火场救灾动态分组路径路由协议研究

阚凤龙, 徐自文, 张东伟, 陈 楠(沈阳建筑大学 信息与控制学院, 辽宁 沈阳 110168)

火场救灾动态分组路径路由协议研究

*阚凤龙, 徐自文, 张东伟, 陈 楠
(沈阳建筑大学 信息与控制学院, 辽宁 沈阳 110168)

比较了当前几种无线传感器网络路由协议,结合火场救援工作的特点和需求,设计了一种能够适应灭火救援过程工作特点的无线传感器网络路由协议,可实现自动组网来覆盖所有设备能到达的区域。路由协议具有多跳路由、自动组网特点,以满足不断变化的网络,对其他具有ZigBee网状拓扑结构的系统具有一定的参考价值。

火场救援; 路由协议; 低功耗自适应分簇拓扑协议; ZigBee; 无线传感器网络

0 引 言

在消防领域的灭火救援过程中,现场具有随机性强、人员相对位置改变频繁(导致网络拓扑结构频繁改变)、结构复杂等特点,因此及时、准确地获知消防人员的位置及状态信息至关重要。利用配给救援人员的ZigBee无线模块,可组成一个全无线的消防报警网络。该网络兼有无线追踪定位功能,可通过建筑物内无线传感器网络及消防人员随身携带的移动装置,动态掌握进入火灾现场的人员位置和状态。

1 ZigBee无线传感器网络

以IEEE 802.15.4标准为基础的ZigBee无线传感器网络为第四代传感器网络。无线传感器网络由普通节点、中继节点、网关节点和监控中心组成。普通节点完成数据采集;中继节点实现多跳中继传输和数据汇聚接收;网关节点完成无线和有线信号转换;监控中心完成区域数据的综合处理。普通节点通过多跳中继方式将监测数据传送给网关节点,最终通过有线方式将无线区域内的数据传送到远程监控中心进行集中处理。

2 路由协议

路由协议负责将数据分组,从源节点通过网络转发到目的节点。它主要包括两个方面的功能:① 寻找源节点和目的节点的优化路径;② 将数据分组沿着优化路径正确转发。无线传感器网络节点能量有限,路由协议关注整个网络能量的均衡消耗以及能量的高效利用。因此,路由协议直接影响无线传感器网络的性能和寿命。另外,无线传感器网络具有很强的应用相关性,不同应用中的路由协议可能差别很大,没有一个通用的路由协议可以满足所有的应用。因此,需要根据具体应用选择最优的路由协议。

2.1 洪泛协议

洪泛协议是一种传统的无线通信路由协议。该协议规定,每个节点接收来自其他节点的信息,并以广播的形式发送给其他相邻节点,最后将信息数据发送给目的节点。但该协议容易引起信息的内爆和重叠,造成资源浪费。

2.2 闲聊协议

闲聊协议是在洪泛协议的基础上进行改进而提出的。传播信息的途径是随机选择一个相邻节点,获得信息的节点以同样的方式随机地选择下一个节点进行信息的传递。该协议避免了以广播形式进行信息传播的能量消耗,延长了信息的传递时间,虽然在一定程度上解决了信息的内爆问题,但仍存在信息的重叠现象。

2.3 SPIN协议

SPIN(Sensor Protocol for Information via Negotiation)协议是以数据为中心的自适应路由协议,通过协商机制来避免洪泛协议和闲聊协议的内爆和重叠问题。无线传感器网络各节点只有在收到相应请求时,才有目的地发送数据信息。SPIN协议有ADV、REQ和DATA 3种类型。在发送一个DATA数据包之前,一个传感器节点首先对外广播ADV数据包。如果某一个节点希望接收该数据信息,则向发送ADV数据包的节点回复REQ数据包,由此建立起发送节点和接收节点的联系,之后发送节点便向接收节点发送DATA数据包。SPIN协议的工作流程如图1所示。

