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[導(dǎo)讀]摘 要 糧庫WSN路由算法是WSN檢測糧庫糧食數(shù)量技術(shù)的難點(diǎn)之一。由于糧庫中傳感器節(jié)點(diǎn)分布的復(fù)雜性,所以其路由算法比較特殊。根據(jù)糧庫WSN的分布,提出一種RCCMA路由算法,先將大量分布不均的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行簇區(qū)域劃分

摘 要 糧庫WSN路由算法是WSN檢測糧庫糧食數(shù)量技術(shù)的難點(diǎn)之一。由于糧庫中傳感器節(jié)點(diǎn)分布的復(fù)雜性,所以其路由算法比較特殊。根據(jù)糧庫WSN的分布,提出一種RCCMA路由算法,先將大量分布不均的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行簇區(qū)域劃分和級別設(shè)定,然后利用最小夾角原則實(shí)現(xiàn)二級簇區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)間路由和一級簇區(qū)域與二級區(qū)域內(nèi)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)間的路由。由于一級簇區(qū)域傳感器節(jié)點(diǎn)能耗較大,因此采用輪轉(zhuǎn)調(diào)度機(jī)制,將能耗平衡化,降低了單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的能耗。對比幾種典型的路由算法,實(shí)驗(yàn)顯示,該算法具有明顯的優(yōu)勢。
關(guān)鍵詞 路由算法 簇區(qū)域 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)


引 言
    利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)檢測糧庫的糧食數(shù)量是一項(xiàng)新技術(shù)。由于糧堆的復(fù)雜性,可在糧庫底部散布大量分布不均的壓力傳感器節(jié)點(diǎn)。將糧庫內(nèi)大量分布不均的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng),構(gòu)建一種路由算法,這是糧庫WSN(Wire-less Sensor Network)的關(guān)鍵技術(shù)之一。
    高效的路由算法需滿足以下幾點(diǎn):能量高效(協(xié)議簡單和節(jié)省能量和均衡消耗)、可擴(kuò)展性(網(wǎng)絡(luò)范圍和節(jié)點(diǎn)密度)、魯棒性(節(jié)點(diǎn)變化和拓?fù)渥兓?、快速收斂性。本文通過研究目前主要的幾種典型WSN路由算法,提出一種針對糧庫WSN的路由算法。實(shí)驗(yàn)證明,該算法滿足能量高效性、可擴(kuò)展性、魯棒性和快速收斂性要求。單個(gè)對比文中提到的幾種典型路由算法,該算法整體性能比它們都優(yōu)越。

1 典型的WSN路由算法
    傳統(tǒng)無線通信網(wǎng)絡(luò)研究的重點(diǎn)放在無線通信的服務(wù)質(zhì)量(QoS)上,而無線傳感器節(jié)點(diǎn)是隨機(jī)分布、電池供電的,因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法的研究重點(diǎn)放在如何提高能量效率上。目前典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法主要有以下幾種。
1.1 泛洪算法
    泛洪(Flooding)算法是一種傳統(tǒng)的無線通信路由算法。該算法規(guī)定,每個(gè)節(jié)點(diǎn)接收來自其他節(jié)點(diǎn)的信息,并以廣播的形式發(fā)送給其他鄰居節(jié)點(diǎn)。如此繼續(xù)下去,最后將信息數(shù)據(jù)發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)。但這個(gè)算法容易引起信息的“內(nèi)爆”(implosion)和“重疊”(overlap),造成資源的浪費(fèi)。因此在泛洪算法的基礎(chǔ)上,提出了閑聊(Gossiping)算法。
1.2 Gossiping算法
    Gossiping算法是在泛洪算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)而提出的。它傳播信息的途徑是,隨機(jī)地選擇一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn),獲得信息的鄰居節(jié)點(diǎn)再以同樣的方式隨機(jī)地選擇下一個(gè)節(jié)點(diǎn),進(jìn)行信息的傳遞。這種方式避免了以廣播形式進(jìn)行信息傳播的能量消耗,但其代價(jià)是延長了信息的傳遞時(shí)間。雖然Gossiping算法在一定程度上解決了信息的內(nèi)爆問題,但是仍然存在信息的重疊現(xiàn)象。
1.3 SPIN算法
    SPIN(Sensor Protocol for Information via Negotia-tion)算法是一種以數(shù)據(jù)為中心的自適應(yīng)路由算法。其目的是通過節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)商,解決Flooding算法和Gossi-ping算法的內(nèi)爆和重疊問題。SPIN算法有3種類型的消息,即ADC、REQ和DATA。ADC用于數(shù)據(jù)的廣播,當(dāng)某一個(gè)節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)可以共享時(shí),可以用其進(jìn)行數(shù)據(jù)信息廣播。REQ用于請求發(fā)送數(shù)據(jù),當(dāng)某一個(gè)節(jié)點(diǎn)希望接收DATA數(shù)據(jù)包時(shí),發(fā)送REQ數(shù)據(jù)包。DATA為傳感器采集的數(shù)據(jù)包。在發(fā)送一個(gè)DATA數(shù)據(jù)包之前,一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)首先對外廣播ADV數(shù)據(jù)包。如果某一個(gè)節(jié)點(diǎn)希望接收要傳來的數(shù)據(jù)信息,則向發(fā)送ADV數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)回復(fù)REQ數(shù)據(jù)包,因此,便建立起發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)的聯(lián)系,發(fā)送節(jié)點(diǎn)便向接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送DATA數(shù)據(jù)包。SPIN協(xié)議的工作流程如圖1所示。

