左是　劉竹林　李禎

摘 要： 以森林環(huán)境監(jiān)測為研究背景，以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)為研究對象，通過分析森林環(huán)境監(jiān)測的特點(diǎn)，應(yīng)用OMNeT++仿真軟件，開展8個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)在重點(diǎn)區(qū)域森林環(huán)境監(jiān)測中的路由協(xié)議仿真研究。仿真結(jié)果與分析設(shè)計(jì)基本一致，該路由協(xié)議可作為該領(lǐng)域應(yīng)用的技術(shù)方案。

關(guān)鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；路由；森林環(huán)境監(jiān)測

中圖分類號： TP212；TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-8153（2018）03-0062-04

我國具有廣袤的森林植被，按生態(tài)學(xué)特征選定的固定樣地就有23萬個(gè)以上，自20世紀(jì)80年代末期相關(guān)機(jī)構(gòu)就利用遙感技術(shù)進(jìn)行地表植被觀測，但遙感觀測受時(shí)令氣候和遙感技術(shù)本身的限制，削弱了對險(xiǎn)情的應(yīng)急響應(yīng)速度和政府宏觀干預(yù)效果，也不利于低成本大范圍推廣。某種程度上，在該領(lǐng)域我國仍依賴于人工值守觀測，從數(shù)據(jù)處理和信息通信角度來看，急需新技術(shù)手段來解決這個(gè)問題。

2000年以來，隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)逐步在各領(lǐng)域開展應(yīng)用，已有國內(nèi)高校利用這一新技術(shù)手段針對森林環(huán)境因子開展環(huán)境監(jiān)測實(shí)驗(yàn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可在感知對象附近以自組織方式組網(wǎng)，通過公用通信網(wǎng)絡(luò)將感知信息傳送到遠(yuǎn)程控制中心，在技術(shù)層面顯著地解決了之前觀測手段的缺陷。研究表明，在當(dāng)前技術(shù)條件下傳感器節(jié)點(diǎn)在硬件上仍然受感知范圍、通信能力、生存周期等方面的限制，同時(shí)還受不同森林環(huán)境特征的影響。因此對節(jié)點(diǎn)之間路由協(xié)議進(jìn)行優(yōu)化，采用“軟手段”，可以緩解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式結(jié)構(gòu)對于節(jié)點(diǎn)硬件性能的依賴。本文將對基于森林環(huán)境監(jiān)測情況下的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行仿真研究。

1 重點(diǎn)區(qū)域森林環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)計(jì)

本著對目標(biāo)監(jiān)測和應(yīng)用開展的需要，本課題明確為重點(diǎn)區(qū)域的實(shí)時(shí)監(jiān)測，不需要節(jié)點(diǎn)具備休眠功能，也不需要通過控制節(jié)點(diǎn)規(guī)模來覆蓋大范圍的區(qū)域。

基于此，筆者有如下思考：

（1）通用網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議十分有限，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通?；谔囟☉?yīng)用目的和場景，沒有普適的路由協(xié)議能夠同時(shí)應(yīng)對多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌?/p>

（2）考慮網(wǎng)絡(luò)生命周期和運(yùn)行成本，單個(gè)節(jié)點(diǎn)的生存時(shí)間直接影響網(wǎng)絡(luò)整體的壽命。因此，減少電能損耗，通過控制節(jié)點(diǎn)跳數(shù)來達(dá)到優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸是路由設(shè)計(jì)需要考慮的；

（3）單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的處理功率低、緩存容量有限，如果節(jié)點(diǎn)在選擇下一跳傳送目標(biāo)時(shí)需要經(jīng)過復(fù)雜運(yùn)算，則會削弱網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。

2 重點(diǎn)區(qū)域森林監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)的路由設(shè)計(jì)與仿真

本課題在OMNeT++（Objective Modular Network Testbed in C++）2軟件下開展仿真，該軟件是一款開源面向?qū)ο蟮碾x散事件網(wǎng)絡(luò)模擬器，具備完善的圖形界面接口和嵌入式仿真內(nèi)核，可以通過定義網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對網(wǎng)絡(luò)仿真進(jìn)行模塊化的編程、調(diào)試和事件跟蹤。

