面向智能家居的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議優(yōu)化研究

胡同花 呂滿金

（湖南永州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南省永州市 425000）

1 引言

智能家居作為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一種重要應(yīng)用，通過(guò)綜合配置家居內(nèi)的各功能子系統(tǒng)，以網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為橋梁，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)家居的智能管理、控制與共享,為居住者提供盡可能的便利和舒適。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[1]在智能家居中具有很大的應(yīng)用前景。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中沒(méi)有固定基站，網(wǎng)絡(luò)的生成是節(jié)點(diǎn)根據(jù)一定的路由機(jī)制完全自組織實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)充當(dāng)著路由節(jié)點(diǎn)的角色，通過(guò)單跳或多跳的方式傳輸數(shù)據(jù)[2]。因此，抽象出具體的網(wǎng)絡(luò)模型并分析信息處理以及信息路由之間內(nèi)在聯(lián)系，設(shè)計(jì)一種適應(yīng)WSNSH 特點(diǎn)的路由算法已成為WSNSH 中一項(xiàng)關(guān)鍵的工作。

2 智能家居領(lǐng)域的發(fā)展

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的邏輯結(jié)構(gòu)，現(xiàn)階段WSNS 路由協(xié)議大致可分為平面路由協(xié)議和分簇路由協(xié)議[3]。典型的平面路由有定向拆散路由，基于信息協(xié)商的路由，能量意識(shí)路由和基于梯度的路由等。平面路由協(xié)議雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但在運(yùn)作過(guò)程中由于需要維持較大的路由表，缺乏對(duì)通信資源的優(yōu)化管理，對(duì)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)變化反應(yīng)速度較慢，并不適合在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中采用。分簇路由協(xié)議與其相比一定程度上改進(jìn)了這個(gè)問(wèn)題。LEACH[4]路由協(xié)議是MIT 的Heinzelman W B 等人提出的低功耗自適應(yīng)分層路由算法。其基本思想是以循環(huán)的方式隨機(jī)選擇簇首節(jié)點(diǎn)，將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量負(fù)載平均分配到每個(gè)節(jié)點(diǎn)中，從而降低網(wǎng)絡(luò)能耗、提高網(wǎng)絡(luò)生命周期。將一般的平面多跳路由協(xié)議和靜態(tài)分層算法的網(wǎng)絡(luò)生命周期延長(zhǎng)15%。具代表性的分層路由協(xié)議還包括能量高效收集算法和敏感門限能耗高效的傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等。分層路由協(xié)議能夠在簇首進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，減少網(wǎng)絡(luò)整體數(shù)據(jù)傳輸量及網(wǎng)絡(luò)中路由控制信息量，提高了能量效率，具有較好的擴(kuò)充性，但簇頭選擇算法較為復(fù)雜，簇的建立增加額外能耗，且簇頭能耗較高，易成為死亡節(jié)點(diǎn)而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能下降甚至癱瘓。因此，如何讓由有限能量的微型傳感器節(jié)點(diǎn)所構(gòu)成的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)的生命周期，成為大規(guī)模無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展所面臨的重大挑戰(zhàn)。人們普遍認(rèn)識(shí)到，進(jìn)一步拓寬大規(guī)模無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用潛力的關(guān)鍵技術(shù)，就是盡量地減小其工作時(shí)的功耗，延長(zhǎng)其生命周期[5]。

延長(zhǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期的研究大體可以分為 2 個(gè)方向，其一是減小節(jié)點(diǎn)自身和物理層鏈路的功耗[6]。其二是研究協(xié)作策略，即各傳感器節(jié)點(diǎn)如何協(xié)作，以最節(jié)能的方式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能。WSNSH 的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小，節(jié)點(diǎn)數(shù)目大小和位置處于動(dòng)態(tài)的變化，網(wǎng)絡(luò)更多地用于當(dāng)人在室內(nèi)的時(shí)候，其通信量要遠(yuǎn)大于人不在室內(nèi)的時(shí)候。通信鏈路的不穩(wěn)定是WSNSH 的最大特性，因?yàn)槭覂?nèi)無(wú)線信號(hào)的傳輸要受到比室外更嚴(yán)重的反射、衍射和折射。另一方面，人的走動(dòng)會(huì)對(duì)無(wú)線信號(hào)的傳輸產(chǎn)生很大的干擾，及鏈路不穩(wěn)定對(duì)路由協(xié)議的影響。

3 應(yīng)用方案

3.1 研究目標(biāo)