图1 SPIN协议的工作流程图

2.4 定向扩散协议

定向扩散协议是一种基于查询的路由机制,整个过程可以分为兴趣扩散、梯度建立以及路径加强3个阶段。在兴趣扩散阶段,汇聚节点向传感器节点发送其想获取的信息种类或内容。兴趣消息中含有任务类型、目标区域、数据发送速率、时间戳等参数。每个传感器节点在收到该信息后,将其保存在缓存中。当整个信息要求传遍整个无线传感器网络后,便在传感器节点和汇聚节点之间建立起一个梯度场,梯度场的建立以成本最小化和能量自适应为原则。一旦出现传感点感兴趣的数据,就会根据建立的梯度场寻求最快路径进行数据传递。定向扩散协议梯度场建立过程如图2所示。

图2 定向扩散协议梯度场建立过程

2.5 LEACH协议

低功耗自适应分簇拓扑(Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy,LEACH)协议以最小化传感器网络能量损耗为目标,执行过程是周期性的,每轮循环分为簇的建立阶段和稳定的数据通信阶段。在簇的建立阶段,相邻节点动态地形成簇,并随机产生簇头;在数据通信阶段,簇内节点将数据发送给簇头,簇头进行数据融合,并将结果发送给汇聚节点。由于簇头需要完成数据融合以及与汇聚节点进行通信等工作,因此能量消耗大。LEACH协议随机循环选择簇头,将能量负载平均分配到每个无线传感器网络节点中,这样可以延长网络的生命周期。LEACH协议可将网络生命周期延长15%。

对上面这些协议进行比较分析后得出,一个好的无线传感器网络路由协议应具有动态选择汇聚节点能力、快速数据融合能力、随机路径选择能力。

3 改进的网络路由过程

在灭火救援实际过程中,从功能上将无线传感器网络节点分为无线主节点、无线路由节点、无线设备节点3种。救援人员的无线设备通过无线网络实现与无线主节点通信。无线传感器网络的能量有限,如网络中某节点能量消耗过快,会使节点在短时间内失效,从而导致有效传感区域变小,影响数据采集结果。如何有效减少并平衡网络中各个节点的能量消耗,从而使网络寿命最大化,是协议设计的关键问题。

通过分析和实验,将定向扩散协议与以最小化传感器网络能量损耗为目标的LEACH协议有机结合,设计了适用于灭火救援工作过程的无线传感器网络路由协议。

此外，队员们在扶贫工作中也不忘自己的“老本行”，严厉打击各种违法犯罪，同时做好相关法律法规、禁毒防艾等的宣传工作。工作队驻村期间，曼来村实现了治安案件零发生，吸毒贩毒案件零发生。村庄的社会治安稳定了，人们也能安心地搞生产了。

3.1 路由建立

路由建立过程类似于定向扩散协议中的兴趣扩散、梯度建立过程,采用由顶至底的路由生成算法。首先由无线主节点对所有的无线路由器节点发配置系统命令帧,这是一种由顶至底的扩散寻呼请求。

(1) 由无线主节点向下进行一次一跳的扩散寻呼请求,寻呼请求消息中包含有源节点和目标节点的ID号、消息编号、链路时钟值等。

(2) 在寻呼请求消息扩散方向上,下游节点收到上游节点的请求后,修改链路时钟值,对自身ID号和目标节点ID号进行比较判断。如果相等,则进入休眠状态,直至回应周期时间到,然后发回答帧;如果不等,则记录上游节点的位置信息,修改路由跳数等字段,继续向其邻近下游节点扩散路由请求,然后进入休眠状态直至回应周期时间到,自动唤醒,进入准备接收状态。对于邻近下游节点,如果收到相同编号的消息,则将后来的消息丢弃。

(3) 当无线主节点收到所有无线路由节点的应答后,构造路由表。

(4) 路由表建立后,系统转入工作状态。在正常工作状态时,无线路由节点的生命周期直接影响整个网络的生命周期。信息在传递的过程中,无线路由节点的使用频率最高,能量消耗最大。因此,必须平衡整个网络的无线路由节点的能量消耗,以延长无线网络的生命周期。将整个工作周期分为收集数据进程、上行传输进程、下行传输进程3部分。收集数据进程结束后,网络进入上行传输进程,由节点坐标最低的无线路由节点开始发送数据帧,工作时间结束即进入休眠状态。

