基于WSN動態(tài)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化的豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)研究

韓國鑫，謝秋菊，許譯丹，王莉薇

（肇慶學(xué)院 計算機(jī)科學(xué)與軟件學(xué)院，廣東 肇慶 526061）

豬舍環(huán)境的實時監(jiān)測與智能控制已經(jīng)成為保障生豬健康養(yǎng)殖和生產(chǎn)力的重要環(huán)節(jié)和技術(shù)手段[1].目前，國內(nèi)豬舍環(huán)境監(jiān)控處于相對落后的狀態(tài)，多數(shù)豬舍還在采用人工監(jiān)控與調(diào)節(jié)的養(yǎng)殖方式，不僅消耗大量人力資源，而且在舍內(nèi)環(huán)境控制的準(zhǔn)確性、實時性等方面都存在著明顯的不足[2].針對豬舍環(huán)境采用物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代化手段進(jìn)行實時監(jiān)控能夠有效地解決這一問題，但由于在豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中環(huán)境感知節(jié)點(diǎn)與控制端之間往往采用有線接入的方式，需要在現(xiàn)場布置大量的電源和信號線路，造成系統(tǒng)整體的建設(shè)成本高、維護(hù)難度大.

近年來，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）因其方便安裝、易維護(hù)等特性，在農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域逐漸得到廣泛應(yīng)用.WSN作為一種通過無線通信的方式利用大量的傳感器節(jié)點(diǎn)組成的分布式多跳自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能夠通過組合多源傳感器將屬于網(wǎng)絡(luò)覆蓋空間內(nèi)的監(jiān)測指標(biāo)進(jìn)行協(xié)同感知、傳輸和處理，并以無線通信的方式將處理好的信息傳輸給服務(wù)器或客戶端[3-4].

WSN多節(jié)點(diǎn)的能量消耗一直是制約無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和發(fā)展的重要因素.過度的能量消耗極大地降低了WSN節(jié)點(diǎn)的使用壽命，各節(jié)點(diǎn)能耗低且平均是延長節(jié)點(diǎn)使用壽命、保障監(jiān)測系統(tǒng)高效穩(wěn)定進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ).WSN選用的通信技術(shù)、傳輸協(xié)議、節(jié)點(diǎn)間的布局和傳輸距離都是影響節(jié)點(diǎn)能量消耗的關(guān)鍵.目前，在WSN耗能的優(yōu)化方面，有國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一系列的研究.Ahmed等[5]通過優(yōu)化不同環(huán)境下WSN布局結(jié)構(gòu)降低節(jié)點(diǎn)能耗，針對自適應(yīng)WSN網(wǎng)絡(luò)的智能預(yù)構(gòu)建進(jìn)行了研究；Hong等[6]通過優(yōu)化WSN的整體傳輸性能，構(gòu)建了無線信號傳輸損耗模型；蔡磊等[7]基于樹形路由算法平衡了WSN節(jié)點(diǎn)的能量消耗；PratyayKuilan 等[8]通過分簇粒子群優(yōu)化算法均衡了節(jié)點(diǎn)的傳輸能耗；王瑩瑩等[9]提出一種BUCA非均勻節(jié)點(diǎn)分簇算法以緩解數(shù)據(jù)傳輸過程中能量消耗不均的情況.上述研究中，針對WSN節(jié)點(diǎn)能量均衡消耗展開了相關(guān)研究，但是如何進(jìn)一步降低WSN路由節(jié)點(diǎn)的能量消耗還需要進(jìn)行深入研究.

本文在LEACH節(jié)點(diǎn)分簇算法的基礎(chǔ)上采用動態(tài)的協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)針對路由節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)間的通信距離進(jìn)行實時優(yōu)化，提出一種基于動態(tài)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的低能耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由算法LDCN，解決簇頭能量消耗過快的問題，提高WSN的傳輸效率和節(jié)點(diǎn)的使用壽命、為豬舍環(huán)境實時監(jiān)控系統(tǒng)感知層節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化管理提供可行的參考方案.