針對(duì)經(jīng)典無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法難以適應(yīng)智能家居室內(nèi)環(huán)境中多分隔、多障礙、環(huán)境動(dòng)態(tài)變化等特點(diǎn)，本文旨在將壓縮理論、多目標(biāo)模糊優(yōu)化和低能耗策略相結(jié)合，開(kāi)展了面向智能家居的路由優(yōu)化協(xié)議的研究，進(jìn)一步豐富和完善WSNSH 理論，為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用提供理論借鑒。

圖1：智能家居無(wú)線傳感器最優(yōu)路由設(shè)計(jì)示意圖

3.2 研究?jī)?nèi)容

3.2.1 面向智能家居的改進(jìn)LEACH 算法的研究

針對(duì)室內(nèi)節(jié)點(diǎn)分布不均，傳統(tǒng)LEACH 算法易造成部分區(qū)域可能出現(xiàn)多個(gè)簇頭，而部分區(qū)域卻沒(méi)簇頭而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓的問(wèn)題，提出一種面向智能家居控制器改進(jìn)的LEACH-SHC 算法，該算法將室內(nèi)節(jié)點(diǎn)按功能不同分成若干區(qū)域，結(jié)合節(jié)點(diǎn)區(qū)域ID 號(hào)與剩余能量選擇簇頭，通過(guò)壓縮理論對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，降低數(shù)據(jù)傳輸量，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期；并采用貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法建立室內(nèi)無(wú)線通信傳輸能耗模型，使其結(jié)果更接近工程實(shí)踐。

3.2.2 基于多屬性決策的低能耗無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議

為了解決無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中現(xiàn)有節(jié)能路由存在方法單一、自適應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)整能為不足等問(wèn)題，本文提出的路由協(xié)議將下一跳節(jié)點(diǎn)選擇轉(zhuǎn)換為一個(gè)多屬性優(yōu)化問(wèn)題，首先利用經(jīng)典物理學(xué)中的勢(shì)能概念創(chuàng)建一個(gè)混合虛擬勢(shì)能場(chǎng)，然后采用智能優(yōu)化算法解決勢(shì)能場(chǎng)權(quán)重優(yōu)化問(wèn)題，使數(shù)據(jù)包在勢(shì)能場(chǎng)所產(chǎn)生聯(lián)合力的驅(qū)使下轉(zhuǎn)發(fā)至下一跳節(jié)點(diǎn)并最終到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)。以獲得更佳的能耗有效性和均衡性，延長(zhǎng)WSN 的生命周期。

3.2.3 基于動(dòng)態(tài)鏈路的自適應(yīng)路由算法研究

針對(duì)室內(nèi)環(huán)境無(wú)線信道參數(shù)隨節(jié)點(diǎn)移動(dòng)以及家電設(shè)備位置調(diào)整而動(dòng)態(tài)變化，經(jīng)典無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法自適應(yīng)能力有限，難以在這一環(huán)境中保證網(wǎng)絡(luò)能量均衡與生存時(shí)間的特點(diǎn)，本文提出一種基于動(dòng)態(tài)鏈路的自適應(yīng)路由算法。將路由建立過(guò)程抽象為典型的多屬性決策過(guò)程，以主客觀綜合賦權(quán)法和熵權(quán)系數(shù)法實(shí)現(xiàn)權(quán)重系數(shù)的確定及自適應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)整，并結(jié)合傳播損耗、節(jié)點(diǎn)能量、節(jié)點(diǎn)位置等信息，選取最優(yōu)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。實(shí)現(xiàn)權(quán)重的動(dòng)態(tài)自適應(yīng)調(diào)整，使數(shù)據(jù)流量得到合理分配，提高網(wǎng)絡(luò)能量的動(dòng)態(tài)均衡性。

3.3 關(guān)鍵技術(shù)

（1）智能家居內(nèi)無(wú)線節(jié)點(diǎn)通信鏈路模型是WSNSH 路由設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素，對(duì)室內(nèi)物品的放置、材料結(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)位置、天線的高度差異等參數(shù)對(duì)通信鏈路性能的影響進(jìn)行評(píng)估，建立合理的能耗模型，是要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

（2）虛擬勢(shì)能場(chǎng)的建立與權(quán)重系數(shù)的優(yōu)化，如何抽象節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)以及節(jié)點(diǎn)與相鄰節(jié)點(diǎn)之間的虛擬勢(shì)能場(chǎng)，并對(duì)權(quán)重系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，是實(shí)現(xiàn)基于多屬性決策的低能耗無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的難點(diǎn)，也是要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

4 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

針對(duì)智能家居無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法，開(kāi)展改進(jìn)LEACH 算法，基于多屬性決策的低能耗無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議以及基于動(dòng)態(tài)鏈路的自適應(yīng)路由算法三個(gè)方面的研究，通過(guò)仿真與分析，最終得到智能家居無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)路由協(xié)議，設(shè)計(jì)如圖1 所示。

