車位管理系統中的無線傳感器網絡性能分析

盧利瓊， 吳 東

(湛江師范學院信息科學與技術學院，廣東 湛江 524048)

筆者對配備停車管理員、使用GSM網絡[1]或無線傳感車位鎖[2]的停車場進行調研分析，發現現有大部分停車場要么浪費人力，要么車位空閑信息不能智能反饋，或者建造成本偏高．為此，設計一套基于無線傳感器網絡的車位管理系統[3]，實現停車場的智能管理．然而，由于受工作環境的影響以及無線傳感器網絡自身特點的限制，如果待無線傳感器網絡建成之后再進行各項參數驗證和優化往往成本開銷龐大．因此，筆者先借助系統仿真技術建立了車位管理系統的無線傳感器網絡仿真模型，然后在其基礎上對無線傳感器網絡的能量消耗、丟包率等重要參數進行仿真分析，并總結部署網絡時注意的要點．

1 仿真工具NS及其擴展

當前有很多工具可以用來仿真分析無線傳感器網絡的性能，例如OMNeT++、OPNET、NS2等，其中NS2運用最為廣泛．NS2是一個基于離散事件驅動的網絡仿真工具[4]，采用分裂對象模型機制，用C++和Otcl兩種面向對象的語言開發了豐富的構件庫，其中包括各種類型的鏈路、節點、分組等．該構件庫支持移動通信網絡所需的各層協議和算法，能提供多種通信量的模擬，可以根據指數分布、Pareto分布、追蹤文件來產生不同樣式的通信量．另外，NS2還提供了跟蹤和監測的對象，可以記錄仿真過程中網絡系統各時刻的狀態和事件．并且，NRL實驗室[5]的研究人員為現有的NS2增加了Phenom channel(現象信道)功能，用來仿真現實世界中存在的物理現象．如圖1的通用仿真模型所示：左邊是自然實體，它們會產生熱量、氣味、壓力等物理現象；中間是各種類型的傳感器，用來感知物理現象；右邊是數據終端，用來進行數據的處理和應用．

圖 1 無線傳感器網絡的通用仿真模型

傳感器跟數據終端之間的Data channel(數據信道)由802.11等無線網絡實現，它是雙向的，用來傳輸數據終端發出的指令和傳感器采集到的數據．而傳感器跟自然實體之間的現象信道是單方向的，各種物理現象數據通過該信道傳輸給傳感器．這跟部分真實傳感器的使用有一定的區別，比如說紅外傳感器是靠接收反射的紅外線來采集數據的，那么它的工作過程就有光線的發射和接收兩部分，是雙向的．NRL把現象信道做成單向的是為了實現的簡單，但這并不影響傳感器對物理現象數據的采集．有了NRL增加的現象信道，就可以利用NS2創建車位管理系統的無線傳感器網絡仿真模型，并完成相關的性能仿真分析了．

2 車位管理系統的無線傳感器網絡仿真模型

在仿真前先要設計出車位管理系統的無線傳感器網絡仿真模型，而且該模型要跟實際的無線傳感器網絡一致．車位管理系統的總體結構包括監測中心主機和無線傳感器網絡兩大部分(圖2)．其中，無線傳感器網絡還分成了多個監控區域，每個區域有1個匯聚節點和多個傳感器節點．針對該車位管理系統結構，設計了對應的無線傳感器網絡仿真模型(圖3)，其包含監測中心主機節點、sink節點、傳感器節點和目標節點．sink節點用來模擬真實網絡中的匯聚節點，而目標節點用來模擬實際的汽車．當仿真汽車停在車位內時，相應的傳感器節點將會收到目標節點發出的信號，緊接著傳感器節點給sink節點發送1個bit的狀態指示數據“1”．最后，監測中心主機節點也會收到sink節點發來的數據，處理后就可得知哪些車位是空閑的，哪些車位是停著汽車的．無線傳感器網絡仿真模型的建立為仿真分析車位管理系統中的無線傳感器網絡性能奠定了基礎，下面就節點能量消耗和丟包情況展開詳細的仿真分析．

