LEACH算法在无线传感器网络中的应用改进

摘　要：

摘　要：基于WSN网络的节点生存能力强、部署方便、网络规模大、节点网络自组织和网络智能化等技术特点和优势，使得无线传感器网络应用于自然灾害预警成为可能。本文基于WNS技术基础提出了一种山体滑坡监控系统，重点讨论了拓扑控制技术，针对网路拓扑LEACH算法中所存在的问题提出了改进方案，LEACH算法的改进不仅降低了WSN网络的电路能耗，也降低了网络自组织时产生的路由消耗，增强了网络的健壮性。

关键词：

关键词：WSN　拓扑控制　LEACH

     无线传感器网络（WSN）是一种基于点对点通信的无线网络结构，它的产生主要是为了实现所谓的“物与物”的对话，是物联网的重要技术基础。无线传感器网络具有部署方便、节点生存能力强、网络自组的特点，它能够灵活部署，且无需人工干预可自行搭建网络。因此，WSN在诸多领域都具有非常大的应用市场和应用价值。

　　1　山体滑坡监控系统

1.1　监控系统架构

　　系统的整体架构分为三级，即数据采集层，数据传输层和数据处理层。数据采集层指的是由传感器节点和路由节点组成的数据采集终端，在山体滑坡监控系统中，我们主要采用液位和倾角传感器来实现滑坡数据的实时采集。数据传输层指的是WSN节点中的网关节点，它不仅负责整个监控网络的搭建和路由表的管理，而且还负责将数据进行融合并远程发送给数据处理层，发送方式可以通过GPRS或者其他远程通讯方式来实现。数据处理层指的是监控系统的上位机部分，上位机可以搭建在PC机或者移动设备上，即数据MIS系统，MIS系统负责对采集到数据进行存储，分析或提供查询等。

1.2　系统主要结构部件

1.2.1　传感器节点

　　目前，国际上对于山体滑坡的监控主要是通过山体滑坡所产生的液位变化和倾角变化来实现的。因此，市面上用于山体滑坡的传感器也主要是这两类。在本文中，我们选择液位传感器来实现监控，在容易发生山体滑坡的区域，人工设置多个孔洞，孔洞的设置时根据山体的坡度态势了设立的，在这些孔洞中最底端的位置放置液位传感器，当雨水或其他水体因素侵蚀坡体时，液位会产生变化，当传感器采集到液位变化信息时，会及时将液位信息发送到数据处理层，数据处理层可以通过人工或者预警模型来实现对数据的整体评价，判断是否存在滑坡风险。

1.2.2　基站

　　对于WSN监控系统来说，当节点位置不会发生变化时，可固定设置基站来实现系统采集数据的转发，山体滑坡监控系统中，由于节点都是固定设置的。因此，可以搭建有线供电基站。有线供电基站的优势在于基站能耗无需考虑，所以对于下端网络的数据融合要求也不高，当数据采集层将数据采集完毕并发送给基站网关后，网关再通过GPRS或者其他远程通讯方式将数据发送到数据处理层。

1.2.3　系统Web平台

　　系统Web平台是指监控系统的远程数据管理终端，它具有良好的人机界面和数据处理能力，它实现了平台与监控区域数据的实时传输与管理，这些数据可运用于灾害建模预警机制。

2　LEACH算法

　　在无线传感器网络中，在网络初始化时，由于网络结构的固定，会对树顶端的节点造成较大的能耗。因此，造成节点的死亡速度较快，降低了网络的健壮性，LEACH算法的思想就是在网络中随机产生父节点，即簇头节点，使得网络中各节点成为簇头的概率平均，这样就均衡了各节点之间的能耗差异，延长了网络寿命。