1 豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

1.1 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)主要由感知層、環(huán)控執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳輸層和應(yīng)用層四個部分組成.

圖1 豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

感知層主要由多源感知無線傳感器構(gòu)成，包括溫度、濕度、氨氣、二氧化碳、硫化氫等傳感器.環(huán)境控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由負(fù)壓風(fēng)機(jī)、加熱器和濕簾構(gòu)成.傳輸層主要以協(xié)調(diào)器和控制器為核心，應(yīng)用層主要包括服務(wù)器和移動客戶端。

感知層的各傳感器構(gòu)成WSN的子節(jié)點(diǎn)，針對舍內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行實時監(jiān)測和采集，節(jié)點(diǎn)之間的通訊利用Zigbee無線通信技術(shù)實現(xiàn)，各終端子節(jié)點(diǎn)將采集的環(huán)境數(shù)據(jù)通過路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送至協(xié)調(diào)器進(jìn)行匯聚，現(xiàn)場控制器獲取協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)后通過無線路由利用3G/4G或Wifi信號發(fā)送給服務(wù)器進(jìn)行分析、計算和存儲，同時移動客戶端可以利用Socket通信調(diào)用服務(wù)器數(shù)據(jù)或發(fā)出環(huán)境控制決策命令，環(huán)控執(zhí)行機(jī)構(gòu)中采用了HLK-SW04型可無線控制繼電器，現(xiàn)場控制器根據(jù)服務(wù)器反饋的環(huán)境控制決策命令利用無線信號對濕簾、風(fēng)機(jī)等舍內(nèi)環(huán)控設(shè)施進(jìn)行合理控制.為了實現(xiàn)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的動態(tài)優(yōu)化，將傳輸層部署在小型自走機(jī)器人上，同時現(xiàn)場控制器與控制各設(shè)施啟停的繼電器進(jìn)行無線連接.通過自走機(jī)器人能夠高效實現(xiàn)全覆蓋的豬舍內(nèi)環(huán)境監(jiān)控，進(jìn)而實現(xiàn)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)最優(yōu)的動態(tài)實時變化，降低了各路由節(jié)點(diǎn)的能量消耗.

1.2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計

豬舍內(nèi)Zigbee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)由簇狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成，每間欄舍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)分別由路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)組成，并通過計算能量消耗將各欄舍內(nèi)溫度、濕度、氨氣、二氧化碳、硫化氫等傳感器的節(jié)點(diǎn)類型進(jìn)行合理配置，從而穩(wěn)定高效的監(jiān)測豬舍內(nèi)的多源環(huán)境因子數(shù)據(jù)，通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的環(huán)境智能感知與閉環(huán)控制用以共同實現(xiàn)舍內(nèi)環(huán)境的精準(zhǔn)監(jiān)控，無線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2 所示.本系統(tǒng)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)采用簇狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?，并在此基礎(chǔ)上針對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)穆酚伤惴ㄟM(jìn)行了優(yōu)化.

圖2 豬舍環(huán)境監(jiān)控?zé)o線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2 基于動態(tài)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的WSN分簇路由算法

基于動態(tài)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的低能耗WSN 分簇路由算法LDCN（Low-energy-routing-algorithm based on Dynamic Coordination Node）.在整個WSN 中，協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)（即協(xié)調(diào)器）能夠根據(jù)各路由節(jié)點(diǎn)的耗能情況沿預(yù)設(shè)方式和軌跡進(jìn)行移動，各種短節(jié)點(diǎn)采集舍內(nèi)多源環(huán)境因子的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸給路由節(jié)點(diǎn)，當(dāng)協(xié)調(diào)器靠近路由節(jié)點(diǎn)至最佳距離，路由節(jié)點(diǎn)即可將數(shù)據(jù)傳輸給動態(tài)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn).該算法利用分輪控制策略[10]進(jìn)行節(jié)點(diǎn)屬性配置，每一輪中包括分簇階段和數(shù)據(jù)傳輸階段，其中分簇階段又分為簇頭選擇階段和簇形成階段.

