摘　要：

摘　要：基于WSN網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)生存能力強(qiáng)、部署方便、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)自組織和網(wǎng)絡(luò)智能化等技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢，使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于自然災(zāi)害預(yù)警成為可能。本文基于WNS技術(shù)基礎(chǔ)提出了一種山體滑坡監(jiān)控系統(tǒng)，重點(diǎn)討論了拓?fù)淇刂萍夹g(shù)，針對(duì)網(wǎng)路拓?fù)銵EACH算法中所存在的問題提出了改進(jìn)方案，LEACH算法的改進(jìn)不僅降低了WSN網(wǎng)絡(luò)的電路能耗，也降低了網(wǎng)絡(luò)自組織時(shí)產(chǎn)生的路由消耗，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的健壯性。

關(guān)鍵詞：

關(guān)鍵詞：WSN　拓?fù)淇刂啤EACH

     無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是一種基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，它的產(chǎn)生主要是為了實(shí)現(xiàn)所謂的“物與物”的對(duì)話，是物聯(lián)網(wǎng)的重要技術(shù)基礎(chǔ)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有部署方便、節(jié)點(diǎn)生存能力強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)自組的特點(diǎn)，它能夠靈活部署，且無需人工干預(yù)可自行搭建網(wǎng)絡(luò)。因此，WSN在諸多領(lǐng)域都具有非常大的應(yīng)用市場和應(yīng)用價(jià)值。

　　1　山體滑坡監(jiān)控系統(tǒng)

1.1　監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

　　系統(tǒng)的整體架構(gòu)分為三級(jí)，即數(shù)據(jù)采集層，數(shù)據(jù)傳輸層和數(shù)據(jù)處理層。數(shù)據(jù)采集層指的是由傳感器節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)組成的數(shù)據(jù)采集終端，在山體滑坡監(jiān)控系統(tǒng)中，我們主要采用液位和傾角傳感器來實(shí)現(xiàn)滑坡數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。數(shù)據(jù)傳輸層指的是WSN節(jié)點(diǎn)中的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，它不僅負(fù)責(zé)整個(gè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的搭建和路由表的管理，而且還負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)進(jìn)行融合并遠(yuǎn)程發(fā)送給數(shù)據(jù)處理層，發(fā)送方式可以通過GPRS或者其他遠(yuǎn)程通訊方式來實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)處理層指的是監(jiān)控系統(tǒng)的上位機(jī)部分，上位機(jī)可以搭建在PC機(jī)或者移動(dòng)設(shè)備上，即數(shù)據(jù)MIS系統(tǒng)，MIS系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)采集到數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，分析或提供查詢等。

1.2　系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)部件

1.2.1　傳感器節(jié)點(diǎn)

　　目前，國際上對(duì)于山體滑坡的監(jiān)控主要是通過山體滑坡所產(chǎn)生的液位變化和傾角變化來實(shí)現(xiàn)的。因此，市面上用于山體滑坡的傳感器也主要是這兩類。在本文中，我們選擇液位傳感器來實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，在容易發(fā)生山體滑坡的區(qū)域，人工設(shè)置多個(gè)孔洞，孔洞的設(shè)置時(shí)根據(jù)山體的坡度態(tài)勢了設(shè)立的，在這些孔洞中最底端的位置放置液位傳感器，當(dāng)雨水或其他水體因素侵蝕坡體時(shí)，液位會(huì)產(chǎn)生變化，當(dāng)傳感器采集到液位變化信息時(shí)，會(huì)及時(shí)將液位信息發(fā)送到數(shù)據(jù)處理層，數(shù)據(jù)處理層可以通過人工或者預(yù)警模型來實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的整體評(píng)價(jià)，判斷是否存在滑坡風(fēng)險(xiǎn)。

