基于森林環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)研究

左是　劉竹林　李禎

摘 要： 以森林環(huán)境監(jiān)測為研究背景，以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)為研究對象，通過分析森林環(huán)境監(jiān)測的特點，應(yīng)用OMNeT++仿真軟件，開展8個傳感器節(jié)點在重點區(qū)域森林環(huán)境監(jiān)測中的路由協(xié)議仿真研究。仿真結(jié)果與分析設(shè)計基本一致，該路由協(xié)議可作為該領(lǐng)域應(yīng)用的技術(shù)方案。

關(guān)鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；路由；森林環(huán)境監(jiān)測

中圖分類號： TP212；TN929.5 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-8153（2018）03-0062-04

我國具有廣袤的森林植被，按生態(tài)學特征選定的固定樣地就有23萬個以上，自20世紀80年代末期相關(guān)機構(gòu)就利用遙感技術(shù)進行地表植被觀測，但遙感觀測受時令氣候和遙感技術(shù)本身的限制，削弱了對險情的應(yīng)急響應(yīng)速度和政府宏觀干預效果，也不利于低成本大范圍推廣。某種程度上，在該領(lǐng)域我國仍依賴于人工值守觀測，從數(shù)據(jù)處理和信息通信角度來看，急需新技術(shù)手段來解決這個問題。

2000年以來，隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)逐步在各領(lǐng)域開展應(yīng)用，已有國內(nèi)高校利用這一新技術(shù)手段針對森林環(huán)境因子開展環(huán)境監(jiān)測實驗。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可在感知對象附近以自組織方式組網(wǎng)，通過公用通信網(wǎng)絡(luò)將感知信息傳送到遠程控制中心，在技術(shù)層面顯著地解決了之前觀測手段的缺陷。研究表明，在當前技術(shù)條件下傳感器節(jié)點在硬件上仍然受感知范圍、通信能力、生存周期等方面的限制，同時還受不同森林環(huán)境特征的影響。因此對節(jié)點之間路由協(xié)議進行優(yōu)化，采用“軟手段”，可以緩解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式結(jié)構(gòu)對于節(jié)點硬件性能的依賴。本文將對基于森林環(huán)境監(jiān)測情況下的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行仿真研究。

1 重點區(qū)域森林環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)計

本著對目標監(jiān)測和應(yīng)用開展的需要，本課題明確為重點區(qū)域的實時監(jiān)測，不需要節(jié)點具備休眠功能，也不需要通過控制節(jié)點規(guī)模來覆蓋大范圍的區(qū)域。

基于此，筆者有如下思考：

（1）通用網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議十分有限，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通?；谔囟☉?yīng)用目的和場景，沒有普適的路由協(xié)議能夠同時應(yīng)對多種網(wǎng)絡(luò)拓撲；

（2）考慮網(wǎng)絡(luò)生命周期和運行成本，單個節(jié)點的生存時間直接影響網(wǎng)絡(luò)整體的壽命。因此，減少電能損耗，通過控制節(jié)點跳數(shù)來達到優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸是路由設(shè)計需要考慮的；

（3）單個傳感器節(jié)點的處理功率低、緩存容量有限，如果節(jié)點在選擇下一跳傳送目標時需要經(jīng)過復雜運算，則會削弱網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。

2 重點區(qū)域森林監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)的路由設(shè)計與仿真

本課題在OMNeT++（Objective Modular Network Testbed in C++）2軟件下開展仿真，該軟件是一款開源面向?qū)ο蟮碾x散事件網(wǎng)絡(luò)模擬器，具備完善的圖形界面接口和嵌入式仿真內(nèi)核，可以通過定義網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，對網(wǎng)絡(luò)仿真進行模塊化的編程、調(diào)試和事件跟蹤。

