基于ZigBee网络的污水处理监测研究

杨阳等

摘 要：研究、分析了ZigBee网络的组网过程及其路由算法。首先针对污水水质监测这一特殊的应用场景，阐述了当前实际工程应用的方案及ZigBee网络在水质监测中的作用；其次根据污水处理实际，分析了现有的ZigBee路由算法，然后提出了一种基于无线传感器网络的污水处理路由方法；最后利用NS2仿真软件对实际应用中ZigBee无线网络在污水处理的路由机制作了仿真分析。

关键词：ZigBee网络；路由算法；污水处理；NS2仿真软件

中图分类号：TP277.2 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.20.011

1 概述

随着科技的发展和人们生活水平的提高，物联网技术越来越受到社会的广泛关注。ZigBee作为物联网的一项关键技术，存在许多优势。ZigBee是一种短距离的、基于IEEE802.15.4无线通信标准的无线通讯技术，具有低价、低功耗、低复杂度、低速率、高可靠性等特点。ZigBee被各大通信公司和研究组织认为是未来几年内最具潜力的无线通信技术，并且被广泛应用于工业传感控制及其自动化技术等方面。

目前，污水水质监测方法大多采用人工取样实验分析或者采用国外的水质在线监测方法。本文基于无线传感器网络水质监测系统，分析了无线收发模块的路由方法，并结合现有ZigBee路由改进方法，提出一种基于无线传感器网络的污水处理路由方法。然后利用NS2仿真软件，对现有的ZigBee网络组网和路由过程进行了性能仿真分析。

2 污水处理无线传感器网络的系统结构

图1 污水无线传感器监控系统设计方案图

首先介绍一种当前常用的水质监测系统。如图1所示，整个系统由传感器节点、汇聚节点、监测中心和远程用户控制中心组成。图1中前端的大量无线传感器节点分布在污水处理工厂的各个厂区，无线传感器节点之间通过自组网的方式构成网络收集传输信息，将需要的信息收集构成子站。目前，在大多数系统中，子站网络内的数据可相互交换，但是子站间是互不通信的。基本的流程为：无线传感器节点从实际的场

景中收集监测数据，然后把收集到的数据发送到汇聚节点中。汇聚节点对收集到的信息融合处理后再发送到监测中心，远程用户可以在平台中集中处理数据，对实时数据进行决策，并作出相关调节。

3 ZigBee技术路由机制

由ZigBee技术组成的无线个人网络是一种低速率的网络。ZigBee网络有三种网络拓扑结构，即星型、树型和网状拓扑。在ZigBee网络中，将设备分成两种不同物理类型的设备，即全功能设备（Full Function Device，FFD）和精简功能设备（Reduce Function Device，RFD）。将网络节点分为三种，即ZigBee协调器（ZC）、ZigBee路由节点（ZR）和ZigBee终端节点（ZED）。其中，ZigBee协调器和ZigBee路由节点属于FFD，ZigBee终端节点属于RFD。ZigBee协调器在IEEE802.15.4中被称作“PAN协调器”，在无线网络中被称为“汇聚节点”。一个ZigBee网络只有一个协调器，ZigBee协调器必须是FFD。

3.1 ZigBee网络路由算法

ZigBee网络路由算法是Cluster-Tree路由算法和AODVjr路由算法的混合算法。在ZigBee网络路由算法中，将网络中的节点分成RN+节点和RN-节点。RN+节点有路由发现功能，可以执行AODVjr算法；RN-节点没有路由发现功能，只能执行简单的Cluster-Tree算法。

3.1.1 Cluster-Tree路由算法

Cluster-Tree路由算法在Cluster-Tree协议中没有路由表，它只能沿树簇传递信息。在建立网络时，该算法会通过树型编址，给每个节点分配一个地址。当一个网络深度为d、地址为A的FFD节点收到目的地址为D的分组数据时，首先对比自身网络地址。如果自身为目的节点，直接回复。否则，判断目的节点是否为自身的后代节点——如果是，则通过公式确定下一条地址；如果不是，将数据传给A节点的父节点。

