基于停車誘導系統的能量均衡可靠路由協議的設計

周　雪，朱小明，陳立建，方　凱，雷艷靜，毛科技

（1.浙江廣播電視大學蕭山學院，杭州311200；2.浙江工業大學計算機科學與技術學院，杭州310032）

基于停車誘導系統的能量均衡可靠路由協議的設計

周雪1*，朱小明1，陳立建1，方凱2，雷艷靜2，毛科技2

（1.浙江廣播電視大學蕭山學院，杭州311200；2.浙江工業大學計算機科學與技術學院，杭州310032）

無線傳感器網絡中節點的能量是有限的，如何設計一個能有效節能的路由協議是其研究的熱點之一。針對實際的停車位誘導系統提出了一種能量均衡的可靠路由協議。該協議在網絡的初始階段先建立全局網絡拓撲，然后根據能量代價函數選擇下一跳轉發的節點，節點上方有障礙物的時候更新節點的可靠度信息。由于綜合考慮了節點的剩余能量、跳數、鄰居節點的距離以及可靠度等因素，使得網絡節點能量的消耗得以均衡，達到延長網絡生命周期的目的。在仿真平臺對能量均衡的可靠路由協議進行了仿真分析，并且和最短路徑路由進行了對比，從網絡生命周期、網絡能量均值以及網絡能量方差三個方面分別分析，驗證了本協議的優越性。最后將協議應用到實際的停車位誘導系統中，取得了較顯著的效果。

無線傳感器網絡；停車誘導系統；能量均衡；可靠；路由協議

EEACC:6150P；7230doi:10.3969/j.issn.1004-1699.2015.09.024

隨著無線網絡技術、傳感器技術及嵌入式計算等高科技技術的發展，很多傳感器節點已經廣泛應用于軍事、商業、醫療等領域［1］。由這些微型的傳感器節點構成的無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks，WSN）受到了人們的極大關注，無線傳感器網絡技術也應運而生。無線傳感網絡的路由協議的功能是在兩個節點間尋找一條保證數據分組能夠安全、高效傳輸數據的路徑。節點的能量一般有限，同時限于無線傳感網絡的具體應用，節點一般不會得到能量補充，所以路由協議在考慮數據分組的轉發時也要考慮能量的消耗問題；同時傳感器網絡的節點分布的量大，使得節點只能通過局部的信息交換來獲取局部的網絡拓撲形狀。這就要求路由協議能夠根據局部網絡拓撲做出路徑選擇；無線傳感器網絡的應用相關性較強，路由選擇與應用很有關系，不同的應用路由算法差異很大［2］。

根據文獻［3］路由結構、通信模式、狀態維護、節點標識、路由建立時機和投遞方式等，無線傳感網絡路由協議可以分為很多種方式。目前比較典型的非基于位置的路由協議中，大量的研究人員相繼提出了flooding、gossiping［4］、SPIN［5］、directed diffusion［6］、rumor［7］、LEACH［8］等面向特定傳感網絡應用的路由協議。同時，在原有Ad hoc網研究的基礎上，繼承并改進了諸如DSDV［9］、AODV［10］、DSR［11］等路由協議，使其更適應于無線傳感網絡的特點。這些協議中有許多已經在實際的無線傳感網絡應用中實行，并取得了不錯的效果。

能量均衡的路由協議主要是在層次路由協議中，國內外很多學者對其進行了研究。文獻［12］針對礦井的無線傳感器網絡提出了一個簇規模自適應調節的能量均衡分簇路由協議，根據節點之間的距離、剩余能量和密度來構造規模不等的簇，該協議考慮了鏈路能耗最優和轉發節點間的能量均衡；也有學者從均衡節點能量消耗的角度設計了基于模糊梯度的能量均衡路由協議，對節點間的梯度值進行模糊分級，并將等級選擇策略與質量評價函數相結合進行下一跳節點選擇，以實現全局的能量均衡［13］；鄭相全等人提出了一種基于跨層設計和蟻群優化的負載均衡路由協議（CALRA），利用蟻群優化算法特有的信息素揮發方法實現對替代路徑的老化問題，將蟻群優化和跨層優化方法結合起來解決自組網中的負載均衡問題［14］；朱丁丁等人采用了非均勻分簇的思想來平衡簇首的能量消耗，提出了一種新的負載均衡的基于能量優先分簇算法的WSN分層路由協議（LRP-EPCA），以簇首和基站作為樹根，生成簇內和簇間的路由樹［15］；童孟軍等人綜合考慮了路徑的能量消耗速度、路徑上剩余的最小能量、距離目的節點Sink的跳數和路徑的擁塞程度，提出了一種基于蟻群算法的能量均衡多路徑路由算法［16］。