2.1 監(jiān)測情景分析與路由設(shè)計分析

實施重點區(qū)域的森林環(huán)境監(jiān)測，意味著監(jiān)測范圍小、網(wǎng)絡(luò)輪轉(zhuǎn)速度快、數(shù)據(jù)更新頻率高，網(wǎng)絡(luò)生命周期等質(zhì)量因素也是不容忽視的。在此前提下，結(jié)合Tic-Toc模型給出以下設(shè)計方案：

（1）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點數(shù)量明確為8個。路由設(shè)計策略是：在“軟層面”動態(tài)生成節(jié)點的傳送目標，在傳遞過程中完成對網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的輪詢。如若事先給定路由表，每個傳感器節(jié)點都會因存儲該路由表帶來緩存的壓力。

（2）根據(jù)當前國內(nèi)文獻，8個傳感器節(jié)點已能覆蓋并控制一定的區(qū)域，為使表述清晰，這些節(jié)點的組網(wǎng)方式和結(jié)構(gòu)將事先明確。

（3）本仿真實驗會考慮在重點區(qū)域監(jiān)測存在高頻運行的情況。

2.2 路由協(xié)議的OMNET++仿真

仿真由兩部分組成，一是構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)模型，基于應(yīng)用本身對網(wǎng)絡(luò)進行描述；二是定義網(wǎng)絡(luò)行為，使網(wǎng)絡(luò)按路由協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳遞，并記錄數(shù)據(jù)傳遞過程中的“離散事件”以及統(tǒng)計“路由跳數(shù)”。

2.2.1 構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)模型

在OMNet++軟件中對網(wǎng)絡(luò)模型進行描述，以完成對網(wǎng)絡(luò)中各個模塊的封裝。構(gòu)建過程通過NED語言和圖形化編程完成，該程序文件以“.ned后綴”體現(xiàn)。設(shè)計流程如圖1所示，流程圖描述了構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)模型的過程，首先定義模型及模型參數(shù)，然后定義網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點，最后對每個節(jié)點連接進行定義。OMNeT++軟件會在語句編程基礎(chǔ)上得到如圖2所示為圖形化網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)，該圖也可表征節(jié)點之間信息傳遞的準實時狀態(tài)。

2.2.2 路由協(xié)議的C++程序設(shè)計——定義網(wǎng)絡(luò)模型的行為

通過構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)模型，也就完成在該應(yīng)用場景下對網(wǎng)絡(luò)本身的描述。此后將使用C++語言來定義網(wǎng)絡(luò)模型的行為。該部分在OMNeT++中以“.msg”和 “.cc”為后綴的程序文件體現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)“行為”主要由兩部分組成——確定數(shù)據(jù)包發(fā)送的源節(jié)點和目標節(jié)點（并創(chuàng)建節(jié)點集合），以及激活路由協(xié)議開始數(shù)據(jù)傳遞（包含記錄網(wǎng)絡(luò)中的離散事件）并統(tǒng)計路由跳數(shù)。流程圖如圖3。

“. msg”程序文件將動態(tài)生產(chǎn)節(jié)點的目標節(jié)點，以明確“. cc”程序文件中在數(shù)據(jù)傳遞開始后數(shù)據(jù)傳遞的路徑，數(shù)據(jù)在完成第一次“起始節(jié)點—目標節(jié)點”傳送后，程序?qū)⒅貜蜕鲜鲞^程，并激活路由跳數(shù)的計算，從而判斷仿真結(jié)果是否符合預期。

2.3 路由的仿真結(jié)果分析

通過OMNeT++對路由協(xié)議進行仿真，在仿真運行后得到如下結(jié)果。

2.3.1 Sequence Charts圖

據(jù)圖3所示，在仿真開始的1 s 872 ms內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)最初執(zhí)行“tic-0-to-5”，意味著數(shù)據(jù)傳遞從第0號傳感器節(jié)點發(fā)起，傳遞目標是第5號傳感器節(jié)點。還可從圖3的橫軸仿真時間看到節(jié)點之間高頻次的數(shù)據(jù)傳遞。在此網(wǎng)絡(luò)第一次執(zhí)行“起始節(jié)點-目標節(jié)點”模式時，網(wǎng)絡(luò)依次輪詢第7號、第0號、第1號、第2號、第6號、第3號、第4號傳感器節(jié)點，完成數(shù)據(jù)傳遞。隨后網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行“tic-0-to-5”模式，再次對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點完成輪詢。同時可從圖3的橫軸仿真時間看到節(jié)點之間高頻次的數(shù)據(jù)傳遞。

