父親樹(shù)路由協(xié)議與加權(quán)數(shù)據(jù)融合的大棚應(yīng)用

楊友良， 王 超， 馬翠紅

(華北理工大學(xué)電氣工程學(xué)院,河北 唐山 063009)

父親樹(shù)路由協(xié)議與加權(quán)數(shù)據(jù)融合的大棚應(yīng)用

楊友良， 王 超， 馬翠紅

(華北理工大學(xué)電氣工程學(xué)院,河北 唐山 063009)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)于環(huán)境數(shù)據(jù)采集和控制有著自身的優(yōu)越性。在農(nóng)業(yè)大棚的應(yīng)用上，由于溫室大棚形狀狹長(zhǎng)的特點(diǎn)，易引起網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)剩余能量的不均衡，與電池的統(tǒng)一更換相矛盾。為了解決電池統(tǒng)一更換的問(wèn)題，在通信協(xié)議方面運(yùn)用了成簇算法與ADOVjr算法相結(jié)合的父親樹(shù)協(xié)議，通過(guò)建立中間簇頭節(jié)點(diǎn)組織終端節(jié)點(diǎn)而形成數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，在簇頭節(jié)點(diǎn)中加入了基于信任度函數(shù)的加權(quán)平均值遞推的方法，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)融合。在Matlab試驗(yàn)平臺(tái)上的仿真結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)能夠有效提高網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)剩余能耗的均衡性、消除失效節(jié)點(diǎn)引起的誤差。該設(shè)計(jì)運(yùn)用通信協(xié)議改良和新數(shù)據(jù)融合的方法，并在此基礎(chǔ)上運(yùn)用網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器等最新的技術(shù)成果，使得物聯(lián)網(wǎng)(IOT)溫室大棚具有遠(yuǎn)程操作和管理的能力，提升了溫室大棚的實(shí)用價(jià)值。

物聯(lián)網(wǎng)； 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)； 通信協(xié)議； 父親樹(shù)； 數(shù)據(jù)融合； 算法； 控制； 服務(wù)器

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)被預(yù)測(cè)為繼互聯(lián)網(wǎng)之后的又一個(gè)科技革命，而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks,WSNs)是互聯(lián)網(wǎng)拓展到物體的重要鏈接，是物理信息與信息世界的橋梁。在物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)大棚的應(yīng)用中，由于大棚具有形狀狹長(zhǎng)的特點(diǎn)，使用以往的算法容易在均衡性方面有所不足。例如在需要統(tǒng)一更換電池時(shí)，會(huì)因均衡性差而導(dǎo)致電源浪費(fèi)。因此，能耗均衡性已成為WSNs不能忽略的問(wèn)題。

現(xiàn)階段的WSNs研究，已在降低通信能耗方面取得突破。在分層路由中提出了數(shù)十種基于不同數(shù)學(xué)模型的算法流程，改善了WSNs的生命周期[1]。

本文在運(yùn)用綜合成簇算法保障WSNs生命周期的同時(shí)，重點(diǎn)在提高均衡性的領(lǐng)域展開(kāi)研究，將父親樹(shù)路由協(xié)議和加權(quán)遞推數(shù)據(jù)融合技術(shù)運(yùn)用到WSNs中，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了方案的可行性。

1 WSNs簡(jiǎn)介

WSNs是為了感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地域內(nèi)被感知對(duì)象的信息，由大量靜止或移動(dòng)的微型傳感器節(jié)點(diǎn)以自組多跳的網(wǎng)絡(luò)方式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)。其最終把這些信息發(fā)送給互聯(lián)網(wǎng)[2]。WSNs數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 WSNs數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)圖

WSNs是軍方最先提出并使用的技術(shù)，隨著科技的發(fā)展，該技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到環(huán)境監(jiān)測(cè)、交通管理和反恐抗災(zāi)等眾多領(lǐng)域，可以完成傳統(tǒng)系統(tǒng)無(wú)法完成的任務(wù)。

2 WSNs網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議

一般而言，溫室大棚既要監(jiān)測(cè)環(huán)境數(shù)據(jù)，又要控制風(fēng)機(jī)、灌水等設(shè)備的運(yùn)行以控制環(huán)境數(shù)據(jù)。因此，使用ZigBee協(xié)議棧能更好地實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)和控制的功能。在經(jīng)典ZigBee網(wǎng)絡(luò)模型中，一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)協(xié)調(diào)器、多個(gè)路由器和多個(gè)終端設(shè)備組成。一般情況下，終端設(shè)備之間不能進(jìn)行通信(一般終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)后斷電)，只能向上傳輸給路由節(jié)點(diǎn)(最多連接255個(gè)節(jié)點(diǎn))，路由節(jié)點(diǎn)之間能進(jìn)行通信(路由節(jié)點(diǎn)根據(jù)ZigBee協(xié)議不能休眠)，且路由節(jié)點(diǎn)向上傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器(最多容納65 535個(gè)節(jié)點(diǎn))。

在ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中，經(jīng)典的ADOVjr 算法不再適用于大規(guī)模的環(huán)境監(jiān)測(cè)，分簇算法更適合在節(jié)能、高效的環(huán)境監(jiān)測(cè)任務(wù)中使用。在分簇算法中，所有節(jié)點(diǎn)都為完整功能設(shè)備(full function device,FFD)。FFD集路由數(shù)據(jù)與采集數(shù)據(jù)功能于一體，并且可以隨意選用FFD為控制節(jié)點(diǎn)，向控制器傳輸控制數(shù)據(jù)。其中，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)中其他所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集。 ZigBee 協(xié)調(diào)器在指定的信道上創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)，并統(tǒng)籌網(wǎng)絡(luò)地址的分配。它與 PC 機(jī)相連，處理網(wǎng)絡(luò)中各設(shè)備采集的數(shù)據(jù)；除基站外，所有設(shè)備初始能量都相同且由電池供電[3]。

2.1 綜合的分簇簇頭形成機(jī)制

為了統(tǒng)一更換電池，在分簇算法性能指標(biāo)中的網(wǎng)絡(luò)能量均衡是本次研究的重點(diǎn)。綜合簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)目、節(jié)點(diǎn)距離和剩余能量的情況選出的簇頭節(jié)點(diǎn)，更符合本次研究的目的。

2.2 路由算法的父親樹(shù)路由協(xié)議

在分簇階段簇頭的形成過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)如果能夠加入到其簇頭形成的簇中，則一定能將其監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)發(fā)送到簇頭中。所以，在確定簇頭后，其他節(jié)點(diǎn)加入簇頭，基站節(jié)點(diǎn)建立路由表。但是如果簇頭所在簇中，簇頭能夠立即將數(shù)據(jù)包傳遞給剛?cè)刖W(wǎng)的終端節(jié)點(diǎn)，則無(wú)需執(zhí)行路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程。其弊端是：當(dāng)加入的節(jié)點(diǎn)太多時(shí)，會(huì)形成信道堵塞和非均勻流量分配。因此，必須在簇內(nèi)建立一套加入最優(yōu)簇頭的機(jī)制[4]。

在簇內(nèi)，以簇頭為中心，建立一套路由分配地址的體系，使節(jié)點(diǎn)加入由高效簇頭所形成的簇中。

①基站節(jié)點(diǎn)根據(jù)自己的鄰居列表，在距離較近的鄰居集合節(jié)點(diǎn)中選取中間節(jié)點(diǎn)。根據(jù)上述綜合算法，在中間節(jié)點(diǎn)中選擇簇頭并向它們發(fā)送簇建立消息，將這些中間節(jié)點(diǎn)的路由深度設(shè)置為Di=1。

②這些中間節(jié)點(diǎn)在各自的鄰居集合中，選擇加入中間節(jié)點(diǎn)上層簇頭節(jié)點(diǎn)所建立的簇，再發(fā)送給鄰居建立消息。

③從鄰居節(jié)點(diǎn)中選取中間節(jié)點(diǎn)的過(guò)程與在中間節(jié)點(diǎn)中選取簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的過(guò)程相同。但是，如果中間節(jié)點(diǎn)的鄰居中已有簇頭，則丟棄此節(jié)點(diǎn)，繼續(xù)尋找別的節(jié)點(diǎn)。根據(jù)節(jié)點(diǎn)的連通性和能量值，如沒(méi)有合適的節(jié)點(diǎn)，則此簇頭選擇路徑將終止；如有合適的節(jié)點(diǎn)，則將此節(jié)點(diǎn)標(biāo)志為簇頭，并將節(jié)點(diǎn)號(hào)反饋給相應(yīng)的中間節(jié)點(diǎn)，將中間節(jié)點(diǎn)建立數(shù)據(jù)包中的路由深度數(shù)設(shè)為Dk=Di+1，即為本節(jié)點(diǎn)的路由深度數(shù)[5]。

