基于多跳分簇算法的傳感器節(jié)點(diǎn)剩余能量監(jiān)測(cè)

呂淑芳，高宇鵬

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院，山西 晉中 030800)

1 引言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種分布式的傳感網(wǎng)絡(luò)，其主要的末梢能夠感知與檢查外部世界傳感器。其中傳感器采用無(wú)線方式實(shí)現(xiàn)通信，因此網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置較為靈活，設(shè)備能夠隨時(shí)進(jìn)行更改，同時(shí)還能夠與互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)無(wú)線或者有線的方式連接。傳感器網(wǎng)絡(luò)主要有：數(shù)據(jù)傳輸、處理以及采集三種功能，它和計(jì)算機(jī)技術(shù)以及通信技術(shù)一同組成了信息技術(shù)的三大支柱[1]。它主要是通過(guò)大量靜止或移動(dòng)或靜止傳感器，通過(guò)多條以及自組織方式構(gòu)建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，采用協(xié)作的感知、處理、采集以及傳輸網(wǎng)絡(luò)，覆蓋地理區(qū)域中全部被感知的對(duì)象信息，且最終將這些數(shù)據(jù)信息發(fā)送給使用者。因?yàn)闊o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)存在眾多種類(lèi)的傳感器，能夠探測(cè)包括電磁、地震、噪聲、土壤成分、移動(dòng)物體的大小、方向、速度等。所以可以應(yīng)用在各行各業(yè)中：例如商業(yè)、工業(yè)、家居、醫(yī)療、航空、環(huán)境、軍事等領(lǐng)域。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將數(shù)以萬(wàn)計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)采用自由式完成結(jié)合和組織，從而形成的網(wǎng)絡(luò)模式，構(gòu)建傳感器節(jié)點(diǎn)單元分別是：數(shù)據(jù)處理單元、能量供應(yīng)單元、數(shù)據(jù)傳輸單元以及數(shù)據(jù)采集單元，其中數(shù)據(jù)采集單元主要是用來(lái)采集監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換，例如濕度、光強(qiáng)、大氣壓力等等；數(shù)據(jù)傳輸單元是利用無(wú)線通信與交流信息的方式，來(lái)發(fā)送接收采集的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理單元主要是處理所以節(jié)點(diǎn)路由協(xié)議與管理任務(wù)以及定位設(shè)備等，能量供應(yīng)單元主要為了縮減傳感器節(jié)點(diǎn)所占據(jù)的面積。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，節(jié)點(diǎn)主要分為兩種：一種是匯聚節(jié)點(diǎn)，另外一種是傳感器節(jié)點(diǎn)[2]。匯聚節(jié)點(diǎn)主要工作是通過(guò)網(wǎng)關(guān)在傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)，把錯(cuò)誤報(bào)告清除掉，同時(shí)將各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)整合，判斷發(fā)生的事情。用戶節(jié)點(diǎn)和中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，就能夠借助衛(wèi)星或者是廣域網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行直接通信，且處理收集而來(lái)的數(shù)據(jù)。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)組建方式自由，不受外界條件的限制隨時(shí)隨地可以組建；網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)造的不確定性，從網(wǎng)絡(luò)層次方向觀察，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化不定；控制方式不集中，雖然無(wú)線傳感器將基站與傳感器節(jié)點(diǎn)控制起來(lái)，不過(guò)每個(gè)傳感器間控制方式都是分散的，主機(jī)與路由功能全是利用網(wǎng)絡(luò)終端完成各個(gè)主機(jī)獨(dú)立運(yùn)行，且互為干涉，所以無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)度較高，很難被破壞。利用無(wú)線通信的方式構(gòu)成一個(gè)多跳自組織的網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)樗饕抢霉?jié)點(diǎn)進(jìn)行構(gòu)造的，包含移動(dòng)電話與電腦等設(shè)備，這些設(shè)備全是利用無(wú)線連接到彼此，接著相互之間利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)跳至另外一個(gè)節(jié)點(diǎn)，直到目的地。除非全部節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，否則數(shù)據(jù)總是可用的，因此這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可靠，并且擴(kuò)展性較強(qiáng)[3]。不過(guò)一旦傳感器節(jié)點(diǎn)能量用盡，就會(huì)導(dǎo)致信息發(fā)送不出去，不能及時(shí)完成通信，所以需要對(duì)節(jié)點(diǎn)的剩余能量監(jiān)測(cè)，在能量用盡時(shí)，及時(shí)更換節(jié)點(diǎn)，保證網(wǎng)絡(luò)通暢。為此提出一種基于多跳分簇算法的傳感器節(jié)點(diǎn)剩余能量監(jiān)測(cè)方法，為了的是及時(shí)觀察到節(jié)點(diǎn)剩余的能量，對(duì)其進(jìn)行處理，使通信過(guò)程順暢。