2.1　簇的建立阶段

　　LEACH算法中实现网络节点成为簇头的概率平均化的思想是：在网络初始化时，将所有节点的随机数都置为0-1的随机数，并设定一个阀值，这个阀值在理论是可以取为任意值的，当网络选中其中一个小于阀值的节点时，将其选举为簇头，也将其节点阀值置为0，在下一轮簇头选举时，系统就不会选取阀值为0的节点作为簇头。当置为0的节点数目增多时，系统阀值就会随之增大，剩余随机数不为0的节点当选为簇头的概率也相应增大。

2.2　稳定的数据传输阶段

　　在簇建立完成之后，则会进入到相对稳定的阶段，即数据处理和传输阶段，这个过程相对较长也较稳定。

3　改进算法的设计思想

笔者结合现有LEACH算法所存在的缺陷，并考虑到该算法实际应用到山体滑坡监控WSN系统中时所需注意的问题，从下列关键点对算法进行改进和优化。

　　在对算法改进前，考虑到系统存在的差异性会对算法的效率产生影响，本文做如下假设，忽略这些影响因子对于算法改进所造成的偏差。一是在山体滑坡监控WSN网络中，每个节点都能共进行自身定位；二是每个节点都可以自我调节输出功率；三是节点在路由表中的位置唯一且保持不变；所有节点都具有足够大的发射功率向基站发送数据；四是节点不会死亡且由足够的能量向基站发送数据信息。

　　3.1　传感区域划分阶段

　　所有监测节点将含有自己地理位置的消息发送给基站后，基站会找出离自己最远的节点N和离自己最近的节点M。然后分别计算出节点M和N到基站的距离和，节点M距离节点N的距离为MN。假定基站要将整个区域划分为个单元，那么就将MN平均分成段，每一段的长度就为。以基站为中心，（）为半径画圆，被圈在圆内的节点就属于同一个单元。现实中可根据监测区域的大小调整的值，本论文中将设定为1，，这就意味着需要将整个传感区域划分为3个单元。

　　首先以基站为中心，为半径画圆，圆所覆盖的传感区域被定义为一级单元（ID=1）；然后再以为半径画圆，圆所覆盖的区域减去一级单元所覆盖的区域，剩下的区域定义为二级单元（ID=2）；剩余的区域就为三级单元（ID=3）。

3.2　确立簇头及簇头多跳路径阶段

　　簇头选举开始时，如果节点所产生的随机数小于本单元内所设定的阈值，则该节点被选为候补簇头。阈值会随着单元ID号的增加而逐渐变小。把这些候补簇头根据其剩余能耗的量以降序排列，此时选取能耗量最大的节点即第一个节点作为圆心，簇头间限制条M作为半径，取消此半径内所有候选簇头的候选资格，接着再选取下一个节点为圆心，按照此方法遍历所有候补簇头，最终剩下的簇头即被确立的簇头。

　　在上一层簇头确立时，其唯一的路由表地址会被网关地址标记，通过这些标记信息，可以确定下一层网络中的所有候补簇头信息，并根据簇头选举的原则选取这一层的簇头，以此遍历到最后一层网络中。这就形成了WSN多跳网络结构的簇头选举方法。

3.3　稳定的数据传输阶段

　　在上述过程完成后，WSN网络会形成一个临时路由表，即数据调度表，整个网络的工作路径由这张表所确立的父子节点结构来实现数据的传输路径。改进算法在网络的总能量消耗、生命周期和基站接收数据包量三方面分别提高了22%、31%和73%。

　　从上述内容可以看出，改进后的leach算法能够大大延长WSN网络的生命周期，提高了网络的健壮性，也增加了传感器终端采集数据包的数量；与此同时，并不增长网络的能量消耗，并且伴随着节点数的增多，网络性能更优化。

4　结语

　　针对目前leach算法的不足，本文基于WSN网络实现山体滑坡监控系统提出了对现有拓扑算法的改进，通过仿真分析可以发现，改进后的算法延长了网络寿命、增强了网络的健壮性和数据采集能力，大大优化了整个监控系统的运行效能。