基于帶狀傳感網(wǎng)絡(luò)的智慧路燈分簇路由協(xié)議

趙旭東 向敏 譚童

摘? 要：為滿足現(xiàn)有智慧路燈控制網(wǎng)絡(luò)中對實時性和準(zhǔn)確率的要求，提出一種基于帶狀傳感網(wǎng)絡(luò)的智慧路燈分簇路由協(xié)議。首先匯聚節(jié)點對路燈網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分簇，通過采用簇內(nèi)單跳和簇間多跳路由的結(jié)合方式，以減少整條帶狀網(wǎng)絡(luò)中的傳輸跳數(shù)，使得路燈控制得到快速響應(yīng)，在擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的同時也提高了通信的可靠性。仿真實驗結(jié)果表明，本方案能夠提高路燈控制的響應(yīng)時間，同時也有效延長了網(wǎng)絡(luò)的通信距離。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò);智慧路燈;分簇;路由協(xié)議

中圖分類號：TP393? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）07-0038-02

Abstract： In order to meet the requirements of real-time and accuracy in the existing intelligent street lamp control network， a clustering routing protocol for intelligent street lamp based on banded sensor network is proposed. Firstly， the convergence node clusters the street lamp network. By using the combination of intra-cluster single-hop routing and inter-cluster multi-hop routing， the number of transmission hops in the whole banded network is reduced， so that the street lamp control can get a fast response. It not only expands the scale of the network， but also improves the reliability of communication. The simulation results show that the scheme can improve the response time of street lamp control， but also effectively prolong the communication distance of the network.

Keywords： wireless sensor networks （WSN）; intelligent streetlights; clustering; routing protocols

1 概述

城市的智能化發(fā)展已成為不可逆的趨勢，路燈作為重要的基礎(chǔ)設(shè)施，實現(xiàn)路燈的智能化管控可有效節(jié)約能源，減少人力物力的支出[1-2]。路燈分布范圍廣，人工監(jiān)管困難，因此將具有高效監(jiān)測能力的無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于路燈控制中具有很大的優(yōu)勢。

目前我國主要的智慧照明控制方式主要有電力線載波通信（power line carrier communication，PLC）和ZigBee無線通信方式。電力線載波以電力線作為傳輸介質(zhì)，通過載波的方式進(jìn)行信息傳輸，不需要另外架設(shè)網(wǎng)線，具有廣闊的應(yīng)用前景[3-4]。但是，在低壓電力線載波通信中，電力線載波存在著易受到磁場的干擾，信道衰減大，可靠性差等問題。Zigbee是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，具有低速率、短時延、自愈合、抗干擾的特點[5]。但是其通信的穩(wěn)定性易受環(huán)境的干擾，通信距離短，不適用路燈大規(guī)模組網(wǎng)，從而影響了路燈控制的實時性和可靠性。

根據(jù)路燈大多呈現(xiàn)帶狀分布的特點，應(yīng)采用帶狀的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行通信。其次路燈節(jié)點較多，為大規(guī)模應(yīng)用場景，采用聚簇的路由方式可有效解決節(jié)點數(shù)量多，網(wǎng)絡(luò)通信量大的問題。分簇網(wǎng)絡(luò)具有良好的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性，便于能量管理、負(fù)載平衡、資源分配等特點，而且分簇網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓阌诠芾恚哂辛己玫臄U(kuò)展性，更適用于路燈大規(guī)模組網(wǎng)[6]。

目前，針對無線傳感網(wǎng)絡(luò)分簇路由協(xié)議國內(nèi)外已有很多相關(guān)的研究文獻(xiàn)。主要采用分簇的路由協(xié)議，研究網(wǎng)絡(luò)的能耗均衡問題。但對于智慧路燈控制網(wǎng)絡(luò)來說，傳感器節(jié)點的能耗已不是主要的研究問題，提高路燈控制網(wǎng)絡(luò)的可靠性和實時性成為主要的研究內(nèi)容。因此本文提出一種基于帶狀傳感網(wǎng)絡(luò)的智慧路燈分簇路由協(xié)議。

2 網(wǎng)絡(luò)模型

本文針對路燈分布特點，設(shè)計無線傳感器網(wǎng)絡(luò)帶狀分簇網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。模型中主要包括匯聚節(jié)點和傳感器節(jié)點。其中匯聚節(jié)點位于網(wǎng)絡(luò)的一端，進(jìn)行控制指令下發(fā)和數(shù)據(jù)的收集。路燈節(jié)點采用人工部署的方案，假設(shè)有N個節(jié)點均勻分布在長為L，寬為M的監(jiān)測區(qū)域范圍內(nèi)（L>>M），節(jié)點遵循以下規(guī)則：（1）節(jié)點分布相對均勻，且部署后不再移動;（2）每個節(jié)點都是同構(gòu)的，具有相同的計算、存儲等能力，且具有唯一的ID標(biāo)識;（3）節(jié)點的能量不受限制，可通過路燈供電系統(tǒng)獲取;（4）節(jié)點可根據(jù)距離來適當(dāng)調(diào)整其發(fā)射功率;（5）節(jié)點主動地、周期性的向匯聚節(jié)點傳送數(shù)據(jù)。