圖 2 車位管理系統的總體結構

圖 3 車位管理系統的無線傳感器網絡仿真模型

3 仿真及性能分析

3.1 仿真場景

在此選取無線傳感器網絡的一個監控區域來進行仿真，其覆蓋停車場的25個車位(圖4)，每個車位都放置了一個傳感器節點(用空心圓表示)，車位旁邊有一個sink節點(用實心三角形表示)，傳感器節點和sink節點的位置是固定的．停車場內現有9輛汽車，其中A～H已經停在車位內，汽車J剛入場準備停車．當車位中停有車輛時傳感器會檢測出相關信息(傳感器用實心圓表示)．

圖 4 仿真的監控區域結構

3.2 車輛出入場過程仿真

在分析無線傳感器網絡性能前，先通過一個簡單的仿真來檢驗該網絡的仿真模型是否能夠正常工作．整個仿真過程持續60 s．無線傳感器網絡開始工作后，在第1 s時sink節點給25個傳感器節點發送自檢指令，要求所有的傳感器節點做出響應．這時，若已開始工作的傳感器節點應該給sink節點發回1個bit的狀態指示數據“0”．之后，傳感器節點進入“檢測-休眠”的周期工作狀態．“檢測”狀態時，傳感器節點檢測車位空閑信息，探測到停有汽車就給sink節點發送1個bit的狀態指示數據“1”，之后進入“休眠”狀態，若沒有探測到汽車就直接進入“休眠”狀態．處于“休眠”狀態時，傳感器節點不執行任何工作，2 s后進入“檢測”狀態．在第20 s仿真汽車入場的情景，汽車J停入第10號車位．在第40 s仿真汽車出場的情況，停在第15號車位的汽車E離場．

仿真結果如圖5所示．該圖顯示的是sink節點在60 s時間內收到的第2、第9、第10和第15號傳感器節點發來的狀態指示數據．當然，整個仿真過程中sink節點也收到其它傳感器節點發來的數據，只不過第7、第12、第14、第16、第19和第25傳感器節點的情況跟第2節點相似，剩余的其他節點跟第9號節點相似，因此只選取第2、第9、第10和第15號節點的數據來進行說明．從圖4得知，每個節點完成自檢后都給sink節點發回一個數據．因為車輛A一直停在2號車位內，所以第2號節點每隔2 s就給sink節點發回數據．而9號車位一直都沒有停車，則第9號節點發回第1個數據告知自檢狀態后就沒有再發回任何數據．在20s時刻，汽車J停入第10號車位，那么第10號節點至此開始每隔2 s就給sink節點發回數據．在40 s時刻，停在第15號車位的汽車E離場，因此可以看到sink節點在40.12825 s收到第15號節點發來的數據后，就再沒有收到該節點的數據了．圖5顯示的結果表明建立的無線傳感器網絡仿真模型可以正常工作．

圖 5 sink節點收到的部分狀態指示數據

3.3 能量消耗分析

車位管理系統中的無線傳感器網絡各節點的能量主要來源于電池，當電池能量耗盡時將會影響網絡的正常使用．雖然停車場不屬于危險區域可進行電池替換，但如果是較大規模的停車場，那么這種替換也是不現實的．因此，如何在能量有限的前提下盡可能延長無線傳感器網絡的生命周期，是車位管理系統的主要設計目標之一．下面對該網絡的結點能量消耗情況進行仿真分析．

