面向农业环境的无线传感器网络部署算法研究

苑九海　苏健民　盛天杨等

摘要 設计了基于改进微粒群和初始能量分配的综合优化算法。通过合理的无线传感器网络节点部署，在保证网络通讯质量的同时，根据不同节点的实际功耗，均衡每个节点的能量，有效延长整个网络的生命周期，促进无线传感器网络技术在农业环境监测中更广泛的应用。

关键词 无线传感器网络；微粒群算法；能量分配；节点部署；农业环境

中图分类号 S126 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）05-01561-02

Abstract The integrated optimization algorithm based on the improved particle swarm optimization and energy distribution was designed. By reasonable wireless sensor networks nodes deployment， every nodes energy was balanced and the quality of the network was guaranteed according to the actual power waste of different nodes. It can extend the life cycle of the whole network and promote the widely used of wireless sensor networks technology in the monitoring of agricultural environment.

Key words Wireless sensor networks； Particle swarm optimization； Energy distribution； Node deployment； Agricultural environment

农业资源是人类赖以生存的宝贵资源，在人口日益增多的今天，如何高效地利用有限的农业资源，实现生产最大化已成为当前的热点课题。无线传感器网络技术（WSN）是一种高性价比的小型网络，由大量廉价的传感器节点组成，每个传感器节点由计算模块、存储模块、传感器模块和无线通信模块等构成。它可以实现无线自组网并通过无线传感器节点实时地采集监测区域内目标对象的各种信息，并将它们发送至簇头节点，以实现对监测区域内目标对象的信息检测，用来收集和提供环境信息，如温度、光照、湿度、二氧化碳和氧气浓度等[1]。

多年来，能量都是网络节点的瓶颈资源，直接影响着无线传感器网络的使用寿命，合理的网络节点部署不仅可以有效地降低功耗，还可以保证网络的通讯质量，保证交换过程中数据的有效性，提高整个网络的可靠性，有效地延长节点以及整个网络的寿命[2]。因此，如何优化部署无线传感器网络节点，合理分配利用有限的能量，对推广WSN技术在农业环境中的应用，高效监测农业环境至关重要，是研究其在农业环境中应用的核心内容[3]。

1 无线传感器网络部署算法

采用改进微粒群和能量分配的综合算法对节点进行部署，通过微粒群算法对监测区域内的节点进行部署，并根据各节点的位置通过能量分配算法对节点的初始能量进行分配，从而在保证节点的覆盖性和网络连通性的前提下，最大限度地延长整个无线传感器网络的使用寿命[4]。

1.1 改进微粒群算法

针对无线传感器网络设计的LEACH（LowEnergy Adaptive Clustering Hierarchy）算法，是一种低功耗自适应分层路由算法，利用循环的方式随机选择簇头节点，如果所选的簇头节点集中在网络的某一部分，则将导致一些节点无法在附近找到簇头[5]。同时，由于LEACH 算法在选择簇头时不考虑节点的剩余能量，一旦被选为簇头的节点剩余能量较少，将会很快耗尽，导致节点过早“死亡”。微粒群算法（PSO，Particle Swarm Optimization）是一种群体智能进化算法，相对于LEACH算法，该算法在多维空间动态寻优方面具有速度快、解质量优、鲁棒性好等优点，但同时微粒群算法也存在一些缺点。例如，算法不能有效地进行局部搜索，不能确保算法可以找到全局最优解，同时不同的参数设置对微粒群算法的搜索影响性也很大，因此，该设计采用一种改进的微粒群算法对无线传感器网络节点的部署问题进行优化[6]。

3 结语

与传统的LEECH算法与HEED算法相比，该研究提出的改进微粒群和初始能量分配的综合优化算法结合距离与能量综合考虑，根据功耗不同设置不同的初始能量，将剩余能量较多的节点优先设为簇头结点，能平衡各节点的功耗，减少通信能耗。通过平衡剩余能量与功耗的方法，避免了出现瓶颈节点过早死亡导致整个网络瘫痪的可能，该算法有效地提高了网络的生存周期，对无线传感器网络技术在农业环境中的推广应用具有一定的促进作用。

参考文献

[1] 刘彬，许屏，裴大刚，等.无线传感器网络的节点部署方法的研究进展[J].传感器世界，2009，15（8）：10-15.

[2]袁浩.基于改进蜂群算法无线传感器感知节点部署优化[J].计算机应用研究，2010，27（7）：2704-2705.

[3]曹峰，刘丽萍，王智.能量有效的无线传感器网络部署[J].信息与控制，2006，30（2）：147-153.

[4]刘丽萍，王智，孙优贤.无线传感器网络部署及其覆盖问题研究[J].电子与信息学报，2006，28（9）：1752-1757.

[5]刘毅.模拟退火遗传算法对无线传感器网络部署研究[J].计算机仿真，2011（5）：171-174.

[6]高腾.能量高效的无线传感器网络分簇路由协议研究[D].大连：大连理工大学，2011.

[7]赵清华.无线传感器节点能量管理系统的研究[D].太原：太原理工大学，2010.