2 多跳分簇算法下傳感器節(jié)點(diǎn)剩余能量監(jiān)測(cè)

2.1 簇頭計(jì)算

為了減少簇頭出現(xiàn)聚集情況以及均衡網(wǎng)絡(luò)的消耗，需要在簇頭選擇的階段，進(jìn)行充分的考慮所在區(qū)域節(jié)點(diǎn)分布密度，通過(guò)引入密度因子，將簇頭的選擇概率T(n)進(jìn)行加權(quán)，而能量因子會(huì)讓能量較高的節(jié)點(diǎn)作為簇頭的概率增加，能量小的減小節(jié)點(diǎn)的概率，且密度因子會(huì)讓密度比較高的區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)成為簇頭概率增加[4]。

當(dāng)每一輪對(duì)簇頭進(jìn)行提取時(shí)，此輪就會(huì)按照固定方法生成一個(gè)閾值T(n)，在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)全部的存活節(jié)點(diǎn)會(huì)同時(shí)生成一個(gè)0至1間的隨機(jī)數(shù)，假如該數(shù)比閾值T(n)小時(shí)，就會(huì)成為簇頭，反之即為普通節(jié)點(diǎn)。從閾值計(jì)算公式可以看出，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在被選出簇頭概率是相等的，能夠在網(wǎng)絡(luò)起始化時(shí)刻可以均衡網(wǎng)絡(luò)內(nèi)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量消耗，不過(guò)因?yàn)闆](méi)有考慮節(jié)點(diǎn)目前所剩余的能量是否適合做觸頭，經(jīng)過(guò)工作一定時(shí)間之后，在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的剩余能量比較少的會(huì)成為簇頭，加速能量損耗[5]。若在擔(dān)當(dāng)簇頭期間它的能量損耗盡，那么會(huì)導(dǎo)致該輪中，此簇頭節(jié)點(diǎn)信息無(wú)法發(fā)送，嚴(yán)重則會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)不連通，使網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)無(wú)法進(jìn)行采集工作。

而在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，需要充分通過(guò)節(jié)點(diǎn)自身有限資源以及信息來(lái)盡量降低節(jié)點(diǎn)能耗，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)通常都知道本身剩余能量以及鄰居節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)鄰居個(gè)數(shù)就能夠直接反映出此節(jié)點(diǎn)所在區(qū)域節(jié)點(diǎn)的大致密度。而鄰居節(jié)點(diǎn)越多，那么此區(qū)域節(jié)點(diǎn)的密度就越大，否則密度就越小。

引入能量因子，選取簇頭時(shí)，需要對(duì)節(jié)點(diǎn)目前剩余能量進(jìn)行考慮，通過(guò)增加剩余能量的節(jié)點(diǎn)當(dāng)選概率，然后引入能量的調(diào)節(jié)參數(shù)，具體公式為

(1)

式中：Esur(n)代表節(jié)點(diǎn)n目前剩余的能量值，Ea代表此輪網(wǎng)絡(luò)全部節(jié)點(diǎn)能量預(yù)期平均值，具體大小公式為

