測的各種數(shù)據(jù)，比如土壤的濕度和溫度，二氧化碳的濃度，周邊環(huán)境的溫度及濕度變量。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對傳感器采集的這些數(shù)據(jù)利用一定的路由算法傳輸給基站，基站將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)給后臺，后臺對數(shù)據(jù)進行分析，判斷，然后產(chǎn)生其作用[9]。

以農(nóng)田種植為例，智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)需要對農(nóng)田的各類傳感器節(jié)點進行部署，以及對大面積大數(shù)量的傳感器進行組網(wǎng)。然后通過一定的路由算法進行數(shù)據(jù)采集傳輸，對農(nóng)田內(nèi)的作物生長狀態(tài)可以進行視頻監(jiān)控。傳感器采集普通數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)可以周期性的傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫中，有專門的Web來提供登錄界面，農(nóng)戶可以足不出戶的進行農(nóng)作物生長狀態(tài)查詢。專家可以通過數(shù)據(jù)來進行技術(shù)指導(dǎo)，智慧農(nóng)業(yè)還可以應(yīng)用在溫室大棚，水產(chǎn)養(yǎng)殖等方面。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計

隨著科技和社會的飛速進步，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)成為通信行業(yè)的重要部分，為了滿足時代發(fā)展的要求，怎樣提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的工作效率，延長它的使用周期，讓資源高效利用成了重要的探討研究部分。路由協(xié)議法則將源節(jié)點信息發(fā)送到目的節(jié)點，包括源節(jié)點的尋找和節(jié)點間的路徑優(yōu)化兩個方面，根據(jù)路由協(xié)議的設(shè)計要求，通常要滿足的要求[10]：能量高效、數(shù)據(jù)傳輸路徑最優(yōu)，簇頭支持數(shù)據(jù)融合。

2.1 基于劃分四邊形網(wǎng)格分簇的拓撲控制算法

基于劃分四邊形網(wǎng)格分簇的拓撲控制算法(TCA-VGC)，是針對LEACH算法缺點而改進的控制算法。此算法在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)劃分了四邊形的虛擬網(wǎng)格，讓每個單元內(nèi)運行成簇算法，在每個單元格獨立成簇，從而降低整個網(wǎng)絡(luò)能量損耗。

(1)TCA-VGC算法采用如下的能量模型。

d為兩個傳感器節(jié)點間的距離,能量消耗是自由空間模型的要求：通信距離d

ETx(l,d)=lEelec+lEfs*d2d

(1)

ETx(l,d)=lEelec+lEmp*d4d≥d0

(2)

其中l(wèi)*Eelec是數(shù)據(jù)進行編碼，解碼，調(diào)制等過程需要的能量，Efs和Emp兩種功率模型下能量的消耗，d0為自由空間模型下的通信最大半徑，且：

(3)

其中f=n_(i).xd-sink.x，

g=n_(i).yd-sink.y，d表示節(jié)點i與sink節(jié)點之間的距離，n_(i).xd和n_(i).yd分別為節(jié)點的橫坐標和縱坐標，sink.x和表示sink節(jié)點的橫坐標和縱坐標。

(2)TCA-VGC算法的實現(xiàn)過程。

第一階段： 虛擬網(wǎng)格的生成。在該階段，在邊長r滿足一定的前提條件下，將整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域劃分為多個r*r虛擬四邊形網(wǎng)格單元，要求相鄰網(wǎng)格單元內(nèi)的任意節(jié)點都可以通過一跳來直接通信，其中R為傳感器節(jié)點的最大通信半徑，r為虛擬網(wǎng)格單元的邊長。當滿足(4)式時，兩個相鄰的網(wǎng)格單元的任意節(jié)點均能通過一跳或多跳直接通信。

第二階段：虛擬單元網(wǎng)格內(nèi)節(jié)點的統(tǒng)計。此階段，節(jié)點按自己地理位置信息加入虛擬四邊形單元格，并向鄰近的節(jié)點廣播消息，發(fā)送自己的節(jié)點及所在單元格節(jié)點狀態(tài)信息。在同一網(wǎng)格內(nèi)的節(jié)點接收到消息后，回復(fù)自身節(jié)點的信息，并記錄廣播消息的節(jié)點信息，否則刪除此消息。這個過程完成后，每個節(jié)點都有了在同一網(wǎng)格里的其他節(jié)點信息。

第三階段：建立虛擬四邊形網(wǎng)格和形成簇頭節(jié)點。此階段中，按成簇算法來選擇出簇頭，每次生成的簇頭都是剩余能量最多的節(jié)點。

En_(i)，E_initial為節(jié)點的剩余能量和初始能量。

令：

(5)

為節(jié)點被選擇為簇頭的概率。Po_(i)的值越大，表明節(jié)點成為簇頭的幾率就越高，這樣就能讓能量多的節(jié)點選為簇頭節(jié)點，避免了能量低的節(jié)點，因為被選為簇頭節(jié)點而能量快速消耗完全的的情況。