（1）針對(duì)面向智能家居的改進(jìn)LEACH 算法的研究，通過(guò)整理并收集已有LEACH 路由算法的研究成果和國(guó)內(nèi)外資料，將改進(jìn)LEACH 算法的從以下幾個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)：

1.室內(nèi)無(wú)線通信信道最佳損耗模型的建模與仿真。選取典型的住宅進(jìn)行信道傳輸特性測(cè)試，運(yùn)用LSM 算法，貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法，確定最佳路徑損耗模型，為路由算法提供仿真分析的依據(jù)。

2.系統(tǒng)路由算法設(shè)計(jì)。路由算法的設(shè)計(jì)可分為簇頭的確定，簇的形成以及數(shù)據(jù)傳輸三個(gè)步驟，其中在簇頭的選擇時(shí)，充分考慮智能家居應(yīng)用情景的特殊性，對(duì)不同功能區(qū)域分配相應(yīng)ID 號(hào)；數(shù)據(jù)傳輸階段則應(yīng)對(duì)無(wú)線傳輸?shù)哪芰繐p耗模型進(jìn)行優(yōu)化。

3.路由算法的仿真與優(yōu)化。運(yùn)用Matlab 對(duì)路由算法進(jìn)行仿真，模擬實(shí)際應(yīng)用，反復(fù)測(cè)試，將網(wǎng)絡(luò)生命周期指標(biāo)最佳作為唯一優(yōu)化目標(biāo)，運(yùn)用群智能算法從可行解集再次尋優(yōu)，直到找到滿足多指標(biāo)的滿意解。

（2）針對(duì)基于多屬性決策的低能耗無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，結(jié)合室內(nèi)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用背景，深入研究混沌遺傳算法與蟻群算法的原理與應(yīng)用。并從以下三個(gè)方面完成基于多屬性決策的低能耗無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的設(shè)計(jì)、仿真與優(yōu)化：

1.虛擬勢(shì)能場(chǎng)的建立。將整個(gè)WSNSH 網(wǎng)絡(luò)抽象為一個(gè)引力場(chǎng)，數(shù)據(jù)包可看作水滴，則數(shù)包由源節(jié)點(diǎn)發(fā)送至匯聚節(jié)點(diǎn)的軌道由引力勢(shì)能場(chǎng)中的為來(lái)決定，綜合考慮節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)距離，節(jié)點(diǎn)與鄰居節(jié)點(diǎn)間距離以及能量均衡因子，建立室內(nèi)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)虛擬勢(shì)能場(chǎng)。

2.虛擬勢(shì)能場(chǎng)權(quán)重優(yōu)化[6]。本算法中兩個(gè)距離虛擬勢(shì)能場(chǎng)對(duì)應(yīng)于兩個(gè)不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)。令第i(i=1,2,3...n)個(gè)備選節(jié)點(diǎn)的第j(j=1,2,...p)個(gè)勢(shì)能場(chǎng)值用Zij(1 ≤i ≤n,1 ≤j ≤p)表示，由此轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄬傩詻Q策問(wèn)題。勢(shì)能場(chǎng)的權(quán)重反映各勢(shì)能場(chǎng)的相對(duì)重要程度，權(quán)重的確定對(duì)于正確決策影響重大，采用混沌遺傳算法獲取不同的權(quán)重結(jié)果。

3.路由算法的仿真與優(yōu)化。運(yùn)用Matlab 對(duì)路由算法進(jìn)行仿真，選擇網(wǎng)絡(luò)生命周期和節(jié)點(diǎn)平均能耗送兩項(xiàng)指標(biāo)來(lái)衡量各算法的性能，對(duì)路由算法采用不同權(quán)重值的性能進(jìn)行分析與對(duì)比，實(shí)現(xiàn)路由算法的最優(yōu)化。

（3）針對(duì)基于動(dòng)態(tài)鏈路的自適應(yīng)路由算法研究，結(jié)合卡爾漫濾波算法，RSSI 值的獲取以及在智能家居環(huán)境中的應(yīng)用，從以下兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)基于動(dòng)態(tài)鏈路的自適應(yīng)路由算法的設(shè)計(jì)與優(yōu)化：

1.室內(nèi)無(wú)線通信傳播損耗的能量均衡模型的建立。將路由建立過(guò)程抽象為典型的多屬性決策過(guò)程，建立多屬性能量均衡模型；對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，解決模型中數(shù)據(jù)間的不可公度性；以主客觀綜合賦權(quán)法和熵權(quán)系數(shù)法，實(shí)現(xiàn)權(quán)重隨數(shù)據(jù)變化而變化的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)整。