1.2.2　基站

　　對(duì)于WSN監(jiān)控系統(tǒng)來說，當(dāng)節(jié)點(diǎn)位置不會(huì)發(fā)生變化時(shí)，可固定設(shè)置基站來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，山體滑坡監(jiān)控系統(tǒng)中，由于節(jié)點(diǎn)都是固定設(shè)置的。因此，可以搭建有線供電基站。有線供電基站的優(yōu)勢在于基站能耗無需考慮，所以對(duì)于下端網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)融合要求也不高，當(dāng)數(shù)據(jù)采集層將數(shù)據(jù)采集完畢并發(fā)送給基站網(wǎng)關(guān)后，網(wǎng)關(guān)再通過GPRS或者其他遠(yuǎn)程通訊方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理層。

1.2.3　系統(tǒng)Web平臺(tái)

　　系統(tǒng)Web平臺(tái)是指監(jiān)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理終端，它具有良好的人機(jī)界面和數(shù)據(jù)處理能力，它實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)與監(jiān)控區(qū)域數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸與管理，這些數(shù)據(jù)可運(yùn)用于災(zāi)害建模預(yù)警機(jī)制。

2　LEACH算法

　　在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，在網(wǎng)絡(luò)初始化時(shí)，由于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的固定，會(huì)對(duì)樹頂端的節(jié)點(diǎn)造成較大的能耗。因此，造成節(jié)點(diǎn)的死亡速度較快，降低了網(wǎng)絡(luò)的健壯性，LEACH算法的思想就是在網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)產(chǎn)生父節(jié)點(diǎn)，即簇頭節(jié)點(diǎn)，使得網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)成為簇頭的概率平均，這樣就均衡了各節(jié)點(diǎn)之間的能耗差異，延長了網(wǎng)絡(luò)壽命。

2.1　簇的建立階段

　　LEACH算法中實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)成為簇頭的概率平均化的思想是：在網(wǎng)絡(luò)初始化時(shí)，將所有節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)數(shù)都置為0-1的隨機(jī)數(shù)，并設(shè)定一個(gè)閥值，這個(gè)閥值在理論是可以取為任意值的，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)選中其中一個(gè)小于閥值的節(jié)點(diǎn)時(shí)，將其選舉為簇頭，也將其節(jié)點(diǎn)閥值置為0，在下一輪簇頭選舉時(shí)，系統(tǒng)就不會(huì)選取閥值為0的節(jié)點(diǎn)作為簇頭。當(dāng)置為0的節(jié)點(diǎn)數(shù)目增多時(shí)，系統(tǒng)閥值就會(huì)隨之增大，剩余隨機(jī)數(shù)不為0的節(jié)點(diǎn)當(dāng)選為簇頭的概率也相應(yīng)增大。

2.2　穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸階段

　　在簇建立完成之后，則會(huì)進(jìn)入到相對(duì)穩(wěn)定的階段，即數(shù)據(jù)處理和傳輸階段，這個(gè)過程相對(duì)較長也較穩(wěn)定。

3　改進(jìn)算法的設(shè)計(jì)思想

筆者結(jié)合現(xiàn)有LEACH算法所存在的缺陷，并考慮到該算法實(shí)際應(yīng)用到山體滑坡監(jiān)控WSN系統(tǒng)中時(shí)所需注意的問題，從下列關(guān)鍵點(diǎn)對(duì)算法進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。

　　在對(duì)算法改進(jìn)前，考慮到系統(tǒng)存在的差異性會(huì)對(duì)算法的效率產(chǎn)生影響，本文做如下假設(shè)，忽略這些影響因子對(duì)于算法改進(jìn)所造成的偏差。一是在山體滑坡監(jiān)控WSN網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能共進(jìn)行自身定位；二是每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以自我調(diào)節(jié)輸出功率；三是節(jié)點(diǎn)在路由表中的位置唯一且保持不變；所有節(jié)點(diǎn)都具有足夠大的發(fā)射功率向基站發(fā)送數(shù)據(jù)；四是節(jié)點(diǎn)不會(huì)死亡且由足夠的能量向基站發(fā)送數(shù)據(jù)信息。