④不斷重復(fù)步驟①～③，直到完成整個(gè)父親樹(shù)結(jié)構(gòu)的建立。父親樹(shù)形成如圖2所示。

圖2 父親樹(shù)形成示意圖

分簇路由算法與基于需求的表驅(qū)動(dòng)路由(即ADOVjr路由算法相結(jié)合)的方法有助于縮短消息的傳輸延遲時(shí)間。不同的設(shè)備采用這兩種不同的路由算法，使網(wǎng)絡(luò)性能得到很大的提高。但是，這兩種算法與經(jīng)典的路由算法相比，需要更大的內(nèi)存空間來(lái)存儲(chǔ)路由信息表，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致更高的成本；和其他大多數(shù)基于需求的路由算法一樣，路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程的執(zhí)行還會(huì)引起較高的路由初始化延遲[6]。

2.3 簇頭數(shù)據(jù)的融合處理

對(duì)于傳感節(jié)點(diǎn)而言，傳輸所用的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于計(jì)算所需要的能量。因此，在簇頭進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，對(duì)減少能耗和均衡節(jié)點(diǎn)能量有很重要的作用。對(duì)于當(dāng)選簇頭，可采用數(shù)據(jù)融合處理來(lái)降低數(shù)據(jù)冗余，綜合物聯(lián)網(wǎng)在大棚中以固定的頻率采集溫室大棚的數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)具有時(shí)間和空間相關(guān)性[7]。

(1)由于節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)可能存在異常，因此首先要通過(guò)分布圖法淘汰離異數(shù)據(jù)，即對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，得到上限值Xmax、下限值Xmin、中值Xmid、上四分位數(shù)Xu4和下四分位數(shù)Xd4。當(dāng)|Xi-Xmid|>2(Xu4-Xd4)時(shí)，舍棄此值。

(2)通過(guò)加權(quán)平均值，遞推出數(shù)據(jù)融合后的數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)位置分布可根據(jù)協(xié)議中的路由深度間接得到，即節(jié)點(diǎn)分布在大棚兩側(cè)的節(jié)點(diǎn)，路由深度分布也在其兩側(cè)，權(quán)值小于1，且路由深度分布越偏則權(quán)值越小；在大棚中間的節(jié)點(diǎn)，路由深度也分布在中間，權(quán)值大于1，且越分布在中間的權(quán)值越大，并且總的權(quán)值之和等于節(jié)點(diǎn)數(shù)量之和。

(1)

(2)

④將式(1)代入式(2)，得：

(3)

通過(guò)上述基于加權(quán)的分批估計(jì)方法，在簇頭即可完成數(shù)據(jù)融合，進(jìn)而減少數(shù)據(jù)通信量。

3 網(wǎng)關(guān)對(duì)WSNs網(wǎng)絡(luò)通信的支持

物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)在面臨的主要問(wèn)題是傳輸數(shù)據(jù)的設(shè)備與協(xié)議的不一致，以及不同系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和類型的不一致。因此，除了制定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)以外，網(wǎng)關(guān)是目前傳感網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的重要連接設(shè)備。

在無(wú)線傳感網(wǎng)與網(wǎng)關(guān)的連接中，串口是連接協(xié)調(diào)器與網(wǎng)關(guān)的橋梁。當(dāng)信息從其他參考節(jié)點(diǎn)發(fā)送到基站時(shí)，基站會(huì)將數(shù)據(jù)和控制信息發(fā)送到ZigBee的應(yīng)用層。應(yīng)用層通過(guò)調(diào)用串口API發(fā)送到網(wǎng)關(guān),網(wǎng)絡(luò)協(xié)議根據(jù)內(nèi)部機(jī)制將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成TCP協(xié)議可以接收的數(shù)據(jù)，再發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)。

在設(shè)計(jì)中，使用的網(wǎng)關(guān)為操作系統(tǒng)Coniiki。它是基于事件驅(qū)動(dòng)的嵌入式操作系統(tǒng)，具有功耗低、效率高和靈活性強(qiáng)等特點(diǎn),完全適合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件平臺(tái)本身的特點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)的通信協(xié)議XMPP是一個(gè)開(kāi)放式的XML協(xié)議,用于準(zhǔn)實(shí)時(shí)消息和出席信息以及請(qǐng)求-響應(yīng)服務(wù)。

4 服務(wù)器和用戶界面

因?yàn)橛蟹?wù)器作為支撐，所以系統(tǒng)具有更好的拓展性，可接入云專家指導(dǎo)系統(tǒng)、天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)等。大棚要日夜進(jìn)行環(huán)境監(jiān)控，而工業(yè)機(jī)的可靠性遠(yuǎn)低于服務(wù)器。服務(wù)器需要包含物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的方方面面，是整個(gè)系統(tǒng)的核心，服務(wù)器性能的優(yōu)越性滿足物聯(lián)網(wǎng)的要求。

