ZigBee路由算法在古樹(shù)名木監(jiān)控中的應(yīng)用*

王春玲，孟　丹，蔣　麒，佘佐彬（北京林業(yè)大學(xué)信息學(xué)院，北京100083）

ZigBee路由算法在古樹(shù)名木監(jiān)控中的應(yīng)用*

王春玲，孟丹，蔣麒，佘佐彬
（北京林業(yè)大學(xué)信息學(xué)院，北京100083）

從最大化網(wǎng)絡(luò)壽命的角度出發(fā)，對(duì)系統(tǒng)中的ZigBee路由算法進(jìn)行改進(jìn)。利用系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸方向固定的特點(diǎn)，對(duì)RREQ報(bào)文的傳輸方向進(jìn)行控制，減少不必要的RREQ報(bào)文，降低因RREQ泛洪造成的節(jié)點(diǎn)能量損耗。通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)劃分不同的能量區(qū)域，均衡使用各節(jié)點(diǎn)能量，避免低能量節(jié)點(diǎn)的過(guò)度使用，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。NS—2仿真結(jié)果表明：網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)腞REQ報(bào)文數(shù)量明顯減少和節(jié)點(diǎn)存活率提高，有效提高了古樹(shù)名木監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控范圍和監(jiān)控效率。

ZigBee；古樹(shù)名木；監(jiān)控管理；路由算法；算法仿真；NS—2

0　引言

將ZigBee技術(shù)［1，2］運(yùn)用到古樹(shù)名木監(jiān)控管理系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)傳輸對(duì)古樹(shù)名木的各類(lèi)監(jiān)控信息，有效避免了傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)安裝維護(hù)困難、受地理環(huán)境影響制約大等問(wèn)題［3］。雖然ZigBee網(wǎng)絡(luò)的能耗低于普通的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，基本上2節(jié)5號(hào)電池就可以維持ZigBee節(jié)點(diǎn)工作6個(gè)月到2年左右的時(shí)間［4］。但是眾多場(chǎng)合下，除協(xié)調(diào)器采用常規(guī)供電之外，ZigBee網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)沒(méi)有固定基礎(chǔ)設(shè)施支持，大都采用電池供電，故其電量使用情況成為制約ZigBee網(wǎng)絡(luò)壽命的關(guān)鍵因素。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時(shí)消耗的能量遠(yuǎn)大于采集和處理數(shù)據(jù)時(shí)消耗的能量［5］。因此，改進(jìn)路由算法成為ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)能研究的熱點(diǎn)。Singh S等人從節(jié)點(diǎn)能量的角度提出了最小化路徑總能量、最大化網(wǎng)絡(luò)壽命等五種能量有效路由策略［6］。不同的能量有效路由策略適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景，需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)選擇合適的能量有效路由算法。錢(qián)志鴻等人提出了一種基于分簇機(jī)制的混合路由改進(jìn)算法［7］。針對(duì)ZigBee網(wǎng)絡(luò)樹(shù)路由算法中，某些節(jié)點(diǎn)可能會(huì)因?yàn)轭l繁傳輸數(shù)據(jù)造成過(guò)早死亡，李濤提出了一種改進(jìn)的基于能量?jī)?yōu)化的ZigBee網(wǎng)絡(luò)樹(shù)路由算法［8］。

本文從最大化網(wǎng)絡(luò)壽命的角度出發(fā)，結(jié)合古樹(shù)名木監(jiān)控管理系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用特點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)的ZigBee路由算法進(jìn)行了改進(jìn)：一是利用網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸方向固定的特點(diǎn)，控制AODVjr路由算法中RREQ報(bào)文的洪泛方向，減少不必要的能量耗損；二是通過(guò)劃分能量區(qū)域，減少低能量節(jié)點(diǎn)的過(guò)度使用，均衡使用各節(jié)點(diǎn)能量，避免過(guò)早出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分割，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。