(2)

式中：Et代表網(wǎng)絡(luò)起始時(shí)全部節(jié)點(diǎn)能量的總和，r代表目前輪數(shù)，N代表網(wǎng)絡(luò)起始時(shí)刻全部活動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目，rmax代表網(wǎng)絡(luò)預(yù)期能夠工作輪數(shù)。

引入密度因子，在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)通信時(shí)，通常接收節(jié)點(diǎn)所接收到的信息內(nèi)，會(huì)具有一個(gè)信號(hào)的強(qiáng)度值，依據(jù)該值能夠計(jì)算出發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)間的距離[6]，能夠確定鄰居節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，既而引入密度的調(diào)節(jié)參數(shù)，具體公式為

(3)

式中：Neighbor(n)代表節(jié)點(diǎn)n鄰居節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，Nr代表目前輪數(shù)全部存活節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，H代表最佳簇頭數(shù)。

2.2 多跳路經(jīng)的選取

在數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程中，采用多跳方式，那么就具有多跳路經(jīng)選取，通過(guò)改進(jìn)的蟻群算法來(lái)優(yōu)化多跳路徑，具體如下所示：

1)引入全局更新，由于引進(jìn)蟻群算法是對(duì)簇頭節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)之間距離進(jìn)行優(yōu)化，所以螞蟻并沒(méi)有爬完全部節(jié)點(diǎn)[7]，而為了防止螞蟻不選取未爬過(guò)的路經(jīng)上面信息素降低，通過(guò)引入全局更新的機(jī)制，將最大最小的系統(tǒng)以及螞蟻系統(tǒng)的兩個(gè)特征進(jìn)行結(jié)合，從而完成全局更新，具體信息素的更新公式選取為

τij(t+1)=(1-ρ)τij(t)+ρΔτij(t，t+1)

(4)

通過(guò)引入信息素值上下界，就是τij(t)∈[τmin，τmax]。

2)改變啟發(fā)式因子，將發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)間的距離設(shè)置為dij，在dij

(5)

3)能量損耗的最小路經(jīng)，蟻群算法主要是求距離的最小值，在本著降低能量消耗，提升無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用壽命下，因?yàn)榫嚯x和能耗是不成線性的變化，因此把求路經(jīng)長(zhǎng)度最小值更改成求能量消耗最小值，所以Δτij(t，t+1)同樣需要變動(dòng)，具體公式為

(6)

求解路經(jīng)應(yīng)該是從簇頭節(jié)點(diǎn)至基站路經(jīng)，就是目標(biāo)節(jié)點(diǎn)子終點(diǎn)路經(jīng)[9]。

2.3 鄰居節(jié)點(diǎn)

簇頭至匯聚節(jié)點(diǎn)的通信路經(jīng)主要有蟻群優(yōu)化，因此最佳簇頭數(shù)和單跳網(wǎng)絡(luò)不一樣，利用dtoBS代表簇頭和匯聚節(jié)點(diǎn)通信多跳路經(jīng)，在理想的狀態(tài)下，簇頭間數(shù)據(jù)的傳輸主要是自由空間傳輸數(shù)據(jù)的衰減模型，所以可以得到公式為

(7)

(8)

2.4 傳感器節(jié)點(diǎn)剩余能量監(jiān)測(cè)

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的剩余監(jiān)測(cè)工作過(guò)程中，簇頭始終是處于活動(dòng)的智能體，來(lái)進(jìn)行計(jì)算處理、傳輸通信以及數(shù)據(jù)采集等工作，而絕大部分能量的消耗都用于傳輸通信，在休眠狀態(tài)下的節(jié)點(diǎn)則會(huì)關(guān)閉無(wú)線通信的模塊，并不會(huì)進(jìn)行通信傳輸?shù)膭?dòng)作，而能量的消耗只是在本身所執(zhí)行監(jiān)測(cè)任務(wù)時(shí)消耗的能量，對(duì)于活動(dòng)節(jié)點(diǎn)通信的能量損耗是忽略不計(jì)的，因此本文監(jiān)測(cè)的剩余能量消耗都是指通信傳輸?shù)牟糠帧?/p>