讓仿真時間繼續(xù)，向右拖動Sequence Charts圖，可以清晰地看到網(wǎng)絡(luò)按以下“起始節(jié)點-目標節(jié)點”模式運行——tic-0-to-5，tic-5-to-0，tic-0-to-1，tic-1-to-4，tic-4-to-5，tic-5-to-3，網(wǎng)絡(luò)按動態(tài)生成的目標集合，建立起數(shù)據(jù)傳遞機制。

結(jié)合森林環(huán)境監(jiān)測的特點，路由依據(jù)算法產(chǎn)生節(jié)點的傳送目標集合，動態(tài)傳送目標集合在傳遞過程中給每個節(jié)點分配任務(wù)，在運行過程中降低了網(wǎng)絡(luò)冗余和節(jié)點負載，使節(jié)點在有限電能供應(yīng)下提升工作效率，保證了重點區(qū)域森林環(huán)境監(jiān)測高頻次地運行。如圖3，在不到1 s的時間內(nèi)，8個節(jié)點執(zhí)行完成路由分配的初始化任務(wù)，對于緩存計算能力有限的節(jié)點，也能在該路由模式下完成預先設(shè)定的任務(wù)。簡單有效的網(wǎng)絡(luò)路由模式基本達到了設(shè)計初衷。

2.3.2 路由跳數(shù)統(tǒng)計

圖4 為在95s 900 ms的仿真時間內(nèi)節(jié)點的平均跳數(shù)。8個節(jié)點的跳數(shù)1～16之間波動，其中5個節(jié)點的跳數(shù)在9～12，考慮到實際運行環(huán)境中網(wǎng)絡(luò)可能會出現(xiàn)單個節(jié)點失去功能，隨機的跳躍可能會減輕網(wǎng)絡(luò)癱瘓的風險。第1號節(jié)點平均跳數(shù)為1，第5號節(jié)點平均跳數(shù)為16，網(wǎng)絡(luò)需使負載均衡，以避免特殊節(jié)點過早死亡，但考慮到仿真時間較短，該路由算法本身不復雜、對節(jié)點要求不高、網(wǎng)絡(luò)實施代價小，恐不足以導致此問題。同時，可以此確定數(shù)據(jù)傳輸?shù)膕ink節(jié)點，匹配公用網(wǎng)絡(luò)通信功能，向環(huán)境監(jiān)測監(jiān)控中心傳輸數(shù)據(jù)。

3 結(jié)語

基于上述路由技術(shù)的設(shè)計、仿真和分析，在付諸實施時，需按照生態(tài)學理論確定的觀察標志點，布置傳感器節(jié)點（整合傳感器、通信芯片、電池等模塊后，即為傳感器節(jié)點硬件），并按路由協(xié)議組建網(wǎng)絡(luò)以達到監(jiān)測目的，該路由技術(shù)方案可以作為重點區(qū)域森林環(huán)境監(jiān)測的一種可行嘗試。

[參考文獻]

[1]張會儒，唐守正，王彥輝.德國森林資源和環(huán)境監(jiān)測技術(shù)體系及其借鑒[J].世界林業(yè)研究，2002（02）：63-70.

[2]蔣小川.節(jié)能型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在森林環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用[J].南京林業(yè)大學學報（自然科學版），2014，38（04）：14-18.

[3]賈 峰. 基于無線傳感器玩的森林環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究[D]. 杭州：浙江農(nóng)林大學，2011：6.