1　ZigBee路由算法分析

ZigBee網(wǎng)絡(luò)層主要實(shí)現(xiàn)組建網(wǎng)絡(luò)、為新入網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)分配地址、路由發(fā)現(xiàn)及維護(hù)等功能，可支持星型（star）、樹(shù)型（tree）和網(wǎng)狀型（mesh）三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［9］。根據(jù)節(jié)點(diǎn)功能的不同，可分為全功能設(shè)備（FFD）和簡(jiǎn)化功能設(shè)備（RFD）。根據(jù)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中擔(dān)負(fù)作用的不同，可分為協(xié)調(diào)器（coordinator）、路由器（router）和終端節(jié)點(diǎn)（end device）。協(xié)調(diào)器和路由器只能是FFD。RFD只能作為終端節(jié)點(diǎn)，且僅能和FFD進(jìn)行通信［10］。在古樹(shù)名木監(jiān)控管理等覆蓋范圍較大的場(chǎng)合，可以組建樹(shù)型ZigBee網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)路由器實(shí)現(xiàn)多跳的數(shù)據(jù)傳輸。

1.1Cluster-Tree路由算法

使用Cluster-Tree路由算法的網(wǎng)絡(luò)采用分布式地址分配機(jī)制。每個(gè)設(shè)備都被分配有唯一的16位短地址。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)的最大深度為L(zhǎng)m，父節(jié)點(diǎn)最多能夠連接的子節(jié)點(diǎn)數(shù)為Cm，這些子節(jié)點(diǎn)中路由節(jié)點(diǎn)最多為Rm，Cskip（d）是網(wǎng)絡(luò)深度為d的父節(jié)點(diǎn)為其子節(jié)點(diǎn)分配的地址之間的偏移量，它們滿足如下關(guān)系［11］

只有當(dāng)Cskip（d）＞0時(shí)，才允許新節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，將按如下的地址分配方式獲得唯一的地址

式中An為第n個(gè)節(jié)點(diǎn)的地址，Ap為其父節(jié)點(diǎn)的地址。

在Cluster-Tree路由算法中，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)分組時(shí)，它將根據(jù)目的地址決定是接收數(shù)據(jù)還是轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，并確定轉(zhuǎn)發(fā)的下一跳地址。

對(duì)于地址為A，深度為d的路由節(jié)點(diǎn)，如果地址為D的目的節(jié)點(diǎn)滿足下面的不等式

則說(shuō)明目的節(jié)點(diǎn)是其子節(jié)點(diǎn)，此時(shí)節(jié)點(diǎn)將分組轉(zhuǎn)發(fā)給它的子節(jié)點(diǎn)，并且滿足下面的關(guān)系

如果目的節(jié)點(diǎn)不是其子節(jié)點(diǎn)，則將數(shù)據(jù)分組發(fā)送給其父節(jié)點(diǎn)。

Cluster-Tree路由算法原理簡(jiǎn)單，不需要路由查找和維護(hù)路由表，降低了節(jié)點(diǎn)能量消耗。同時(shí)，對(duì)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)能力的要求較低，降低了節(jié)點(diǎn)的成本［12］。但是該算法不夠靈活，發(fā)現(xiàn)的路徑可能不是最優(yōu)路徑，易造成網(wǎng)絡(luò)中通信流量分配不均衡。

