基于改進(jìn)ZigBee路由算法的智能家居控制系統(tǒng)

孫正鳳，井娥林，竇如鳳

（南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院電子電氣工程學(xué)院，江蘇泰州225300）

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基于改進(jìn)ZigBee路由算法的智能家居控制系統(tǒng)

孫正鳳*，井娥林，竇如鳳

（南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院電子電氣工程學(xué)院，江蘇泰州225300）

摘要：為實(shí)現(xiàn)智能家居遠(yuǎn)程控制，指令將經(jīng)路由器轉(zhuǎn)發(fā)至ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，并通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的控制。因Cluster-tree算法傳輸時(shí)延長(zhǎng)，損耗大，對(duì)樹型拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)和地址分配機(jī)制進(jìn)行了優(yōu)化，通過定義組別，選擇合適節(jié)點(diǎn)作為中繼節(jié)點(diǎn)。若目的節(jié)點(diǎn)為源節(jié)點(diǎn)的鄰節(jié)點(diǎn)，則將數(shù)據(jù)傳送至目的節(jié)點(diǎn)，否則創(chuàng)建目的節(jié)點(diǎn)的組別，選擇合適的中繼節(jié)點(diǎn)。仿真表明，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)越多時(shí)，改進(jìn)的算法可減少30%的能耗，并隨時(shí)間的增長(zhǎng)，死亡節(jié)點(diǎn)數(shù)將降低10%，有效地均衡了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。

關(guān)鍵詞：智能家居；Cluster-tree算法；中繼節(jié)點(diǎn)；死亡節(jié)點(diǎn)數(shù)；網(wǎng)絡(luò)負(fù)載

智能家居已然成為未來家居生活的發(fā)展方向，旨在為用戶提供一種服務(wù)，使用戶可對(duì)家用電器設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和管理功能，并可實(shí)時(shí)查看家居狀態(tài)。楊恢先［1］等人以ARM920T嵌入式處理器S3C2440A為核心，結(jié)合ZigBee與Wi-Fi融合的通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了家庭遠(yuǎn)程監(jiān)控、家庭安防和家電控制的個(gè)性化需求。戴敏［2］等人基于ZigBee技術(shù)，利用PIC18LF4620單片機(jī)和無線低功耗模塊CC2420，實(shí)現(xiàn)了家庭網(wǎng)絡(luò)中主節(jié)點(diǎn)與終端節(jié)點(diǎn)之間的通信。

隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的來臨，路由器作為家庭網(wǎng)絡(luò)的唯一入口和出口，也越來越受到眾多重視。本文提出了一種新的智能家居遠(yuǎn)程控制方案：以路由器作為媒介，將APP中的控制命令轉(zhuǎn)發(fā)至與路由器通信的家庭智能網(wǎng)關(guān)中，并通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。為解決Cluster-Tree算法所造成的分組傳輸延時(shí)增加，通信流量的不均衡問題，Dhirendra Pratap Singh［4］等人在Grey模型的基礎(chǔ)上，通過Grey模型使得節(jié)點(diǎn)除了具備采集信息功能外，還能預(yù)測(cè)其數(shù)值，當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，如果采集到的值與預(yù)測(cè)值相差不大時(shí)，則不需要發(fā)送數(shù)據(jù)，直接使用預(yù)測(cè)值。否則將通過ZigBee路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。YooRi Hong[5]等人在路由請(qǐng)求分組（RREQ）的基礎(chǔ)上選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)在當(dāng)中存儲(chǔ)一個(gè)路由表，記錄從自身到匯聚節(jié)點(diǎn)的最新路由。用H節(jié)點(diǎn)來響應(yīng)路由請(qǐng)求要求，減少路由表的冗余量。在上述的算法中，需要每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有較強(qiáng)的處理能力，這樣會(huì)容易使得單個(gè)節(jié)點(diǎn)過早的死亡。為解決上述問題，本文對(duì)Cluster-Tree算法進(jìn)行了改進(jìn)：一方面對(duì)樹型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)和地址分配機(jī)制進(jìn)行了優(yōu)化，另一方面將一些與目的節(jié)點(diǎn)距離一定跳躍數(shù)的節(jié)點(diǎn)定義為一個(gè)組別，并從這些節(jié)點(diǎn)中選擇合適的節(jié)點(diǎn)作為中繼節(jié)點(diǎn)，從而最終進(jìn)行路由的選取，與Cluster-Tree算法相比，改進(jìn)后的算法能夠有效地減少了路由的損耗，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。該系統(tǒng)在自動(dòng)化、智能化的安防以及環(huán)境監(jiān)控中有廣闊的應(yīng)用前景。