文獻［17］提出了一種基于能量狀態的節點緩存路由算法，這個算法作為ECNC_AODV（能量約束節點緩存）建立路由協議AODV是衍生的協議。該算法基于當前能源現狀和緩存節點每個節點。仿真結果顯示了ECNC_AODV AODV協議的比較和與性能參數如能量消耗由于路由控制包，路由開銷等；文獻［18］覺得當前最先進的節能路由技術是調查WMSNs連同其中的每個策略的性能問題，并概括了設計路由協議的挑戰為WMSNs其次是當前技術的局限性為非多媒體數據傳輸；文獻［19］在能耗分析的基礎上對數據收發器、單跳轉發方案證明消耗更少的能量比多次反射轉發方案通信范圍內的源傳感器，使用自由空間能量消耗模型。基于能量不等式，這個方法是用來計算程度的能量平衡。基于模糊邏輯的能量優化的路由算法實現多參數、模糊路由決策。仿真結果表明，該算法有效地延長了網絡的生命周期，實現了能量效率和能量平衡在一起，與類似的算法；文獻［20］提出了一種基于PSO聚類協議和平衡的感知距離能量的雙簇頭的集中式網絡，主要是改善了原始粒子群優化的適應度函數優化。此外，該算法數據傳輸階段的主要分工從簇頭，簇首選舉周期延長，該算法在均衡的能源消費在整個網絡的生命周期，同時擴展整個網絡。

以上的一些研究都是基于能量優化的，但是大部分只停留在理論階段，或者沒有實際的應用場景。本文針對于實際的應用項目--基于地磁傳感器的停車位誘導系統，提出了一種能量均衡的可靠路由協議，并取得了顯著的效果。

1　能量均衡的可靠路由協議

1.1能量均衡的可靠路由協議前提假設

本文假設無線傳感器網絡有如下的性質［21］:①節點具有唯一的ID，均勻分布在監測區域；②所有節點固定并且能量有限，Sink位置固定但能量不受限；③所有的節點性能、結構和地位都一致；④節點沒有位置感知能力，未安裝GPS定位功能的天線；⑤節點具有障礙物感知的能力；⑥節點可以根據已知的傳輸功率和接收的信號強度計算彼此之間的距離；⑦每個節點周期性地采集數據，并傳送至Sink節點。其中前面3項假設是一般的無線傳感器網絡的典型設置。第4點表明本算法不要求節點具有位置的感知能力。第5點表明節點可以感知到障礙物。第6點表明，節點直接可以根據信號強度估算彼此之間的距離。第7點表明本算法適合周期性數據收集。

1.2網絡能量模型

無線傳感器網絡中的能耗主要是節點內部的計算能耗和通信能耗，而通信能耗占主導地位。在無線傳輸的發送和接收數據的節點能量和傳輸功率和傳輸距離成正比，將初始能量記為E0，開始時所有的節點能量均衡。在數據傳輸階段，Eava表示剩余的能量其可以用發送數據能耗Esend和接收數據的能耗Erecive來獲得。

本文的能量模型使用的是第一順序無線電模型［22］，該模型示意圖如圖1所示。

圖1　第一順序無線電模型圖

從圖1可以看出，通信能耗主要由發送能耗和接收能耗組成。其中發送的能耗主要是信號發射電路的能耗和信號放大電路的能耗，接收能耗主要就是信號接收電路的能耗。數據發送時首先經過信號發射電路，然后傳給信號放大電路進行功率放大后轉發給其他節點；其他節點監聽網絡，由信號接收電路接收數據并處理。這兩個模塊都要消耗一定的能耗。根據圖1所示的能耗模型，可以得出網絡傳輸的能量消耗公式。節點發送和接收k bit數據所耗的能量如下:

Esend=Eelec×k+εamp×k×dτ（1）

Erecive=Eelec×k（2）

式中:Eelec是發射模塊和接收模塊處理1 bit所消耗的能量，εamp是信號放大電路的放大倍數。d是數據發送的距離，發送的能耗和dτ成正比關系。當距離d小于一個閾值d0時，路徑損耗指數τ就等于2，這個時候稱為自由空間模型（free space）；當距離d大于閾值d0時，路徑損耗指數τ就等于4，這個時候稱為多路徑衰減模型（multi-path fading）。

和通信能耗相比，傳感器內部的計算處理能耗要明顯地低。但是由于傳感器能量有限的特點，在設計的時候還是要盡量減小節點內部的計算處理能耗。

1.3能量均衡的可靠路由協議評價標準

本文使用了和文獻［23］相同的評價方案，來驗證能量均衡的WSN路由協議的有效性。

定義1對網絡在時刻t的能量均衡性評價可采用網絡能量均值和網絡能量方差

在式（3）和式（4）中，Ei（t）表示在時刻t節點i的剩余能量，M表示網絡中的節點數量。網絡中的能量消耗速度可以通過能量均值來評價衡量，但是只用網絡能量均值AE（t）來對路由協議進行評價是不充分的，因為如果網絡中某些節點頻繁使用，即“熱點”問題，個別節點的能量已經耗盡，但是整個網絡的能量均值卻可能還是很高。可是由于“熱點”能量提前耗盡，容易導致網絡的割裂，所以需要結合能量方差來評價網絡的能耗是否均衡，在t時刻網絡能量均衡值較高，能量方差較小的協議才具有更好的網絡能耗均衡性。

N表示網絡中的節點集合，即M=|N|，整個網絡的生命周期結束就是當第一個節點能量耗盡的時刻。因此，為了提高整個網絡的生命周期，無線傳感器網絡路由協議設計的時候就應該均衡整個網絡的能耗，盡量推遲第一個能量耗盡的節點出現時間。

1.4能量均衡的可靠路由協議的描述

在無線傳感器網絡中，Sink節點通常是有源的，能量無限而且處理能力相對普通節點要強很多，因此，在本協議中，我們假定Sink節點的行為都是可靠的，不會受到其他障礙物的影響干擾。

本協議主要分為3個階段:建立網絡拓撲階段、建立路由階段、障礙物信息更新階段:①建立網絡拓撲階段:在該階段由Sink節點廣播信標幀，初步建立網絡拓撲關系，每個普通節點建立一個鄰居節點信息列表存儲鄰居節點信息；②建立路由階段:當某個節點需要發送數據的時候，根據自身鄰居節點列表里的鄰居節點信息選擇下一跳轉發的節點；③可靠度更新階段:與②同時進行，如果發現節點上方有障礙物，則對該節點的可靠度更新，并且告之其鄰居節點。

1.4.1建立網絡拓撲

在網絡中的節點部署完之后，Sink節點以泛洪的方式向網絡中的節點廣播beacon信標幀，每個收到該信標幀的節點都能獲得發送節點的ID、剩余能量、節點與Sink的跳數等信息，可以據此計算出自身節點與Sink的最少跳數信息，并且可根據信號強度計算出和發送節點的距離，為后續的轉發數據選擇路徑做準備。所有的節點都有一份鄰居信息列表，根據上述的初始化過程，將鄰居節點的信息存儲在鄰居信息列表中。其泛洪的過程如圖2所示。

圖2（a）表示Sink節點開始廣播信標幀，圈內是節點號，邊上的數字表示從Sink開始的跳數，初始跳數為∞，Sink節點自身的跳數為0。

圖2（b）顯示的是2號節點收到信標幀后的轉發過程，它將信標幀轉發給其鄰居節點，1號和3號節點收到消息后更改與Sink的跳數信息，4號節點由于之前收到過來自Sink的消息，因此只將2號節點存為自己的鄰居節點，但是并不會更新和Sink的跳數信息。圖2（c）所示的就是初始化完成之后的效果。