1.2AODVjr路由算法

AODVjr算法是一種簡(jiǎn)化版本的AODV算法。其路由查找過(guò)程，如圖1所示［13］。

圖1　AODVjr路由算法Fig 1　AODVjr routing algorithm

當(dāng)源節(jié)點(diǎn)S要向目的節(jié)點(diǎn)D發(fā)送或轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，首先檢查自己的路由表中是否有到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)D的表項(xiàng)。若有，則轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組到下一跳地址；否則，通過(guò)向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播RREQ進(jìn)行路由查找，直到查找到目的節(jié)點(diǎn)D。在AODVjr路由算法中，節(jié)點(diǎn)只接收最先到達(dá)的RREQ報(bào)文，且只有目的節(jié)點(diǎn)可以回復(fù)RREP報(bào)文?；诖耍康墓?jié)點(diǎn)只接收最先到達(dá)的RREQ，并通過(guò)回復(fù)RREP，建立到源節(jié)點(diǎn)S的反向路由。源節(jié)點(diǎn)根據(jù)RREP，建立到目的節(jié)點(diǎn)D的正向路由，并通過(guò)定期向D發(fā)送Keep-Alive，對(duì)正向路由進(jìn)行維護(hù)。正向路由建立后，源節(jié)點(diǎn)S向目的節(jié)點(diǎn)D發(fā)送數(shù)據(jù)分組。

AODVjr路由算法查找的路徑是最優(yōu)路徑，但存在信息爆炸問(wèn)題，沒(méi)有考慮各節(jié)點(diǎn)的能量狀況，容易造成節(jié)點(diǎn)的過(guò)度使用［14］。

1.3ZigBee路由算法

基于低成本、低功耗、可靠性高等需求，ZigBee網(wǎng)絡(luò)采用Cluster-Tree與AODVjr相結(jié)合的路由算法，在簡(jiǎn)化算法的同時(shí)，提高了路由效率，降低了分組傳輸延時(shí)。ZigBee路由算法將節(jié)點(diǎn)分為RN+和RN-兩種類(lèi)型節(jié)點(diǎn)。RN+節(jié)點(diǎn)具有足夠的存儲(chǔ)空間和能力執(zhí)行AODVjr路由算法，RN-節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)空間有限，不具備執(zhí)行AODVjr路由算法的能力，只能執(zhí)行Cluster-Tree路由算法。當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)分組時(shí)，如果該節(jié)點(diǎn)為RN-節(jié)點(diǎn)，則按照Cluster-Tree路由算法進(jìn)行路由查找，即只能將數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)給其父節(jié)點(diǎn)或者子節(jié)點(diǎn)；如果該節(jié)點(diǎn)為RN+節(jié)點(diǎn)，則按照AODVjr路由算法尋找最短路徑［15］。

2　路由算法改進(jìn)

2.1問(wèn)題提出

古樹(shù)名木監(jiān)控管理中普遍采用樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)，以覆蓋較大的監(jiān)控區(qū)域。在Cluster-Tree路由算法中，數(shù)據(jù)分組都是通過(guò)父節(jié)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行傳遞。路由器節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)深度越低，即越靠近協(xié)調(diào)器，其負(fù)擔(dān)越重，后代節(jié)點(diǎn)較多的路由器節(jié)點(diǎn)將很快耗盡電量，這樣會(huì)造成后代節(jié)點(diǎn)脫離網(wǎng)絡(luò)，提前出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分割，極大地降低監(jiān)控管理系統(tǒng)的監(jiān)控區(qū)域。

AODVjr路由算法考慮的是最小化路徑總能量，它選擇開(kāi)銷(xiāo)最低的路由成為最佳路徑，使路由效率最優(yōu)。但是在選取最佳路徑時(shí)只考慮路徑總的鏈路質(zhì)量，沒(méi)有對(duì)低能量節(jié)點(diǎn)采取保護(hù)措施。同時(shí)，路由算法中沒(méi)有控制的發(fā)送RREQ報(bào)文，會(huì)大量消耗節(jié)點(diǎn)能量，加速低能量節(jié)點(diǎn)的死亡。

可見(jiàn)，此ZigBee路由算法可以根據(jù)古樹(shù)名木監(jiān)控管理的實(shí)際特點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)。在古樹(shù)名木監(jiān)控管理中，節(jié)點(diǎn)周期性地向協(xié)調(diào)器傳輸溫度、濕度等監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)分組的目的地址都是協(xié)調(diào)器，根據(jù)數(shù)據(jù)的傳輸方向固定這一特點(diǎn)，對(duì)RREQ的傳輸方向進(jìn)行控制，減少不必要的RREQ報(bào)文，有效避免RREQ洪泛造成節(jié)點(diǎn)能量的大量消耗。同時(shí)通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)劃分不同的能量區(qū)域，均衡使用各節(jié)點(diǎn)能量，避免低能量節(jié)點(diǎn)的過(guò)度使用，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。

