楊鵑

摘要：為了提高網(wǎng)絡(luò)的生存周期和路由質(zhì)量，本文針對于井下監(jiān)控系統(tǒng)，設(shè)計研究了采用分簇式網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將能量均衡和分簇式作為路由節(jié)點(diǎn)選擇的標(biāo)準(zhǔn)，均衡網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的路由轉(zhuǎn)發(fā)。本文將監(jiān)控系統(tǒng)劃分了7個工作區(qū)，每個工作區(qū)代表一個無線子網(wǎng)，設(shè)計了匯聚節(jié)點(diǎn)的選舉規(guī)則。本系統(tǒng)設(shè)計采用的路由規(guī)則能夠?qū)崿F(xiàn)無線數(shù)據(jù)的有效傳輸，網(wǎng)絡(luò)的生命周期要比未改進(jìn)前的周期時間長。

關(guān)鍵詞：zigbee網(wǎng)絡(luò)；路由協(xié)議；分簇；GAS 算法；能量均衡

中圖分類號：TP216 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）07-0078-04

Abstract： In order to improve the routing quality and life cycle of the network ， this paper is designed for the underground monitoring and control system. clustering network topology and energy balance is emphasisly studied. the balance of network node routing forwarding is considered. Monitoring system is divided the seven workspace. Each workspace represents a wireless subnet. The electoral rules of sink nodes is designed. The routing rules of this paper can realize the effective transmission of wireless data， network lifetime is longer than the previous cycle.

Key words： zigbee network； routing protocol； clustering； GAS algorithm； energy balance

為提高井下作業(yè)的安全性和管理性，井下節(jié)點(diǎn)監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)對井下工作環(huán)境的實(shí)時參數(shù)檢測、人員和機(jī)車位置的確定、人員考勤的記錄等，涉及到網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理等多方面的技術(shù)?？紤]到井下環(huán)境的復(fù)雜性和網(wǎng)絡(luò)布線的可行性，本文基于zigbee無線通信技術(shù)設(shè)計和研究了井下監(jiān)控系統(tǒng)。

Zigbee無線通信具有低成本、低速率、低功耗的特點(diǎn)，安裝方便，系統(tǒng)實(shí)施比較容易，但網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的供電方式采用干電池供電的形式，節(jié)點(diǎn)能量有限。傳統(tǒng)的zigbee網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時，匯聚節(jié)點(diǎn)由于轉(zhuǎn)發(fā)通信的次數(shù)較多，功耗較大，本文采用基于分簇式拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，均衡系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)的耗電量，提高網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

1 分簇式拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂浦饕譃椋夯谖恢玫姆执厥骄W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和基于功率控制的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)?；谖恢玫姆执厥剿惴ǎ鶕?jù)制定的分簇機(jī)制，確定簇頭節(jié)點(diǎn)，組建骨干網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)發(fā)，其他節(jié)點(diǎn)在無通信的情況下，可進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)休眠?；诠β士刂仆ㄟ^調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，在滿足網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通的前提下，均衡網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)單跳鄰居數(shù)目[1]。

分簇式拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)適合于系統(tǒng)規(guī)模較大的場合，通過對系統(tǒng)分簇式的劃分，可通過簇頭節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)處理，減少了數(shù)據(jù)通信的次數(shù)[2]；路由信息無需成員節(jié)點(diǎn)維護(hù)，減少了路由控制信息的數(shù)量，延長了網(wǎng)絡(luò)壽命[3]。比較有代表性的算法是GAS、LEACH和TEEN算法等算法。

GAS算法將網(wǎng)絡(luò)區(qū)域劃分為多個網(wǎng)格，網(wǎng)格內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)根據(jù)簇頭機(jī)制選用簇頭節(jié)點(diǎn)，由簇頭節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)工作，其他節(jié)點(diǎn)處于休眠模式。該算法的實(shí)施需已知節(jié)點(diǎn)的地理位置，不適用于室外隨機(jī)節(jié)點(diǎn)的監(jiān)控操作。

LEACH算法通過選舉的方法選用隨機(jī)數(shù)小于門限值的節(jié)點(diǎn)作為簇頭，新簇頭廣播通告網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自己的網(wǎng)絡(luò)信息，普通節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的信號強(qiáng)度選擇所屬的簇頭。該算法通過隨機(jī)數(shù)的大小確定簇頭的數(shù)量，容易導(dǎo)致簇頭分布不均勻，網(wǎng)絡(luò)功耗不均衡，只能適用于規(guī)模較小的網(wǎng)絡(luò)。

TEEN算法基于LEACH算法演變而來，算法中設(shè)定軟門限和硬門限。軟門限用于控制通信模塊發(fā)送信息，硬門限用于控制開啟信息傳輸。該算法的缺點(diǎn)在于沒有提出有效的分簇方法，當(dāng)傳輸數(shù)據(jù)的屬性值低于門限值，則網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不會發(fā)送數(shù)據(jù)，可能造成信息的丟失。