圖2　初始化過程示意圖

每個節點收到beacon信標幀后，鄰居信息列表中記錄的消息格式如下:

ID　ENERGY　HOP　DISTANCE RELIABLE COUNT

其中ID號是每個節點唯一的標識，ENERGY表示的是每個節點的剩余能量，HOP是指該節點距離Sink的跳數信息，DISTANCE是根據信號強度計算的和該鄰居節點的距離信息，RELIABLE表示該節點的可靠程度。COUNT表示發送的失敗次數，當有數據轉發給該節點時，等待接收ACK，若超時未收到則失敗次數增加一次。我們假定初始化的過程中是沒有障礙物的影響的，所有的信標幀傳輸都是可靠的。

1.4.2建立路由

當網絡中的普通節點采集到數據需要轉發給Sink節點時，就需要選擇轉發路徑，建立路由。

假設源節點為i，鄰居節點為j，那么節點i就根據自身的鄰居節點信息列表查詢鄰居節點的信息、對節點的剩余能量、到Sink的跳數、與自身節點的距離以及是否有障礙物等信息進行綜合考慮，計算出節點i到每個鄰居節點的能量代價，選擇能量代價最小的鄰居節點作為下一跳節點進行數據的轉發。能量代價函數如式（6）所示:

其中α+β+γ+χ=1，可以根據不同的需要確定四個權衡因子，使得在下一跳的選擇中是更偏向于節約能量或者是更可靠的傳輸。各個參數含義如表1所示。因為本文并非利用可靠度的值作為路由選擇的參數，而是使用初始可靠度與當前可靠度的比值作為路由選擇的一部分，因此初始可靠度的取值可以是一個非負數。

表1　能量代價函數各個參數意義表

分析上述能量代價函數，首先Eoriginal（j）表示的是下一跳轉發節點的剩余能量，剩余能量越高，也就是分母越大，那么能量代價就相對越小。H（j）表示的是下一跳節點到Sink的跳數，如果跳數越少，那么整個分式的值也就越小。同理，距離也是越短能量代價越小。最后在可靠度方面，沒有障礙物的初始情況下其可靠度表示最大Roriginal（j），當有障礙物在節點上方的時候其可靠度就會下降，當前的可靠度越低能量代價也就越高。

由于此能量代價函數考慮了下一跳節點的剩余能量，因此當某些節點作為中間節點轉發數據后，其下一次被選為中間節點的概率就會降低，可以保證整個網絡的能耗均衡。并且此協議綜合考慮了跳數和距離的影響，也可以有效節約網絡中的能耗。當某節點受到障礙物的影響時，其可靠度就會降低，該節點再次被選為轉發節點的概率也會降低，從而有效地避免了一些不必要的重傳，在一定程度上節約了能耗，延長了網絡的生命周期。

1.4.3可靠度更新

當節點檢測到上方有障礙物的時候，則會將此信息告知其鄰居節點，鄰居節點根據收到的消息，更新自身的鄰居節點信息列表。同理當障礙物消失的時候也會通知其鄰居節點。更新的方法如下:

Rcurrent表示的是當前的可靠度，式（7）是在障礙物存在的情況下更新可靠度，其中n表示數據發送的失敗次數，即鄰居信息列表中的COUNT字段。為了防止代價函數的溢出，當發送次數多于 μ時，即n＞μ時，可靠度不再降低，Rcurrent=θ，而θ足夠小。式（8）是障礙物消失的情況下更新可靠度，其中t是時間，當障礙物消失后，其可靠度并不是馬上恢復到初始狀態，而是根據時間逐步增加。式（7）中的V1表示平均每次丟包損失的可靠度，該值的大小與初始可靠度的取值有關。假設單位時間內網絡中某條鏈路的丟包次數達到M次時，我們就認為該鏈路已經不能滿足要求。此時

