基于WSN的防火裝置路由協(xié)議的設(shè)計(jì)

程陽(yáng)

摘 要：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量資源有限，能耗的降低對(duì)網(wǎng)絡(luò)壽命產(chǎn)生著至關(guān)重要的影響。文章在介紹無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)基本概念的基礎(chǔ)上，針對(duì)防火網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，對(duì)經(jīng)典路由協(xié)議原理進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，并在此基礎(chǔ)上對(duì)經(jīng)典的LEACH算法進(jìn)行了改進(jìn)，然后將改進(jìn)后的算法與原來(lái)算法用Matlab進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果顯示，改進(jìn)后的算法可有效均衡網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；路由協(xié)議；算法改進(jìn)；LEACH算法

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2016）04-0-02

0 引 言

火災(zāi)是威脅人類安全的重要災(zāi)害之一，屬于人員密集型場(chǎng)所的學(xué)校是學(xué)生的聚集地點(diǎn)，如果滾滾濃煙和熊熊烈焰發(fā)生在我們美麗的校園時(shí)，那將是十分危險(xiǎn)的狀況。學(xué)生宿舍是校園內(nèi)最容易引發(fā)火災(zāi)的地方，因而預(yù)防學(xué)生宿舍發(fā)生火災(zāi)是防火工作的重點(diǎn)。針對(duì)此種危害巨大的事件設(shè)計(jì)出一種基于無(wú)線傳感器的防火網(wǎng)絡(luò)。

1 相關(guān)內(nèi)容

1.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）是由大量廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，通過(guò)多跳方式自組織成一個(gè)無(wú)線通信的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，各節(jié)點(diǎn)之間協(xié)作地感知、收集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并將此信息加以融合后發(fā)送給觀察者。WSN節(jié)點(diǎn)的布署具有快速展開(kāi)，抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)，不依賴于其他預(yù)設(shè)的軟、硬件設(shè)施。并且無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用之廣泛已經(jīng)涉及到各個(gè)領(lǐng)域，包括軍事、交通、工業(yè)、環(huán)保等眾多方面。

1.2 無(wú)線傳感器防火網(wǎng)絡(luò)

基于無(wú)線傳感器的防火網(wǎng)絡(luò)由一定數(shù)目的傳感器節(jié)點(diǎn)以無(wú)線自組織的方式形成。依次分為節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控中心以及終端的層次結(jié)構(gòu)。傳感器節(jié)點(diǎn)具有對(duì)數(shù)據(jù)處理和對(duì)信息進(jìn)行通信的能力，各傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)搜集周?chē)鷧^(qū)域的各種信息，進(jìn)而將數(shù)據(jù)通過(guò)多跳的無(wú)線通信方式傳向匯聚節(jié)點(diǎn)。針對(duì)于學(xué)生宿舍無(wú)線傳感器的防火網(wǎng)絡(luò)是將傳感器節(jié)點(diǎn)部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域即住宿區(qū)域范圍內(nèi)，以物理位置的遠(yuǎn)近為依據(jù)自組織成簇，當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到周?chē)h(huán)境空氣中的溫濕度變化以及煙霧的比例如果超出設(shè)定的閾值，則傳感器向匯聚節(jié)點(diǎn)（監(jiān)控室）發(fā)送所采集到的異樣數(shù)據(jù)，此時(shí)監(jiān)控室便會(huì)發(fā)出類似警報(bào)等的通知信號(hào)從而達(dá)到防火及快速救火的目的。在此過(guò)程中，終端節(jié)點(diǎn)如何在耗能較小的情況下將檢測(cè)到的信息傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)將是本文研究的重點(diǎn)[1]。

2 適用于無(wú)線傳感器的防火網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議

在防火網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究中我們?nèi)砸詿o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)經(jīng)典的分簇路由協(xié)議LEACH算法為基礎(chǔ)。LEACH是一種典型的自適應(yīng)分簇路由協(xié)議。LEACH中首次定義了一種概念“輪”，每一輪由兩個(gè)階段組成，即簇的建立及穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通信 [2]。在簇建立階段，處于傳感器網(wǎng)絡(luò)中鄰近區(qū)域的節(jié)點(diǎn)通過(guò)動(dòng)態(tài)的方式形成簇，并且以隨機(jī)的方式產(chǎn)生出簇頭；在數(shù)據(jù)通信階段，各簇區(qū)域內(nèi)部的節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給簇頭，而各簇頭對(duì)接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理后將所得結(jié)果再傳輸給匯聚節(jié)點(diǎn)。為了延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)間保持傳感器節(jié)點(diǎn)間能量的均衡消耗，按照輪周期性的隨機(jī)選舉策略選舉簇頭，每一輪簇頭選舉的方法為：編號(hào)為n的節(jié)點(diǎn)隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)處于[0，1]之間的數(shù)，如果這個(gè)數(shù)小于已經(jīng)設(shè)置的閾值T（n），那么此節(jié)點(diǎn)將成為本輪工作的簇頭。T（n）的計(jì)算公式如下：