3.1.2 AODVjr路由算法

AODVjr路由算法是ZigBee联盟在AODV协议的基础上，根据ZigBee网络节点的特点对AODV算法经过精简的一种路由算法。AODV算法，即按需距离矢量路由协议。顾名思义，它就是一种基于目的节点地址发起路由发现的过程，从而找到目的节点的最佳路径。它对每条路由添加了唯一的序列号，避免路由环路的出现。

AODVjr算法在发现路由的过程中需要广播RREQ分组。然而，大多数RREQ分组是为了发现目的节点，最后被丢弃。这就不可避免地造成了能量消耗，导致节点能量下降。而Cluster-Tree算法由于没有路由发现表，就不存在这类消耗，但是在一定的树簇规模下，它会由于寻找路径而将能量浪费在路由跳数上。综上所述，两种路由算法各有优势，ZigBee网络路由算法结合了以上两种路由算法的优势，具有一定的先进性。

3.2 ZigBee网络路由改进算法

根据实际需要，广大学者提出了类似于原始分簇协议的LEACH协议等分簇路由算法。由于ZigBee自身的组网和地址分配特点，原有的分簇协议不能被直接应用于ZigBee协议中。现有的ZigBee分簇路由协议规定，只有协调器和路由节点能够担任簇首，协调器作为第一个簇首并且发起组网，限制相邻簇首间的最大跳出数不超过2跳。ME-AODV路由算法和ZiCL路由算法是两种典型的分簇路由算法。

4 基于无线传感器网络的污水处理路由方法

目前，路由协议有很多，从原则上来说，要设计一个适合所有场景的无线传感器网络的通用路由协议是不可能的。因此，我们要根据实际生产操作情况，对现有的路由协议进行改进。本文提出了一种基于ZigBee技术、基于分簇路由思想，在组网和路由阶段类似于ZigBee的改进算法——ZiCL算法。根据ZigBee技术的网络拓扑特点和组网顺序，并结合污水处理中的具体处理流程，总结出以下几点：①各个节点分布在水中。由于处理工艺的节点移动相对较小，可以认为网络拓扑是静态的。②根据处理流程，将污水处理分成若干个分区。③有节点入网和路由过程等多个因素。本文针对污水处理的实际情况，提出了一种基于ZigBee技术的分簇路由方法。

基于实际操作的需要，我们在每个分区中选择一个控制器（控制器必须是路由节点），将这个控制器和ZigBee协调器用电源持续供电，并且规定，只有ZigBee和每个分区的控制器可以建立分区簇，这样就可以避免节点死亡；对比一些分簇路由算法，免去了备用网关节点和簇首的轮换机制，这样就减少了其他节点的能量消耗，提高了网络的生存能力。在组网开始时，ZigBee协调器建立第一个分区，并且担任簇首，同时广播。其他各个分区控制器建立自己的分区，各个簇首根据簇标签计算方法为每个分区分配一个簇标识，并提供簇标识的广播机制，在分区内的节点自动加入分区所在的簇。协调器默认簇标识为0，簇首设置完成后，请求加入协调器的无线传感器网络，协调器按照ZigBee的分址方法，将网络地址分配给每一个节点。每个分区的簇首会定期查询路由节点的更新情况，发现有路由确认消息，就更新路由信息广播，使簇内成员共享路由信息。这样，在数据传播时，就减少了大量的路由发现，同时也提高了网络存活率。在传输数据时，与ZiCL算法相同，分别建立簇内路由和簇间路由，源节点通过目的节点的地址计算出所在分区的簇标识。如果与源节点在同一分区，则采用簇内路由，簇内路由采用Cluster-Tree路由算法；如果不在同一分区，则采用簇间路由。簇间路由是源节点发起路由发现的过程。首先寻找自身的路由表，如果路由表中有目的节点的地址，则通过路由表中的路径传播数据；如果无目的节点的地址，则发起簇间路由，使用AODV改进路由算法将邻居表转发，并将簇标识加入到路由协议，从而发现目的节点。在路由发现的同时，由于分簇标识代表了簇内所有节点，这在一定程度上减少了能量消耗。路由协议流程如图2所示。

