楊鵑

摘要：為了提高網絡的生存周期和路由質量，本文針對于井下監(jiān)控系統，設計研究了采用分簇式網絡的拓撲結構，將能量均衡和分簇式作為路由節(jié)點選擇的標準，均衡網絡節(jié)點的路由轉發(fā)。本文將監(jiān)控系統劃分了7個工作區(qū)，每個工作區(qū)代表一個無線子網，設計了匯聚節(jié)點的選舉規(guī)則。本系統設計采用的路由規(guī)則能夠實現無線數據的有效傳輸，網絡的生命周期要比未改進前的周期時間長。

關鍵詞：zigbee網絡；路由協議；分簇；GAS 算法；能量均衡

中圖分類號：TP216 文獻標識碼：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)點監(jiān)控系統負責對井下工作環(huán)境的實時參數檢測、人員和機車位置的確定、人員考勤的記錄等，涉及到網絡通信、數據采集、數據處理等多方面的技術。考慮到井下環(huán)境的復雜性和網絡布線的可行性，本文基于zigbee無線通信技術設計和研究了井下監(jiān)控系統。

Zigbee無線通信具有低成本、低速率、低功耗的特點，安裝方便，系統實施比較容易，但網絡節(jié)點的供電方式采用干電池供電的形式，節(jié)點能量有限。傳統的zigbee網絡設計時，匯聚節(jié)點由于轉發(fā)通信的次數較多，功耗較大，本文采用基于分簇式拓撲的網絡結構，均衡系統的節(jié)點的耗電量，提高網絡的生命周期。

1 分簇式拓撲的網絡結構

無線傳感器網絡的拓撲控制主要分為：基于位置的分簇式網絡結構和基于功率控制的網絡結構?；谖恢玫姆执厥剿惴ǎ鶕贫ǖ姆执貦C制，確定簇頭節(jié)點，組建骨干網，實現數據處理和轉發(fā)，其他節(jié)點在無通信的情況下，可進入網絡休眠?；诠β士刂仆ㄟ^調節(jié)網絡節(jié)點的發(fā)射功率，在滿足網絡聯通的前提下，均衡網絡節(jié)點單跳鄰居數目[1]。

分簇式拓撲的網絡結構適合于系統規(guī)模較大的場合，通過對系統分簇式的劃分，可通過簇頭節(jié)點實現部分數據處理，減少了數據通信的次數[2]；路由信息無需成員節(jié)點維護，減少了路由控制信息的數量，延長了網絡壽命[3]。比較有代表性的算法是GAS、LEACH和TEEN算法等算法。

GAS算法將網絡區(qū)域劃分為多個網格，網格內的網絡節(jié)點根據簇頭機制選用簇頭節(jié)點，由簇頭節(jié)點實現數據包轉發(fā)工作，其他節(jié)點處于休眠模式。該算法的實施需已知節(jié)點的地理位置，不適用于室外隨機節(jié)點的監(jiān)控操作。

LEACH算法通過選舉的方法選用隨機數小于門限值的節(jié)點作為簇頭，新簇頭廣播通告網絡節(jié)點自己的網絡信息，普通節(jié)點根據接收到的信號強度選擇所屬的簇頭。該算法通過隨機數的大小確定簇頭的數量，容易導致簇頭分布不均勻，網絡功耗不均衡，只能適用于規(guī)模較小的網絡。

TEEN算法基于LEACH算法演變而來，算法中設定軟門限和硬門限。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。該算法的缺點在于沒有提出有效的分簇方法，當傳輸數據的屬性值低于門限值，則網絡節(jié)點不會發(fā)送數據，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)點的地理位置，將網絡劃分成為n個虛擬網格，網格內的節(jié)點定義為等價節(jié)點，相鄰的網格間可實現節(jié)點通信，在網格內選用一個節(jié)點作為活動節(jié)點（簇頭節(jié)點），其余節(jié)點設定為休眠模式，活動節(jié)點實現路由轉發(fā)的功能。虛擬網格的劃分如圖1所示。網格間的邊長設定[4]為，其中R為節(jié)點間的通信距離。

活動節(jié)點和虛擬網格的劃分影響著網絡能耗，當活動節(jié)點位于網格的中間位置時，其接收本網絡內其他節(jié)點數據消耗的能量最少[5]，虛擬網格劃分為六邊形的結構要在網絡的能耗和連通方面性能更加優(yōu)越[6]。

2.2 數據包的定義

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

2.3 分簇式算法的設定

考慮到簇頭選擇的復雜程度和能量均衡，本文的分簇式算法在GAS算法的基礎上，按照如下方法進行。

1）虛擬網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)點的能量大小，權值各自設定為0.5，從而均衡網絡節(jié)點的消耗。

2.4 簇頭選舉過程

簇頭節(jié)點主要負責路由轉發(fā)的功能，網絡節(jié)點處于活動狀態(tài)，普通節(jié)點通常處于休眠狀態(tài)，只有當系統發(fā)送命令或是遇到緊急情況時，普通節(jié)點轉為活動狀態(tài)。普通節(jié)點通過簇頭節(jié)點間的多跳實現數據傳輸，區(qū)域網格的普通節(jié)點與簇頭節(jié)點直接通信，

1） 初始化設置網絡的地理位置信息，包括網絡節(jié)點位置，區(qū)域網格的劃分，區(qū)域中心點的位置等信息。

2） 確定節(jié)點所屬的區(qū)域網格，計算與區(qū)域中心點的距離值

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

4） 計算簇頭節(jié)點的概率值。

5）選用概率值最大的網絡節(jié)點作為虛擬網格的簇頭節(jié)點，其他節(jié)點設定為休眠格式。當簇頭節(jié)點失效或是達到網絡更新時間，重新選定簇頭節(jié)點。