2.路由算法的實(shí)現(xiàn)與仿真。結(jié)合前面提出的能量均衡模型和屬性選擇策略，即可實(shí)現(xiàn) 基于動(dòng)態(tài)鏈路的自適應(yīng)路由算法，運(yùn)用Matlab 對(duì)路由算法進(jìn)行仿真與分析。

最后，以智能家居管理系統(tǒng)為硬件平臺(tái)，用C++實(shí)現(xiàn)以上三種不同的路由算法，并以室內(nèi)溫度、濕度以及光照度為采集對(duì)象，對(duì)系統(tǒng)的路由性能進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)測(cè)試網(wǎng)絡(luò)的通信時(shí)延和丟包率驗(yàn)證系統(tǒng)的整體路由性能。

其次，通過(guò)分析和研究，以上研究方法和實(shí)驗(yàn)是切實(shí)可行的。

（1）面向智能家居的LEACH 算法，在簇頭的選擇中，可通過(guò)分不同區(qū)域，結(jié)合節(jié)點(diǎn)剩余能量進(jìn)行優(yōu)化。而室內(nèi)無(wú)線傳輸能量損耗模型，當(dāng)前已經(jīng)有一些研究成果可以借鑒；特別是項(xiàng)目組已完成智能家居控制器的設(shè)計(jì)與制作，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用RSSI 變化曲線，建立內(nèi)室無(wú)線通信鏈路能耗模型，實(shí)現(xiàn)改進(jìn)LEACH 算法設(shè)計(jì)。

（2）針對(duì)基于多屬性決策的低能耗無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，本文采用虛擬勢(shì)能場(chǎng)策略，將節(jié)點(diǎn)信息抽象為勢(shì)能場(chǎng)的質(zhì)子，則信息的傳輸可由勢(shì)能場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)力來(lái)決定。其驅(qū)動(dòng)力由節(jié)點(diǎn)能量因子、節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)間距離因子以及節(jié)點(diǎn)與基站距離因子等因素決定。

（3）針對(duì)基于動(dòng)態(tài)鏈路的自適應(yīng)路由算法研究，本文采用實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)擬合的方案，建立無(wú)線通信傳播損耗的能量均衡模型，項(xiàng)目成員在數(shù)據(jù)采集與分析方面所取得成果以及現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，可保證測(cè)試實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行，通過(guò)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，解決模型中數(shù)據(jù)間的不可公度性；以主客觀綜合賦權(quán)法和熵權(quán)系數(shù)法，實(shí)現(xiàn)權(quán)重隨數(shù)據(jù)變化而變化的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)整是完全可行的。通過(guò)分析和研究，本文提出的研究方案是切實(shí)可以行的。

5 技術(shù)創(chuàng)新

（1）提出一種面向智能家居的改進(jìn)LEACH 算法。本算法在簇頭的選擇時(shí)結(jié)合了節(jié)點(diǎn)的剩余能量與不同功能區(qū)域的ID 號(hào)，并對(duì)室內(nèi)無(wú)線傳輸損耗模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)面向智能家居的改進(jìn)LEACH 算法的設(shè)計(jì)與仿真；

（2）提出一種基于多屬性決策的低能耗無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議。將多屬性決策策略融入路由建立過(guò)程，提高網(wǎng)絡(luò)能量的動(dòng)態(tài)均衡性，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)周期。

（3）提出一種基于動(dòng)態(tài)鏈路的自適應(yīng)路由算法。將待發(fā)節(jié)點(diǎn)數(shù)量、相鄰節(jié)點(diǎn)間距、節(jié)點(diǎn)與基站間距以及節(jié)點(diǎn)剩余能量等影響WSNSH 網(wǎng)絡(luò)性能的重要因素有機(jī)結(jié)合起來(lái)，采用智能優(yōu)化處理技術(shù)設(shè)計(jì)一種基于動(dòng)態(tài)鏈路的自適應(yīng)路由算法。

6 結(jié)論

本文對(duì)針對(duì)經(jīng)典無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法難以適應(yīng)智能家居室內(nèi)環(huán)境中多分隔、多障礙、環(huán)境動(dòng)態(tài)變化等特點(diǎn)，將壓縮理論、多目標(biāo)模糊優(yōu)化和低能耗策略相結(jié)合，開(kāi)展了面向智能家居的路由優(yōu)化協(xié)議的研究，進(jìn)一步豐富和完善WSNSH 理論，為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用提供理論借鑒。