1　系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)從邏輯上可分為3大部分：安裝管理APP的遠(yuǎn)程管理設(shè)備（如智能手機(jī)，平板等）、路由器和用于智控通信的網(wǎng)關(guān)組成的現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備以及功能實(shí)現(xiàn)的家庭終端設(shè)備。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

通過云服務(wù)器，將APP賬號(hào)與路由器進(jìn)行綁定，確保家庭中的路由器能接收到所綁定賬號(hào)發(fā)送的控制指令，當(dāng)路由器接收到APP發(fā)出的控制命令時(shí)，將轉(zhuǎn)發(fā)至智能網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)一方面將信息進(jìn)行存儲(chǔ)，一方面分析接收到的數(shù)據(jù)信息，并以自定義的通信協(xié)議發(fā)送至網(wǎng)關(guān)上的ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)中。最后通過Zig?Bee網(wǎng)絡(luò)將命令發(fā)送至安裝在電器設(shè)備上的ZigBee終端節(jié)點(diǎn)上，來實(shí)現(xiàn)該設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。此外，為了延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，有效減少路由損耗，本文對(duì)原有的ZigBee路由算法也進(jìn)行了一系列改進(jìn)。

2　系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1智能網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要由兩部分部分組成：智能網(wǎng)關(guān)的程序設(shè)計(jì)以及位于網(wǎng)關(guān)上的ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的程序?qū)崿F(xiàn)。為保證每一個(gè)APP賬戶將指令準(zhǔn)確發(fā)送至相應(yīng)的路由器中，需要將APP賬號(hào)與路由器的mac地址在服務(wù)器中進(jìn)行綁定。當(dāng)路由器接收到服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)的APP信息時(shí)，通過send_to_gateway（）函數(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)關(guān)的1000端口。智能網(wǎng)關(guān)一方面將會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，另一方面將會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并將解析后的數(shù)據(jù)傳輸給該網(wǎng)關(guān)上的ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，該ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，將命令發(fā)送至相應(yīng)的終端節(jié)點(diǎn)。具體步驟如圖2所示：

圖2　網(wǎng)關(guān)工作流程圖

當(dāng)網(wǎng)關(guān)工作時(shí)，會(huì)自動(dòng)運(yùn)行后臺(tái)進(jìn)程：監(jiān)聽網(wǎng)關(guān)的1 000端口，判斷是否接收到遠(yuǎn)端控制信息。當(dāng)網(wǎng)關(guān)接收到的數(shù)據(jù)格式為smartfamily*******時(shí)，首先網(wǎng)關(guān)將對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，例如當(dāng)接收的數(shù)據(jù)為‘smartfamily00temp23modelheatingwindstrongffff’時(shí)，即空調(diào)的溫度為23度，模式加熱，風(fēng)速高風(fēng)。并將解析的結(jié)果按固定格式存入網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，最后通過232串口將傳輸至網(wǎng)關(guān)上的ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)通過ZigBee協(xié)議最終將數(shù)據(jù)發(fā)送至安裝在空調(diào)上的ZigBee終端節(jié)點(diǎn)上，實(shí)現(xiàn)空調(diào)的遠(yuǎn)程控制。

2.2ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)軟件實(shí)現(xiàn)

根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)功能，ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可以分為中心協(xié)調(diào)器（Coordinator）、路由節(jié)點(diǎn)（Router）和終端節(jié)點(diǎn)（End Device）。中心協(xié)調(diào)器是網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)發(fā)起建立新的網(wǎng)絡(luò)、設(shè)定網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、管理網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)以及存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)信息等。而路由節(jié)點(diǎn)則參與路由發(fā)現(xiàn)、消息轉(zhuǎn)發(fā)等。

