楊友良， 王 超， 馬翠紅

(華北理工大學電氣工程學院,河北 唐山 063009)

父親樹路由協(xié)議與加權數(shù)據(jù)融合的大棚應用

楊友良， 王 超， 馬翠紅

(華北理工大學電氣工程學院,河北 唐山 063009)

無線傳感器網絡對于環(huán)境數(shù)據(jù)采集和控制有著自身的優(yōu)越性。在農業(yè)大棚的應用上，由于溫室大棚形狀狹長的特點，易引起網絡節(jié)點剩余能量的不均衡，與電池的統(tǒng)一更換相矛盾。為了解決電池統(tǒng)一更換的問題，在通信協(xié)議方面運用了成簇算法與ADOVjr算法相結合的父親樹協(xié)議，通過建立中間簇頭節(jié)點組織終端節(jié)點而形成數(shù)據(jù)傳輸網絡，在簇頭節(jié)點中加入了基于信任度函數(shù)的加權平均值遞推的方法，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)融合。在Matlab試驗平臺上的仿真結果表明，該設計能夠有效提高網絡節(jié)點剩余能耗的均衡性、消除失效節(jié)點引起的誤差。該設計運用通信協(xié)議改良和新數(shù)據(jù)融合的方法，并在此基礎上運用網關、服務器等最新的技術成果，使得物聯(lián)網(IOT)溫室大棚具有遠程操作和管理的能力，提升了溫室大棚的實用價值。

物聯(lián)網； 無線傳感器網絡； 通信協(xié)議； 父親樹； 數(shù)據(jù)融合； 算法； 控制； 服務器

0 引言

物聯(lián)網被預測為繼互聯(lián)網之后的又一個科技革命，而無線傳感器網絡(wireless sensor networks,WSNs)是互聯(lián)網拓展到物體的重要鏈接，是物理信息與信息世界的橋梁。在物聯(lián)網農業(yè)大棚的應用中，由于大棚具有形狀狹長的特點，使用以往的算法容易在均衡性方面有所不足。例如在需要統(tǒng)一更換電池時，會因均衡性差而導致電源浪費。因此，能耗均衡性已成為WSNs不能忽略的問題。

現(xiàn)階段的WSNs研究，已在降低通信能耗方面取得突破。在分層路由中提出了數(shù)十種基于不同數(shù)學模型的算法流程，改善了WSNs的生命周期[1]。

本文在運用綜合成簇算法保障WSNs生命周期的同時，重點在提高均衡性的領域展開研究，將父親樹路由協(xié)議和加權遞推數(shù)據(jù)融合技術運用到WSNs中，并通過仿真驗證了方案的可行性。

1 WSNs簡介

WSNs是為了感知、采集、處理和傳輸網絡覆蓋地域內被感知對象的信息，由大量靜止或移動的微型傳感器節(jié)點以自組多跳的網絡方式構成的網絡應用系統(tǒng)。其最終把這些信息發(fā)送給互聯(lián)網[2]。WSNs數(shù)據(jù)流結構如圖1所示。

圖1 WSNs數(shù)據(jù)流結構圖

WSNs是軍方最先提出并使用的技術，隨著科技的發(fā)展，該技術已經應用到環(huán)境監(jiān)測、交通管理和反恐抗災等眾多領域，可以完成傳統(tǒng)系統(tǒng)無法完成的任務。

2 WSNs網絡通信協(xié)議

一般而言，溫室大棚既要監(jiān)測環(huán)境數(shù)據(jù)，又要控制風機、灌水等設備的運行以控制環(huán)境數(shù)據(jù)。因此，使用ZigBee協(xié)議棧能更好地實現(xiàn)監(jiān)測和控制的功能。在經典ZigBee網絡模型中，一個ZigBee網絡由一個協(xié)調器、多個路由器和多個終端設備組成。一般情況下，終端設備之間不能進行通信(一般終端節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)后斷電)，只能向上傳輸給路由節(jié)點(最多連接255個節(jié)點)，路由節(jié)點之間能進行通信(路由節(jié)點根據(jù)ZigBee協(xié)議不能休眠)，且路由節(jié)點向上傳輸?shù)絽f(xié)調器(最多容納65 535個節(jié)點)。