而對(duì)于通信傳輸?shù)南哪芰?，主要是用于?shù)據(jù)接收以及發(fā)送，假設(shè)簇內(nèi)的活動(dòng)節(jié)點(diǎn)Agenti與Agentj處于標(biāo)準(zhǔn)距離d0下，其最小通信能量的消耗是P0，那么Agenti通信能量消耗Pi和兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的空間距離dij有關(guān)，具體表達(dá)式為

(9)

從網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)智能體轉(zhuǎn)換成本身的狀態(tài)，可以通過(guò)監(jiān)測(cè)能耗的角度對(duì)其有效性進(jìn)行分析，計(jì)算能量的消耗，觀察是否需要對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)[12]。如果簇頭節(jié)點(diǎn)Agenti在活動(dòng)的狀態(tài)下功耗是Pactive，而處于休眠的狀態(tài)時(shí)功耗會(huì)降為Psleep，如果它處于tsleep時(shí)刻是由活動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換到休眠的狀態(tài)時(shí)，其轉(zhuǎn)換所需要花費(fèi)的時(shí)間為τoff，若在τoff內(nèi)的平均能耗是Eoff=τoff(Pactive+Psleep)/2，接著維持Psleep直到tactive時(shí)再度被激活，那么休眠狀態(tài)所需要的能量公式為

Esleep=τoff(Pactive+Psleep)/2+Psleep(tactive-tsleep-τoff)

(10)

從另外一方面如果它從tsleep到tactive的時(shí)間段內(nèi)，一直處于維持活動(dòng)的狀態(tài)，而不進(jìn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，那么Agenti即為此時(shí)間段中能耗，具體公式為

Eactive=Pactive(tactive-tsleep)

(11)

如果tactive時(shí)刻Agenti再次被監(jiān)測(cè)的電場(chǎng)強(qiáng)度值超出閾值，則重新激活需要時(shí)間為τon，相同設(shè)置τon時(shí)間中轉(zhuǎn)換能量消耗為Eon=τon(Pactive+Psleep)/2，因此只有在Esaved>Eon時(shí)，Agenti經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換至休眠狀態(tài)時(shí)，所進(jìn)行的節(jié)能方式才會(huì)有效。

如果檢測(cè)過(guò)程內(nèi)，節(jié)點(diǎn)智能體從休眠到再度被激活之間，會(huì)具有很大的時(shí)間間隔，或者是智能體在轉(zhuǎn)換本身狀態(tài)時(shí)所消耗的能量會(huì)比較小，可以忽略不計(jì)。因此只需要監(jiān)測(cè)正常通信的過(guò)程中，所消耗的能量，完成剩余節(jié)點(diǎn)的能量監(jiān)測(cè)。

3 實(shí)驗(yàn)證明

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

為了驗(yàn)證本文方法的有效性，在無(wú)線傳感器的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上，使用Micaz進(jìn)行分析。先將收集到的數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸至電腦上，利用電腦記錄實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)且繪制能量消耗曲線。因?yàn)镸icaZ節(jié)點(diǎn)運(yùn)行的是開(kāi)源嵌入式操作系統(tǒng)上點(diǎn)的Blink程序，程序在操作節(jié)點(diǎn)上3個(gè)LED顯示燈是以不同頻率進(jìn)行閃爍的。通常處理器經(jīng)過(guò)定時(shí)從休眠的狀態(tài)下喚醒，且操作LED燈開(kāi)關(guān)，在完成處理器的任務(wù)之后，從空閑的狀態(tài)又重新進(jìn)入休眠的狀態(tài)。其整體過(guò)程是處于Ti-nyOS動(dòng)態(tài)能量消耗的管理框架下自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)的，以此就能觀察到LED燈與處理器的工作狀態(tài)。