3 基于帶狀傳感網(wǎng)絡(luò)的分簇方法

路燈網(wǎng)絡(luò)多為長距離帶狀網(wǎng)絡(luò)，因此在匯聚節(jié)點附近的簇首節(jié)點同時擔(dān)任著路由轉(zhuǎn)發(fā)和簇內(nèi)數(shù)據(jù)匯聚的任務(wù)，因此成簇規(guī)模應(yīng)盡量較小。本文采用非均勻分簇的思想，采用非均勻競爭半徑的概念，使距離匯聚節(jié)點較近的簇首節(jié)點競爭半徑較小，一定程度上解決無線傳感網(wǎng)絡(luò)多跳路由中的“熱區(qū)”問題。

網(wǎng)絡(luò)初始化階段，由匯聚節(jié)點廣播一個Hello信號，節(jié)點接收后計算距離并反饋給匯聚節(jié)點，之后由匯聚節(jié)點對路燈網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行備選簇首節(jié)點的部署，其中備選簇首節(jié)點的競選半徑Rc是非均勻網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞年P(guān)鍵因子，競選半徑Rc表達(dá)式為：

其中，dmax和dmin網(wǎng)絡(luò)節(jié)點距匯聚節(jié)點的最大距離和最小距離，d（si，BS）為節(jié)點i與Sink節(jié)點的距離，Nmax為最大節(jié)點數(shù)量，Ni為節(jié)點i的鄰節(jié)點數(shù)目，R為最大競爭半徑，c1和c2為0～1的常數(shù)。

簇首節(jié)點競選成功后，宣布成為簇首節(jié)點，其他備選簇首節(jié)點退出競爭并成為普通節(jié)點。然后由簇首節(jié)點廣播消息，普通節(jié)點加入最近的節(jié)點從而網(wǎng)絡(luò)分簇完成。

分簇網(wǎng)絡(luò)建立后由匯聚節(jié)點以組播的模式將控制指令下發(fā)給各個簇首節(jié)點，再由簇首節(jié)點來向其成員節(jié)點來廣播控制信息。采用簇內(nèi)單跳和簇間多跳的路由方式進(jìn)行路由轉(zhuǎn)發(fā)從而可以提高路燈控制的響應(yīng)速度。簇間采用多跳方式進(jìn)行路由轉(zhuǎn)發(fā)，路由轉(zhuǎn)發(fā)選擇信號范圍內(nèi)距離最遠(yuǎn)的節(jié)點作為中繼節(jié)點以提高路燈控制的響應(yīng)速度。中繼節(jié)點代價函數(shù)定義為：

其中：d（CH-CH）為簇首節(jié)點i到j(luò)的距離，d（CH-CH）為j到匯聚節(jié)點的距離，若中繼節(jié)點為簇首本身，則直接發(fā)送數(shù)據(jù)給集中器，否則轉(zhuǎn)發(fā)給中繼節(jié)點。

4 仿真分析

為驗證本協(xié)議的性能，本文通過Matlab環(huán)境下進(jìn)行仿真，對比分簇網(wǎng)絡(luò)和未分簇帶狀傳感網(wǎng)絡(luò)，驗證帶狀分簇網(wǎng)絡(luò)路燈控制的優(yōu)越性，假設(shè)路燈節(jié)點均勻分布L×M為100m×15m監(jiān)測區(qū)域范圍內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點規(guī)模取100個節(jié)點，匯聚節(jié)點位于網(wǎng)絡(luò)的一端，坐標(biāo)為（0，0）。其中最大通信半徑Rmax為100m，發(fā)送數(shù)據(jù)表大小為4000bits，發(fā)送數(shù)據(jù)包周期為3s。

通過仿真可以得出節(jié)點丟包率和路燈節(jié)點數(shù)量的關(guān)系如圖2所示，可以看出，在分簇網(wǎng)絡(luò)下節(jié)點的丟包率更低，從而達(dá)到的控制效果更好。

節(jié)點通信成功率和路燈節(jié)點數(shù)量的關(guān)系如圖3所示，可以看出，在分簇網(wǎng)絡(luò)下節(jié)點的通信成功率更高，從而可以提高路燈通信的控制成功率。

5 結(jié)束語

本文提出一種基于帶狀傳感網(wǎng)絡(luò)的智慧路燈分簇路由協(xié)議。首先匯聚節(jié)點將網(wǎng)絡(luò)劃分成大小不同的簇并選出一組最優(yōu)簇首節(jié)點，其次普通節(jié)點加入簇首節(jié)點。本協(xié)議利用分簇網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，通過簇內(nèi)單跳和簇間多跳路由的結(jié)合方式，可使路燈控制得到快速響應(yīng)，仿真實驗結(jié)果表明，與常用的電力線載波和Zigbee網(wǎng)絡(luò)相比，本方案在響應(yīng)時間和穩(wěn)定性方面有著很大提升，同時也有效延長了網(wǎng)絡(luò)的通信距離。同時對路燈控制和信息采集在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用和發(fā)展具有一定的參考價值。

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