根據(jù)WSN能源計算模型針對節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)傳輸和接收時的能量消耗進(jìn)行計算，在計算模型中，設(shè)全部節(jié)點(diǎn)的初始能量均為E0，而本研究中監(jiān)控系統(tǒng)的動態(tài)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)由小型自走機(jī)器人所攜帶的鋰蓄電池進(jìn)行供電，可以將動態(tài)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的能量認(rèn)定為無限多.當(dāng)某路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送1字節(jié)的信息至距離為d的目標(biāo)時，其能量消耗的計算方法如公式（1）所示.

在公式（1）中，ETx代表利用無線網(wǎng)絡(luò)傳輸1bit信號所需的能量，d0表示傳輸距離的閾值，其計算方法如公式（2）所示，其中Efs代表功率放大器在自由空間模型內(nèi)需要消耗的能量，Eamp代表功率放大器在多路徑模型下需要消耗的能量.

路由節(jié)點(diǎn)接收1字節(jié)的能量消耗如公式（3）所示：

因此，節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的能量總消耗ET的計算方法如公式（4）所示：

2.1 簇頭的選擇

WSN將某節(jié)點(diǎn)選擇為簇頭（路由節(jié)點(diǎn)）取決于以下三個條件：（1）該節(jié)點(diǎn)的剩余能量；（2）當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)內(nèi)最優(yōu)的簇頭數(shù)量所占比例；（3）該節(jié)點(diǎn)是否曾作為簇頭.

當(dāng)某節(jié)點(diǎn)的能量高于或等于所有節(jié)點(diǎn)的平均能量，該節(jié)點(diǎn)才能夠作為備選對象參與簇頭的選擇與分配.在針對簇頭進(jìn)行選擇時，需要先設(shè)定一個閾值T（n），滿足能量條件的節(jié)點(diǎn)將在[0，1]之間產(chǎn)生一個隨機(jī)的數(shù)值u，將u與T（n）之間進(jìn)行對比，如果u的值小于閾值T（n），那么該節(jié)點(diǎn)在本輪傳輸?shù)倪^程中即作為簇頭.閾值T（n）的表達(dá)式如公式（5）所示.

其中，p表示無線傳感網(wǎng)絡(luò)內(nèi)簇頭數(shù)量所占比例，E0表示節(jié)點(diǎn)的初始能量，r表示當(dāng)前進(jìn)行的輪次，E′表示節(jié)點(diǎn)的剩余能量，r′表示該節(jié)點(diǎn)不作為簇頭的輪數(shù)，n∈G則表示在該輪循環(huán)前此節(jié)點(diǎn)沒有被選為簇頭.

2.2 簇的分配與形成

普通節(jié)點(diǎn)在成為簇頭后會向WSN中的終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送指令，各終端節(jié)點(diǎn)根據(jù)該指令針對需要加入的簇頭進(jìn)行選擇并且向自己所需加入的簇頭節(jié)點(diǎn)發(fā)送請求信號，該信號中的信息包括：節(jié)點(diǎn)自身的ID、請求加入的簇頭節(jié)點(diǎn)ID、該節(jié)點(diǎn)所剩余的能量.根據(jù)以上信息針對WSN中全部節(jié)點(diǎn)的能量平均值進(jìn)行計算，在下一輪進(jìn)行簇頭選擇時，只有能量高于或等于該平均能量的節(jié)點(diǎn)才能參與簇頭節(jié)點(diǎn)的選擇.

當(dāng)各路由節(jié)點(diǎn)采集到所屬終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的全部數(shù)據(jù)后，會根據(jù)時分多址通信協(xié)議構(gòu)建一張時序表以針對不同節(jié)點(diǎn)的通信時間進(jìn)行分配.時分多址通信協(xié)議又稱TDMA協(xié)議，能夠?qū)r間軸劃分為若干時元，再將每個時元劃分為多個時隙，通過為每個站點(diǎn)分配時隙的類型和數(shù)量控制成員節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間和能量消耗.基于時序表，當(dāng)成員節(jié)點(diǎn)所處的時隙無需發(fā)送數(shù)據(jù)時，即關(guān)閉無線通訊，以此減少成員節(jié)點(diǎn)的能量損失.