公式（1）中，r為當(dāng)前的運(yùn)行輪數(shù)，p為網(wǎng)絡(luò)中選出的簇頭數(shù)占節(jié)點(diǎn)總數(shù)的比例，G為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的前1/p輪沒(méi)有承擔(dān)過(guò)簇頭的節(jié)點(diǎn)集合。當(dāng)節(jié)點(diǎn)被選舉為簇頭后，便廣播一個(gè)聲明自己成為新簇頭的消息，而未當(dāng)選為簇頭的節(jié)點(diǎn)則根據(jù)接收到消息信號(hào)的強(qiáng)弱程度決定加入的簇，并發(fā)消息給該簇頭。各簇頭與其簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)CSMS＼MAC協(xié)議通信，簇頭使用TDMA方式為自己簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)分配不同的時(shí)隙進(jìn)行通信，簇內(nèi)普通節(jié)點(diǎn)只與簇頭通信只能在自己的時(shí)隙內(nèi)進(jìn)行，除此時(shí)隙之外節(jié)點(diǎn)的通信模塊將休眠，從而使得節(jié)點(diǎn)的能耗盡可能最小化[3]。此種方式的優(yōu)點(diǎn)在于網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)可以等概率擔(dān)任簇頭，從而保持網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)能量消耗的相對(duì)均衡，延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行時(shí)間。其缺點(diǎn)有以下兩點(diǎn)：

（1）LEACH算法各簇頭使用單跳方式向匯聚節(jié)點(diǎn)傳輸信息，其能耗的不均衡性導(dǎo)致該算法不適合大規(guī)模的工作網(wǎng)絡(luò)；

（2）存在動(dòng)態(tài)分簇導(dǎo)致簇頭頻繁變換和大量廣播當(dāng)選簇頭的消息等這樣的額外開(kāi)銷(xiāo)。

3 對(duì)相關(guān)路由協(xié)議的改進(jìn)

4 對(duì)改進(jìn)算法的仿真

4.1 仿真實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景設(shè)置

仿真過(guò)程中的使用參數(shù)：網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)N=100；正方形仿真場(chǎng)景的邊長(zhǎng)M=100；各仿真節(jié)點(diǎn)初始能量E0=2×109；無(wú)線通信模型中的幾個(gè)重要參數(shù)分別設(shè)置為Efs=10，Eelec=50×103和Eamp=0.001 3；簇頭節(jié)點(diǎn)對(duì)單位數(shù)據(jù)融合所消耗的能量EDA=5×103；相對(duì)于正方形場(chǎng)景基站位置的坐標(biāo)p=[50，175]。

4.2 仿真結(jié)果與分析

首先在邊長(zhǎng)為100的正方形仿真場(chǎng)景內(nèi)以隨機(jī)方式部署100個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)。在以上仿真場(chǎng)景下，未改進(jìn)的算法與改進(jìn)后的算法其每一輪的能量消耗如圖1所示。

從圖1可以看出，本文改進(jìn)后的算法在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中第一個(gè)節(jié)點(diǎn)能量消耗盡時(shí)，其網(wǎng)絡(luò)總能量明顯小于相同情況下的LEACH原算法的能耗，即改進(jìn)后的算法能夠相對(duì)均衡網(wǎng)絡(luò)中的能耗。

從上圖仿真結(jié)果可以看到改進(jìn)后的算法在延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期、均衡網(wǎng)絡(luò)能耗等各方面均比原算法優(yōu)越。原算法在選取簇頭時(shí)隨機(jī)因素比較大，每輪的簇頭選取中原算法均按照網(wǎng)絡(luò)前期運(yùn)行中的節(jié)點(diǎn)是否當(dāng)選過(guò)簇頭作為唯一的選擇條件，并不考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量及節(jié)點(diǎn)間的能量差異，這種選舉簇頭的方式會(huì)導(dǎo)致部分能量低的節(jié)點(diǎn)被選作簇頭從而嚴(yán)重加快這些節(jié)點(diǎn)的能量消耗速度。而本文改進(jìn)后的算法比較全面的考慮了一個(gè)重要因素——各個(gè)節(jié)點(diǎn)的剩余能量水平，即網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中會(huì)盡量選擇剩余能量較多的節(jié)點(diǎn)來(lái)充當(dāng)簇頭，并且保證當(dāng)選簇頭的節(jié)點(diǎn)其剩余能量要大于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)平均能量水平。

5 結(jié) 語(yǔ)

未來(lái)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議除了能夠高效地利用節(jié)點(diǎn)的有限資源，保證網(wǎng)絡(luò)的安全路由能力和各傳感器節(jié)點(diǎn)之間很好地協(xié)作之外，還應(yīng)該能夠支持網(wǎng)絡(luò)的一些個(gè)性需求。例如基于無(wú)線傳感器的防火裝置采用的路由協(xié)議應(yīng)保證網(wǎng)絡(luò)高度的移動(dòng)性、敏銳性及自組織能力，使傳感器網(wǎng)絡(luò)具備能夠作用在各種應(yīng)用場(chǎng)合中的能力。

參考文獻(xiàn)

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