1.4 定向擴(kuò)散算法
    定向擴(kuò)散(Direeted Diffusion)算法是一種基于查詢的路由機(jī)制。整個(gè)過程可以分為興趣擴(kuò)散、梯度建立以及路徑加強(qiáng)3個(gè)階段。在興趣擴(kuò)散階段,匯聚節(jié)點(diǎn)向傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送其想要獲取的信息種類或內(nèi)容。興趣消息中含有任務(wù)類型、目標(biāo)區(qū)域、數(shù)據(jù)發(fā)送速率、時(shí)間戳等參數(shù)。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)在收到該信息后,將其保存在Cache 中。當(dāng)整個(gè)信息要求傳遍整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)后,便在傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)之間建立起一個(gè)梯度場,梯度場的建立是根據(jù)成本最小化和能量自適應(yīng)原則。一旦傳感器節(jié)點(diǎn)收集到匯聚節(jié)點(diǎn)感興趣的數(shù)據(jù),就會根據(jù)建立的梯度場尋求最快路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。梯度場建立的過程如圖2所示。

1.5 LEACH算法
    LEACH(LOW-Energy Adaptive Clustering Hier-archy)算法是一種以最小化傳感器網(wǎng)絡(luò)能量損耗為目標(biāo)的分層式算法。該算法的主要思想是通過隨機(jī)選擇類頭節(jié)點(diǎn),平均分擔(dān)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的中繼通信業(yè)務(wù),以達(dá)到平均消耗傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能量的目的,進(jìn)而延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。LEACH算法可以將網(wǎng)絡(luò)生命周期延長15%。LEACH算法分為兩個(gè)階段:類準(zhǔn)備階段和數(shù)據(jù)傳輸階段。類準(zhǔn)備階段和就緒階段所持續(xù)的時(shí)間總和稱為一個(gè)輪回。在類準(zhǔn)備階段,LEACH算法隨機(jī)選擇一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)作為類頭節(jié)點(diǎn),隨機(jī)性確保類頭與基站之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)母吣芎某杀揪鶆虻胤謹(jǐn)偟剿袀鞲衅鞴?jié)點(diǎn)上。

2 RCCMA算法
    定義1 簇區(qū)域,有一些相同的傳感器節(jié)點(diǎn)所占的區(qū)域,處在該區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)功能相同。在本文中,一級簇區(qū)域內(nèi)所有傳感器節(jié)點(diǎn)都具有輪轉(zhuǎn)調(diào)度機(jī)制、數(shù)據(jù)收發(fā)等功能,二級簇區(qū)域內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)不具有輪轉(zhuǎn)調(diào)度機(jī)制。
    定義2 絕對夾角,不考慮方向,只考慮大小。
2.1 簇區(qū)域劃分和級別設(shè)定
    如圖3所示,將糧庫底面區(qū)域化,在各個(gè)區(qū)域內(nèi)計(jì)算傳感器節(jié)點(diǎn)密度,ρ=N/S。選取 3個(gè)密度最高的區(qū)域作為一級簇區(qū)域,其他區(qū)域?yàn)槎壌貐^(qū)域。在邊界線外部確定整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的終極節(jié)點(diǎn)。設(shè)終極節(jié)點(diǎn)為O,選取的3個(gè)一級簇區(qū)域?yàn)锳、B、C,終極節(jié)點(diǎn)到3個(gè)一級簇區(qū)域中心距離分別為dA、dB、dC,則終極節(jié)點(diǎn)位置滿足min{dA+dB+dC}。

