基于梯田通信模型的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)通信方法

任拴哲，張懷德，王 堅(jiān)，李建敏

(1.陜西高速電子工程有限公司，陜西 西安 710056；2.西北工業(yè)大學(xué)，陜西 西安 710048)

0 引言

ModBus協(xié)議常用于分布式控制系統(tǒng)的通信,在工業(yè)控制等領(lǐng)域獲得了大量的應(yīng)用，但ModBus應(yīng)用數(shù)據(jù)單元(ADU)限制了用戶協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)最大為253 B[1]，對(duì)于多通道高采樣率在線監(jiān)控系統(tǒng)而言這個(gè)限制無(wú)法滿足其瞬態(tài)大容量采樣數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。

傳統(tǒng)分布式測(cè)控系統(tǒng)往往采用RS485總線構(gòu)建系統(tǒng)內(nèi)部的通訊，但是這需要布設(shè)線纜。而對(duì)于布線難度大的場(chǎng)合，采用“無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)(wirelss sensor network, WSN)” 來(lái)搭建分布式控制系統(tǒng)是一個(gè)比較好的選擇。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)由大量傳感器節(jié)點(diǎn)組成，這些節(jié)點(diǎn)部署在特定的監(jiān)測(cè)環(huán)境中，以無(wú)線、多跳等形式收發(fā)數(shù)據(jù)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是較低的平均工作速率和較短的通信距離，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涠嗍嵌S的網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[2-3]，其路由算法的設(shè)計(jì)目標(biāo)主要是促進(jìn)負(fù)載均衡以節(jié)約網(wǎng)絡(luò)能耗，提高網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間，規(guī)避“能量空洞現(xiàn)象”[4-6]。但是這種規(guī)則會(huì)影響數(shù)據(jù)的傳輸效率，尤其對(duì)于變化很快的信號(hào)，采用較高的采樣率，WSN的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，按照網(wǎng)絡(luò)均衡或者能耗均衡為目標(biāo)的路由算法對(duì)于數(shù)據(jù)的傳遞會(huì)產(chǎn)生很大的延時(shí)[7]，又極易產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)局部或全局的“數(shù)據(jù)擁塞”[8]，導(dǎo)致WSN系統(tǒng)不適用于這類應(yīng)用。

結(jié)合隧道、地下管廊WSN監(jiān)測(cè)系統(tǒng)近似一維拓?fù)鋄9]的具體特點(diǎn)，針對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)(WSN)通信效率較低、不善于傳輸大容量數(shù)據(jù)等問(wèn)題，本文提出了一種基于梯田通信模型的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)通信方法。

1 分布式通信需求分析

分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示，通過(guò)在被監(jiān)測(cè)對(duì)象上部署多個(gè)三軸加速度傳感器以獲取其實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，每組被監(jiān)測(cè)對(duì)象部署一個(gè)WSN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過(guò)485總線連接智能加速度傳感器，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一共30個(gè)AD通道同步并發(fā)采集，單次1 s時(shí)間長(zhǎng)度采樣將產(chǎn)生300 KB的數(shù)據(jù)，為避免大量冗余數(shù)據(jù)并減少后期數(shù)據(jù)清洗工作，因此數(shù)小時(shí)采集一次即可，每次采集時(shí)長(zhǎng)1 s。

圖1 分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig.1 Network topology diagram of distributed monitoring system

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布模型如圖2所示，其中：

圖2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布模型圖Fig.2 Network node distribution model

1) 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)依據(jù)受監(jiān)測(cè)設(shè)備分布情況通過(guò)人工部署在受監(jiān)測(cè)設(shè)備附近。

2) 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)每網(wǎng)段只有一個(gè)，可以通過(guò)其他方式連接到上位軟件。

3) 所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)功能相同、地位平等、可以現(xiàn)場(chǎng)供電、安裝后不移動(dòng)、位置與受控設(shè)備對(duì)應(yīng)。