2 GAS算法

2.1 GAS算法

GAS算法已知節(jié)點(diǎn)的地理位置，將網(wǎng)絡(luò)劃分成為n個虛擬網(wǎng)格，網(wǎng)格內(nèi)的節(jié)點(diǎn)定義為等價節(jié)點(diǎn)，相鄰的網(wǎng)格間可實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)通信，在網(wǎng)格內(nèi)選用一個節(jié)點(diǎn)作為活動節(jié)點(diǎn)（簇頭節(jié)點(diǎn)），其余節(jié)點(diǎn)設(shè)定為休眠模式，活動節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)路由轉(zhuǎn)發(fā)的功能。虛擬網(wǎng)格的劃分如圖1所示。網(wǎng)格間的邊長設(shè)定[4]為，其中R為節(jié)點(diǎn)間的通信距離。

活動節(jié)點(diǎn)和虛擬網(wǎng)格的劃分影響著網(wǎng)絡(luò)能耗，當(dāng)活動節(jié)點(diǎn)位于網(wǎng)格的中間位置時，其接收本網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)消耗的能量最少[5]，虛擬網(wǎng)格劃分為六邊形的結(jié)構(gòu)要在網(wǎng)絡(luò)的能耗和連通方面性能更加優(yōu)越[6]。

2.2 數(shù)據(jù)包的定義

簇頭節(jié)點(diǎn)的確定需要通過節(jié)點(diǎn)所發(fā)送的hello數(shù)據(jù)包的信息進(jìn)行確定，根據(jù)系統(tǒng)的需求，本文采用的hello包的格式如表1所示。數(shù)據(jù)包內(nèi)包含了GAF算法所需的節(jié)點(diǎn)ID、簇ID、剩余能量、與區(qū)域中心點(diǎn)的距離和更新時間等信息。更新時間采用定時器

2.3 分簇式算法的設(shè)定

考慮到簇頭選擇的復(fù)雜程度和能量均衡，本文的分簇式算法在GAS算法的基礎(chǔ)上，按照如下方法進(jìn)行。

1）虛擬網(wǎng)格的劃分仍然按照正方形劃分。

2）簇頭的選擇除了要考慮簇頭位置距離中心位置的大小，還要考慮該節(jié)點(diǎn)的能量大小，權(quán)值各自設(shè)定為0.5，從而均衡網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的消耗。

2.4 簇頭選舉過程

簇頭節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)路由轉(zhuǎn)發(fā)的功能，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處于活動狀態(tài)，普通節(jié)點(diǎn)通常處于休眠狀態(tài)，只有當(dāng)系統(tǒng)發(fā)送命令或是遇到緊急情況時，普通節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)為活動狀態(tài)。普通節(jié)點(diǎn)通過簇頭節(jié)點(diǎn)間的多跳實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，區(qū)域網(wǎng)格的普通節(jié)點(diǎn)與簇頭節(jié)點(diǎn)直接通信，

1） 初始化設(shè)置網(wǎng)絡(luò)的地理位置信息，包括網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)位置，區(qū)域網(wǎng)格的劃分，區(qū)域中心點(diǎn)的位置等信息。

2） 確定節(jié)點(diǎn)所屬的區(qū)域網(wǎng)格，計算與區(qū)域中心點(diǎn)的距離值

3） 發(fā)送hello包，包括節(jié)點(diǎn)的ID，簇ID，剩余能量和與中心的點(diǎn)的距離值。

4） 計算簇頭節(jié)點(diǎn)的概率值。

5）選用概率值最大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)作為虛擬網(wǎng)格的簇頭節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)設(shè)定為休眠格式。當(dāng)簇頭節(jié)點(diǎn)失效或是達(dá)到網(wǎng)絡(luò)更新時間，重新選定簇頭節(jié)點(diǎn)。

3 井下監(jiān)控系統(tǒng)

3.1網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

井下監(jiān)控系統(tǒng)覆蓋范圍比較大，工作區(qū)域的劃分成不規(guī)則的幾何形狀，作業(yè)的環(huán)境根據(jù)開采的進(jìn)度隨時出現(xiàn)變動，在很大的程度上影響著無線信號的傳輸。本文監(jiān)控系統(tǒng)工作區(qū)的劃分，如圖2所示，共劃分了7個工作區(qū)。

每個工作區(qū)設(shè)計一個zigbee無線網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)共有7個子網(wǎng)。在這7個子網(wǎng)間，劃分系統(tǒng)分簇拓?fù)涞奶摂M網(wǎng)格，選擇簇頭作為區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的路由轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，管理虛擬網(wǎng)格的數(shù)據(jù)通信。

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖3所示。匯聚節(jié)點(diǎn)的主要功能是起到中繼轉(zhuǎn)發(fā)，延長信號傳輸?shù)木嚯x。每個子網(wǎng)都設(shè)置一個網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組建和子網(wǎng)間的通信，實(shí)現(xiàn)本工作區(qū)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和外網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)通信。

3.2 匯聚節(jié)點(diǎn)的選擇

匯聚節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中主要是為了延長網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)木嚯x，中繼轉(zhuǎn)發(fā)的次數(shù)越多，耗電量越大，為了能夠均衡網(wǎng)絡(luò)的開銷，延長生命周期，本文的匯聚節(jié)點(diǎn)選擇按照如下的方式進(jìn)行設(shè)定。