2.2 二級簇區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)問路由
    在二級簇區(qū)域內(nèi),選取一個(gè)到最近一級簇區(qū)域距離最短的節(jié)點(diǎn)作為該二級簇區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。利用最小夾角原則進(jìn)行源節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)路由。具體步驟如下:
    設(shè)節(jié)點(diǎn)1為該二級簇區(qū)域內(nèi)選取的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)8可向節(jié)點(diǎn)4通信,也可以向節(jié)點(diǎn)9通信。如果節(jié)點(diǎn)8、9都正常,則將節(jié)點(diǎn)8分別與節(jié)點(diǎn)4、節(jié)點(diǎn)9和節(jié)點(diǎn)1連接。以節(jié)點(diǎn)8與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)1的連線為終邊,以節(jié)點(diǎn)8與其相鄰的節(jié)點(diǎn)4、9連線為另一邊,判斷它們的絕對角大小。選取構(gòu)成最小角的鄰節(jié)點(diǎn)作為源節(jié)點(diǎn)的下一跳路由節(jié)點(diǎn),圖4中節(jié)點(diǎn)9構(gòu)成的絕對夾角最小,故選擇節(jié)點(diǎn)9作為源節(jié)點(diǎn)8的下一跳路由節(jié)點(diǎn)。其他節(jié)點(diǎn)及其路由類似。


2.3 一級簇區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)問路由
    一級簇區(qū)域負(fù)責(zé)與鄰近二級簇區(qū)域節(jié)點(diǎn)通信,同時(shí)負(fù)責(zé)與整個(gè)網(wǎng)絡(luò)終極節(jié)點(diǎn)通信,所以能耗最大。但是,一級簇區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)密度較高,采用輪轉(zhuǎn)調(diào)度機(jī)制,每個(gè)節(jié)點(diǎn)在某時(shí)承擔(dān)目標(biāo)節(jié)點(diǎn),將能耗平衡化,降低單個(gè)節(jié)點(diǎn)的能耗。
    當(dāng)某時(shí)該區(qū)域內(nèi)某節(jié)點(diǎn)是目標(biāo)節(jié)點(diǎn)時(shí),該區(qū)域內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)和其相鄰的二級簇區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)都是該一級簇區(qū)域內(nèi)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)。此時(shí)便是所有子節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)問的路由問題。同理,參照最小夾角原則進(jìn)行路由規(guī)劃。
    一級簇區(qū)域內(nèi)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)匯聚了大量的數(shù)據(jù),但節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少(本例中任何時(shí)刻只有3個(gè))。終極節(jié)點(diǎn)采用查詢機(jī)制與3個(gè)一級簇區(qū)域目標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境
    實(shí)驗(yàn)采用30個(gè)能量相同的傳感器節(jié)點(diǎn)分別分布在10個(gè)等面積區(qū)域內(nèi),A、B、C三個(gè)區(qū)域節(jié)點(diǎn)密度最高,都布置了5個(gè)節(jié)點(diǎn),其他區(qū)域節(jié)點(diǎn)布置如圖6所示。然后用一個(gè)終極節(jié)點(diǎn)和一級簇區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)通信,此終極節(jié)點(diǎn)能量和通信距離都比其他節(jié)點(diǎn)大。傳感器節(jié)點(diǎn)采用nRF905射頻芯片,ATmegal68單片機(jī),供 3.3 V直流電(舊電池)。

3.2 實(shí)驗(yàn)方法
    ①先按本路由算法實(shí)現(xiàn)整個(gè)WSN的通信,記錄最大通信延遲時(shí)間。然后,進(jìn)行多次通信,消耗節(jié)點(diǎn)能量,直到網(wǎng)絡(luò)癱瘓,記錄網(wǎng)絡(luò)工作時(shí)間。最后,減少或增加傳感器節(jié)點(diǎn),按本路由算法再次建立WSN路由,進(jìn)行相同的測試。在多次測試中,記錄網(wǎng)絡(luò)出錯(cuò)率。
    ②采用上述幾種典型的路由算法,按方法1進(jìn)行同樣的測試。部分參數(shù)對比如表1所列。

    實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),本文提出的RCCMA路由算法在能量高效性、可擴(kuò)展性、魯棒性和快速收斂性方面都比文中提到的幾種典型路由算法優(yōu)越。

4 結(jié) 論
    本算法有效地把糧倉底部大量分布不均的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了很好的路由,實(shí)現(xiàn)了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信路徑規(guī)劃。其創(chuàng)新點(diǎn)是先提出一種分級簇區(qū)域算法,將大量分布不均的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了區(qū)域劃分和級別設(shè)定。然后提出一種基于最小夾角的路由算法,實(shí)現(xiàn)了二級簇區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)問路由和一級簇區(qū)域與二級區(qū)域內(nèi)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)問的路由。由于一級簇區(qū)域負(fù)責(zé)與鄰近二級簇區(qū)域節(jié)點(diǎn)通信,同時(shí)負(fù)責(zé)與整個(gè)網(wǎng)絡(luò)終極節(jié)點(diǎn)通信,所以能耗最大。但是一級簇區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)密度較高,本文采用輪轉(zhuǎn)調(diào)度睡眠機(jī)制,每個(gè)節(jié)點(diǎn)在某時(shí)承擔(dān)目標(biāo)節(jié)點(diǎn),將能耗平衡化,降低了單個(gè)節(jié)點(diǎn)的能耗。

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