基于无线传感器网络的污水处理路由协议是在ZiCL路由的基础上，将开始分簇阶段的簇首固定为有电源供电的分区控制器节点。与一般的路由相比，这种路由的稳定性更好，同时不用担心簇首会因为能量不足而退化，简化了路由协议。在路由发现的过程中加入了邻居表查询和簇标识查询，在路由发现的过程中减少了RREQ的发送，从另一个角度来说，减少了能量的消耗，优化了路由协议。

5 仿真分析

利用NS2软件对ZigBee的网络层进行仿真。首先设定仿真参数。本文将随机数据流设定为5个和8个，在平均发包速率为0.5 packets/s的情况下，对每个场景中随机产生的10～100个节点进行网络仿真分析，并从分组投递率、平均端到端时延两个方面对仿真进行比较。所有的数据都是在网络中独立运行20次得到的平均数。主要仿真参数的设定如表1所示。

结果分析：仿真最后得到一个tr文件，通过AWK程序对它进行分析，下面是其中的一个片段：

r 8.411189177 _9_ MAC --- 13 cbr 90 [0 9 7 800] [energy 19.999596 ei 0.000 es 0.000 et 0.000 er 0.000]-------[7：2 9：0 30 9] [1] 1 0

节点9在8.411 189 177 s时发送一个cbr分组，分组的UID为13，分组长度为36，目的节点的MAC地址为9，源节点的MAC地址为0，源节点的IP地址为7节点的2号端口，目的节点的IP地址为9号节点的0端口，分组的TTL值为30.

5.1 分组投递率

分组投递率是目的节点总共接收到的数据分组个数与源节点总的数据分组发送之间的比值。分组投递率是网络可靠性的重要指标，它反映了数据投递的成功率。数据流分别为5个和8个时得到的网络分组递交率状况如图3所示。

从图3中可以看出，当网络节点较少时，分组递交率接近100%；而随着网络中节点数的增加，在不同的数据分组传递过程中，随着路由跳数的增加和分组之间的碰撞，一些数据分组将会被丢弃或者失效，导致目的节点无法接收到数据分组，使分组递交率下降。图3中，8个数据流有一部分在5个数据流的上方。这是因为8个数据流中节点间发送的数据分组增多，虽然一定程度上失效的分组也在增加，但是比率相对稳定。如果节点增多，那么比率会下降得更快。

5.2 平均端到端时延

平均端到端时延是源节点发送数据包与目的节点成功接收数据包之间的差值。它反映了整个网络在传输数据时的效率和网络拥塞程度，是评价网络通信质量的重要参数。图4所示为平均端到端时延状况。

从图4中可以看出，随着节点的增多，平均端到端时延越来越大。从ZigBee路由协议中分析得出，随着数据分组的增多，路由的跳数也增多，随之而来的就是网络拥挤程度增加，最终导致平均端到端时延增大。此外，通过其他的仿真可知，平均端到端时延还与网络分布的范围大小有关——随着网络范围的扩大，路由距离增加，数据分组的丢失率随之增大，数据流的传输时延越来越大。

6 结束语

在这个科技飞速发展的时代，随着新技术的层出不穷和市场发展空间的拓展，ZigBee技术被许多组织公司和学者认为是最适合传感器接入端的短距离无线通讯技术。对ZigBee的研究为物联网的实际应用和发展奠定了基础。本文在污水处理无线传感器网络系统构架的基础上，研究、阐述了ZigBee网络的路由算法。同时，研究了ZigBee路由改进算法，并在改进算法的基础上提出了一种依据实际处理污水的路由方法。通过固定簇首来减少网络能量的消耗，可保证网络的稳定性；采用簇间和簇内路由相结合的方法可简化路由发现的过程，减少了RREQ的发送，也减少了网络内部的冗余，进而提高网络的整体性能。最后本文对现有无线传感器网络中应用到的ZigBee路由进行了仿真，并利用IEEE802.15.4的物理层和MAC层分析了仿真结果。比较一些网络性能指标，剖析路由协议和仿真结果，具有一定的实际意义。

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〔编辑：刘晓芳〕