圖2表明，長(zhǎng)矩型結(jié)構(gòu)中WSN傳輸路徑相對(duì)單一，加上系統(tǒng)瞬態(tài)大容量的采樣數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題，因此WSN追求的目標(biāo)并不是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能耗均衡，而是減少轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)，縮短數(shù)據(jù)包全網(wǎng)傳遞時(shí)長(zhǎng)，從而提升網(wǎng)絡(luò)傳輸效率。

2 基于梯田通信模型的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)通信方法

2.1 即時(shí)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的自適應(yīng)長(zhǎng)度數(shù)據(jù)組包通信協(xié)議設(shè)計(jì)

本文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于通信網(wǎng)絡(luò)的需求可以分為兩類：

一類是控制命令，如校時(shí)、自檢、采樣率設(shè)定、實(shí)時(shí)查詢?cè)O(shè)備狀態(tài)、發(fā)布采樣命令等。這一類命令數(shù)據(jù)量不大，每次發(fā)送固定大小的數(shù)據(jù)，適合ModBus目前已定義的功能碼；

另一類是現(xiàn)場(chǎng)傳感器采集到的實(shí)時(shí)信號(hào)，這類信號(hào)數(shù)據(jù)量很大，需要盡量提高傳輸效率，可以通過(guò)兩種方式實(shí)現(xiàn)提高傳輸效率：1)減少數(shù)據(jù)包在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)；2)在數(shù)據(jù)量固定的情況下，加大每次發(fā)送數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度。

根據(jù)上述分析，將通信協(xié)議分為控制命令協(xié)議和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議兩類，其中控制命令是短命令，傳送比較頻繁，每分鐘輪詢一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)受控設(shè)備的運(yùn)行工況遍歷；數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議需要對(duì)ModBus協(xié)議進(jìn)行優(yōu)化擴(kuò)充，使之能夠依據(jù)即時(shí)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量傳送可變長(zhǎng)數(shù)據(jù)包。

2.1.1系統(tǒng)控制指令

1) 采用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)AT定向命令封裝ModBus請(qǐng)求

本文中的WSN 是ModBus現(xiàn)場(chǎng)總線的上一級(jí)通信網(wǎng)絡(luò)，其作用是溝通網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)下掛傳感器與上位軟件的橋梁，為了提高傳輸效率，采用WSN AT定向發(fā)送命令封裝ModBus協(xié)議。系統(tǒng)定向控制指令請(qǐng)求幀封裝如表1所示。

表1 控制指令請(qǐng)求幀Tab.1 Control command request frame

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)目標(biāo)地址：xxxx是指網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的本網(wǎng)段內(nèi)標(biāo)號(hào)，例如0003為第3號(hào)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；傳感器ID：xx，是指本網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)下的傳感器編號(hào)，例如02為本網(wǎng)段0003網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的第2個(gè)傳感器；一個(gè)網(wǎng)段只能有一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，編號(hào)為FFFE ，網(wǎng)段內(nèi)所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的最終目的地均為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)FFFE。

2) 采用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)AT定向命令封裝ModBus響應(yīng)

系統(tǒng)定向控制指令響應(yīng)幀封裝如表2所示。

表2 控制指令響應(yīng)幀Tab.2 Control command response frame

2.1.2系統(tǒng)可變長(zhǎng)度數(shù)據(jù)包傳輸指令

數(shù)據(jù)包傳輸指令是為了獲取網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)傳感器瞬態(tài)并發(fā)采樣的大量數(shù)據(jù)，為了控制WSN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信負(fù)載均衡，所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)只有在獲取上位令牌后才進(jìn)行高速并發(fā)采樣，采樣完成后由上位軟件直接定向讀取，讀取成功后傳感器將采樣數(shù)據(jù)清零并等待下一次采樣命令。

傳輸指令整體由預(yù)備、傳輸、結(jié)束三個(gè)子狀態(tài)構(gòu)成，數(shù)據(jù)包傳輸流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)包傳輸流程圖Fig.3 Flow chart of packet transmission