第四階段：此階段為拓撲生成和數(shù)據(jù)傳送。選用最短的路徑來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，這樣當整個網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)形成之后，每個節(jié)點到簇頭都有最優(yōu)的路徑，整個網(wǎng)絡(luò)也為最優(yōu)路徑的拓撲網(wǎng)絡(luò)，然后為數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送，節(jié)點發(fā)送信息給簇頭，簇頭將信息融合后發(fā)送給下一級信息處理點。

2.2 仿真環(huán)境

仿真實驗通過MATLAB2016a完成對無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的性能仿真，將LEACH算法與TCA-VGC算法分別從形成的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，節(jié)點死亡、能量消耗三方面進行對比。

2.2.1 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)仿真

將仿真目標設(shè)置為1 000*1 000，節(jié)點數(shù)為500。如圖1所示,*為簇頭節(jié)點，由于 LEACH的成簇算法是隨機的，節(jié)點成簇均是在任意地方隨機的成簇，會造成拓撲結(jié)構(gòu)的隨機性形成，所以其拓撲結(jié)構(gòu)是不穩(wěn)定的。如圖2所示，在使用劃分四邊形虛擬網(wǎng)格路由算法后，每個網(wǎng)格會生成一個或是多個簇頭節(jié)點，這類簇頭節(jié)點將自己網(wǎng)格內(nèi)的節(jié)點數(shù)據(jù)，發(fā)個下一級高級節(jié)點。TCA-VGC算法將監(jiān)測區(qū)域劃分為多個四邊形網(wǎng)格并在網(wǎng)格內(nèi)運行成簇算法，算法的變化范圍只在小網(wǎng)格內(nèi)，所以算法得到的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的。

圖1 LEACH算法node=500 S=1000*1000拓撲結(jié)構(gòu)圖

圖2 TCA-VGC算法在node=500 時形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.2.2 節(jié)點死亡數(shù)量與時間的關(guān)系

將節(jié)點的數(shù)量定100，時間輪數(shù)定為2 000，來對兩種算法進行比較，由圖3可以看出在400輪時，兩種算法死亡節(jié)點開始拉開差距，并且隨著時間的推移，LEACH算法的死亡節(jié)點急劇增多，系統(tǒng)死亡節(jié)點越多系統(tǒng)越容易陷入癱瘓狀態(tài)。TCA- VGC算法競爭簇頭時，每個周期的簇頭都是能量最多的，死亡節(jié)點減少，保證了簇內(nèi)各節(jié)點的數(shù)量，所以TCA-VGC算法死亡節(jié)點相對少。

圖3 LEACH和TCA-VGC算法死亡節(jié)點數(shù)量對比

2.2.3 能量消耗與時間的關(guān)系

將節(jié)點的數(shù)量定為100，時間輪數(shù)定為2 000，由圖4可以看出，在整個仿真中 TCA- VGC算法能量消耗的少，TCA- VGC算法用節(jié)點的剩余能量作為選擇簇頭的依據(jù)，這樣避免了監(jiān)測系統(tǒng)能量的不均衡的情況。

圖4 兩種算法節(jié)點能量消耗與時間關(guān)系

3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)

節(jié)點定位技術(shù)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中有著很重要的作用，讓每一個傳感器節(jié)點都能報告自己的位置是最好的，但是目前現(xiàn)狀是給每一個傳感器加裝GPS定位裝置的成本是非常高的，所以只能給一部分節(jié)點加裝GPS定位。而怎么能讓少量的加裝GPS的節(jié)點能夠?qū)崿F(xiàn)全局定位，成了我們探討的重點。無線無線傳感器節(jié)點定位中，節(jié)點通常分為兩類，一類是安裝有GPS位置信息已知的錨節(jié)點，一類是位置不清楚的普通節(jié)點。

3.1 三邊測量法

三邊測量法屬于基于距離的的節(jié)點定位算法，圖中錨節(jié)點B、C、D的坐標位置可以分別表示為(xB,yB)、(xC,yC)和(xD,yD)，并且與未知節(jié)點A之間的距離分別為dAB、dAC和dAD,未知節(jié)點A的坐標為(x,y)則有：

圖5 三邊測量法

(6)

由上式可以解得，普通節(jié)點A的坐標為：

(7)

其中：

三邊測量法利用三個節(jié)點就可計算未知節(jié)點，計算簡單。

3.2 基于臨時錨節(jié)點逐步定位算法介紹及工作流程

本章設(shè)計的基于WSN的面向智慧農(nóng)業(yè)節(jié)點定位算法中，考慮到一般的農(nóng)田等地理環(huán)境的要求，系統(tǒng)節(jié)點選擇隨機不均勻部署。在設(shè)計過程中還要考慮節(jié)點部署成本，部署節(jié)點輕巧微型化等要求，只能允許一部分節(jié)點帶有GPS定位裝置，這部分節(jié)點被稱為錨節(jié)點。這些錨節(jié)點非均勻分布在不同的監(jiān)控區(qū)域。本文提出的基于臨時錨節(jié)點逐步定位全網(wǎng)的定位算法，利用部分普通節(jié)點，作為臨時錨節(jié)點，利用臨時錨節(jié)點來協(xié)助錨節(jié)點工作具體流程如下：

