基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的污水處理監(jiān)測(cè)研究

楊陽等

摘 要：研究、分析了ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)過程及其路由算法。首先針對(duì)污水水質(zhì)監(jiān)測(cè)這一特殊的應(yīng)用場(chǎng)景，闡述了當(dāng)前實(shí)際工程應(yīng)用的方案及ZigBee網(wǎng)絡(luò)在水質(zhì)監(jiān)測(cè)中的作用；其次根據(jù)污水處理實(shí)際，分析了現(xiàn)有的ZigBee路由算法，然后提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的污水處理路由方法；最后利用NS2仿真軟件對(duì)實(shí)際應(yīng)用中ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)在污水處理的路由機(jī)制作了仿真分析。

關(guān)鍵詞：ZigBee網(wǎng)絡(luò)；路由算法；污水處理；NS2仿真軟件

中圖分類號(hào)：TP277.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.20.011

1 概述

隨著科技的發(fā)展和人們生活水平的提高，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)越來越受到社會(huì)的廣泛關(guān)注。ZigBee作為物聯(lián)網(wǎng)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，存在許多優(yōu)勢(shì)。ZigBee是一種短距離的、基于IEEE802.15.4無線通信標(biāo)準(zhǔn)的無線通訊技術(shù)，具有低價(jià)、低功耗、低復(fù)雜度、低速率、高可靠性等特點(diǎn)。ZigBee被各大通信公司和研究組織認(rèn)為是未來幾年內(nèi)最具潛力的無線通信技術(shù)，并且被廣泛應(yīng)用于工業(yè)傳感控制及其自動(dòng)化技術(shù)等方面。

目前，污水水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法大多采用人工取樣實(shí)驗(yàn)分析或者采用國外的水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)方法。本文基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，分析了無線收發(fā)模塊的路由方法，并結(jié)合現(xiàn)有ZigBee路由改進(jìn)方法，提出一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的污水處理路由方法。然后利用NS2仿真軟件，對(duì)現(xiàn)有的ZigBee網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)和路由過程進(jìn)行了性能仿真分析。

2 污水處理無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 污水無線傳感器監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案圖

首先介紹一種當(dāng)前常用的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)由傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、監(jiān)測(cè)中心和遠(yuǎn)程用戶控制中心組成。圖1中前端的大量無線傳感器節(jié)點(diǎn)分布在污水處理工廠的各個(gè)廠區(qū)，無線傳感器節(jié)點(diǎn)之間通過自組網(wǎng)的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)收集傳輸信息，將需要的信息收集構(gòu)成子站。目前，在大多數(shù)系統(tǒng)中，子站網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的數(shù)據(jù)可相互交換，但是子站間是互不通信的。基本的流程為：無線傳感器節(jié)點(diǎn)從實(shí)際的場(chǎng)

景中收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，然后把收集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)中。匯聚節(jié)點(diǎn)對(duì)收集到的信息融合處理后再發(fā)送到監(jiān)測(cè)中心，遠(yuǎn)程用戶可以在平臺(tái)中集中處理數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行決策，并作出相關(guān)調(diào)節(jié)。

3 ZigBee技術(shù)路由機(jī)制

由ZigBee技術(shù)組成的無線個(gè)人網(wǎng)絡(luò)是一種低速率的網(wǎng)絡(luò)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)有三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即星型、樹型和網(wǎng)狀拓?fù)?。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，將設(shè)備分成兩種不同物理類型的設(shè)備，即全功能設(shè)備（Full Function Device，F(xiàn)FD）和精簡功能設(shè)備（Reduce Function Device，RFD）。將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分為三種，即ZigBee協(xié)調(diào)器（ZC）、ZigBee路由節(jié)點(diǎn)（ZR）和ZigBee終端節(jié)點(diǎn)（ZED）。其中，ZigBee協(xié)調(diào)器和ZigBee路由節(jié)點(diǎn)屬于FFD，ZigBee終端節(jié)點(diǎn)屬于RFD。ZigBee協(xié)調(diào)器在IEEE802.15.4中被稱作“PAN協(xié)調(diào)器”，在無線網(wǎng)絡(luò)中被稱為“匯聚節(jié)點(diǎn)”。一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)只有一個(gè)協(xié)調(diào)器，ZigBee協(xié)調(diào)器必須是FFD。

3.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)路由算法

ZigBee網(wǎng)絡(luò)路由算法是Cluster-Tree路由算法和AODVjr路由算法的混合算法。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)路由算法中，將網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)分成RN+節(jié)點(diǎn)和RN-節(jié)點(diǎn)。RN+節(jié)點(diǎn)有路由發(fā)現(xiàn)功能，可以執(zhí)行AODVjr算法；RN-節(jié)點(diǎn)沒有路由發(fā)現(xiàn)功能，只能執(zhí)行簡單的Cluster-Tree算法。