通過(guò)預(yù)備傳輸指令除了可以獲取采樣的基本信息如采樣率、采樣時(shí)刻、數(shù)據(jù)包總長(zhǎng)度，另一個(gè)目標(biāo)是獲取這個(gè)短指令的空中延遲時(shí)間，在保證數(shù)據(jù)包CRC校驗(yàn)正確的前提下，請(qǐng)求發(fā)出時(shí)刻減去響應(yīng)到達(dá)時(shí)刻的時(shí)間段可以表達(dá)WSN空中通信網(wǎng)的即時(shí)狀態(tài)，對(duì)空中通信網(wǎng)狀態(tài)評(píng)估分為標(biāo)準(zhǔn)可用、良好、優(yōu)秀等級(jí)，依據(jù)不同的狀態(tài)等級(jí)進(jìn)行本次傳輸數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度自適應(yīng)裝定，例如標(biāo)準(zhǔn)可用狀態(tài)對(duì)應(yīng)200 B，良好狀態(tài)對(duì)應(yīng)400 B，優(yōu)秀狀態(tài)對(duì)應(yīng)800 B，當(dāng)采樣率為5 kHz/s，WSN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)下掛10個(gè)三軸加速度傳感器時(shí)，每通道A/D為16 b，數(shù)據(jù)量為300 KB，若數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度為200 B，所有數(shù)據(jù)包傳完WSN轉(zhuǎn)發(fā)需要1 500次；若數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度為800 B，WSN僅需375次傳輸，效率提升4倍。

2.2 基于梯田通信模型的路由算法

2.2.1梯田通信勢(shì)能模型

根據(jù)坑道、隧道無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的長(zhǎng)矩形分布特點(diǎn)，為提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸效率本文引入“梯田通信法”規(guī)則。本規(guī)則在WSN初始化階段完成，梯田通信勢(shì)能模型如圖4所示。

圖4 梯田通信勢(shì)能模型Fig.4 Terraces communication potential model

梯田通信勢(shì)能模型的規(guī)則如下：

1) 協(xié)調(diào)器是所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)應(yīng)答信息的最終目標(biāo)，也是網(wǎng)絡(luò)上所有請(qǐng)求的源頭；

2) 梯田的建設(shè)規(guī)則：同梯級(jí)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)均能和下一梯級(jí)所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)直接通信，即同梯級(jí)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)直接通信能力相等，即同層“梯田”上等質(zhì)量的物體勢(shì)能相等。

3) 梯田建設(shè)在網(wǎng)絡(luò)初始化階段完成：

①手動(dòng)為每一個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置WSN網(wǎng)段號(hào)、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)地址，設(shè)置所有節(jié)點(diǎn)的定向目標(biāo)地址為協(xié)調(diào)器地址(例如FFFE)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)地址設(shè)為FFFE；

②協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)梯級(jí)信息為0，協(xié)調(diào)器向周圍廣播初始化信息(包括梯級(jí)信息0)，周圍所有能直接收到協(xié)調(diào)器初始化信息的節(jié)點(diǎn)首先將自己的梯級(jí)信息設(shè)為-1，例如圖4中的1#、2#、3#、4#網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；

③完成梯級(jí)信息設(shè)置為-1的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(例如3#)開(kāi)始向周圍廣播自己的初始化信息，由于各節(jié)點(diǎn)物理距離不同造成通信范圍不同，假設(shè)1#、2#、4#、5#、6#、7#、8#、9#收到該信息，其中1#、2#、4#發(fā)現(xiàn)梯級(jí)與3#相同就放棄該初始化信息，而5#、6#、7#、8#、9#將自己的梯級(jí)設(shè)為-2，當(dāng)所有梯級(jí)為-1的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)初始化完成后，此時(shí)由于3#添加了9#(梯級(jí)為-2)，4#添加了10#(梯級(jí)為-2)，但是1#與2#因?yàn)榫嚯x遠(yuǎn)并不能直接聯(lián)系上9#和10#，此時(shí)所有梯級(jí)為-1的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(1#、2#、3#、4#)將各自發(fā)現(xiàn)的梯級(jí)為-2的所有節(jié)點(diǎn)地址報(bào)給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器裁決9#、10#的梯級(jí)不能為-2級(jí)，將其裁定為-3級(jí)，并將裁決結(jié)果通過(guò)3#發(fā)給9#，通過(guò)4#發(fā)給10#；9#，10#依據(jù)協(xié)調(diào)器裁決結(jié)果將自己的梯級(jí)修改為-3；