2.2路由改進(jìn)策略

設(shè)節(jié)點(diǎn)的能量為E，初始能量為E0，將節(jié)點(diǎn)劃分為能量充足區(qū)、能量安全區(qū)、能量危險(xiǎn)區(qū)。具體判定過(guò)程如下：

1）能量充足區(qū)：E＞50%E0，節(jié)點(diǎn)接收到RREQ分組后，直接轉(zhuǎn)發(fā)。

2）能量安全區(qū)：10%E0＜E≤50%E0，節(jié)點(diǎn)接收到RREQ分組后，延遲Tdelay秒轉(zhuǎn)發(fā)。其中，Tdelay滿足如下關(guān)系

3）能量危險(xiǎn)區(qū)：E≤10%E0，節(jié)點(diǎn)接收到RREQ分組后，直接丟棄。

改進(jìn)后的Zig Bee路由算法，其具體步驟如下：

1）節(jié)點(diǎn)在收到數(shù)據(jù)分組后，首先判斷有無(wú)到目的節(jié)點(diǎn)的有效路由。若有，則直接按有效路由進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；否則，進(jìn)入第2步。

2）判斷當(dāng)前節(jié)點(diǎn)類(lèi)型，若為RN-類(lèi)型節(jié)點(diǎn)，則按執(zhí)行Cluster-Tree路由算法，將數(shù)據(jù)分組向其父節(jié)點(diǎn)傳輸；若節(jié)點(diǎn)為RN+類(lèi)型節(jié)點(diǎn)，則按照改進(jìn)的AODVjr路由算法的判定過(guò)程進(jìn)行路由查找。

3）節(jié)點(diǎn)在收到RREQ報(bào)文后，首先判斷節(jié)點(diǎn)深度是否大于源節(jié)點(diǎn)，即節(jié)點(diǎn)是否遠(yuǎn)離協(xié)調(diào)器。若是，則直接丟棄RREQ報(bào)文；否則，進(jìn)入第4步。

4）節(jié)點(diǎn)將根據(jù)自己的能量狀況，對(duì)RREQ報(bào)文進(jìn)行不同的處理。當(dāng)節(jié)點(diǎn)處于能量充足區(qū)時(shí)，直接轉(zhuǎn)發(fā)；當(dāng)節(jié)點(diǎn)處于能量安全區(qū)時(shí)，延遲Tdelay秒轉(zhuǎn)發(fā)；當(dāng)節(jié)點(diǎn)處于能量危險(xiǎn)區(qū)時(shí)，直接丟棄。

此時(shí)建立的路由，會(huì)對(duì)處于能量安全區(qū)和能量危險(xiǎn)區(qū)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行保護(hù)。路由建立后，節(jié)點(diǎn)將開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)，并在數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束后，檢查當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的能量狀況。當(dāng)節(jié)點(diǎn)能量區(qū)域發(fā)生變化時(shí)，節(jié)點(diǎn)將會(huì)向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送RERR報(bào)文，通知源節(jié)點(diǎn)重新進(jìn)行路由查找，以建立新的能量狀況下的路由。

3　算法仿真

為了評(píng)估改進(jìn)后算法的性能，本文利用開(kāi)源的網(wǎng)絡(luò)模擬軟件NS—2［16］，對(duì)改進(jìn)前后的路由算法進(jìn)行了仿真，網(wǎng)絡(luò)面積100 m×100 m，通信半徑10 m，節(jié)點(diǎn)數(shù)50個(gè)，節(jié)點(diǎn)初始能量100 J，數(shù)據(jù)流類(lèi)型為CBR，數(shù)據(jù)流大小80 byte，仿真時(shí)間300 s，Cm=4，Rm=4，Lm=3。

