小麦农田无线传感器网络能量高效数据汇集方法_孙浩然.pdf

小麦农田无线传感器网络能量高效数据汇集方法孙浩然1,2，赵春江2,3*，吴华瑞2,3，缪祎晟2,3，于合龙1（1.吉林农业大学信息技术学院，长春 130118；2.国家农业信息化工程技术研究中心，北京 100097；3.北京农业信息技术研究中心，北京 100097）摘要：小麦农田无线传感器网络是实现小麦变量施肥、灌溉决策、病虫防控等农业精准作业的重要基础，针对小麦农田监测环境供电不便、环境复杂造成的无线传感器网络动态变化、监测周期短等问题，从能耗优化的角度研究提出了一种面向小麦农田的高能效无线传感器网络拓扑关联簇首轮换方法（Topology based Energy-efficient Cluster-head RotatingScheme for wireless sensor networks in wheat fields,TECRS）。该方法根据节点剩余能量、拓扑位置和节点度等多个因素综合计算簇首竞争权值，优先选择剩余能量高、节点度大、距汇聚节点近的传感器节点成为簇首，以提高节点的能量使用效率并延长网络寿命。最后为解决传统分簇算法中簇首频繁轮换开销大的问题，通过改变进行簇首选取的周期，对比算法在不同轮换周期下的平均能耗与网络寿命，确定最优的簇首轮换频率。仿真实验结果表明，每 9 轮数据上传进行 1 次簇首轮换时，TECRS 算法在网络生命周期与节点能量均衡方面达到最优，此时网络生命周期约为 LEACH（Low-EnergyAdaptive Clustering Hierarchy）的 2 倍，是 EEDRCP（Energy Efficient Double Rounds Clustering Protocol）与 LUCR（A Layer-based Unequal Clustering Routing Protocol）算法的 1.3 倍，且较三种算法有着更好的能耗均衡性能，更适合于能量受限的小麦农田无线传感器网络监测应用。关键词：小麦农田；无线传感器网络；路由算法；簇首选取；能耗均衡；簇首轮换中图分类号：S24；TN915.04文献标识码：A文章编号：2096-5877（2023）01-0129-07Energy Efficient Data Collection Method for Wireless Sensor Network inWheat FieldSUN Haoran1,2,ZHAO Chunjiang2,3*,WU Huarui2,3,MIAO Yisheng2,3,YU Helong1(1.College of information Technology Materials,Jilin Agricultural University,Changchun 130118;2.National Engineering Research Center for Information Technology in Agriculture,Beijing 100097;3.Beijing Research Center for Information Technology in Agriculture,Beijing 100097,China)Abstract：Wheat field wireless sensor network is an important basis for realizing agricultural precision operationsuch as wheat variable fertilization,irrigation decision-making,pest control and other.Aimed at the problems of dynamic changes in wireless sensor networks and short monitoring cycles due to inconvenient power supply for monitoring the wheat farmland and complicated environment.A Topology based energy-efficient cluster-head rotationScheme for wireless sensor networks in wheat fields(TECRS)was proposed from the perspective of Energy consumption optimization.In this method,the competitive weight of cluster heads was calculated based on the residual energy,topological position,node degree and other factors;and the sensor nodes with high residual energy,large nodedegree and close to the sink node were selected as the cluster heads in order to improve the energy use efficiency ofnodes and extend the network life;finally,in order to solve the problem of high overhead of frequent rotation of cluster heads in traditional clustering algorithm,by changing the cycle of cluster head selection,comparing the averageenergy