3.1.1 Cluster-Tree路由算法

Cluster-Tree路由算法在Cluster-Tree協(xié)議中沒有路由表，它只能沿樹簇傳遞信息。在建立網(wǎng)絡(luò)時(shí)，該算法會(huì)通過樹型編址，給每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)地址。當(dāng)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)深度為d、地址為A的FFD節(jié)點(diǎn)收到目的地址為D的分組數(shù)據(jù)時(shí)，首先對(duì)比自身網(wǎng)絡(luò)地址。如果自身為目的節(jié)點(diǎn)，直接回復(fù)。否則，判斷目的節(jié)點(diǎn)是否為自身的后代節(jié)點(diǎn)——如果是，則通過公式確定下一條地址；如果不是，將數(shù)據(jù)傳給A節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)。

3.1.2 AODVjr路由算法

AODVjr路由算法是ZigBee聯(lián)盟在AODV協(xié)議的基礎(chǔ)上，根據(jù)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)對(duì)AODV算法經(jīng)過精簡的一種路由算法。AODV算法，即按需距離矢量路由協(xié)議。顧名思義，它就是一種基于目的節(jié)點(diǎn)地址發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)的過程，從而找到目的節(jié)點(diǎn)的最佳路徑。它對(duì)每條路由添加了唯一的序列號(hào)，避免路由環(huán)路的出現(xiàn)。

AODVjr算法在發(fā)現(xiàn)路由的過程中需要廣播RREQ分組。然而，大多數(shù)RREQ分組是為了發(fā)現(xiàn)目的節(jié)點(diǎn)，最后被丟棄。這就不可避免地造成了能量消耗，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)能量下降。而Cluster-Tree算法由于沒有路由發(fā)現(xiàn)表，就不存在這類消耗，但是在一定的樹簇規(guī)模下，它會(huì)由于尋找路徑而將能量浪費(fèi)在路由跳數(shù)上。綜上所述，兩種路由算法各有優(yōu)勢(shì)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)路由算法結(jié)合了以上兩種路由算法的優(yōu)勢(shì)，具有一定的先進(jìn)性。

3.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)路由改進(jìn)算法

根據(jù)實(shí)際需要，廣大學(xué)者提出了類似于原始分簇協(xié)議的LEACH協(xié)議等分簇路由算法。由于ZigBee自身的組網(wǎng)和地址分配特點(diǎn)，原有的分簇協(xié)議不能被直接應(yīng)用于ZigBee協(xié)議中。現(xiàn)有的ZigBee分簇路由協(xié)議規(guī)定，只有協(xié)調(diào)器和路由節(jié)點(diǎn)能夠擔(dān)任簇首，協(xié)調(diào)器作為第一個(gè)簇首并且發(fā)起組網(wǎng)，限制相鄰簇首間的最大跳出數(shù)不超過2跳。ME-AODV路由算法和ZiCL路由算法是兩種典型的分簇路由算法。

4 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的污水處理路由方法

目前，路由協(xié)議有很多，從原則上來說，要設(shè)計(jì)一個(gè)適合所有場(chǎng)景的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通用路由協(xié)議是不可能的。因此，我們要根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)操作情況，對(duì)現(xiàn)有的路由協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)。本文提出了一種基于ZigBee技術(shù)、基于分簇路由思想，在組網(wǎng)和路由階段類似于ZigBee的改進(jìn)算法——ZiCL算法。根據(jù)ZigBee技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮攸c(diǎn)和組網(wǎng)順序，并結(jié)合污水處理中的具體處理流程，總結(jié)出以下幾點(diǎn)：①各個(gè)節(jié)點(diǎn)分布在水中。由于處理工藝的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)相對(duì)較小，可以認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫庆o態(tài)的。②根據(jù)處理流程，將污水處理分成若干個(gè)分區(qū)。③有節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)和路由過程等多個(gè)因素。本文針對(duì)污水處理的實(shí)際情況，提出了一種基于ZigBee技術(shù)的分簇路由方法。