在ZigBee 網絡中，經典的ADOVjr 算法不再適用于大規(guī)模的環(huán)境監(jiān)測，分簇算法更適合在節(jié)能、高效的環(huán)境監(jiān)測任務中使用。在分簇算法中，所有節(jié)點都為完整功能設備(full function device,FFD)。FFD集路由數(shù)據(jù)與采集數(shù)據(jù)功能于一體，并且可以隨意選用FFD為控制節(jié)點，向控制器傳輸控制數(shù)據(jù)。其中，協(xié)調器節(jié)點負責網絡中其他所有節(jié)點的數(shù)據(jù)采集。 ZigBee 協(xié)調器在指定的信道上創(chuàng)建網絡，并統(tǒng)籌網絡地址的分配。它與 PC 機相連，處理網絡中各設備采集的數(shù)據(jù)；除基站外，所有設備初始能量都相同且由電池供電[3]。

2.1 綜合的分簇簇頭形成機制

為了統(tǒng)一更換電池，在分簇算法性能指標中的網絡能量均衡是本次研究的重點。綜合簇內節(jié)點數(shù)目、節(jié)點距離和剩余能量的情況選出的簇頭節(jié)點，更符合本次研究的目的。

2.2 路由算法的父親樹路由協(xié)議

在分簇階段簇頭的形成過程中，節(jié)點如果能夠加入到其簇頭形成的簇中，則一定能將其監(jiān)測到的數(shù)據(jù)發(fā)送到簇頭中。所以，在確定簇頭后，其他節(jié)點加入簇頭，基站節(jié)點建立路由表。但是如果簇頭所在簇中，簇頭能夠立即將數(shù)據(jù)包傳遞給剛入網的終端節(jié)點，則無需執(zhí)行路由發(fā)現(xiàn)過程。其弊端是：當加入的節(jié)點太多時，會形成信道堵塞和非均勻流量分配。因此，必須在簇內建立一套加入最優(yōu)簇頭的機制[4]。

在簇內，以簇頭為中心，建立一套路由分配地址的體系，使節(jié)點加入由高效簇頭所形成的簇中。

①基站節(jié)點根據(jù)自己的鄰居列表，在距離較近的鄰居集合節(jié)點中選取中間節(jié)點。根據(jù)上述綜合算法，在中間節(jié)點中選擇簇頭并向它們發(fā)送簇建立消息，將這些中間節(jié)點的路由深度設置為Di=1。

②這些中間節(jié)點在各自的鄰居集合中，選擇加入中間節(jié)點上層簇頭節(jié)點所建立的簇，再發(fā)送給鄰居建立消息。

③從鄰居節(jié)點中選取中間節(jié)點的過程與在中間節(jié)點中選取簇內節(jié)點的過程相同。但是，如果中間節(jié)點的鄰居中已有簇頭，則丟棄此節(jié)點，繼續(xù)尋找別的節(jié)點。根據(jù)節(jié)點的連通性和能量值，如沒有合適的節(jié)點，則此簇頭選擇路徑將終止；如有合適的節(jié)點，則將此節(jié)點標志為簇頭，并將節(jié)點號反饋給相應的中間節(jié)點，將中間節(jié)點建立數(shù)據(jù)包中的路由深度數(shù)設為Dk=Di+1，即為本節(jié)點的路由深度數(shù)[5]。

④不斷重復步驟①～③，直到完成整個父親樹結構的建立。父親樹形成如圖2所示。

圖2 父親樹形成示意圖

分簇路由算法與基于需求的表驅動路由(即ADOVjr路由算法相結合)的方法有助于縮短消息的傳輸延遲時間。不同的設備采用這兩種不同的路由算法，使網絡性能得到很大的提高。但是，這兩種算法與經典的路由算法相比，需要更大的內存空間來存儲路由信息表，同時還會導致更高的成本；和其他大多數(shù)基于需求的路由算法一樣，路由發(fā)現(xiàn)過程的執(zhí)行還會引起較高的路由初始化延遲[6]。