2.1 監(jiān)測情景分析與路由設(shè)計(jì)分析

實(shí)施重點(diǎn)區(qū)域的森林環(huán)境監(jiān)測，意味著監(jiān)測范圍小、網(wǎng)絡(luò)輪轉(zhuǎn)速度快、數(shù)據(jù)更新頻率高，網(wǎng)絡(luò)生命周期等質(zhì)量因素也是不容忽視的。在此前提下，結(jié)合Tic-Toc模型給出以下設(shè)計(jì)方案：

（1）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量明確為8個(gè)。路由設(shè)計(jì)策略是：在“軟層面”動態(tài)生成節(jié)點(diǎn)的傳送目標(biāo)，在傳遞過程中完成對網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的輪詢。如若事先給定路由表，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都會因存儲該路由表帶來緩存的壓力。

（2）根據(jù)當(dāng)前國內(nèi)文獻(xiàn)，8個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)已能覆蓋并控制一定的區(qū)域，為使表述清晰，這些節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)方式和結(jié)構(gòu)將事先明確。

（3）本仿真實(shí)驗(yàn)會考慮在重點(diǎn)區(qū)域監(jiān)測存在高頻運(yùn)行的情況。

2.2 路由協(xié)議的OMNET++仿真

仿真由兩部分組成，一是構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)模型，基于應(yīng)用本身對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行描述；二是定義網(wǎng)絡(luò)行為，使網(wǎng)絡(luò)按路由協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，并記錄數(shù)據(jù)傳遞過程中的“離散事件”以及統(tǒng)計(jì)“路由跳數(shù)”。

2.2.1 構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)模型

在OMNet++軟件中對網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行描述，以完成對網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)模塊的封裝。構(gòu)建過程通過NED語言和圖形化編程完成，該程序文件以“.ned后綴”體現(xiàn)。設(shè)計(jì)流程如圖1所示，流程圖描述了構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)模型的過程，首先定義模型及模型參數(shù)，然后定義網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)，最后對每個(gè)節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)行定義。OMNeT++軟件會在語句編程基礎(chǔ)上得到如圖2所示為圖形化網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)，該圖也可表征節(jié)點(diǎn)之間信息傳遞的準(zhǔn)實(shí)時(shí)狀態(tài)。

2.2.2 路由協(xié)議的C++程序設(shè)計(jì)——定義網(wǎng)絡(luò)模型的行為

通過構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)模型，也就完成在該應(yīng)用場景下對網(wǎng)絡(luò)本身的描述。此后將使用C++語言來定義網(wǎng)絡(luò)模型的行為。該部分在OMNeT++中以“.msg”和 “.cc”為后綴的程序文件體現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)“行為”主要由兩部分組成——確定數(shù)據(jù)包發(fā)送的源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)（并創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)集合），以及激活路由協(xié)議開始數(shù)據(jù)傳遞（包含記錄網(wǎng)絡(luò)中的離散事件）并統(tǒng)計(jì)路由跳數(shù)。流程圖如圖3。

“. msg”程序文件將動態(tài)生產(chǎn)節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，以明確“. cc”程序文件中在數(shù)據(jù)傳遞開始后數(shù)據(jù)傳遞的路徑，數(shù)據(jù)在完成第一次“起始節(jié)點(diǎn)—目標(biāo)節(jié)點(diǎn)”傳送后，程序?qū)⒅貜?fù)上述過程，并激活路由跳數(shù)的計(jì)算，從而判斷仿真結(jié)果是否符合預(yù)期。