2.3 數(shù)據(jù)的傳輸

在簇頭的選擇和分配完成后開始進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，裝有協(xié)調(diào)器的小型自走機(jī)器人根據(jù)與蛇方式和軌跡進(jìn)行移動，形成動態(tài)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn).每一輪數(shù)據(jù)傳輸開始后都要對協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的位置進(jìn)行自動定位并展開網(wǎng)絡(luò)重組，以確保在每輪數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中路由傳輸能量的高效利用.簇內(nèi)每終端子節(jié)點(diǎn)將環(huán)境數(shù)據(jù)以單跳方式發(fā)送給路由節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)后根據(jù)自身路由表中的數(shù)據(jù)傳輸路徑以單跳方式將多源環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn).

路由節(jié)點(diǎn)利用單跳短距離的方式與協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，以避免在多跳通信下路由節(jié)點(diǎn)因大量的數(shù)據(jù)傳輸導(dǎo)致自身能量的過度消耗.根據(jù)公式（1），當(dāng)傳輸距離小于d0時，能量消耗與傳輸距離d的二次方成正比；當(dāng)傳輸距離大于d0時，能量消耗將與d的四次方成正比.故將路由節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)之間的距離定義為d′，當(dāng)d′＞d0時，路由節(jié)點(diǎn)可以直接將數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)；當(dāng)d′＜d0時，簇頭會將數(shù)據(jù)進(jìn)行暫時存儲，隨著裝備有協(xié)調(diào)器的自走機(jī)器人位置的動態(tài)變化，當(dāng)路由節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)之間的距離小于d0時，再進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼砹鞒虉D如圖3所示.

圖3 數(shù)據(jù)傳輸流程圖

3 路由算法仿真實驗與分析

路由算法的仿真實驗通過Network SimulatorV2進(jìn)行，仿真模型由50個WSN節(jié)點(diǎn)組成，將其平均部署于100*10米的雙攝線組模型網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)，同時將傳輸?shù)臒o線信號直徑范圍設(shè)置為20 m，并采用100 bit的數(shù)據(jù)包針對無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行裝載，每一輪仿真運(yùn)行500 s，間隔10 s進(jìn)行一次更新.將每個節(jié)點(diǎn)的初始能量InE設(shè)置為10 J，當(dāng)節(jié)點(diǎn)能量消耗至小于2.0 J即視為其失去工作能力，節(jié)點(diǎn)每發(fā)送或收取一次數(shù)據(jù)能量消耗為0.1 J.利用相同的仿真環(huán)境，以節(jié)點(diǎn)能量消耗對比、WSN整體耗能對比和節(jié)點(diǎn)存活數(shù)量對比為實驗的性能指標(biāo)，將本文提出的動態(tài)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化算法LDCN與傳統(tǒng)的LEACH算法進(jìn)行對比分析.

3.1 節(jié)點(diǎn)能量消耗對比分析

LDCN算法與LEACH算法下各節(jié)點(diǎn)的能量消耗率如圖4所示，其中節(jié)點(diǎn)號為2、7、16、22、35、41和47的節(jié)點(diǎn)為路由節(jié)點(diǎn)，其余節(jié)點(diǎn)為終端節(jié)點(diǎn).根據(jù)圖4可以看出，基于LDCN算法的WSN通過縮短每輪傳輸過程中路由節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)之間的通信距離來降低路由節(jié)點(diǎn)的能量消耗，其平均能量消耗率為0.013 852 J/sec，傳統(tǒng)LEACH算法的WSN其平均能量消耗率為0.019 274 J/sec.在基于LDCN的無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，部署協(xié)調(diào)器的自走機(jī)器人按照預(yù)設(shè)軌跡進(jìn)行移動，本輪傳輸當(dāng)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn)之間的距離處于合理范圍內(nèi)時，兩者之間開始通信.因此，相比于傳統(tǒng)的LEACH算法LDCN算法的能量利用率更高.