　　3.1　傳感區(qū)域劃分階段

　　所有監(jiān)測節(jié)點(diǎn)將含有自己地理位置的消息發(fā)送給基站后，基站會(huì)找出離自己最遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)N和離自己最近的節(jié)點(diǎn)M。然后分別計(jì)算出節(jié)點(diǎn)M和N到基站的距離和，節(jié)點(diǎn)M距離節(jié)點(diǎn)N的距離為MN。假定基站要將整個(gè)區(qū)域劃分為個(gè)單元，那么就將MN平均分成段，每一段的長度就為。以基站為中心，（）為半徑畫圓，被圈在圓內(nèi)的節(jié)點(diǎn)就屬于同一個(gè)單元�，F(xiàn)實(shí)中可根據(jù)監(jiān)測區(qū)域的大小調(diào)整的值，本論文中將設(shè)定為1，，這就意味著需要將整個(gè)傳感區(qū)域劃分為3個(gè)單元。

　　首先以基站為中心，為半徑畫圓，圓所覆蓋的傳感區(qū)域被定義為一級(jí)單元（ID=1）；然后再以為半徑畫圓，圓所覆蓋的區(qū)域減去一級(jí)單元所覆蓋的區(qū)域，剩下的區(qū)域定義為二級(jí)單元（ID=2）；剩余的區(qū)域就為三級(jí)單元（ID=3）。

3.2　確立簇頭及簇頭多跳路徑階段

　　簇頭選舉開始時(shí)，如果節(jié)點(diǎn)所產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)小于本單元內(nèi)所設(shè)定的閾值，則該節(jié)點(diǎn)被選為候補(bǔ)簇頭。閾值會(huì)隨著單元ID號(hào)的增加而逐漸變小。把這些候補(bǔ)簇頭根據(jù)其剩余能耗的量以降序排列，此時(shí)選取能耗量最大的節(jié)點(diǎn)即第一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為圓心，簇頭間限制條M作為半徑，取消此半徑內(nèi)所有候選簇頭的候選資格，接著再選取下一個(gè)節(jié)點(diǎn)為圓心，按照此方法遍歷所有候補(bǔ)簇頭，最終剩下的簇頭即被確立的簇頭。

　　在上一層簇頭確立時(shí)，其唯一的路由表地址會(huì)被網(wǎng)關(guān)地址標(biāo)記，通過這些標(biāo)記信息，可以確定下一層網(wǎng)絡(luò)中的所有候補(bǔ)簇頭信息，并根據(jù)簇頭選舉的原則選取這一層的簇頭，以此遍歷到最后一層網(wǎng)絡(luò)中。這就形成了WSN多跳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的簇頭選舉方法。

3.3　穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸階段

　　在上述過程完成后，WSN網(wǎng)絡(luò)會(huì)形成一個(gè)臨時(shí)路由表，即數(shù)據(jù)調(diào)度表，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的工作路徑由這張表所確立的父子節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸路徑。改進(jìn)算法在網(wǎng)絡(luò)的總能量消耗、生命周期和基站接收數(shù)據(jù)包量三方面分別提高了22%、31%和73%。

　　從上述內(nèi)容可以看出，改進(jìn)后的leach算法能夠大大延長WSN網(wǎng)絡(luò)的生命周期，提高了網(wǎng)絡(luò)的健壯性，也增加了傳感器終端采集數(shù)據(jù)包的數(shù)量；與此同時(shí)，并不增長網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，并且伴隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增多，網(wǎng)絡(luò)性能更優(yōu)化。

4　結(jié)語

　　針對(duì)目前l(fā)each算法的不足，本文基于WSN網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)山體滑坡監(jiān)控系統(tǒng)提出了對(duì)現(xiàn)有拓?fù)渌惴ǖ母倪M(jìn)，通過仿真分析可以發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后的算法延長了網(wǎng)絡(luò)壽命、增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的健壯性和數(shù)據(jù)采集能力，大大優(yōu)化了整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行效能。