2.3 路由的仿真結(jié)果分析

通過OMNeT++對路由協(xié)議進(jìn)行仿真，在仿真運(yùn)行后得到如下結(jié)果。

2.3.1 Sequence Charts圖

據(jù)圖3所示，在仿真開始的1 s 872 ms內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)最初執(zhí)行“tic-0-to-5”，意味著數(shù)據(jù)傳遞從第0號傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)起，傳遞目標(biāo)是第5號傳感器節(jié)點(diǎn)。還可從圖3的橫軸仿真時(shí)間看到節(jié)點(diǎn)之間高頻次的數(shù)據(jù)傳遞。在此網(wǎng)絡(luò)第一次執(zhí)行“起始節(jié)點(diǎn)-目標(biāo)節(jié)點(diǎn)”模式時(shí)，網(wǎng)絡(luò)依次輪詢第7號、第0號、第1號、第2號、第6號、第3號、第4號傳感器節(jié)點(diǎn)，完成數(shù)據(jù)傳遞。隨后網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行“tic-0-to-5”模式，再次對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)完成輪詢。同時(shí)可從圖3的橫軸仿真時(shí)間看到節(jié)點(diǎn)之間高頻次的數(shù)據(jù)傳遞。

讓仿真時(shí)間繼續(xù)，向右拖動Sequence Charts圖，可以清晰地看到網(wǎng)絡(luò)按以下“起始節(jié)點(diǎn)-目標(biāo)節(jié)點(diǎn)”模式運(yùn)行——tic-0-to-5，tic-5-to-0，tic-0-to-1，tic-1-to-4，tic-4-to-5，tic-5-to-3，網(wǎng)絡(luò)按動態(tài)生成的目標(biāo)集合，建立起數(shù)據(jù)傳遞機(jī)制。

結(jié)合森林環(huán)境監(jiān)測的特點(diǎn)，路由依據(jù)算法產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)的傳送目標(biāo)集合，動態(tài)傳送目標(biāo)集合在傳遞過程中給每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配任務(wù)，在運(yùn)行過程中降低了網(wǎng)絡(luò)冗余和節(jié)點(diǎn)負(fù)載，使節(jié)點(diǎn)在有限電能供應(yīng)下提升工作效率，保證了重點(diǎn)區(qū)域森林環(huán)境監(jiān)測高頻次地運(yùn)行。如圖3，在不到1 s的時(shí)間內(nèi)，8個(gè)節(jié)點(diǎn)執(zhí)行完成路由分配的初始化任務(wù)，對于緩存計(jì)算能力有限的節(jié)點(diǎn)，也能在該路由模式下完成預(yù)先設(shè)定的任務(wù)。簡單有效的網(wǎng)絡(luò)路由模式基本達(dá)到了設(shè)計(jì)初衷。

2.3.2 路由跳數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖4 為在95s 900 ms的仿真時(shí)間內(nèi)節(jié)點(diǎn)的平均跳數(shù)。8個(gè)節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)1～16之間波動，其中5個(gè)節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)在9～12，考慮到實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中網(wǎng)絡(luò)可能會出現(xiàn)單個(gè)節(jié)點(diǎn)失去功能，隨機(jī)的跳躍可能會減輕網(wǎng)絡(luò)癱瘓的風(fēng)險(xiǎn)。第1號節(jié)點(diǎn)平均跳數(shù)為1，第5號節(jié)點(diǎn)平均跳數(shù)為16，網(wǎng)絡(luò)需使負(fù)載均衡，以避免特殊節(jié)點(diǎn)過早死亡，但考慮到仿真時(shí)間較短，該路由算法本身不復(fù)雜、對節(jié)點(diǎn)要求不高、網(wǎng)絡(luò)實(shí)施代價(jià)小，恐不足以導(dǎo)致此問題。同時(shí)，可以此確定數(shù)據(jù)傳輸?shù)膕ink節(jié)點(diǎn)，匹配公用網(wǎng)絡(luò)通信功能，向環(huán)境監(jiān)測監(jiān)控中心傳輸數(shù)據(jù)。

3 結(jié)語

基于上述路由技術(shù)的設(shè)計(jì)、仿真和分析，在付諸實(shí)施時(shí)，需按照生態(tài)學(xué)理論確定的觀察標(biāo)志點(diǎn)，布置傳感器節(jié)點(diǎn)（整合傳感器、通信芯片、電池等模塊后，即為傳感器節(jié)點(diǎn)硬件），并按路由協(xié)議組建網(wǎng)絡(luò)以達(dá)到監(jiān)測目的，該路由技術(shù)方案可以作為重點(diǎn)區(qū)域森林環(huán)境監(jiān)測的一種可行嘗試。

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