④依次類推，構(gòu)成通信梯田。

4) 網(wǎng)絡(luò)初始化階段完成后，位于同一梯田的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)禁止相互直接通信。

2.2.2動(dòng)態(tài)路由選擇

系統(tǒng)初始化完成，就構(gòu)建了梯田通信勢(shì)能模型，所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)路由表僅需維護(hù)其上一級(jí)勢(shì)能和下一級(jí)勢(shì)能的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)即可，相同通信勢(shì)能的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不進(jìn)入路由表。

由于本系統(tǒng)各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)均為在線供電且具有后備電池，不考慮WSN通信能耗均衡。同時(shí)每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)均下設(shè)傳感器，系統(tǒng)通過(guò)巡檢替代心跳檢測(cè)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)失效問(wèn)題。同時(shí)所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)均為固定安裝，因此路由算法不考慮網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)失效和拓?fù)鋭?dòng)態(tài)重建問(wèn)題，追求的是數(shù)據(jù)傳輸效率。

如圖4所示，若協(xié)調(diào)器發(fā)布采樣命令的最終目標(biāo)為16號(hào)節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器發(fā)起針對(duì)16號(hào)節(jié)點(diǎn)的定向請(qǐng)求，隨機(jī)選擇-1級(jí)的某節(jié)點(diǎn)(3#)，3#發(fā)現(xiàn)16#不在其下一級(jí)勢(shì)能路由表中，因此在下一級(jí)勢(shì)能路由表隨機(jī)選擇一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(例如8#)，同理8#隨機(jī)發(fā)給11#，11#發(fā)現(xiàn)定向目標(biāo)16#位于其下一級(jí)勢(shì)能路由表，然后定向發(fā)給16#；16#回復(fù)該請(qǐng)求的響應(yīng)時(shí)，過(guò)程相反，凡是不在相鄰勢(shì)能，均為隨機(jī)抽取的非競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，保證同一勢(shì)能內(nèi)多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信均衡。

2.2.3梯田算法的必要性

采用梯田通信模型，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際通信能力將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)劃分成不同梯級(jí)，并禁止同梯級(jí)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的通信，本方法與傳統(tǒng)的能量均衡路由算法相比，可以降低轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)，減少轉(zhuǎn)發(fā)率32%，節(jié)約數(shù)據(jù)傳輸總體時(shí)間32%，傳輸效率提高47%。

3 仿真測(cè)試

本文通過(guò)WSN配置軟件以及為分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的上位軟件進(jìn)行仿真和分析。

3.1 平臺(tái)搭建

結(jié)合項(xiàng)目應(yīng)用場(chǎng)景，在室外道路自由空間搭建無(wú)線傳感網(wǎng)，衰減各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信距離為100 m(便于實(shí)驗(yàn)觀測(cè))，布放距離及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D5所示。

圖5 測(cè)試環(huán)境無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銯ig.5 Topology of wireless sensing network for the test environment

設(shè)置最遠(yuǎn)端網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)7下掛智能加速度傳感器，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)7為信源節(jié)點(diǎn)，傳感器通過(guò)485總線連接節(jié)點(diǎn)7，485總線通信波特率設(shè)置為115.2 Kb/s，WSN空中波特率為200 Kb/s，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過(guò)串口與串口服務(wù)器相連，協(xié)調(diào)器與串口服務(wù)器串口波特率設(shè)為115.2 Kb/s，串口服務(wù)器通過(guò)交換機(jī)以TCP協(xié)議連接上位軟件；測(cè)試方法采用控制變量法。整體測(cè)試分為兩步：第一步驗(yàn)證梯田通信法對(duì)傳輸效率的改善情況；第二步驗(yàn)證自適應(yīng)可變數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度對(duì)系統(tǒng)傳輸效率的改善情況。