電器設(shè)備上的ZigBee終端節(jié)點(diǎn)通過讀取Zig? Bee協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的的命令頭來判斷操作何種設(shè)備，并根據(jù)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)來判斷對(duì)電器設(shè)備進(jìn)行何種操作。其自定義的具體網(wǎng)關(guān)命令如下所示：

命令頭區(qū)代表的是何種電器設(shè)備，地址區(qū)為安裝在電器設(shè)備上ZigBee終端模塊的地址，數(shù)據(jù)區(qū)存放的數(shù)據(jù)表示操作的對(duì)該電器設(shè)備做何種操作，并且通過檢驗(yàn)和來判斷所有數(shù)據(jù)接收是否正確。例如當(dāng)需要將空調(diào)設(shè)置為加熱模式，風(fēng)速為強(qiáng)風(fēng)，溫度為30時(shí)，所對(duì)應(yīng)的命令格式如下：

協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的具體工作流程如圖3所示。

圖3　ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)工作流程圖

在本文的智能控制無線網(wǎng)絡(luò)工作過程中，ZigBee協(xié)調(diào)器會(huì)定時(shí)檢測(cè)是否有數(shù)據(jù)接收，用來轉(zhuǎn)發(fā)相應(yīng)的終端控制命令。當(dāng)ZigBee協(xié)調(diào)器處于空閑工作狀態(tài)下時(shí)，會(huì)監(jiān)聽無線信號(hào)，判斷是否有新的終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。如果有的話，協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)會(huì)為其分配網(wǎng)絡(luò)地址。

3　ZigBee路由算法的改進(jìn)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)層主要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的組建，并為新加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)分配地址、路由發(fā)現(xiàn)及路由維護(hù)等功能。ZigBee樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包含一個(gè)協(xié)調(diào)器和若干個(gè)路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器連接一系列的路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)，若協(xié)調(diào)器的子節(jié)點(diǎn)為路由節(jié)點(diǎn)，則可以連接一系列的終端節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)，由于樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣，所以在本系統(tǒng)中，Zig?Bee網(wǎng)絡(luò)將采用該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

3.1Cluster-Tree算法分析

Cluster-Tree（簇-樹）結(jié)構(gòu)主要適用于節(jié)點(diǎn)靜止或移動(dòng)較少的場(chǎng)合。Cluster-Tree算法是一種基于網(wǎng)絡(luò)地址分配機(jī)制、消息沿著樹型拓?fù)溥M(jìn)行傳輸?shù)撵o態(tài)路由算法，且不需要存儲(chǔ)路由表。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)設(shè)備都有一定的地址空間可分配給子節(jié)點(diǎn)。新加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)與其媒介節(jié)點(diǎn)將會(huì)形成父子關(guān)系，每個(gè)父節(jié)點(diǎn)都會(huì)為其新加入的子節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中唯一的網(wǎng)絡(luò)地址，且不需要存儲(chǔ)路由表，無初始延遲，有一定的錯(cuò)誤冗余和自我修復(fù)能力。通過Cluster-Tree算法，節(jié)點(diǎn)可直接將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到下一跳。由于沒有涉及到路由的發(fā)現(xiàn)與路由表的維護(hù)，大大減少了路由協(xié)議的控制開銷和節(jié)點(diǎn)的能量消耗。

3.2Cluster-Tree算法改進(jìn)

3.2.1網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)和地址分配優(yōu)化

在樹路由算法中，大多都采用分布式地址分配機(jī)制，但是受子節(jié)點(diǎn)數(shù)，具有路由功能的子節(jié)點(diǎn)數(shù)的最大值以及樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最大深度值的限制，在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，分布式地址分配機(jī)制會(huì)產(chǎn)生大量的地址浪費(fèi)，從而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)能耗過大，過早的發(fā)生死亡。因此，本文在prim算法基礎(chǔ)上，對(duì)樹型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)和地址分配機(jī)制進(jìn)行了優(yōu)化，通過在相鄰節(jié)點(diǎn)之間建立網(wǎng)絡(luò)連接發(fā)現(xiàn)一個(gè)擁有最少分支節(jié)點(diǎn)的生成樹，并根據(jù)自定義的目標(biāo)函數(shù)確定代價(jià)最低的頂點(diǎn)。不同于prim算法，在此算法中，選取局部最大邊作為網(wǎng)絡(luò)連接。

