基于蟻群算法的Z i g b e e網(wǎng)絡(luò)自組織優(yōu)化設(shè)計

黃釘勁 楊劉柱 李 飛

(西安工業(yè)大學(xué) 光電工程學(xué)院，陜西 西安710032)

0 前言

現(xiàn)代監(jiān)控系統(tǒng)包括兩個重要的領(lǐng)域，其一、工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)；其二、廣義上的監(jiān)控系統(tǒng)。工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)主要應(yīng)用工業(yè)自動化領(lǐng)域中，對工業(yè)過程中各種輸入、輸出參量進(jìn)行采集和控制。工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)一般采用工控機(jī)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。而廣義上的監(jiān)控系統(tǒng)的研究領(lǐng)域更加廣泛，主要監(jiān)控對象包括自然環(huán)境、生物種群、區(qū)域監(jiān)控等。不同于工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)的通信技術(shù)，廣義監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳送常常使用無線傳輸技術(shù)實現(xiàn)。因此，對無線通信技術(shù)的研究將極大地促進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行。廣義監(jiān)控系統(tǒng)不僅要求實現(xiàn)無線傳輸，而且要求無線傳輸具有低成本、高可靠性、功耗低等特點。Zigbee網(wǎng)絡(luò)可以很大程度上滿足監(jiān)控系統(tǒng)對無線傳輸?shù)囊骩1]。

Zigbee網(wǎng)絡(luò)模塊，當(dāng)功率為100mW時，其傳輸距離最高為1.6公里，當(dāng)功率為1mW時，其傳輸距離最高為120m。Zigbee網(wǎng)絡(luò)模塊不工作時處于休眠狀態(tài)，此時工作電流僅為0.7μA。由于采用了碰撞避免機(jī)制（CSMA-CA），避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的沖突。此外，Zigbee網(wǎng)絡(luò)采用密鑰長度為128位的加密算法，對所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，保證了數(shù)據(jù)傳輸時的可靠性和安全性[2]。由于Zigbee模塊通常和嵌入式監(jiān)控設(shè)備集成在一起，所以Zigbee網(wǎng)絡(luò)的體積可以做得很小，投放靈活。有時甚至可以裝在野外動物身上，以對其行動規(guī)律進(jìn)行監(jiān)控。本文的主要工作并不集中于對Zigbee模塊進(jìn)行設(shè)計，而是根據(jù)其網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧建立一定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ鸵詫崿F(xiàn)大規(guī)模的組網(wǎng)。

1 Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧

Zigbee棧體系結(jié)構(gòu)分為四層，包括物理層（PHY：physical layer）、媒體訪問控制層 (MAC：medium access control sub-layer)、網(wǎng)絡(luò)層（NWK：network）以及應(yīng)用層（APL：application layer）。

Zigbee設(shè)備有且只有一個64位IEEE地址，網(wǎng)絡(luò)連接后協(xié)調(diào)器給從設(shè)備分配一個16位的短地址。64位IEEE地址是絕對地址，16位短地址是相對地址。一個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)最多能容納255個全功能設(shè)備，一個Zigbee網(wǎng)絡(luò)能容納65000個節(jié)點。在Zigbee網(wǎng)絡(luò)中根據(jù)地位和功能不同，可以分為全功能設(shè)備（FFD:function device）和簡化功能設(shè)備(RFD:reduced function device)[3]。FFD是具有路由和中繼功能的網(wǎng)路設(shè)備，可以作為協(xié)調(diào)器（Coordinator），F(xiàn)FD設(shè)備與FFD設(shè)備之間不但能夠通信，F(xiàn)FD與RFD設(shè)備之間也能夠通信。但RFD只能與FFD設(shè)備通信，RFD設(shè)備之間不能夠通信。常見Zigbee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞挠腥N，星狀結(jié)構(gòu)、樹簇狀結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

Zigbee網(wǎng)絡(luò)支持三種不同的信號頻段，分別位于2450MHz波段（全球通用頻段）和 868MHZ（歐盟頻段）/915MHz（美國頻段）波段。2450MHz波段射頻可以提供250kbps的數(shù)據(jù)速率和16個不同的信道。868/915MHz波段中，868MHz支持1個數(shù)據(jù)速率為20kbps的信道，915MHz支持10個數(shù)據(jù)速率為40kbps的信道。