基于實(shí)際操作的需要，我們?cè)诿總€(gè)分區(qū)中選擇一個(gè)控制器（控制器必須是路由節(jié)點(diǎn)），將這個(gè)控制器和ZigBee協(xié)調(diào)器用電源持續(xù)供電，并且規(guī)定，只有ZigBee和每個(gè)分區(qū)的控制器可以建立分區(qū)簇，這樣就可以避免節(jié)點(diǎn)死亡；對(duì)比一些分簇路由算法，免去了備用網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和簇首的輪換機(jī)制，這樣就減少了其他節(jié)點(diǎn)的能量消耗，提高了網(wǎng)絡(luò)的生存能力。在組網(wǎng)開始時(shí)，ZigBee協(xié)調(diào)器建立第一個(gè)分區(qū)，并且擔(dān)任簇首，同時(shí)廣播。其他各個(gè)分區(qū)控制器建立自己的分區(qū)，各個(gè)簇首根據(jù)簇標(biāo)簽計(jì)算方法為每個(gè)分區(qū)分配一個(gè)簇標(biāo)識(shí)，并提供簇標(biāo)識(shí)的廣播機(jī)制，在分區(qū)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)自動(dòng)加入分區(qū)所在的簇。協(xié)調(diào)器默認(rèn)簇標(biāo)識(shí)為0，簇首設(shè)置完成后，請(qǐng)求加入?yún)f(xié)調(diào)器的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器按照ZigBee的分址方法，將網(wǎng)絡(luò)地址分配給每一個(gè)節(jié)點(diǎn)。每個(gè)分區(qū)的簇首會(huì)定期查詢路由節(jié)點(diǎn)的更新情況，發(fā)現(xiàn)有路由確認(rèn)消息，就更新路由信息廣播，使簇內(nèi)成員共享路由信息。這樣，在數(shù)據(jù)傳播時(shí)，就減少了大量的路由發(fā)現(xiàn)，同時(shí)也提高了網(wǎng)絡(luò)存活率。在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，與ZiCL算法相同，分別建立簇內(nèi)路由和簇間路由，源節(jié)點(diǎn)通過目的節(jié)點(diǎn)的地址計(jì)算出所在分區(qū)的簇標(biāo)識(shí)。如果與源節(jié)點(diǎn)在同一分區(qū)，則采用簇內(nèi)路由，簇內(nèi)路由采用Cluster-Tree路由算法；如果不在同一分區(qū)，則采用簇間路由。簇間路由是源節(jié)點(diǎn)發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)的過程。首先尋找自身的路由表，如果路由表中有目的節(jié)點(diǎn)的地址，則通過路由表中的路徑傳播數(shù)據(jù)；如果無目的節(jié)點(diǎn)的地址，則發(fā)起簇間路由，使用AODV改進(jìn)路由算法將鄰居表轉(zhuǎn)發(fā)，并將簇標(biāo)識(shí)加入到路由協(xié)議，從而發(fā)現(xiàn)目的節(jié)點(diǎn)。在路由發(fā)現(xiàn)的同時(shí)，由于分簇標(biāo)識(shí)代表了簇內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)，這在一定程度上減少了能量消耗。路由協(xié)議流程如圖2所示。

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的污水處理路由協(xié)議是在ZiCL路由的基礎(chǔ)上，將開始分簇階段的簇首固定為有電源供電的分區(qū)控制器節(jié)點(diǎn)。與一般的路由相比，這種路由的穩(wěn)定性更好，同時(shí)不用擔(dān)心簇首會(huì)因?yàn)槟芰坎蛔愣嘶?，簡化了路由協(xié)議。在路由發(fā)現(xiàn)的過程中加入了鄰居表查詢和簇標(biāo)識(shí)查詢，在路由發(fā)現(xiàn)的過程中減少了RREQ的發(fā)送，從另一個(gè)角度來說，減少了能量的消耗，優(yōu)化了路由協(xié)議。

5 仿真分析

利用NS2軟件對(duì)ZigBee的網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行仿真。首先設(shè)定仿真參數(shù)。本文將隨機(jī)數(shù)據(jù)流設(shè)定為5個(gè)和8個(gè)，在平均發(fā)包速率為0.5 packets/s的情況下，對(duì)每個(gè)場(chǎng)景中隨機(jī)產(chǎn)生的10～100個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真分析，并從分組投遞率、平均端到端時(shí)延兩個(gè)方面對(duì)仿真進(jìn)行比較。所有的數(shù)據(jù)都是在網(wǎng)絡(luò)中獨(dú)立運(yùn)行20次得到的平均數(shù)。主要仿真參數(shù)的設(shè)定如表1所示。

結(jié)果分析：仿真最后得到一個(gè)tr文件，通過AWK程序?qū)λM(jìn)行分析，下面是其中的一個(gè)片段：

r 8.411189177 _9_ MAC --- 13 cbr 90 [0 9 7 800] [energy 19.999596 ei 0.000 es 0.000 et 0.000 er 0.000]-------[7：2 9：0 30 9] [1] 1 0

節(jié)點(diǎn)9在8.411 189 177 s時(shí)發(fā)送一個(gè)cbr分組，分組的UID為13，分組長度為36，目的節(jié)點(diǎn)的MAC地址為9，源節(jié)點(diǎn)的MAC地址為0，源節(jié)點(diǎn)的IP地址為7節(jié)點(diǎn)的2號(hào)端口，目的節(jié)點(diǎn)的IP地址為9號(hào)節(jié)點(diǎn)的0端口，分組的TTL值為30.