節(jié)點(diǎn)通過定時(shí)的發(fā)送HELLO信息報(bào)告發(fā)現(xiàn)其相鄰節(jié)點(diǎn)，當(dāng)相鄰節(jié)點(diǎn)接收到信息報(bào)時(shí)，節(jié)點(diǎn)作出響應(yīng)。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)為父節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)時(shí)，開始在此節(jié)點(diǎn)的物理地址在相鄰節(jié)點(diǎn)內(nèi)尋找其他可能存在的子節(jié)點(diǎn)，并響應(yīng)其他子節(jié)點(diǎn)的請(qǐng)求。若沒有節(jié)點(diǎn)再響應(yīng)父節(jié)點(diǎn)的請(qǐng)求時(shí)，節(jié)點(diǎn)開始分配地址。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)接受完其子節(jié)點(diǎn)向其發(fā)送的子樹大小信息時(shí)，將會(huì)將此信息轉(zhuǎn)發(fā)至其父節(jié)點(diǎn)，然后等待其父節(jié)點(diǎn)發(fā)送的地址塊，并將此地址塊在其子節(jié)點(diǎn)之間分配，具體流程如圖4所示。

圖4　網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)

當(dāng)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)接收到網(wǎng)絡(luò)最大深度信息時(shí)，協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)開始依次分配地址。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到地址塊［a1，a2］以及有效系數(shù)R時(shí)，選擇a1作為自身的網(wǎng)絡(luò)地址，并將地址塊［a1+1，a1+R］發(fā)送至另一節(jié)點(diǎn)。而地址塊［a1+R+1，a2］將在此節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)之間分配。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都分配到地址時(shí)，分配結(jié)束。通過這種分配機(jī)制，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可向其父節(jié)點(diǎn)發(fā)送一條消息，并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能接收到其父節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的地址塊。因此用來分配地址的信息數(shù)是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的兩倍，且不會(huì)產(chǎn)生地址浪費(fèi)。

3.2.2 ZigBee路由

ZigBee路由是通過中繼節(jié)點(diǎn)中儲(chǔ)存的鄰居表來發(fā)現(xiàn)目的地址的，如果目的地址在鄰居表中，則選擇目的節(jié)點(diǎn)作為下一路徑。如果目的地址在后代節(jié)點(diǎn)中，則選擇子節(jié)點(diǎn)或者父節(jié)點(diǎn)作為下一路徑。雖然ZigBee路由一定程度上解決了樹路由的冗余問題，但是如果目的節(jié)點(diǎn)不在源節(jié)點(diǎn)的可傳輸范圍內(nèi)，首先源節(jié)點(diǎn)將會(huì)選擇目的節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)作為下一路徑。然后再通過ZigBee路由發(fā)現(xiàn)目的節(jié)點(diǎn)。但是如果相鄰節(jié)點(diǎn)中含有目的節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)的信息，那么將會(huì)產(chǎn)生更多的能耗。如圖5所示。

圖5　ZigBee路由

3.2.3路由選擇改進(jìn)

基于父、子設(shè)備的相關(guān)概念，將一些與目的節(jié)點(diǎn)距離一定跳躍數(shù)的節(jié)點(diǎn)定義為一個(gè)組別：包括目的節(jié)點(diǎn)的父、子節(jié)點(diǎn)，與目的節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)在Lm范圍之內(nèi)的節(jié)點(diǎn)，以及協(xié)調(diào)器。算法具體步驟如下：當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)的相鄰節(jié)點(diǎn)接受路由請(qǐng)求時(shí)，通過查找鄰居表發(fā)現(xiàn)目的節(jié)點(diǎn)。如果目的節(jié)點(diǎn)存在的話，直接將數(shù)據(jù)發(fā)送至目的節(jié)點(diǎn)。否則首先創(chuàng)建目的節(jié)點(diǎn)的組別，若其在相鄰節(jié)點(diǎn)的路由表中，則選取其作為下一節(jié)點(diǎn)，并且與樹路由算法下的跳躍數(shù)相比較，選取所需跳躍數(shù)少的算法。若不在路由表中，則使用ZigBee路由算法。