3.2 能量均衡路由算法與梯田通信的對(duì)比測(cè)試

本測(cè)試主要針對(duì)信源經(jīng)過(guò)WSN到達(dá)協(xié)調(diào)器的跳數(shù)進(jìn)行測(cè)試。

3.2.1采用能量均衡路由算法

由配置軟件通過(guò)協(xié)調(diào)器向網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)7的傳感器發(fā)送定時(shí)巡檢短命令請(qǐng)求，該傳感器的應(yīng)答經(jīng)過(guò)WSN返回協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，記錄應(yīng)答命令經(jīng)過(guò)所有傳遞路徑的節(jié)點(diǎn)信息，配置軟件每5 s發(fā)送一次巡檢命令，共計(jì)發(fā)送5 000次。測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表3。

表3 協(xié)調(diào)器向節(jié)點(diǎn)7發(fā)送短命令的路由跳數(shù)統(tǒng)計(jì)Tab.3 Routing hop count for coordinator sending short commands to node 7

跳數(shù)分布、各節(jié)點(diǎn)通信轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)(貢獻(xiàn)度)如圖6所示。

圖6 能量均衡路由算法-通信拓?fù)?、路徑?shù)統(tǒng)計(jì)、節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)直方圖、 跳數(shù)統(tǒng)計(jì)直方圖Fig. 6 Energy-balanced routing algorithm-communication topology, path tree statistics, histogram of node forwarding, histogram of hop count statistics

作為信源的節(jié)點(diǎn)7和作為目的地的協(xié)調(diào)器貢獻(xiàn)度最高，在無(wú)電池供電的情況下，假定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)死亡的次數(shù)為5 000次，當(dāng)節(jié)點(diǎn)7率先死亡時(shí)，節(jié)點(diǎn)3、節(jié)點(diǎn)4剩余壽命約為16.67%，節(jié)點(diǎn)1、2、5、6剩余壽命約為20.83%。整個(gè)WSN網(wǎng)絡(luò)能量損耗均勻，節(jié)點(diǎn)7率先死亡的原因是因?yàn)楸敬螠y(cè)試將其作為唯一信源的原因，實(shí)際工程中可以由上位軟件對(duì)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的非競(jìng)爭(zhēng)巡檢實(shí)現(xiàn)信源節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)能耗均衡。

3.2.2采用梯田通信路由算法

在圖5的基礎(chǔ)上，劃分梯田通信模型如圖7所示。

圖7 梯田通信劃分模型Fig.7 Terraced communication division model

測(cè)試方法同上。測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表4所示。

表4 協(xié)調(diào)器向節(jié)點(diǎn)7發(fā)送短命令的路由跳數(shù)統(tǒng)計(jì)Tab.4 Routing hop count for coordinator sending short commands to node 7

跳數(shù)分布、各節(jié)點(diǎn)通信轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)(貢獻(xiàn)度)如圖8所示。

圖8 梯田通信路由算法-通信拓?fù)洹⒙窂綐?shù)統(tǒng)計(jì)、節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)直方圖、 跳數(shù)統(tǒng)計(jì)直方圖Fig.8 Terraced communication routing algorithm-communication topology, path tree statistics, histogram of node forwarding, histogram of hop count statistics

信源網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)7和協(xié)調(diào)器的貢獻(xiàn)度最高，在無(wú)電池供電的情況下，假定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)死亡的次數(shù)為5 000次，當(dāng)節(jié)點(diǎn)7率先死亡時(shí)，其余節(jié)點(diǎn)剩余壽命均為50%，能耗分布更佳均勻，而且剩余壽命高于原算法。

3.2.3能量均衡路由算法與梯田通信路由算法比較

梯田通信勢(shì)能模型與網(wǎng)絡(luò)能耗均衡路由算法相比，在以下幾個(gè)方面有所不同：

1) 傳輸效率對(duì)比

將原來(lái)的5 000次傳輸累計(jì)跳數(shù)由29 167次降為20 000次，減少轉(zhuǎn)發(fā)率約為32%，節(jié)約數(shù)據(jù)傳輸總體時(shí)間32%，傳輸效率提高47%。