(1)節(jié)點通電正常運行后，自帶GPS的錨節(jié)點開始廣播信息，包括地理位置坐標，節(jié)點ID，最大洪泛次數(shù)TTL，監(jiān)測區(qū)域內(nèi)接收到廣播的普通節(jié)點根據(jù)廣播信息利用三邊測量法可定位自己的地理位置。

(2)錨節(jié)點信息洪泛完畢后，接收錨節(jié)點洪泛信息的普通節(jié)點計算自身位置，成為臨時錨節(jié)點。

(3)初次定位完成后，錨節(jié)點和普通節(jié)點繼續(xù)重復(fù)操作(1)，直至全網(wǎng)的定位完成，節(jié)點定位工作完成。

3.3 仿真模擬

為了驗證本文設(shè)計的節(jié)點定位算法在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的性能，在matlab2016a上仿真測試，假設(shè)選取的生產(chǎn)區(qū)域都是長寬均為1 000*1 000的正方形區(qū)域，為了節(jié)約成本，其中錨節(jié)點要求為50，找出最優(yōu)的普通節(jié)點部署，讓定位誤差最優(yōu)。下面分別從鄰居關(guān)系圖，定位誤差兩個方面來對節(jié)點分別為100,200,400的節(jié)點來做對比。

3.3.1 監(jiān)測區(qū)域不同節(jié)點對比圖鄰居節(jié)點關(guān)系圖

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位中，臨近錨節(jié)點數(shù)目的多少一定程度上決定了節(jié)點定位的精確程度。仿真場景中的鄰居節(jié)點關(guān)系圖反映了未知節(jié)點與錨節(jié)點間相互通信關(guān)系，是一個能夠大致反映節(jié)點定位精度的圖。圖6的(1)(2)(3)所示總節(jié)點分別為100,200,400，其中50個錨節(jié)點的鄰居關(guān)系圖。＊表示錨節(jié)點，O表示普通節(jié)點，線表示錨節(jié)點與普通節(jié)點間的通信關(guān)系。

圖6中(1)總節(jié)點為100：，網(wǎng)絡(luò)的平均連通度為:9.9網(wǎng)絡(luò)的鄰居錨節(jié)點平均數(shù)目為:4.98。毎個未知節(jié)點平均能夠接收到4.98個錨節(jié)點的地理信息廣播，能夠與鄰居的9.9個節(jié)點收發(fā)數(shù)據(jù)。

圖6中(2)總節(jié)點為200：網(wǎng)絡(luò)的平均連通為:20.47網(wǎng)絡(luò)的鄰居錨節(jié)點平均數(shù)為:5.32。毎個未知節(jié)點平均能夠接收到5.32個錨節(jié)點的地理信息廣播，能夠與鄰居的20.47個節(jié)點收發(fā)數(shù)據(jù)。

圖6中(3)總節(jié)點為400：網(wǎng)絡(luò)的平均連通度為:43.03網(wǎng)絡(luò)的鄰居錨節(jié)點平均數(shù)目為:5.4毎個未知節(jié)點平均能夠接收到5.4個錨節(jié)點的地理信息廣播，能夠與鄰居的43.03個節(jié)點收發(fā)數(shù)據(jù)。

3.3.2 不同普通節(jié)點定位誤差對比圖

同一場景普通節(jié)點數(shù)不同時仿真得出的定位誤差圖如圖7所示：-表示未知節(jié)點的定位誤差是未知節(jié)點的計算位置和實際部署位置之間的連線，也就是定位誤差。

圖7 3種不同節(jié)點定位誤差圖

圖7中(1)節(jié)點總數(shù)100時，定位的誤差為0.110 43。圖7中(2)節(jié)點總數(shù)為200時，定位誤差為0.040 939。圖7中(3)節(jié)點總數(shù)為400時，定位誤差為0.044 867?？偟膩碚f，節(jié)點定位誤差都在可接受范圍內(nèi)，設(shè)計的節(jié)點定位算法能夠?qū)θW(wǎng)節(jié)點實現(xiàn)精確的定位，但是如果要是算法性能更優(yōu)，選擇布置總結(jié)點數(shù)為200，網(wǎng)絡(luò)的平均連通性越好，定位誤差是最小的。

4 結(jié)論

智慧農(nóng)業(yè)是我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代會的一種奮斗目標。文章從無線監(jiān)控系統(tǒng)的路由協(xié)議和節(jié)點定位算法兩個方面來進行研究，結(jié)果表明基于劃分四邊形網(wǎng)格分簇的拓撲控制算法不管應(yīng)用在農(nóng)田無線監(jiān)測系統(tǒng)還是溫室大棚無線監(jiān)測系統(tǒng)，都有良好的使用性能?；谂R時錨節(jié)點逐步定位算法在節(jié)點數(shù)為200，其中錨節(jié)點為50時，節(jié)點定位誤差最小，但是從鄰居關(guān)系圖看出節(jié)點越多，這種算法的連通性越好[12-19]。