此外，從圖4中還可以看出，在兩種算法下終端節(jié)點(diǎn)的能量消耗率沒有明顯的差距，但在LDCN算法下路由節(jié)點(diǎn)的能量消耗率大幅度低于傳統(tǒng)的LEACH算法.

圖4 不同路由算法下各節(jié)點(diǎn)的能量消耗率

3.2 WSN整體耗能對比分析

基于LDCN算法的無線傳感網(wǎng)絡(luò)采用多跳的通信方式，且路由節(jié)點(diǎn)針對環(huán)境數(shù)據(jù)有可暫時存儲的功能，極大程度地降低了數(shù)據(jù)發(fā)送所消耗的功率，從而降低了WSN 內(nèi)各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的平均耗能，使得WSN在運(yùn)行一定時間后整體能耗低于傳統(tǒng)的LEACH算法.兩種算法下WSN整體能量消耗的結(jié)果對比如圖5所示，由圖5可以看出，兩種算法的能量消耗在整體上隨著時間的推移呈對數(shù)曲線增漲，LDCN算法能量消耗曲線的平均斜率小于傳統(tǒng)的LEACH算法，證明LDCN算法的整體能耗更低，并且隨著WSN工作時間的增加，兩者之間能量消耗的差距越大，因此LDCN優(yōu)化算法在WSN整體耗能方面要優(yōu)于傳統(tǒng)的LEACH算法.

圖5 不同路由算法下WSN的整體能量消耗

3.3 存活節(jié)點(diǎn)數(shù)對比分析

在WSN每輪節(jié)點(diǎn)屬性分配完成后，被選擇的路由節(jié)點(diǎn)承擔(dān)的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)遠(yuǎn)多于終端節(jié)點(diǎn)，因此普通路由算法下路由節(jié)點(diǎn)的能耗相比于終端節(jié)點(diǎn)要高很多，增加了路由節(jié)點(diǎn)因能耗過高而死亡的風(fēng)險.LDCN算法通過優(yōu)化簇頭與協(xié)調(diào)器的傳輸距離以減少路由節(jié)點(diǎn)的能量消耗，極大程度地降低了路由節(jié)點(diǎn)死亡的風(fēng)險.

兩種算法下WSN中節(jié)點(diǎn)存活數(shù)量的對比如圖6所示，由圖6可以看出，兩種算法下節(jié)點(diǎn)死亡數(shù)量隨著時間的推移呈指數(shù)曲線下降，節(jié)點(diǎn)死亡的原因主要與路由節(jié)點(diǎn)因能耗過高而死亡相關(guān)，而WSN的每輪傳輸各節(jié)點(diǎn)的屬性都會重新分配，因此導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)整體死亡率的增高.根據(jù)圖6所示，隨著WSN工作時間的增加，剩余存活節(jié)點(diǎn)數(shù)量的差距越大，當(dāng)WSN 運(yùn)行14 h 后，LDCN 算法下WSN 節(jié)點(diǎn)剩余的數(shù)量仍為40 個，而LEACH算法下WSN節(jié)點(diǎn)剩余的數(shù)量已經(jīng)低于25 個，因此LDCN優(yōu)化算法在延緩節(jié)點(diǎn)死亡、提高網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)工作壽命方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的LEACH算法.

圖6 不同路由算法下WSN中的存活節(jié)點(diǎn)數(shù)

3 結(jié)論

本文提出了一種基于WSN動態(tài)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化的豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，主要針對WSN的路由傳輸優(yōu)化算法進(jìn)行研究，建立了LDCN路由優(yōu)化算法.LDCN路由優(yōu)化算法利用動態(tài)的協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)針對各路由節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和傳輸從而減少了簇頭與協(xié)調(diào)器之間的傳輸距離，降低了路由節(jié)點(diǎn)和WSN總體的能量消耗.通過仿真實驗結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)路由算法，LDCN路由優(yōu)化算法極大程度的降低了各路由節(jié)點(diǎn)以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)整體的能量消耗，延長了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的使用壽命，為構(gòu)建高效、低能耗、低成本的豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)提供可行的參考.