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技术与应用

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基于Agent 的温室无线传感网络分簇管理模型

发布日期:2015-05-25 10:46    浏览次数:

吴悔娴1 ,苏诫2 ,陈明1 ,冯国富1 ,池涛1
(1.上海海洋大学信息学院,上海201306;2. 国家海洋局东海信息中心,上海20013 7)
摘要z 针对目前温室无线测控系统中未考虑节点能耗以及网络生命期的问题,提出一种基于Agent 的温室无线传感网络分簇管理模型。模型中由本地静态Agent 负责簇首选择,由簇内、簇间移动Agent 负责传感信息采集.通过各Agent 的协调合作完成温室无线测控系统的管理。由分析及仿真结果可知,基于Agent 的温室无线传感网络分簇管理模型能够大大节约节点能耗,延长网络生命期。
关键词g 温室无线测控系统;Agent; 分簇管理p 节点能耗p 网络生命期
中固分类号:TP393 文献标识码:A 文章编号:1001-6600(2011)02-0210-05
温室环境控制是通过改变环境因子(如温度、湿度、光照度、CO 2 浓度等)来获得作物生长的最佳条件。随着低成本传感器的出现和无线电通信技术的发展,无线传感网络(WSN) 技术逐渐被引入到温室测控领域。而节点能量受限、能耗不均是无线传感网络应用的瓶颈[1]。目前,国内基于无线的温室测控系统主要有集中型、集散型、现场总线型等[2-3],均未从降低和均衡节点能耗、延长网络生命期的角度考虑。将Agent 引入到温室无线传感测控系统中,利用Agent 的自主性、自治性和主动性等特点,通过构建基于Agent 的温室无线传感网络分簇管理模型,本地静态Agent 和移动Agent 协调合作,有效地均衡节点能耗,延长网络生命期。
1 基于Agent 的温室无线传感网络分簇管理模型架构
针对温室结构的固有特点,文中构建温室测控网络时采用成簇结构,即每个温室的传感器节点自成一簇,由簇首节点进行簇内管理。各簇首节点统一由Sink 节点管理。结合Agent 技术,由Agent 完成簇首选择、传感信息收集和数据融合等任务,避免了传感器节点发送数据的通信能耗,均衡网络能耗,延长网络生命期。
系统中涉及到的Agent 分为两大类(如图l 所示) :本地静态Agent 和移动Agent ,其中移动Agent 包括簇内移动Agent 和簇间移动Agent 。本地静态Agent 负责本地信息的存储以及簇头选择的计算;簇内移动Agent 在成簇初期由簇首节点创建,能够在簇内各节点迁移,负责传感信息的收集以及数据融合处理;簇间移动Agent 由Sink 节点创建,能够在各簇首节点迁移,负责簇首节点信息的收集以及数据融合处理[4]。
2 簇首选择
首先作出以下几点假设:
①假设所有的传感器节点是同构的,所有节点的通信半径相同,节点通信半径记为rc;
②假设传感器节点的通信模型为圆盘模型,即是一个以Pi 为圆心,以rc 为半径的圆盘,节点通信范围记为Disk( Pi, rc) ;

③假设每个节点上都安装有Agent 生存和工作的环境(MAE) 。
这里首先给出邻居节点集合的定义:对于一个传感器节Pi,若存在集合v={V1,V2,… Vi,...Vn } ,且集合中任意一点Vi εDisk(pi , rc ) ,则称集合V 为节点Pi 的邻居节点集合,记为N( Pi) 。
簇首的选取可以抽象为多目标规划问题,考虑到节点能量因素,具体的目标函数如下:
Max {Ei } ,                                                                                                                                    (1)
目标函数(1)表征节点自身剩余能量最大,其中Ei 表示节点自身的剩余能量;
Max{ IVIi}'                                                                                                                                     (2)
目标函数(2) 表征节点户,邻居节点集合覆盖面积最广,其中|叫,表示节点户,邻居节点集合中元素的个数;
目标函数(3) 表征节点户,邻居节点集合剩余能量的数学期望值最大。
本地静态Agent 记录节点的剩余能量信息并完成以上簇头选择的计算。由于Agent 之间的协同性,可以实现温室无线测控网络拓扑信息的实时更新,最大限度地延长网络生命期。
3 移动Agent 结构和簇内迁移路由
移动Agent 的结构由3 部分组成:固定属性、变量属性和负载,分别如图2 所示。