consumption and network life of the algorithm under different rotation cycles,the optimal frequency of cluster head rotation was determined.The simulation results show that when the first round of cluster change was carriedout every 9 rounds of data upload,the network life cycle and node energy balance of the TECRS algorithm were opti收稿日期：2020-03-11基金项目：国家自然科学基金项目（61871041）；北京市自然科学基金项目（4172024）；江苏大学农业装备学部项目（4111680005）作者简介：孙浩然（1995-），男，在读硕士，研究方向：农业无线传感器网络。通讯作者：赵春江，男，博士，研究员，E-mail:孙浩然等：小麦农田无线传感器网络能量高效数据汇集方法东北农业科学2023，48（1）：129-135Journal of Northeast Agricultural SciencesDOI:10.16423/ki.1003-8701.2023.01.027130东 北 农 业 科 学48卷mal.The network life cycle was about 2 times of Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy(LEACH),1.3 times ofEnergy Efficient Double Rounds Clustering Protocol(EEDRCP)and A Layer-based Unequal Clustering Routing Protocol(LUCR),and the energy balance performance of the three algorithms was better,which was more suitable for themonitoring of wheat field wireless sensor network with limited energy Application.Key words：Wheat field;Wireless Sensor Network;Routing algorithm;Cluster heads selection;Energy consumptionbalance;Cluster heads rotation基于物联网、人工智能等技术的精准农业是目前农业发展的新潮流与方向1-2，在小麦农田中应用物联网技术实时获取农作物生长区域的环境信息可为小麦变量施肥、灌溉决策、病虫防控等农业精准作业提供实时可靠的数据支撑，对于提升小麦产量、降低农业污染都有着积极的促进作用3。相较于传统精准农业系统，无线传感器网络因其无线采集传输、布设维护方便、成本低、自组网、鲁棒性高等特点十分适用于无基础设施条件的小麦农田环境监测应用。在小麦农田环境监测无线传感器网络应用条件中，存在种植区域偏远供电不便，区域地势条件复杂、网络节点电池能量有限等实际问题4-5，如何进行高效的网络数据汇集，延长网络可靠监测时间是小麦农田无线传感器网络监测应用中亟待解决的问题。网络路由协议可有效提升网络能量使用效率、平衡节点间能耗差异，是提高节点存活率、增加网络生命周期的重要技术手段之一6。分簇型路由协议按照簇结构对网络节点进行划分，灵活的组织方式相比传统平面型路由更加适用于小麦农田等复杂环境下的动态网络，但成簇方式在很大程度上影响了网络的能耗与寿命7。本文拟从分簇型路由协议能耗优化角度开展研究，通过改进簇首选取过程，动态优化网络结构，进而均衡节点间的能耗差异，延缓节点死亡速度，以满足小麦农田无线传感器网络长时间稳定监测的需求。1相关工作分簇型路由协议以分簇的方式选取少量簇首管理协同其他普通节点，网络有着较好的扩展性，并且周期性簇首轮换的方式有效降低了簇首和普通节点间的能耗差异，在数据传输阶段，簇首通过数据融合减少数据冗余与网络传输中的数据量，降低了监测节点与终端节点数据汇集中的能量消耗。分簇型路由协议对于延长能量约束严格的应用场景下无线传感器网络稳定、监测时间可靠有着不错效果7-9。W.R.Heinzelman 等率先提出了划分网络结构以 均 衡 节 点 能 耗 的 LEACH 算 法（Low-EnergyAdaptive Clustering Hierarchy），通过周期性随机生成簇首的方式解决了传统平面型路由算法中节点能耗不均的问题10-11。陈庆章等12提出了一种双轮 成 簇 的 路 由 算 法 EEDRCP（Energy EfficientDouble Rounds Clustering Protocol），该算法以 2 轮数据上传所需时间作为网络的一个工作周期，并在奇数轮通过当选簇首次数与能量选取簇首，偶数轮当前簇首转为普通节点，并在簇结构不变的情况下，由剩余能量最大的簇内节点成为簇首。EEDRCP 算法在均衡网络能耗与减少算法成簇开销上效果较为明显。洪薇等13提出了一种基于簇内节点间距与剩余能量进行权值计算以此完成簇首竞争的路由算法 LUCR（A Layer-based UnequalClustering Routing Protocol）。该算法在保证簇首有足够能量进行正常工作的前提下，以节点度与邻居节点间相对位置的限制，使簇首位于簇中心的同时缩短簇内通信距离，通过减少簇内通信能耗的方式延长了网络生命周期。针对小麦农田无线传感器网络监测持续时间短、基础设施薄弱、能量供给困难、节点分布随机等特点，小麦农田场景下的无线传感器网络在网络生命周期、节点间能耗均衡性