（1）組的建立

首先判斷目的節(jié)點(diǎn)是否為協(xié)調(diào)器，如果目的節(jié)點(diǎn)為協(xié)調(diào)器，首先查找所有與協(xié)調(diào)器相差一跳的節(jié)點(diǎn)。再根據(jù)目的節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)，創(chuàng)建目的節(jié)點(diǎn)的后代節(jié)點(diǎn)表，其內(nèi)容包括地址，深度以及所擁有的后代設(shè)備的個(gè)數(shù)。如果目的節(jié)點(diǎn)不是協(xié)調(diào)器時(shí)，首先創(chuàng)建目的節(jié)點(diǎn)的祖先節(jié)點(diǎn)的表，其內(nèi)容包括地址，深度及所擁有的后代設(shè)備的個(gè)數(shù)。在一個(gè)組別中，每一跳只有一個(gè)祖先節(jié)點(diǎn)，一直到目的節(jié)點(diǎn)。如果發(fā)現(xiàn)有后代節(jié)點(diǎn)通向目的節(jié)點(diǎn)，則根據(jù)目的節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)，創(chuàng)建目的節(jié)點(diǎn)的后代節(jié)點(diǎn)表。

（2）組的選取

如果最后出現(xiàn)很多節(jié)點(diǎn)都擁有組時(shí)，定義一個(gè)能量最小值Pmin［5］，初始能量energy，則Pmin=a，t表示網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)間，d表示節(jié)點(diǎn)i的深度，a為一特定的系數(shù)。作用在于減緩Pmin減少的速度。若節(jié)點(diǎn)剩余能量E Pmin，計(jì)算每一個(gè)路徑的開銷，HopCount-(DstDepth-MaxDepth) + (SrcDepth- MaxDepth)，其中DstDepth，SrcDepth分別為目的節(jié)點(diǎn)和源（中繼）節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)深度。MaxDepth為最大深度子樹節(jié)點(diǎn)。經(jīng)過比較各個(gè)路徑的開銷，根據(jù)遺傳算法（GA）進(jìn)行優(yōu)化，選擇最佳路由［6］。當(dāng)沒有合適的組實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)，如果目的設(shè)備為一個(gè)路由設(shè)備的子設(shè)備，則根據(jù)ZigBee路由選擇下一路由，否則根據(jù)Cluster-Tree路由。

3.3改進(jìn)后算法的仿真

本文采用NS2模擬平臺(tái)，將改進(jìn)后的算法與文獻(xiàn)中的算法路由成本進(jìn)行比較，驗(yàn)證改進(jìn)后算法的改善程度。這里使用總跳躍數(shù)即數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)來衡量網(wǎng)絡(luò)的路由開銷。如圖6可知，改進(jìn)算法的網(wǎng)絡(luò)能耗明顯低于Cluster-Tree算法。當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)越多時(shí)，可供選擇的作為類的中繼節(jié)點(diǎn)就越多，能夠減少約30%的能耗，此外隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，有的節(jié)點(diǎn)由于多次作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，能量消耗會(huì)很大，會(huì)過早的出現(xiàn)死亡節(jié)點(diǎn)。

圖6　目的節(jié)點(diǎn)數(shù)與總跳數(shù)

如圖7可知，此改進(jìn)算法由于避開了剩余能量低的節(jié)點(diǎn)，選擇能量多的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，避免了有些節(jié)點(diǎn)的過早死亡，均衡了網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載，最大化網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。

圖7　死亡節(jié)點(diǎn)數(shù)的變化曲線

4　系統(tǒng)測(cè)試

本文的路由器采用的是基于linux系統(tǒng)的智能路由器，該系統(tǒng)具體使用步驟如下：

（1）將路由器接入外部網(wǎng)絡(luò)，并使得裝有APP的手機(jī)通過無線方式與路由器相連。

（2）點(diǎn)擊進(jìn)入APP注冊(cè)頁(yè)面，注冊(cè)賬號(hào)，使得賬號(hào)與路由器的mac地址在服務(wù)器中進(jìn)行綁定。