1）以網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)的初始，判定網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)下網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)能量值最多的兩個節(jié)點(diǎn)分別為匯聚節(jié)點(diǎn)和備用匯聚節(jié)點(diǎn)。

2）以匯聚節(jié)點(diǎn)為中心通信半徑范圍內(nèi)，當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)下子節(jié)點(diǎn)的數(shù)量超過了系統(tǒng)設(shè)定的數(shù)量，由匯聚節(jié)點(diǎn)查找簇內(nèi)通信半徑直連范圍內(nèi)，除備用匯聚節(jié)點(diǎn)外的能量最多的兩個節(jié)點(diǎn)作為新的匯聚節(jié)點(diǎn)和備用匯聚節(jié)點(diǎn)，由該匯聚節(jié)點(diǎn)組建子網(wǎng)，完成網(wǎng)絡(luò)的分簇過程。

3）當(dāng)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量少于設(shè)定閾值時，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)自動查找鄰近的簇首加入，實(shí)現(xiàn)簇的合并。

4）處于簇間交界的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，根據(jù)從簇首發(fā)送的RSSI的信號強(qiáng)度，決定加入哪個簇。

4仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本路由協(xié)議的有效性，本文采用matlab軟件，仿真環(huán)境設(shè)置如表2所示。驗(yàn)證中，假定，當(dāng)節(jié)點(diǎn)剩余能量低于初始能量5%，即認(rèn)定節(jié)點(diǎn)死亡。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中死亡節(jié)點(diǎn)數(shù)大于50%，網(wǎng)絡(luò)結(jié)束。

1）節(jié)點(diǎn)能量消耗

由于本文提出的路由協(xié)議考慮到了剩余能量對簇頭選舉的影響，當(dāng)節(jié)點(diǎn)能量低于50%時，網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行重新選簇，使得首輪距離區(qū)域網(wǎng)格中心位置的節(jié)點(diǎn)首先被選為路由節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量消耗較快，當(dāng)該節(jié)點(diǎn)剩余能量低于閾值后，下一輪到來時重新選簇，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗消耗減慢，處于休眠狀態(tài)。因而從圖可以看出在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處于活動狀態(tài)時，節(jié)點(diǎn)由于進(jìn)行路由轉(zhuǎn)發(fā)，節(jié)點(diǎn)能耗下降很快，如圖4所示。

2）節(jié)點(diǎn)剩余能量均方差

節(jié)點(diǎn)剩余能量均方差體現(xiàn)的是節(jié)點(diǎn)間剩余能量是否均衡的問題，為驗(yàn)證能量均衡的問題，網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行200輪測試循環(huán)后，判定區(qū)域網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的平均方差，仿真結(jié)果如圖5所示。節(jié)點(diǎn)剩余的能量均方差的值明顯小于傳統(tǒng)GAS算法，變化幅度也相對較小，這主要是由于本文采用的路由算法，除了要考慮節(jié)點(diǎn)與區(qū)域網(wǎng)格中心位置的距離外，還將剩余能量作為考慮的因素，避免了部分網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)過早死亡，起到了均衡能量的作用。

3）網(wǎng)絡(luò)的生存時間

以網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)輪數(shù)為單位，GAS算法和本文采用的路由協(xié)議算法的網(wǎng)絡(luò)生存時間通過網(wǎng)絡(luò)測試發(fā)現(xiàn)，GAS算法的網(wǎng)絡(luò)生存時間為760輪，本路由協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)生存時間為875輪，本算法的網(wǎng)絡(luò)生存周期要比傳統(tǒng)GAS算法長。分析網(wǎng)絡(luò)路由的轉(zhuǎn)換機(jī)制，在網(wǎng)絡(luò)生命周期驗(yàn)證的初期，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的剩余能量值較大，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)正常工作。隨著時間的增加，處于路由轉(zhuǎn)發(fā)功能的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量消耗較大，GAS算法未考慮能量問題，因而導(dǎo)致部分網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)過早死亡，降低了網(wǎng)絡(luò)的生存時間。而本文提出的算法中，在sink節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)方面據(jù)考慮了能量因素，因而網(wǎng)絡(luò)時間相對較長。

5 結(jié)束語

本文采用zigbee無線通信網(wǎng)絡(luò)作為井下網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?，?jié)點(diǎn)定位、路由協(xié)議以及能量均衡方面現(xiàn)已成為研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一，本文基于井下監(jiān)控系統(tǒng)，設(shè)計研究了分簇式網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，該協(xié)議以能量均衡和優(yōu)化路由為目的，根據(jù)井下的工作區(qū)的劃分，將網(wǎng)絡(luò)劃分成多個子網(wǎng)，子網(wǎng)內(nèi)部實(shí)施匯聚節(jié)點(diǎn)路由的選舉和區(qū)域網(wǎng)格路由的確定，路由節(jié)點(diǎn)的設(shè)定考慮了節(jié)點(diǎn)剩余能量的問題，進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)的性能，延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

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