依照前述仿真過程，對傳感器節點和sink節點的各種能耗進行了設定．據文獻[10]分析，傳感器節點采集、處理數據所消耗的能量遠比無線通信過程消耗的能量要小．因此，在仿真初始化時，設定所有節點都具有相同的初始能量1 J，收發數據的能耗是175 mW，其他處理功能的能耗是10 mW．并且，無線傳感器網絡的網絡層采用AODV協議實現多跳路由．整個仿真持續60 s，自第1 s開始每隔10 s對各節點的剩余能量進行檢測．圖6顯示的是第1、第10、第13、第14、第15和第25號傳感器節點和sink節點的能耗變化情況．經過分析后可以得出如下結論：1)各節點在工作過程中都不斷的消耗能量，其剩余能量是不斷減少的．2)在上述的7個節點當中，第1號節點除了發回1個表明正常工作的狀態指示數據后，其余都只是做檢測，因此仿真結束后它的剩余能量是最多的．3)sink節點跟第10、第13、第14、第15號節點相比，sink節點負責接收該網絡中所有的數據，但第10、第13、第14、第15號節點除了要發送自己產生的數據外，還由于使用的是AODV路由協議要幫其它節點轉發數據，致使它們的通信工作量比sink節點大，剩余能量也就比sink節點少．4)雖然第25號節點檢測到停泊的汽車，需要不斷發送狀態指示數據，但其不用幫其他節點做數據轉發，所以它的剩余能量比第1號節點的少，比其余5個節點的多．得到這些結論后，將考慮在具體部署無線傳感器網絡時為不同的節點配備不同的初始能量，以避免出現因個別節點能量耗盡而引起無線傳感器網絡失效的情況．

圖 6 部分節點能耗變化情況

3.4 丟包分析

車位管理系統中的無線傳感器網絡是以劃分監控區域的形式來進行管理的，每個區域都包含1個匯聚節點和多個傳感器節點．一個區域內具體要部署多少個傳感器節點才能滿足車位管理系統工作的需求，會影響到系統工作時的數據丟失情況．據分析，無線傳感器網絡中的傳感器個數

(1)

式中：N是所需傳感器個數，Area是無線傳感器網絡覆蓋的面積，R是單個傳感器的感知半徑，K是感知覆蓋度(一般情況時K=1．在需要提高感知可靠度，對1個目標使用多個傳感器監控時K>1)．因為考慮到停車場內停車位設定的特殊性，以及1個停車位由1個傳感器進行監控的部署計劃(即K=1)，所以可把式(1)簡化

(2)

式中，a、b分別是停車位的長和寬．實際上，使用式(2)計算得到的傳感器個數跟一個監控區域內所包含的停車位個數是相同的．

為對不同大小的監控區域的丟包情況進行仿真分析，共做了5種不同監控區域的仿真實驗，每次仿真時假設監控區域內的停車位都停著汽車，統計出滿負荷情況下的各監控區域的丟包數據(表1)．從表1的數據可以看出，隨著監控區域內的傳感器節點的增加，發生丟包的節點數和整個網絡的丟包率都在增大．在50個節點的監控區域內，發生丟包的節點數竟然達到了54%，這將會嚴重影響無線傳感器網絡車位狀態指示數據采集的準確性．這樣的結論說明，監控區域內的1個匯聚節點無法勝任大量的傳感器節點數據的匯聚任務．因此，在具體部署無線傳感器網絡時應盡量減小一個監控區域的面積，以減小其包含的傳感器節點個數．

表1 不同分區的丟包情況統計

4 結束語

本文建立了車位管理系統的無線傳感器網絡仿真模型，并在驗證該模型能正確工作的基礎上，對車位管理系統中的無線傳感器網絡的能量消耗和丟包情況進行了分析，所得結果給無線傳感器網絡的部署提供了參考，特別是為各網絡節點配備初始能量和監控區域的劃分準備了依據．

[參考文獻]

[1] 姚 維,張國柱,章 瑋,等.GSM網絡在車位管理系統中的應用[J].控制工程,2011，18(05):829-832.

[2] 淮陰工學院,一種基于無線傳感網絡的車位管理系統:CN202120459U[P].2012-01-18.

[3] 盧利瓊,吳 東,周仕仕.基于無線傳感器網絡的車位管理研究[J].電腦與信息技術,2012,20(01):45-47,62.

[4] 吳 東,陳元琰,羅曉曙,等．網絡模擬軟件Network Simulator在網絡課程教學中的應用[J]. 廣西科學院學報,2005(04):298-300,308.

[5] 佚 名．NRL's Sensor Network Extension to NS2[EB/OL].[2012-11-18]http://nrlsensorsim.pf.itd.nrl.navy.mil/.

[6] 葉 偉.延長無線傳感器網絡生命周期的算法研究[D].西安：西安科技大學圖書館,2012.