圖1 典型的Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

本文根據(jù)Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧及組網(wǎng)規(guī)則構(gòu)建了一種全新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一種全網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括9層網(wǎng)絡(luò)，每層網(wǎng)絡(luò)由可以相互通信FFD設(shè)備構(gòu)成。每個FFD設(shè)備同時與6個RFD設(shè)備構(gòu)成樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以根據(jù)實際工程任務(wù)的要求減少層數(shù)，但是不能再增加新網(wǎng)絡(luò)層。如果該全網(wǎng)結(jié)構(gòu)不能滿足工程需要，可以構(gòu)建多個全網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

2 Zigbee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建模

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建模：設(shè)每層有N個FFD路由，每個路由有M個RFD節(jié)點。FFD路由之間可以相互通信，RFD節(jié)點之間不可以相互通信。FFD路由之間的距離在射頻功率為100mW時，理論上最大距離可達(dá)到1.6公里。RFD設(shè)備在射頻功率為1mW時，理論上最大距離可達(dá)120m。為了保證通信的穩(wěn)定性和時效性，此處建立的模型基于FFD路由距離為800m，RFD節(jié)點距離為100m。

根據(jù)以上所述規(guī)則，F(xiàn)FD設(shè)備與RFD設(shè)備的距離為：rFR=0.1km，RFD設(shè)備與RFD設(shè)備的距離rRR=0.1km，則有下式：

代入求的M=6，也就是是在每個FFD設(shè)備周圍距離0.1km處布置6個RFD設(shè)備即可實現(xiàn)給FFD設(shè)備周圍的全網(wǎng)覆蓋。

計算每層FFD設(shè)備數(shù)N：第一層為中心層，只需要布置一個FFD設(shè)備，作為Zigbee網(wǎng)絡(luò)的終端路由與協(xié)調(diào)器，該FFD設(shè)備既可以與其他FFD設(shè)備通信可以和其他網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合，從而將Zigbee網(wǎng)絡(luò)檢測的數(shù)據(jù)實時地發(fā)送出去。

設(shè)第k層網(wǎng)絡(luò)需要N個FFD設(shè)備，根據(jù)上述規(guī)則，有rFF=0.8km。以第一個FFD設(shè)備為中心，第k層網(wǎng)路距離中心FFD設(shè)備的距離rk=krFF，其中k為層數(shù)。則，第k層網(wǎng)絡(luò)需要的FFD設(shè)備數(shù)Nk由以下公式求得：

根據(jù)（2）式可以求得任意k層的FFD設(shè)備數(shù)Nk，但FFD設(shè)備的總數(shù)并不是無限的，根據(jù)Zigbee組網(wǎng)協(xié)議的要求，全網(wǎng)結(jié)構(gòu)只能容納最多256個FFD設(shè)備，因此，由下式可以確定k的數(shù)目：

取 π=3.14，得 k2+k-81≤0

求k2+k-81=0，得k≈8,則該網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最多只能容納9層（k+1層）網(wǎng)絡(luò)FFD設(shè)備。每層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)如表1。

表1 每層所需全功能設(shè)備數(shù)

以上我們構(gòu)建了全網(wǎng)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型：該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)共分9層FFD設(shè)備，每層FFD設(shè)備間距為0.8km,每個FFD設(shè)備周圍有0.1km處沿圓周布置6個RFD設(shè)備。則整個網(wǎng)絡(luò)的半徑R=（9-1）*0.8=6.4km?？梢娙W(wǎng)覆蓋面積A=πR2≈128.6km2。

3 蟻群算法及自組織實現(xiàn)