實(shí)驗(yàn)設(shè)置如下：將供電電壓設(shè)置為3.3V，而傳感器部分，對(duì)MTS310CA傳感器板上的每個(gè)傳感器進(jìn)行供電，具體每一個(gè)傳感器的工作狀態(tài)所消耗電流如表1所示。

表1 感應(yīng)器供電狀態(tài)下能量消耗

3.2 傳感器剩余能量損耗監(jiān)測(cè)

對(duì)硬件方面考慮，無(wú)線傳感器的節(jié)點(diǎn)消耗部分，主要有：無(wú)線通信模塊、處理器模塊以及傳感器模塊。因?yàn)閭鞲衅鞯慕^大部分能量都是損耗在無(wú)線通信的模塊上，具體如圖1所示。

圖1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量消耗

通過(guò)圖1能夠看出，傳感器與處理器在工作時(shí)能量所消耗的比例已經(jīng)非常小了，以此即可證明，其中絕大部分能量都是消耗在無(wú)線通信的模塊上。所以在圖1內(nèi)給出了詳細(xì)無(wú)線通信的各工作模式下功耗，但并沒(méi)有對(duì)處理器以及傳感器工作狀態(tài)進(jìn)行討論。

在采用本文的節(jié)點(diǎn)剩余能量監(jiān)測(cè)方法，對(duì)MicaZ節(jié)點(diǎn)和配套的MTS310CA的傳感器板能量消耗進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具體如圖2所示。

圖2 剩余能量消耗監(jiān)測(cè)

通過(guò)圖2所得到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，與歷史所監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，數(shù)據(jù)幾乎相同。其中，處理器的部分采取的是單片機(jī)活動(dòng)狀態(tài)，并沒(méi)有休眠機(jī)制，而無(wú)線部分采用的是無(wú)線監(jiān)聽(tīng)，讓無(wú)線模塊一直處于在接收監(jiān)聽(tīng)的狀態(tài)。以此可以看出，各部分未使用休眠策略，無(wú)線傳感器的實(shí)際損耗能量并沒(méi)有像圖1所示一樣。在對(duì)無(wú)線通信采用了能量管理策略下(把無(wú)線傳感器的節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率設(shè)置成0、-3、-6、-9dBm)，例如：動(dòng)態(tài)功耗的管理TinyOS系統(tǒng)，通信與處理器的能耗都獲得了管理優(yōu)化，此時(shí)傳感器的能量消耗會(huì)具有不可忽視比重。

除此之外，通過(guò)改變發(fā)送數(shù)據(jù)包大小和改變通信距離，對(duì)節(jié)點(diǎn)的剩余能量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具體可以獲得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果如表2和表3所示。

表2 改變發(fā)送的數(shù)據(jù)包大小節(jié)點(diǎn)能量消耗測(cè)試

表3 改變通信距離節(jié)點(diǎn)能量的消耗測(cè)試

由表2和表3可以驗(yàn)證，傳輸通信消耗和兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離成正比關(guān)系，可得出本文檢測(cè)方法能夠敏銳感知節(jié)點(diǎn)能量變化，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傳感器的能量損耗，得出自身節(jié)點(diǎn)剩余的能量多少，且監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，效果良好。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的基于多跳分簇算法的傳感器節(jié)點(diǎn)剩余能量監(jiān)測(cè)方法，能夠及時(shí)地對(duì)剩余能量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，且監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)精確，效果良好，不過(guò)由于網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)快速發(fā)展，所需求的工作量也越來(lái)越大，這就導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的能量消耗也越來(lái)越快，所以未來(lái)本文還需要進(jìn)一步研究，爭(zhēng)取能夠更加精確快速地監(jiān)測(cè)剩余能量。