3 井下監(jiān)控系統

3.1網絡規(guī)劃

井下監(jiān)控系統覆蓋范圍比較大，工作區(qū)域的劃分成不規(guī)則的幾何形狀，作業(yè)的環(huán)境根據開采的進度隨時出現變動，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)設計一個zigbee無線網絡，系統共有7個子網。在這7個子網間，劃分系統分簇拓撲的虛擬網格，選擇簇頭作為區(qū)域網絡的路由轉發(fā)節(jié)點，管理虛擬網格的數據通信。

系統網絡的拓撲結構圖如圖3所示。匯聚節(jié)點的主要功能是起到中繼轉發(fā)，延長信號傳輸的距離。每個子網都設置一個網關節(jié)點，主要負責網絡的組建和子網間的通信，實現本工作區(qū)的網絡節(jié)點和外網之間的數據通信。

3.2 匯聚節(jié)點的選擇

匯聚節(jié)點在網絡中主要是為了延長網絡傳輸的距離，中繼轉發(fā)的次數越多，耗電量越大，為了能夠均衡網絡的開銷，延長生命周期，本文的匯聚節(jié)點選擇按照如下的方式進行設定。

1）以網關節(jié)點作為網絡的初始，判定網關節(jié)點下網絡通信節(jié)點能量值最多的兩個節(jié)點分別為匯聚節(jié)點和備用匯聚節(jié)點。

2）以匯聚節(jié)點為中心通信半徑范圍內，當匯聚節(jié)點下子節(jié)點的數量超過了系統設定的數量，由匯聚節(jié)點查找簇內通信半徑直連范圍內，除備用匯聚節(jié)點外的能量最多的兩個節(jié)點作為新的匯聚節(jié)點和備用匯聚節(jié)點，由該匯聚節(jié)點組建子網，完成網絡的分簇過程。

3）當簇內節(jié)點的數量少于設定閾值時，簇內節(jié)點自動查找鄰近的簇首加入，實現簇的合并。

4）處于簇間交界的網絡節(jié)點，根據從簇首發(fā)送的RSSI的信號強度，決定加入哪個簇。

4仿真驗證

為了驗證本路由協議的有效性，本文采用matlab軟件，仿真環(huán)境設置如表2所示。驗證中，假定，當節(jié)點剩余能量低于初始能量5%，即認定節(jié)點死亡。當網絡中死亡節(jié)點數大于50%，網絡結束。

1）節(jié)點能量消耗

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

2）節(jié)點剩余能量均方差

節(jié)點剩余能量均方差體現的是節(jié)點間剩余能量是否均衡的問題，為驗證能量均衡的問題，網絡進行200輪測試循環(huán)后，判定區(qū)域網格節(jié)點的平均方差，仿真結果如圖5所示。節(jié)點剩余的能量均方差的值明顯小于傳統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)點與區(qū)域網格中心位置的距離外，還將剩余能量作為考慮的因素，避免了部分網絡節(jié)點過早死亡，起到了均衡能量的作用。

3）網絡的生存時間

以網絡轉發(fā)輪數為單位，GAS算法和本文采用的路由協議算法的網絡生存時間通過網絡測試發(fā)現，GAS算法的網絡生存時間為760輪，本路由協議的網絡生存時間為875輪，本算法的網絡生存周期要比傳統GAS算法長。分析網絡路由的轉換機制，在網絡生命周期驗證的初期，網絡節(jié)點的剩余能量值較大，網絡節(jié)點正常工作。隨著時間的增加，處于路由轉發(fā)功能的網絡節(jié)點能量消耗較大，GAS算法未考慮能量問題，因而導致部分網絡節(jié)點過早死亡，降低了網絡的生存時間。而本文提出的算法中，在sink節(jié)點和路由節(jié)點方面據考慮了能量因素，因而網絡時間相對較長。

5 結束語

本文采用zigbee無線通信網絡作為井下網絡傳輸的通信方式，節(jié)點定位、路由協議以及能量均衡方面現已成為研究的重點內容之一，本文基于井下監(jiān)控系統，設計研究了分簇式網絡路由協議，該協議以能量均衡和優(yōu)化路由為目的，根據井下的工作區(qū)的劃分，將網絡劃分成多個子網，子網內部實施匯聚節(jié)點路由的選舉和區(qū)域網格路由的確定，路由節(jié)點的設定考慮了節(jié)點剩余能量的問題，進一步提高網絡的性能，延長網絡的生命周期。

參考文獻：

[1] 胡曉輝，李欣，呂登峰.“雨點”式無線傳感器網絡分簇算法[J].計算機工程與應用， 2009， 45（3）：116-120.

[2]張璽棟，康桂霞，等.基于博弈的大規(guī)模無線傳感器網絡分簇算法[J].電子與信息學報， 2011， 33（10）：2516-2520.

[3]Younis O， Krunz M， Ramasubramanian S. Node clustering in wireless sensor networks： recent developments and deployment challenges [J]. IEEE Network， 2006， 20（3）： 20-25.

[4] 孫德川，王建平，陳偉，等.一種無線傳感器網絡改進GAF算法的設計[J].微電子學與計算機， 2014， 31（9）：147-151.

[5] Heinzelman W R， Chandrakasan A. ENERGY-Efficient Communication Protocol for Wireless Microsensor Networks [C]. System Sciences， Proceedings of the 33rd Annual Hawaii International Conference on， 2000.

[6] Handy M J， Haase M， Timmermann D. Low Energy Adaptive Cluster Hierarchy with Deterministic Cluster-Head Selection [C]. Mobile and Wireless Communications Network， 4th International Workshop on. 2002.