基于wsn风力发电运行监测系统leach协议改进研究

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1、第31卷第1期东北电力大学学报Vo1．31．No．12011年2月JournalOfNortheastDianliUniversityFeb．，2011文章编号：1005—2992(2011)Ol一0029—05基于WSN的风力发电运行监测系统LEACH协议改进研究邬春明，张海波(东北电力大学信息工程学院，吉林吉林132012)摘要：本文首先介绍了基于WSN的风力发电运行监测系统的结构，针对风电场的特殊模型，提出了使用LEACH协议作为其路由协议的方案。针对LEACH协议中簇头节点能量消耗过大和簇头节点与基站通信距离长的特点，提出以节点剩余能量来作为簇头节点选取的标准，同时通过限

2、制簇内节点数目，在传输中提出簇内单跳、簇间多跳的路由方式，以减少簇头能量消耗，从而延长网络生存时间。最后使用MATLAB对LEACH及改进后的协议作仿真分析，验证了改进的有效性。关键词：WSN；LEACH；改进；仿真中图分类号：TN911．72文献标识码：A风力发电作为一种新的、安全可靠的洁净能源，已成为当今社会应对能源危机的一种重要途径。但是风电场通常建在环境较恶劣的地方且风机分布较分散，因此如何对其运行进行实时有效监测成为保障风力发电系统正常运行的重要条件。基于无线传感器网络的风力发电运行监测系统可以对整个风力发电系统进行远程实时监控，但由于传感器节点通常使用电池为节点供能，

3、而且由于风电场各个风机的分散分布而且距离较远，因此设计一种适合风力发电监测系统的路由协议成为整个系统的关键。本文提出了改进型的LEACH路由协议来做为风力发电监测系统的路由协议。lLEACH协议基于WSN的风力发电运行监测系统模型如图I，系统的整体设计是在每一个风机上都安装一个监测节点，节点负责将风机上的各个监测参数收集起来，然后经过簇头选取，确定簇头节点以后，由各个节点传递到簇头节点，经簇头节点传输到基站，通过基站的简单处理后，通过GPRS或者有线方式传输到监测中心，从而完成对整个风力发电机组的运行监测。与其它常规WSN网络的系统模型相比，风力发电运行监测系统具有几个显著的特点

4、：(1)由于各个风机位置相对固定，因此WSN中监测节点位置相对图1基于WSN的风力发电运行监测系统总体框图收稿日期：2010—10—30作者简介：邬春明(1966一)，男，东北电力大学信息工程学院副教授，硕士生导师，从事通信技术的教学与科研工作30东北电力大学学报第3O卷固定。(2)由于风力发电机数目大约在10—200台左右，因此WSN中节点数目不会太多。(3)风电场要求风力发电机组按照矩阵布置，行必须垂直风能主导方向，同行风力发电机组之间距离不小于3倍的风力发电机机轮直径，行与行之间距离不小于5倍的风力发电机机轮直径，现在主流风力发电机叶片直径在20—55m左右，所以风机之问距

5、离在100—275111之间。这些特点要求在路由协议选择时必须符合风电场的远距离传输要求。但节点能量有限，如何设计一种适合于风力发电监测系统的路由协议，既满足数据的传输要求，又可以最大限度利用各节点的能量，从而保证整个系统的安全运行，成为整个系统设计的关键。低功耗自适应分簇路由协议(LEACH，lowener-gYadaptiveclusteringhierarchy)是建立在第一顺序无●簇头节点@非簇头节点线电模式圈(firstorderradiomode1)基础之上的。该模型基于以下的假设条件：(1)网络里所有节点完全基站相同；(2)无线电信号在各个方向上能量消耗相同；(3)

6、汇聚节点是固定的，并且离整个无线传感器网络较远；(4)信道是对称的，从节点A发到节点B的能量消耗与从节点B发到节点A的能量消耗相同。此模型恰好符合基于WSN风力发电运行监测系统的要求。它是一种自适应分簇拓扑算法，它的执行过程是周期性的，每轮循环分为簇的建立阶段和稳定的数据通信阶段。图2为典型的无线传感器网络采—，典型的无线传感器网络采用LEACH算法后的分级结构图用LEACH算法后的分级结构图⋯。‘LEACH定义了“轮”(Found)的概念，一轮由初始化和稳定工作两个阶段组成，为了避免额外的处非理开销，稳定态一般持续相对较长的时问。初始化簇簇阶段即簇的形成阶段。簇头节点的选择方法

7、为网络头节中的传感器节点生成O到l之间的随机数，如果该点点随机数小于阈值(n)，则该节点被选为簇头节点。的计算方法如下：fPn(n)：{丽n∈图3实际通信中的簇形成算法流程图L0，其他；其中P为节点中成为簇头节点的百分数，r是当前的轮数，G是在过去lP／轮中未充当过簇头节点的集合。一旦簇头节点被选定，它们便使用相同的能量主动向网络中的其他节点广播一个广告包。在这个过程中，其它非簇头节点的接收机一直处于工作状态，用来接收来自不同簇头节点的广告包，它们根据最小通信能量原则，选取信号最