V1=（Roriginal-μ）/M（9）

式（8）中的V2表示單位時間內可靠度增加的值。假設當網絡中某個障礙物消失后，原來被遮擋的鏈路至少需要T時間才能恢復正常，則

V2=（Roriginal-μ）/T（10）

并且0＜Rcurrent≤Roriginal。

1.5算法性能分析

根據前面的能量均衡的可靠路由協議的評價標準對我們上面提前的能量均衡的可靠路由協議進行理論上的分析。

從能量平衡的角度，這個算法的主要想法是根據剩余能量的節點來控制參與傳輸距離來實現目標的能量平衡。假設節點的初始能量是E，可分為N個能量等級，不同數量的路徑從源點到目的地，首先選擇能量水平比較高的部分，那么在這些路徑的路徑根據相關指標選擇最可靠的一個。這個路由模式，可以選擇更可靠的端到端路徑，可以減少能量級別較低的節點數據量。而且本算法中的能量代價函數還考慮了下一跳節點的剩余能量，所以當有節點作為中間節點轉發數據后，在考慮其下一次被選為中間節點時的概率就會明顯降低，這樣就保證網絡的能耗均衡，而且本算法還綜合考慮了跳數和距離，可以有效節約網絡中的能耗。

從可靠度的角度來看，當節點檢測到上方有障礙物的時候，則會將此信息告知其鄰居節點，鄰居節點根據收到的消息，更新自身的鄰居節點信息列表。同理當障礙物消失的時候也會通知其鄰居節點。所以本算法對節點是否碰到障礙物有自適應調整過程，能保證路由的可靠性。

綜合上述本文提出的能量均衡的可靠路由算法在理論上看能實現真正的能量均衡，減少能耗并延長網絡的壽命，從而保證了此算法的路由可靠性。

2　實驗仿真

由于本文所提的能量均衡可靠路由協議是針對于實際的應用環境的，所以跟其他現有的一些路由協議無法進行比較。所以本文采用兩種方案來證實協議的可行性。第一用來仿真該協議的能量消耗和可靠性；第二在實際實驗中來驗證該協議的可行性。

在本協議中，節點在廣播時候選擇的通信半徑尤為重要，會直接對路由的建立造成一定的影響。如果廣播的半徑設置的過大，則在范圍內的節點數目較多，路由轉發的信息量就會過大，容易造成節點過早地死亡。如果半徑過小的話，很多節點會接收不到鄰居節點的消息幀，則在路由的建立過程中就會出現問題，可能會導致很多節點不能進入網絡。因此，節點廣播半徑需要根據節點的分布情況進行合理的設置。

假定N個節點均勻分布在L×L（m2）的平面區域內，在半徑為R的圓形區域內有兩個節點，則根據均勻分布有:

財政管理人員在管理方面所具備的能力和鄉鎮財政內部控制在執行方面的效果緊密相關。因此，具有高素質與高技術的財政管理隊伍可以保證鄉鎮財政內部控制的有效實施，并促進內部控制科學性的提升，所以財政管理人員在管理方面的能力就內部控制而言，極其重要。鄉鎮財政部門在錄用工作人員的過程中，需秉承德才兼備以及公平公正的基本原則，采取公開招聘的方式來對人才進行篩選。其次，增強對管理人員的培訓與繼續教育強度，確保其專業能力可以緊跟時代發展的潮流。重視對相關從業人員的職業道德教育，利用增強獎懲力度的方式來確保內部控制制度的有效實施。

由上式可得半徑R:

則代價函數中計算可得的兩個節點間的最小距離為:

所以廣播的半徑R≥dmin，即

由于上述的驗證是在均勻分布的情況下進行，而實際仿真當中節點是隨機分布的，所以要在上述的結論中對參數作適當的調整。例如，81個節點隨機分布在100 m×100 m的區域內，如圖3所示，那么，N=81，L=100，代入式（13）、式（14）可得，dmin=18 m，20 m。因此我們在實驗中就取廣播半徑為20 m，這樣適當的調整在實際仿真中更符合。每個節點都有一個維護鄰居節點信息的隊列。試驗中隨機的選取一個節點作為信息發送節點，它要把n條信息發送到Sink節點。當發送完n/2條信息后，在選擇的鏈路上放置一個障礙物，放置的時間為一個隨機數t，當t時間結束后障礙物拿掉，并計算在這個過程中整個網絡的能耗代價。放置障礙物后影響了原來的路由，節點維護的鄰居節點信息的隊列進行相應的調準。然后重復這樣的操作來完成實驗。

