농업 IoT 배치에서 이종 무선 센서 네트워크를 위한 다중 에너지 원 수확을 포함한 에너지 효율적 클러스터링 프로토콜

정밀 농업 응용에 배치된 무선 센서 네트워크(WSN)는 배터리 구동 센서 노드의 에너지 제약과 현대 작물 모니터링의 고빈도 장기간 데이터 수집 요구—토양 수분, 잎 습기, 미기후 온도 구배, 해충 음향 신호—사이의 근본적인 긴장에 직면한다. 이는 관개, 농약, 비료 살포 결정을 촉진한다. 고전적인 LEACH(저에너지 적응형 클러스터링 계층)와 그 변형들은 데이터 집계의 에너지 부담을 노드 간 균형 있게 하기 위해 클러스터 기반 토폴로지 관리를 통해 이 긴장을 해결하지만, 기존 프로토콜 중 어느 것도 이종 노드 에너지 프로필, 다중 에너지 원 수확 통합 및 링크 품질 최적화를 위한 적응 변조를 동시에 다루지 않는다. 본 논문은 LEACH-SEP 프레임워크를 확장한 하이브리드 에너지 인지 클러스터링(HEAC) 프로토콜을 제안하며, 세 가지 혁신을 포함한다: 태양광, RF 및 열전 에너지 원의 실시간 수집 전력을 반영한 에너지 가중 클러스터 헤드 선출; 파일럿 심볼에서 추정된 순간 SNR에 따른 BPSK와 16-QAM 간 적응 변조 전환; 태양광 수확 노드의 최고 광조 예측에 맞춘 센서 활성화 기간을 조정하는 예측 듀티 사이클링 스킴. 100m×100m 필드 모델에서 100개 센서 노드 대상으로 2,000 라운드 시뮬레이션 결과, 1,000 라운드 후 잔여 네트워크 에너지는 31.8%로 표준 LEACH의 18.4%를 상회하며, 패킷 전달률은 95.4%로 LEACH의 87.2%보다 높고, 노드 50% 사망 시간 기준 네트워크 수명은 68% 연장되었다. 코임바토르 토마토 온실에서 20노드 테스트베드 배치가 시뮬레이션 결과를 8% 이내 편차로 검증하였다.