3.2 路由维护

由于网络的无线设备节点是经常移动的,因此网络的拓扑结构会随时发生变化,这就要求系统的路由维护是动态的。本文采用主机点名-重建路由算法,即在上行传输进程结束时,主机点名;当3次有未出现的无线设备节点时,定义为无线设备节点丢失,这时需检查修复无线设备节点。路由建立后,为了在维持每条路由信息的同时减少对节点存储空间的需求,每个传感器节点仅对经过本节点的当前路由信息进行缓存。路由信息仅在节点上保存较短的时间,如果现存的路由信息得不到及时刷新,则该路由信息将被置为无效,并最终被清除。为了维护现存的路由,在一条路径上如果当前路由信息仍然有效,则当有新的数据发送后,当前路由信息就被及时刷新,这样可保证对突发通信实现连续的数据传输。

路由恢复与路由维护所不同的是:无线路由节点会因为电源耗尽或受到物理损毁后失效,从而导致路由中断。为了尽快恢复节点间的通信能力,需要对路由进行修复。为了能够及时发现损坏的路由,路由协议需要具备有效的路由中断发现机制。传统的方法是使邻近节点定期发送Hello消息,以探测邻近节点的状态,确定路由断点,从而修复路由。但周期性的Hello消息会在网络中产生大量的流量,导致带宽和能量有限的无线传感器网络在消耗大量能量的同时,性能急剧恶化。为了减少网络中的流量、节省节点能量,必须以尽可能少的消息恢复无线主节点和无线路由节点之间的路由。对此,本文仍采用主机点名-重建路由算法,重建路由时可以检测到损坏的无线路由节点,对其进行更换并重建路由。

4 结 语

结合消防领域的灭火救援工作过程的环境特点,在比较了当前流行的几种无线传感器网络路由协议的基础上,提出了一种适用于灭火救援工作过程的无线传感器网络路由算法。该算法可减少并平衡网络中各个节点的能量消耗,从而使网络寿命最大化。

[1] 范业仙,林宏康,陈卫荣.移动自组网AOMDV路由协议分析与性能仿真[J].安庆师范学院学报:自然科学版,2010(4):57-61.

[2] 赵德新,王葵如,李成,等.新型光纤光栅传感网络及其MAC协议设计[J].半导体光电,2009(6):975-979.

[3] 唐克,谢保军,卢金星.基于蒙特卡罗的无线传感器网络战场目标定位模型[J].兵工自动化,2011(4):31-36.

[4] 桑欢,颜金尧.面向TCP的流媒体缓存技术的研究[J].中国传媒大学学报:自然科学版,2009(1):41-46.

[5] 王化宗,张春业,李波.WLAN QoS机制中一种群ACK的研究[J].重庆邮电学院学报:自然科学版,2005,17(2):250-252.

(School of Information & Control Engineering, Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168, China)

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Research of Dynamic Packet Routing Protocol in Fire Disaster

KAN Fenglong, XU Ziwen, ZHANG Dongwei, CHEN Nan

This paper compared several kinds of current wireless sensor network routing protocol.According to the characteristics and needs of fire fighting and rescue work,a ZigBee wireless sensor networks routing algorithm was proposed,which was able to adapt to the characteristics of fire fighting and rescue work process.The routing protocol has the characteristics of multi hop routing and automatic networking to meet the constantly changing network.The routing algorithm has some

for other systems with ZigBee mesh topology.

fire rescue; routing algorithm; low-energy adaptive clustering hierarchy(LEACH)protocol; ZigBee wireless sensor network

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阚凤龙(1982—),男,实验师,研究方向为无线传感器网络、智能控制。

中华人民共和国住房和城乡建设部基金项目(2014-K8-067)

TU 892

B

1674-8417(2015)05-0001-04

2015-01-18

徐自文(1973—),男,讲师,研究方向为计算机网络。

张东伟(1979—),男,讲师,研究方向为智能控制。

陈 楠(1981—),男,实验师,研究方向为建筑智能化。