如图2 所示,移动Agent 3 部分具体描述如下:
(i)固定属性z 包括代理ID(Agent _ ID) 、簇首(Cluster) 、生存时间(LifeTime) 。其中,代理ID 是移动Agent 的唯一标识,用来表示移动Agent 是簇内还是簇间移动Agent o 簇首表示移动Agent 属于哪个簇(由Sink 节点创建的簇间移动Agent 不具备此属性h 生存时间表示移动Agent 从创建到死亡的时间。
(ii)变量属性z 包括下一跳节点(NextHop) 、采集轮数(Round) 、节点黑名单<BlackList) 。其中,下一跳节点表示移动Agent 下一跳访问的传感器节点,由移动Agent 迁移路由算法决定。移动Agent 采集的一轮表示移动Agent 从Sink(簇首)节点出发,沿指定路径迁移完成果集和数据融合任务之后,再回到Sink(簇首)节点的过程。Round 初始值等于0 ,每完成一轮采集, Round 值加1 直至LifeTime=O 。如果当前传感器节点的剩余能量Er 小于某一阔值时,则被纳入节点黑名单,移动Agent 避开该节点访问下一结点。
(iii)负载:包括处理代码(Processing Code) 和节点信息。处理代码表示移动Agent 进行数据采集和融合处理的相关代码。节点信息包括三个部分:节点IO(Node _ 10) 、剩余能量(Er) 、传感数据<Da-ta) 。节点信息之前保存在本地静态Agent 中,当移动Agent 迁移至该节点时,即从本地静态Agent 中获取相关的节点信息,并携带这些信息迁移至下一跳节点。移动Agent 在迁移过程中访问的节点数目和节点顺序决定了节点能耗、路径损耗以及监测准确度,会对网络的整体性能造成很大的影响。因此,为均衡能耗、延长网络生命期,文中提出一种基于邻居节点和剩余能量相结合的簇内移动Agent 迁移路由算法。设定迁移路由的初始节点和最终节点为簇首节点。算法步骤如下:
①由簇首节点C1 创建一个簇内移动Agent ,且当前Round = 0, Life Time 为最大值;
②按照Disk(C1, rc) 找出该簇首节点C1 通信范围内的邻居节点集合N(C1) ;
③找出邻居节点集合N(C1) 中剩余能量Er 最大的节点C2;
④移动Agent 迁移至句,且LifeTime -1 ,并将节点C2 标记为visited;
⑤按照Disk(C2, rc) 找出节点Cz 通信范围内的邻居节点集合N(c2) ;
⑥按照②③步骤依次找出移动Agent 迁移的下一跳节点直到"且满足Cj εDisk(ci; , rc);
⑦移动Agent 返回至簇首节点Cj , 且当前Round=l ,表示完成一轮的迁移过程;
⑧重复以上步骤直至LifeTime=0 。
4 模型评估
4. 1 节能分析
参照文献[5J 的移动Agent 能耗模型来进行基于Agent 的温室无线传感网络分簇管理模型的能耗分析。在此仅以簇内能耗分析为例。设移动Agent 的大小为M bits ,节点传感数据为N bits ,节点P1,P2 带宽为BW 的信息传送时间为
tm=σ(P1,P2)+(M+N)/BW
其中, σ(P1,P2)是网络延迟。没有采用移动Agent 时,簇内节点向簇首信息传送所消耗的总能量为:
其中, i=0 , 1, … ,n; n 表示节点的总数;tr 表示数据请求时间; ts 表示传感节点向簇首发送信息节点需要的时间zFf 表示传感节点采集信息消耗的能量吵t 表示节点的传输能耗。
采用移动Agent 时,消耗的总能量为
4.2 网络生命期仿真
为了验证文中模型在延长网络生命期上的优越性,给出了与传统分簇方法的仿真对比图。传统分簇方法中节点将采集数据直接发送至簇首节点。实验中随机布置100 个传感器节点,对比2 种情况下的生命期。具体仿真对比图见图3: 图中传统分簇方法在1 300 轮时节点趋于全部死亡,基于Agent 的分簇方法在1 700 轮时节点趋于全部死亡;后者生存轮数较前者延长,有效地延长了网络生命期。

5.结语
针对温室结构的固有特点,将Agent 技术引入到温室无线测控网络中,构建了基于Agent 的温室无线传感网络分簇管理模型,创建了本地静态Agent 和移动Agent 两种Agent ,由本地静态Agent 负责簇头选举计算,移动Agent 负责传感数据采集。由分析可知,基于Agent 的温室无线传感网络分簇管理模型能够大大节约节点能耗。与传统分簇方法仿真对比进一步得出该模型延长网络生命期的有效性。但是该模型中未涉及移动Agent 具体的传感数据融合过程,下一步的工作重点就是完善移动Agent 结构中的处理代码,以便更好地完成数据融合。