圖3　能量均衡路由協議仿真節點分布示意圖

在本協議中權衡因子根據經驗值設定，具體如表2所示。路由表的大小根據節點的分布情況和節點的廣播半徑進行設置。由于確定了廣播半徑R，在其范圍內的節點數也就確定了，路由表內的節點不會超過這個數目。為了驗證本協議的有效性，在平臺中建立了一個模擬環境進行仿真實驗。假設拓撲區域為100 m×100 m，其中有81個節點隨機分布于該網絡區域中。Sink節點布置區域的原點（0，0）位置，如圖3所示。

表2　能量均衡路由協議仿真參數設定表

3　仿真結果分析

為了驗證能量均衡的可靠路由協議的能量有效性和傳輸可靠性上的性能，我們在仿真平臺進行了仿真，并從網絡能量均值，能量方差，以及生命周期三個方面對該協議進行了評估。這些評估標準在眾多的路由協議中都有廣泛的應用，希望對本協議也能做出有效地評估判斷。

首先我們先看一下網絡均值的仿真結果示意圖，如圖4所示。從圖4看出，最短路徑路由和能量均衡的可靠路由在整個過程中網絡能量的均值幾乎一樣。這是由于最短路徑路由協議在選擇下一跳轉發節點的時候，只選擇跳數最少的節點進行轉發，這樣容易導致某些節點的能量耗盡，另一方面，某些節點卻很少進行轉發，而能量相對就比較充裕。因此整個網絡的能量均值卻能保持很高。而能量均衡的可靠路由協議，在能量的使用上各個節點相對均衡，整體的能量均值就和單個節點的能量比較接近。

圖4　能量均值比較圖

圖5　能量方差比較圖

圖5所示為網絡能量方差的比較。圖5顯示了兩種協議在網絡能量方差上的比較，網絡能量方差越低那么網絡中的能量均衡性就越好。從圖5可以看出，最短路徑路由協議相對能量均衡的可靠路由協議有更大的網絡方差。這是因為，在最短路徑路由協議中，節點只是選擇離Sink節點最近的下一跳節點進行數據的轉發，某些節點被重復地選擇作為轉發節點，出現“熱點”問題，而能量容易迅速耗盡，某些節點卻很少進行轉發，保持有很高的能量，這樣就導致節點之間的能量不均衡，具有很大的網絡能量方差。網絡方差太大的話意味著某些節點過早地死亡，那么整個網絡的生命周期也就自然而然地縮短了。

而能量均衡的可靠路由協議，選擇下一跳節點進行轉發的時候，并不只是考慮跳數，還綜合考慮了剩余能量，距離以及節點的可靠度等，綜合去判斷下一跳節點的時候有些經常轉發的節點被選擇進行轉發的概率就會越來越低，而某些不經常轉發的節點被選擇進行轉發的概率就會增加。這樣有效地均衡了整個網絡的能量，網絡能量方差也就相對會小很多，第一個節點的死亡時間就會推遲，有效地延長了整個網絡的生命周期。

圖6顯示的是經過多次仿真之后在同一網絡拓撲結構下的生命周期比較，可以看出，能量均衡的可靠路由協議的網絡生命周期要長于最短路徑路由協議，性能相對優越。

圖6　網絡生命周期比較圖

圖7顯示了不同的拓撲結構下的仿真結果，經過多次仿真實驗，得出兩種不同協議的生命周期。不同的網絡拓撲結構生命周期也不一樣，存在較大的差別。

圖7　網絡生命周期比較圖

圖7顯示的是經過多次仿真之后記錄的網絡生命周期的比較，也就是第一個節點的死亡時間，可以從發包數量分析，當第一個節點能量耗盡的時候就停止發送數據包。很明顯，在不同的網絡拓撲中，最短路徑路由協議的網絡生命周期比能量均衡的可靠路由協議要短，這就有效地說明了本文提出的能量均衡的可靠路由協議可以有效地提高整個網絡的生命周期。