2) 網(wǎng)絡(luò)魯棒性

路徑由96種降為8種，網(wǎng)絡(luò)魯棒性降低。

3) 能耗均勻度

能耗均勻度略優(yōu)。

4) 壽命殘值

各節(jié)點(diǎn)壽命殘值提升2.4～3倍。

3.3 可變數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度傳輸效率測(cè)試

搭建最簡(jiǎn)測(cè)試模型如圖9所示。

圖9 最簡(jiǎn)測(cè)試模型Fig.9 Minimalist test model

傳感器每通道采樣率5 kHz，傳感器的5個(gè)通道并發(fā)采集，每通道AD分辨率16 b，采樣時(shí)長(zhǎng)1 s，系統(tǒng)通信參數(shù)配置見(jiàn)3.1節(jié)介紹。整體測(cè)試分為三步：第一步驗(yàn)證每數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度為100 B對(duì)傳輸效率的改善情況；第二步驗(yàn)證每數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度為200 B對(duì)系統(tǒng)傳輸效率的改善情況；第三步驗(yàn)證每數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度為400 B對(duì)系統(tǒng)傳輸效率的改善情況。

本測(cè)試模型數(shù)據(jù)傳輸時(shí)長(zhǎng)由以下內(nèi)容決定：傳感器打包響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)，傳感器與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)1的通信時(shí)長(zhǎng)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)1的2次打包時(shí)長(zhǎng)，協(xié)調(diào)器與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)1的通信時(shí)長(zhǎng)，協(xié)調(diào)器解包時(shí)長(zhǎng)，協(xié)調(diào)器與串口服務(wù)器的通信時(shí)長(zhǎng)，串口服務(wù)器的3次打包時(shí)長(zhǎng)，PC與串口服務(wù)器的通信時(shí)長(zhǎng)等因素。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)穩(wěn)定時(shí)，通過(guò)增加數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度，可以減少請(qǐng)求與響應(yīng)的往復(fù)次數(shù)，通過(guò)這個(gè)措施，可以成倍地提高傳輸效率，但是數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度受到ModBus協(xié)議的限制，因此本文首先優(yōu)化了傳輸協(xié)議；同時(shí)數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度還受到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)以及串口服務(wù)器計(jì)算能力的影響，發(fā)現(xiàn)800 B以下的數(shù)據(jù)包傳輸性能比較穩(wěn)定；超過(guò)該長(zhǎng)度時(shí)，會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。

測(cè)試軟件采用分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件V2.3版。測(cè)試過(guò)程如圖10，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 不同長(zhǎng)度數(shù)據(jù)包傳輸效率測(cè)試Tab.5 Transmission efficiency test for different length packets

圖10 數(shù)據(jù)包為400 B的傳輸時(shí)間Fig.10 Transmission time for packets of 400 Bytes

測(cè)試結(jié)果顯示：通過(guò)增加數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度，可以有效減少信源響應(yīng)的通信次數(shù)。雖然增加了各環(huán)節(jié)的單次通信計(jì)算量，但一次完整的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程，各環(huán)節(jié)的計(jì)算總量不變。在數(shù)據(jù)量固定時(shí)，增大數(shù)據(jù)包n倍，傳輸效率提升接近n倍。

4 結(jié)論

本文提出基于梯田通信模型的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)通信方法。通過(guò)引入梯田通信勢(shì)能模型改善了WSN均衡路由算法導(dǎo)致的傳輸效率低下的問(wèn)題；通過(guò)即時(shí)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的自適應(yīng)長(zhǎng)度數(shù)據(jù)組包算法，進(jìn)一步提高了WSN系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸效率。仿真測(cè)試結(jié)果表明：梯田通信勢(shì)能模型路由算法在可接受的網(wǎng)絡(luò)魯棒性條件下，系統(tǒng)傳輸效率為均衡路由算法的1.47倍；即時(shí)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的自適應(yīng)長(zhǎng)度數(shù)據(jù)組包算法可提升系統(tǒng)傳輸效率2～8倍；兩種算法組合后可提升系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸效率2.94～11.76倍。