圖2對(duì)算法改進(jìn)前后RREQ發(fā)送數(shù)量進(jìn)行了對(duì)比分析。明顯看出：改進(jìn)后RREQ報(bào)文發(fā)送數(shù)量減少了，進(jìn)而降低了網(wǎng)絡(luò)的整體能耗。

圖2　RREQ發(fā)送數(shù)量對(duì)比圖Fig 2　Comparison diagram of RREQ sending quantity

圖3對(duì)算法改進(jìn)前后節(jié)點(diǎn)存活率進(jìn)行了對(duì)比分析。仿真結(jié)果表明：改進(jìn)后的算法中節(jié)點(diǎn)存活率高于原算法。

圖3　節(jié)點(diǎn)存活率對(duì)比圖Fig 3　Comparison chart of node survival rate

4　結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在古樹(shù)名木監(jiān)控中網(wǎng)絡(luò)傳輸方向固定的特點(diǎn)，通過(guò)控制RREQ報(bào)文傳輸方向，減少不必要的RREQ報(bào)文傳輸，有效避免了因RREQ報(bào)文洪泛造成的能量損耗，相對(duì)于無(wú)向網(wǎng)絡(luò)傳輸節(jié)點(diǎn)而言，本研究的節(jié)點(diǎn)能量損耗有效降低；此外，研究根據(jù)不同的運(yùn)用場(chǎng)景和實(shí)際情況，可以進(jìn)行靈活的相關(guān)參數(shù)配置和時(shí)延，通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)劃分能量區(qū)域，均衡使用各節(jié)點(diǎn)能量，避免低能量節(jié)點(diǎn)的過(guò)度使用，提高節(jié)點(diǎn)生存周期。

仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：改進(jìn)后的 ZigBee算法在控制RREQ報(bào)文發(fā)送數(shù)量和提高節(jié)點(diǎn)存活率方面達(dá)到了良好的預(yù)期效果，網(wǎng)絡(luò)的整體能耗降低，生存時(shí)間得到有效提高。本研究采用的方法和理論保證古樹(shù)名木監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控范圍和提高其監(jiān)控效率，可為古樹(shù)名木和林地監(jiān)控管理等相關(guān)領(lǐng)域研究提供了實(shí)際參考和借鑒意義。

［1］瞿累，劉盛德，胡咸斌.ZigBee技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007：1-8.

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［11］ 由文凱.基于 ZigBee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究［D］.南京：南京郵電大學(xué)，2012.

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［13］韓大衛(wèi).ZigBee網(wǎng)絡(luò)層AODVjr路由算法的節(jié)能研究［D］.杭州：杭州電子科技大學(xué)，2011.

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Application of ZigBee routing algorithm in monitoring of ancient and famous trees*

WANG Chun-ling，MENG Dan，JIANG Qi，SHE Zuo-bin
（School of Information Science&Technology of BJFU，Beijing 100083）

Combined with actual application of ZigBee in monitoring on ancient and famous trees，the ZigBee routing algorithm used in the system is improved from the view of maximizing lifetime of network.Using characteristic of data transmitssion in a fixed direction in system，control on transmission direction of RREQ packets to reduce unnecessary RREQ packets，and decrease losses of node energy caused by flooding of RREQ.By dividing nodes into different energy regions，it makes the energy of node can be used in balanced and avoids node in low energy being excessively used，so as to prolong survival time of network.Results of simulation using NS—2 show that numbers of RREQ packets in the network are significantly reduced and the rate of node survival is increased.It effectively improves monitoring range and efficiency of system.

ZigBee；ancient and famous trees；monitoring management；routing algorithm；algorithm simulation；NS—2

TP309

A

1000—9787（2016）06—0151—04

10.13873/J.1000—9787（2016）06—0151—04

2016—04—11

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（YX2013—38）；“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（2012BAC16B03）

王春玲（1975-），女，山東萊州人，副教授、碩士研究生導(dǎo)師，主研方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)。