可靠度只有兩種狀態，一種是可靠度降低，還有一種就是可靠度升高。如式（7）、式（8）所示。n 和t并非是人為設置的變量，而是根據網絡路由選擇自動確定的，所以不需要研究參數n和t的不同值對算法的影響。影響可靠度的主要是參數V1和V2，它們可以通過式（9）、式（10）計算得到，但是取不同的值會使得算法效果不同。本次實驗研究V1、V2對本文提出算法的影響。圖8研究了影響可靠度的參數V1和V2對路由算法的影響。和上個實驗一樣，還是多次進行仿真實驗，記錄網絡的生存時間，也就是網絡中第一個節點死亡的時間。橫坐標表示V1、V2的取值，縱坐標表示網絡死亡之前發送的數據包的數量。實驗結果表明V1、V2取不同的值對網絡的生存時間有很大影響。當V1等于0，V2等于0的時候，可靠度對路由算法沒貢獻，此時的算法類似于最短路徑算法，不能根據網絡的性能進行自動調整，所以網絡的生存時間最短。當V1等于0.6，V2等于0.3左右計算的可靠度比較適合網絡，因為此時當網絡中鏈路受影響時能快速有效的變換路由，因此網絡的生存時間最長。圖8是10次實驗的平均結果。

圖8　可靠因子影響圖

綜上所述，本文提出的能量均衡的可靠路由協議具有很好的優越性，能有效地均衡網絡的能量，提高整個網絡的生命周期。

4　能量均衡的可靠路由協議在停車位誘導系統中的應用

本文提出的能量均衡的可靠路由協議具有比較好的應用領域，可以將該協議應用于基于地磁傳感器的停車位誘導系統當中。系統利用埋在停車位下的地磁傳感器實時檢測車位是否空閑，并將數據通過WSN和GPRS逐級傳給后臺的服務器端處理程序處理和顯示，同時，開發移動終端上的程序用以顯示所檢測的所有停車位的當前信息如圖9所示。

圖9　車位檢測管理系統圖

停車位誘導系統由兩部分構成，前臺的監測部分和后臺的數據顯示部分。前臺監測部分的網絡主要由傳感器節點和匯聚節點組成。其中，傳感器節點具有感知地磁場的能力，將傳感器節點布置于車位中間。其原理就是金屬會引起地磁場發生偏移，磁場的變化最終導致電壓值的改變，據此來判斷車輛。后臺顯示部分可以根據具體顯示直觀判斷此車位是否有車。

當車輛停在車位上方，即出現在傳感器節點上方的時候，地磁場會發生一定的偏移，這時傳感器讀到的數據就會發生變化。傳感器將采集的數據經過處理之后，轉發給匯聚節點。匯聚節點接收到一定量的數據之后，將這些數據打包一起通過GPRS模塊傳輸給后臺服務器。我們最后可以根據傳感器傳到后臺的數據，判斷車位上方是否有車輛。

在停車位誘導系統當中，一方面，某些節點經常被選為中繼轉發數據，耗能較快，如果某個節點能量耗盡，那么意味著這個車位的感知能力失效，整個系統就出現了局部故障，如果進行更換節點，不僅耗時而且浪費經濟資源；另一方面，由于車輛的制作材料主要是鐵，在傳感器傳輸數據的過程中，如果車輛剛好在其上方，那么車輛就會對通信信號有一定的阻擋和吸收，通信質量就會下降。針對上述問題，我們的協議則能很好地進行解決。

能量均衡的可靠路由協議，一方面綜合考慮了剩余能量、跳數、距離等信息，整個網絡中的節點能耗得到適當的均衡，那么在整個停車位誘導系統當中，出現過早死亡的節點時間就會推遲，有效地增加了系統的運作時間，節約了經濟成本。另一方面，由于考慮了節點傳輸的可靠性，當車輛出現在節點上方的時候，其可靠度下降，這時該節點被選為中繼的概率也就下降，這不僅保證了一定的可靠度而且減少了重傳的能耗。

停車位誘導系統的后臺服務器端的主要功能就是顯示車位上方的車輛信息，而這些信息都是由Sink節點通過GPRS無線通信模塊發送到主機的。圖10所示的是未使用本文提出的能量均衡的路由協議，其中粗框里所示的統計信息就是發送成功率，也就是傳感器發送數據給Sink的成功率統計。可以看出，當車位上方不空的時候，也就是車位上方出現車輛的時候，傳感器發包的成功率非常低。這就如前面所述，車輛對傳感器的通信存在一定的影響，吸收和屏蔽效果很厲害，因此設計合理的路由協議是必要的。