2.3 簇頭數(shù)據(jù)的融合處理

對于傳感節(jié)點而言，傳輸所用的能量遠遠大于計算所需要的能量。因此，在簇頭進行數(shù)據(jù)融合，對減少能耗和均衡節(jié)點能量有很重要的作用。對于當選簇頭，可采用數(shù)據(jù)融合處理來降低數(shù)據(jù)冗余，綜合物聯(lián)網在大棚中以固定的頻率采集溫室大棚的數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)具有時間和空間相關性[7]。

(1)由于節(jié)點監(jiān)測的數(shù)據(jù)可能存在異常，因此首先要通過分布圖法淘汰離異數(shù)據(jù)，即對所得數(shù)據(jù)進行排序，得到上限值Xmax、下限值Xmin、中值Xmid、上四分位數(shù)Xu4和下四分位數(shù)Xd4。當|Xi-Xmid|>2(Xu4-Xd4)時，舍棄此值。

(2)通過加權平均值，遞推出數(shù)據(jù)融合后的數(shù)據(jù)，節(jié)點位置分布可根據(jù)協(xié)議中的路由深度間接得到，即節(jié)點分布在大棚兩側的節(jié)點，路由深度分布也在其兩側，權值小于1，且路由深度分布越偏則權值越??；在大棚中間的節(jié)點，路由深度也分布在中間，權值大于1，且越分布在中間的權值越大，并且總的權值之和等于節(jié)點數(shù)量之和。

(1)

(2)

④將式(1)代入式(2)，得：

(3)

通過上述基于加權的分批估計方法，在簇頭即可完成數(shù)據(jù)融合，進而減少數(shù)據(jù)通信量。

3 網關對WSNs網絡通信的支持

物聯(lián)網現(xiàn)在面臨的主要問題是傳輸數(shù)據(jù)的設備與協(xié)議的不一致，以及不同系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)結構和類型的不一致。因此，除了制定統(tǒng)一標準以外，網關是目前傳感網與互聯(lián)網的重要連接設備。

在無線傳感網與網關的連接中，串口是連接協(xié)調器與網關的橋梁。當信息從其他參考節(jié)點發(fā)送到基站時，基站會將數(shù)據(jù)和控制信息發(fā)送到ZigBee的應用層。應用層通過調用串口API發(fā)送到網關,網絡協(xié)議根據(jù)內部機制將該數(shù)據(jù)轉換成TCP協(xié)議可以接收的數(shù)據(jù)，再發(fā)送到互聯(lián)網。

在設計中，使用的網關為操作系統(tǒng)Coniiki。它是基于事件驅動的嵌入式操作系統(tǒng)，具有功耗低、效率高和靈活性強等特點,完全適合無線傳感器網絡硬件平臺本身的特點。網關的通信協(xié)議XMPP是一個開放式的XML協(xié)議,用于準實時消息和出席信息以及請求-響應服務。

4 服務器和用戶界面

因為有服務器作為支撐，所以系統(tǒng)具有更好的拓展性，可接入云專家指導系統(tǒng)、天氣預報系統(tǒng)等。大棚要日夜進行環(huán)境監(jiān)控，而工業(yè)機的可靠性遠低于服務器。服務器需要包含物聯(lián)網技術的方方面面，是整個系統(tǒng)的核心，服務器性能的優(yōu)越性滿足物聯(lián)網的要求。

雖然運用C/S模式，客戶端響應速度很快，但隨著我國網絡帶寬的提升和服務器性能的提高，其仍不足以應付運行負荷。因為B/S模型可以將系統(tǒng)功能的核心部分集成到服務器上，不需要安裝任何專門軟件，可以減少后期維護費用，所以B/S模式具有更高的實用性和安全性。此外，隨著移動設備的升級，手機逐漸成為工業(yè)和生活的主流。對于用戶手機遠程查看的需求，B/S模式更加快捷方便[8-9]。