雖然運(yùn)用C/S模式，客戶端響應(yīng)速度很快，但隨著我國(guó)網(wǎng)絡(luò)帶寬的提升和服務(wù)器性能的提高，其仍不足以應(yīng)付運(yùn)行負(fù)荷。因?yàn)锽/S模型可以將系統(tǒng)功能的核心部分集成到服務(wù)器上，不需要安裝任何專門(mén)軟件，可以減少后期維護(hù)費(fèi)用，所以B/S模式具有更高的實(shí)用性和安全性。此外，隨著移動(dòng)設(shè)備的升級(jí)，手機(jī)逐漸成為工業(yè)和生活的主流。對(duì)于用戶手機(jī)遠(yuǎn)程查看的需求，B/S模式更加快捷方便[8-9]。

5 試驗(yàn)仿真

為驗(yàn)證此算法的可行性,運(yùn)用Matlab7.0平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)初期，簡(jiǎn)化本文提出的算法，設(shè)置了20個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)并將其隨機(jī)分布到仿真環(huán)境中；再利用上位機(jī)觀察環(huán)境數(shù)據(jù)，對(duì)比可知，該數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)溫度值基本一致。一個(gè)月后，觀測(cè)節(jié)點(diǎn)的剩余能量并與LEACH算法作比較，仿真對(duì)比曲線如圖3所示。

圖3 仿真對(duì)比曲線

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)仿真結(jié)果可以看出，本文設(shè)計(jì)的分簇模式與LEACH算法相比，雖然節(jié)點(diǎn)能耗較高、生命周期短，但均衡性更強(qiáng)，能更好地解決本文設(shè)計(jì)之初提出的更換電池問(wèn)題。此外，由于傳統(tǒng)的ADOVjr協(xié)議具有網(wǎng)絡(luò)的性能優(yōu)勢(shì)，因此綜合后的協(xié)議比單純的分簇算法更具網(wǎng)絡(luò)連通性能優(yōu)勢(shì)。目前，隨著小型太陽(yáng)能發(fā)電器性能的逐步優(yōu)化，WSNs的能量問(wèn)題將得到極大程度的改善，從而更快地推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)的發(fā)展[10]。

[1] 謝川.基于ZigBee的AODVjr算法研究[J].計(jì)算機(jī)工程,2011(10):87-89.

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[3] 黃丹.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由協(xié)議研究[D].大連：大連海事大學(xué),2013.

[4] 張磊.一個(gè)新的基于能量和距離的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議[D].濟(jì)南：山東大學(xué),2008.

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[6] 高井峰.基于ZigBee的路由節(jié)點(diǎn)的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2009.

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[9] 邢銘生.基于物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的研究及實(shí)現(xiàn)[D].鄭州：鄭州大學(xué),2010.

[10]蔡振江,康健一,張青.數(shù)據(jù)融合技術(shù)在溫室溫度檢測(cè)中的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2006(10):101-103.

Application of the Father Tree Routing Protocol and Weighted Data Fusion for Greenhouse

YANG Youliang,WANG Chao,MA Cuihong

(College of Electrical Engineering,North China University of Science and Technology,Tangshan 063009,China)

Wireless sensor networks have their own superiority for environmental data acquisition and control.In the application of agricultural greenhouse, due to the long but narrow layout characteristics of the greenhouse, imbalance of the residual energy of network may occur easily, which is conflict with the unified replacement of batteries. In order to solve this problem, for communication protocol, the father tree protocol based on the combination of integrated clustering algorithm and ADOVjr algorithm is adopted; and the data transmission network is formed through establishing the middle cluster head node to organize terminal nodes. In cluster head node, the method of weighted average recursion based on trust function is added, to implement data fusion. The results of simulation carried out on the Matlab experimental platform show that the network can effectively improve the residual energy balance of node and eliminate the errors caused by node failure.The design adopts the improved communication protocol and new method of data fusion; on this basis, the latest technological achievements of gateway and server are employed; this makes the IOT temperature controlled greenhouse has the capability of remote operation and management, and offer higher practical value.

Internet of things; Wireless sensor networks; Communication protocol； Father tree; Data fusion; Algorithm; Control; Server

資金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61271402)

楊友良(1961—)，男，碩士，教授，主要從事控制科學(xué)與工程和儀器科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的教學(xué)、科研與工程應(yīng)用。E-mail：wch905@163.com。

TH6;TP274+.2

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201702015

修改稿收到日期：2016-06-13