圖10　使用協議前服務器端顯示

圖11為使用了本文提出的路由協議后的后臺服務器信息。從圖中可以看出粗框所示的統計信息即成功率有顯著的提高，也就是說傳感器如果感知到上方有車輛后回告之附近的鄰居節點，然后鄰居節點則根據自身的鄰居節點信息列表，查找選擇可靠度較高并且距離、能量等適當的最佳路徑，進行數據信息的轉發。這樣保證了通信的質量，同時也避免了由于丟包造成的傳感器節點不斷重傳的能量浪費。

綜上所述，能量均衡的可靠路由協議對于停車位誘導系統非常適用。

圖11　協議后服務器端顯示

5　總結

本文提出了一種能量均衡的可靠路由協議，在前人的研究基礎上，著重于研究能耗的均衡性以及傳感器節點的可靠程度。本協議首先建立全局的網絡拓撲結構，每個節點都存儲自身的鄰居節點信息，包括節點號、剩余能量、距離Sink的跳數、和鄰居節點的距離以及可靠度等。等網絡正常運行之后，節點會更新其可靠度，在選擇下一跳節點轉發數據的時候，會根據能量代價函數選擇能量代價最小的節點進行轉發。由于綜合考慮了剩余能量、距離Sink的跳數、距離及可靠度等因素，每個節點的能耗都相對比較均衡，推遲了第一個節點死亡的時間，有效地增加了網絡的生命周期。另一方面，由于考慮到節點的可靠程度，如果節點上方出現障礙物，則會影響網絡的通信，那么節點的可靠度就會進行更新；當障礙物消失后，節點的可靠度也會更新。這樣在選擇下一跳節點的時候可以選擇通信質量更好的節點，一定程度上避免了重傳等能量的浪費。通過對此能量均衡的可靠路由協議進行仿真分析，和同類型的路由協議進行比較，證明了其優越性，在能耗均衡等方面有比較好的性能。文章最后簡單介紹了該協議在基于地磁傳感器的停車位誘導系統當中的應用，通過實驗數據進行比較分析，證明了此協議具有有比較好的適用性。

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周雪（1982-）女，漢族，浙江廣播電視大學蕭山學院講師，主要研究方向為無線傳感器網絡，zx2092@163.com；

毛科技（1979-），男，漢族，浙江工業大學計算機學院博士，主要研究方向為無線傳感器網絡，maokeji@zjut.edu.cn。

Design of An Energy Balance Reliable Routing Protocol Based on Parking Guidance System*

ZHOU Xue1*，ZHU Xiaoming1，CHEN Lijian1，FANG Kai2，LEI Yanjing2，MAO Keji2
（1.College of Xiaoshan，Zhejiang Radio and Television University，Hangzhou 311200，China；2.Department of Computer Science and Technology，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310032，China）

Due to the limitation of node energy，the design of routing protocol which can effectively save energy and prolong the lifetime of network has become a hot-spot in WSN research.The paper proposed a reliable energy-balanced routing protocol after analyzing readily available protocols.The protocol establishes a global network topology in the initial stage，and then selects the next hop node according to energy cost function and updates node's reliability information when there are obstacles above the node.With the consideration of the nodes'residual energy，hops，the distance of the neighbors and reliability factors，our protocol balanced the energy consumption of the nodes and effectively prolonged the lifetime of the network.We simulated the reliable energy-balanced routing protocol on the platform and compared it with the Shortest-path routing algorithm in the aspects of lifetime，the average energy consumption and the energy variance of the network，which turns out that the algorithm，is superior to others.At last it is applied to the actual parking guidance system，the significant results were obtained.

WSN；parking guidance system；energy balance；reliable；routing agreement

TP393

A

1004-1699（2015）09-1408-10

項目來源:浙江省公益性技術應用研究計劃項目（2015C31066）；國家自然科學基金項目（61379023；61302129）；浙江省自然科學基金項目（LQ12F02015）；浙江省可視媒體智能處理技術研究重點實驗室開放基金項目（2013011，2013051，2013082）

2015-02-12修改日期:2015-06-25