5.1 分組投遞率

分組投遞率是目的節(jié)點(diǎn)總共接收到的數(shù)據(jù)分組個(gè)數(shù)與源節(jié)點(diǎn)總的數(shù)據(jù)分組發(fā)送之間的比值。分組投遞率是網(wǎng)絡(luò)可靠性的重要指標(biāo)，它反映了數(shù)據(jù)投遞的成功率。數(shù)據(jù)流分別為5個(gè)和8個(gè)時(shí)得到的網(wǎng)絡(luò)分組遞交率狀況如圖3所示。

從圖3中可以看出，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)較少時(shí)，分組遞交率接近100%；而隨著網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，在不同的數(shù)據(jù)分組傳遞過程中，隨著路由跳數(shù)的增加和分組之間的碰撞，一些數(shù)據(jù)分組將會(huì)被丟棄或者失效，導(dǎo)致目的節(jié)點(diǎn)無法接收到數(shù)據(jù)分組，使分組遞交率下降。圖3中，8個(gè)數(shù)據(jù)流有一部分在5個(gè)數(shù)據(jù)流的上方。這是因?yàn)?個(gè)數(shù)據(jù)流中節(jié)點(diǎn)間發(fā)送的數(shù)據(jù)分組增多，雖然一定程度上失效的分組也在增加，但是比率相對(duì)穩(wěn)定。如果節(jié)點(diǎn)增多，那么比率會(huì)下降得更快。

5.2 平均端到端時(shí)延

平均端到端時(shí)延是源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包與目的節(jié)點(diǎn)成功接收數(shù)據(jù)包之間的差值。它反映了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)的效率和網(wǎng)絡(luò)擁塞程度，是評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量的重要參數(shù)。圖4所示為平均端到端時(shí)延狀況。

從圖4中可以看出，隨著節(jié)點(diǎn)的增多，平均端到端時(shí)延越來越大。從ZigBee路由協(xié)議中分析得出，隨著數(shù)據(jù)分組的增多，路由的跳數(shù)也增多，隨之而來的就是網(wǎng)絡(luò)擁擠程度增加，最終導(dǎo)致平均端到端時(shí)延增大。此外，通過其他的仿真可知，平均端到端時(shí)延還與網(wǎng)絡(luò)分布的范圍大小有關(guān)——隨著網(wǎng)絡(luò)范圍的擴(kuò)大，路由距離增加，數(shù)據(jù)分組的丟失率隨之增大，數(shù)據(jù)流的傳輸時(shí)延越來越大。

6 結(jié)束語

在這個(gè)科技飛速發(fā)展的時(shí)代，隨著新技術(shù)的層出不窮和市場(chǎng)發(fā)展空間的拓展，ZigBee技術(shù)被許多組織公司和學(xué)者認(rèn)為是最適合傳感器接入端的短距離無線通訊技術(shù)。對(duì)ZigBee的研究為物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)際應(yīng)用和發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。本文在污水處理無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)架的基礎(chǔ)上，研究、闡述了ZigBee網(wǎng)絡(luò)的路由算法。同時(shí)，研究了ZigBee路由改進(jìn)算法，并在改進(jìn)算法的基礎(chǔ)上提出了一種依據(jù)實(shí)際處理污水的路由方法。通過固定簇首來減少網(wǎng)絡(luò)能量的消耗，可保證網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性；采用簇間和簇內(nèi)路由相結(jié)合的方法可簡化路由發(fā)現(xiàn)的過程，減少了RREQ的發(fā)送，也減少了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的冗余，進(jìn)而提高網(wǎng)絡(luò)的整體性能。最后本文對(duì)現(xiàn)有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用到的ZigBee路由進(jìn)行了仿真，并利用IEEE802.15.4的物理層和MAC層分析了仿真結(jié)果。比較一些網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，剖析路由協(xié)議和仿真結(jié)果，具有一定的實(shí)際意義。

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〔編輯：劉曉芳〕