（3）斷開手機(jī)的無線，并打開手機(jī)的3 G網(wǎng)絡(luò)，重新輸入賬號(hào)，進(jìn)入空調(diào)設(shè)置界面，設(shè)定空調(diào)的溫度，模式和風(fēng)速。如8（a）圖所示

（4）進(jìn)入網(wǎng)關(guān)的管理界面，查看歷史操作記錄，驗(yàn)證操作是否成功，如8（b）圖所示。

為驗(yàn)證改進(jìn)后算法的優(yōu)越性，本系統(tǒng)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)均采用干電池供電，當(dāng)使用傳統(tǒng)的Cluster-Tree算法時(shí)，通過編寫的自動(dòng)控制程序測(cè)試，發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的使用壽命大概為5 d~6 d，若將改進(jìn)后的路由算法燒入至系統(tǒng)的ZigBee節(jié)點(diǎn)中，經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，節(jié)點(diǎn)的使用壽命得到顯著提升，在工作約10 d后，同樣的干電池還使電動(dòng)遙控車連續(xù)使用至少5 d。因此，在實(shí)際運(yùn)用中，若使用外接電源對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行供電，可有效地為了延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，而有效減少路由損耗，節(jié)省能源的消耗。

圖8　

5　結(jié)論

隨著控制技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展和人們生活水平的提高，家居智能化正成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。本文利用家中常用的智能路由器與智能網(wǎng)關(guān)，將手機(jī)APP中的命令通過智能路由器發(fā)送至家中的智能網(wǎng)關(guān)中，并通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備的控制。針對(duì)傳統(tǒng)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)Cluster-Tree路由算法，依據(jù)AODVjr算法中路由選擇的相關(guān)原理，一方面對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)以及地址分配機(jī)制進(jìn)行了改進(jìn)，另一方面將與目的節(jié)點(diǎn)有關(guān)的一系列節(jié)點(diǎn)定義為類，通過將擁有合適類的節(jié)點(diǎn)作為中繼節(jié)點(diǎn)，選擇最優(yōu)路徑，從而有效地減少額外的路由開銷，并根據(jù)最小剩余能量的設(shè)定，使得網(wǎng)絡(luò)負(fù)載實(shí)現(xiàn)均衡在后期，該系統(tǒng)也可延伸至相關(guān)的安全監(jiān)控中去，通過安裝在ZigBee終端節(jié)點(diǎn)上特定的傳感器來實(shí)時(shí)獲取某些環(huán)境參數(shù)（如煙霧，特殊氣體等）。

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孫正鳳（1976-），女，漢族，江蘇泰州人，南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院教師，碩士，講師，主要從事嵌入式系統(tǒng)開發(fā)研究。

Desing of Roof Separation Indicator System Based on ZigBee and Industrial Ethernet Technology

WANG Lifei，WANG Xiaorong*

（Nanjing University of Technology，Automation and Electrical Engineering，Nanjing 210009，China）

Abstract：Aimed at the present mine roof separation indicator that mainly adopts the transmission mode of cable，this method has the disadvantage of inconvenience for installation，high cost and poor flexibility and scalability. Therefore，according to the measurement principle of roof abscission layer and the practical situation of the roadway scene，the author combined ZiggBee and Ethernet on the STM32 processor，applied RT-thread operating system，de?signed an on-line roof separation monitoring system based on ZigBee and Ethernet technology. Mine experiment proves that the measuring range of this system is 0-300 mm，the precision is 2%，and the transmission of partial data of ZigBee is stable and real time，which makes the automatic roof separation and detection convenient.

Key words：roof separation indicator；ZigBee；Ethernet；on-line monitor

doi：EEACC：7200；6210Q10.3969/j.issn.1005-9490.2016.01.042

收稿日期：2015-04-09修改日期：2015-09-02

中圖分類號(hào)：TP13

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-9490（2016）01-0199-06