本文采用蟻群算法作為自組織路由算法[4-5]。當(dāng)RFD設(shè)備采集到有效數(shù)據(jù)時，通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到目標(biāo)FFD設(shè)備。由于RFD設(shè)備只能與FFD設(shè)備通信，因此應(yīng)用于Zigbee網(wǎng)路的蟻群算法的起始地址為該RFD設(shè)備的父FFD設(shè)備。目標(biāo)地址為網(wǎng)絡(luò)中的任意FFD設(shè)備。Zigbee網(wǎng)絡(luò)的建立就是根據(jù)起始地址和目標(biāo)地址的通信，而其他不參與通信的Zigbee設(shè)備處于休眠狀態(tài)，這樣不僅可以實現(xiàn)網(wǎng)路根據(jù)需要通信而不需要再另外設(shè)置專門的網(wǎng)絡(luò)，而且可以大大地降低功耗[6]。這正是Zigbee網(wǎng)絡(luò)的最大特點。因此，盡管全網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)布置了多達(dá)217個FFD設(shè)備，但實際工作的FFD設(shè)備只是其中建立通信的相關(guān)FFD設(shè)備，其他FFD設(shè)備處于休眠狀態(tài)，直到該FFD設(shè)備需要參與通信為止。

在每個FFD設(shè)備中保存網(wǎng)路路由表，作為網(wǎng)路通信路由的依據(jù)。網(wǎng)絡(luò)路由表記為IPd，領(lǐng)域表記為IPn，起始地址記為IPs，目標(biāo)地址記為IPo。 τij(t)表示 t時刻 IPi到 IPj的信息素，ηij(t)表示啟發(fā)信息，ηij(t)=，其中 l（i，j）表示 IPi到 IPj的距離。螞蟻在移動過程中根據(jù)領(lǐng)域表IPn中到各個FFD設(shè)備的信息素與啟發(fā)信息決定轉(zhuǎn)移方向，其轉(zhuǎn)移方向（t） 按下式計算：

經(jīng)過n個時刻，螞蟻從初始目標(biāo)到達(dá)終點目標(biāo)，各路徑下的信息素根據(jù)下式進(jìn)行更新：

其中ρ表示信息素?fù)]發(fā)因素ρ?（0,1），Δτij表示所有螞蟻留在路徑上的信息素，表示第k只螞蟻在經(jīng)過路由表路徑的信息素。Q為常數(shù)，Lk為螞蟻k建立的路由表中所有地址的路徑總長度。

4 仿真結(jié)果及分析

根據(jù)以前分析，本文首先利用Matlab軟件生成了全網(wǎng)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?，如圖2所示為。圖中各點表示全網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的227個FFD設(shè)備。每個FFD設(shè)備周圍則分布著6個RFD設(shè)備。

圖2 全設(shè)備網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

目標(biāo)地址 IPo選取的是（0，0）位置，起始地址 IPs選取的是（5.9182，2.4492）位置。仿真結(jié)果如圖3和圖4所示。圖3表示的是沒有人為干預(yù)的情況下，根據(jù)蟻群算法編制的自組織路由圖，其路徑為（5.9182， 2.4492）、（5.3512,1.6506）、（4.5105,1.6417）、（3.9126,0.8316）、（3.0910， 0.8282）、 （2.2553，0.8208）、（1.6，0）、（0.8，0）、（0，0）。 為了驗證系統(tǒng)的自組織能力，將圖3中的位置為（0.8，0）的點屏蔽，然后重新運(yùn)行，得到圖 4所示的新的路由圖，其路徑為（5.9182，2.4492）、（5.3512,1.6506）、（4.5105，1.6417）、（3.9126,0.8316）、（3.0910,0.8282）、（2.2553， 0.8208）、（1.3856，0.8）、（0.4，0.6928）、（0，0）。

圖3 自組織路由圖1

圖4 自組織路由圖2

5 結(jié)論

通過對衣裙算法的仿真可見，利用蟻群算法可以大大地提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。同時可以大大提高監(jiān)控系統(tǒng)的覆蓋范圍，實現(xiàn)區(qū)域全覆蓋功能。同時由于沒有參與到路徑中的設(shè)備都處于休眠模式，可以最大限度地減少系統(tǒng)的功耗。

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［4］劉彥鵬．蟻群優(yōu)化算法的理論研究及其應(yīng)用[D]．杭州：浙江大學(xué)，2007．

［5］倪劍慶，邢漢承，張志政．蟻群算法及其應(yīng)用研究進(jìn)展[J]．計算機(jī)應(yīng)用與軟件，2008，25（8）：12-16．

［6］劉瓊．智能優(yōu)化算法及其研究[D]．無錫：江南大學(xué)，2011．