5 試驗仿真

為驗證此算法的可行性,運用Matlab7.0平臺進行試驗。試驗初期，簡化本文提出的算法，設置了20個ZigBee節(jié)點并將其隨機分布到仿真環(huán)境中；再利用上位機觀察環(huán)境數(shù)據(jù)，對比可知，該數(shù)據(jù)與實測溫度值基本一致。一個月后，觀測節(jié)點的剩余能量并與LEACH算法作比較，仿真對比曲線如圖3所示。

圖3 仿真對比曲線

6 結束語

通過仿真結果可以看出，本文設計的分簇模式與LEACH算法相比，雖然節(jié)點能耗較高、生命周期短，但均衡性更強，能更好地解決本文設計之初提出的更換電池問題。此外，由于傳統(tǒng)的ADOVjr協(xié)議具有網絡的性能優(yōu)勢，因此綜合后的協(xié)議比單純的分簇算法更具網絡連通性能優(yōu)勢。目前，隨著小型太陽能發(fā)電器性能的逐步優(yōu)化，WSNs的能量問題將得到極大程度的改善，從而更快地推動物聯(lián)網農業(yè)的發(fā)展[10]。

[1] 謝川.基于ZigBee的AODVjr算法研究[J].計算機工程,2011(10):87-89.

[2] AKKAYA K,YOUNIS M.A Survey on routing protocols for wireless sensor networks[J].Ad Hoc Networks,2005,3(3): 325-349.

[3] 黃丹.無線傳感器網絡分簇路由協(xié)議研究[D].大連：大連海事大學,2013.

[4] 張磊.一個新的基于能量和距離的無線傳感器網絡協(xié)議[D].濟南：山東大學,2008.

[5] CHAKERES I D,KLEIN B L.AODVjr,Aodv simplified[J].Acm Sigmobile Mobile Couputing & Commumcations Review,2002,6(3):100-101.

[6] 高井峰.基于ZigBee的路由節(jié)點的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學,2009.

[7] 陳曉曙,李霞.一種高效的 Ad Hoc 網絡 AODV 改進路由協(xié)議[J].東南大學學報(自然科學版),2003，33(2):4.

[8] 初洪龍.基于物聯(lián)網的智能農業(yè)大棚的研究與實現(xiàn)[D].大連：大連理工大學,2014.

[9] 邢銘生.基于物聯(lián)網網關的研究及實現(xiàn)[D].鄭州：鄭州大學,2010.

[10]蔡振江,康健一,張青.數(shù)據(jù)融合技術在溫室溫度檢測中的應用[J].農業(yè)機械學報,2006(10):101-103.

Application of the Father Tree Routing Protocol and Weighted Data Fusion for Greenhouse

YANG Youliang,WANG Chao,MA Cuihong

(College of Electrical Engineering,North China University of Science and Technology,Tangshan 063009,China)

Wireless sensor networks have their own superiority for environmental data acquisition and control.In the application of agricultural greenhouse, due to the long but narrow layout characteristics of the greenhouse, imbalance of the residual energy of network may occur easily, which is conflict with the unified replacement of batteries. In order to solve this problem, for communication protocol, the father tree protocol based on the combination of integrated clustering algorithm and ADOVjr algorithm is adopted; and the data transmission network is formed through establishing the middle cluster head node to organize terminal nodes. In cluster head node, the method of weighted average recursion based on trust function is added, to implement data fusion. The results of simulation carried out on the Matlab experimental platform show that the network can effectively improve the residual energy balance of node and eliminate the errors caused by node failure.The design adopts the improved communication protocol and new method of data fusion; on this basis, the latest technological achievements of gateway and server are employed; this makes the IOT temperature controlled greenhouse has the capability of remote operation and management, and offer higher practical value.

Internet of things; Wireless sensor networks; Communication protocol； Father tree; Data fusion; Algorithm; Control; Server

資金項目:國家自然科學基金資助項目(61271402)

楊友良(1961—)，男，碩士，教授，主要從事控制科學與工程和儀器科學與技術學科的教學、科研與工程應用。E-mail：wch905@163.com。

TH6;TP274+.2

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201702015

修改稿收到日期：2016-06-13