基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)可靠傳輸機(jī)制研究

（3）對系統(tǒng)的壽命有要求。為了達(dá)到節(jié)能的目的，環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的傳感節(jié)點(diǎn)采用資源受限設(shè)備，通信能力和計(jì)算能力有限。傳感節(jié)點(diǎn)本身能量消耗低，但由于傳感節(jié)點(diǎn)所部署的環(huán)境傳輸信號容易受到干擾導(dǎo)致傳輸失敗，而頻繁的傳輸會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)能量消耗過快。在實(shí)際部署的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)合理的路由算法能夠在保證數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)那疤嵯拢档?/span>傳感節(jié)點(diǎn)的能量消耗并保證傳感節(jié)點(diǎn)的能量均衡，從而實(shí)現(xiàn)延長整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)壽命的目的。

1 研究背景 

通過大量的實(shí)際場景實(shí)驗(yàn)對數(shù)據(jù)的接收情況進(jìn)行了測量 分析，表明無線鏈路具有不確定性，且容易受干擾。實(shí)驗(yàn)和 相關(guān)文獻(xiàn)表明，實(shí)際部署系統(tǒng)的鏈路受到多種因素影響。目 前的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備大多工作在 2.4 GHz 頻段，在這個(gè)頻段存在很 多干擾信號 [3，4]，如 802.11 網(wǎng)絡(luò)、微波爐和無繩電話等會(huì)干擾 節(jié)點(diǎn)間的通信。同時(shí)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)部署的環(huán)境通信鏈 路受到建筑物遮擋、人流等因素影響，存在鏈路不穩(wěn)定的因素。

考慮到以上因素，本文的主要工作是解決傳輸可靠性并 在此前提下實(shí)現(xiàn)壽命最大化。實(shí)現(xiàn)壽命最大化以保證數(shù)據(jù)傳 輸可靠性為前提，應(yīng)從以下兩方面著手 ：

在數(shù)據(jù)包的自動(dòng)重傳過程中，需要考慮實(shí)際系統(tǒng)所面臨 的實(shí)際環(huán)境因素和系統(tǒng)要求，盡可能減少數(shù)據(jù)包的重傳次數(shù)。

2.2 路由算法 

在路由算法中有基于地理位置信息的路由 GEAR[8] 以及 LEACH 路由協(xié)議 [9] 等。該類路由方法未考慮實(shí)際環(huán)境中鏈路 的頻繁變化以及節(jié)點(diǎn)的剩余能量。

本文用到的參數(shù)信息見表 1 所列。

3.2 基于多參數(shù)評估的路由選擇方法 

在前面研究的背景中已經(jīng)提到在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中主要解決 能量消耗和能量不均衡兩個(gè)問題?；谶@兩點(diǎn)，本文充分結(jié) 合實(shí)際環(huán)境中的鏈路質(zhì)量因素和節(jié)點(diǎn)剩余電量情況選擇路由 選擇算法。路由選擇主要包含剩余能量請求，鏈路質(zhì)量評估， 多參數(shù)評估選擇鏈路三個(gè)方面。

節(jié)點(diǎn)廣播剩余能量信息請求報(bào)文，收到該報(bào)文的鄰居節(jié) 點(diǎn)獲取自身的電壓信息并發(fā)送給源節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)根據(jù)剩余能量信 息選擇滿足條件的候選鄰居節(jié)點(diǎn)。

節(jié)點(diǎn)對候選鄰居節(jié)點(diǎn)單播發(fā)送數(shù)據(jù)包接收率測試包，根 據(jù)接收率信息統(tǒng)計(jì)各節(jié)點(diǎn)之間的鏈路情況。

節(jié)點(diǎn)根據(jù)剩余能量信息和數(shù)據(jù)包接收率信息 Prrij 進(jìn)行綜合衡量，節(jié)點(diǎn) Ni 到節(jié)點(diǎn) Nj 的路由建立綜合評價(jià)因子如式（1）所示：

在 LRV 發(fā)送方法中，傳感節(jié)點(diǎn)根據(jù)節(jié)點(diǎn)路由表中節(jié)點(diǎn)的 順序發(fā)送數(shù)據(jù)，依次嘗試路由表中的下一跳節(jié)點(diǎn)直至把數(shù)據(jù)成 功發(fā)送，并且在發(fā)送過程中統(tǒng)計(jì)路由表中每個(gè)候選節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù) 據(jù)包的丟包率。

3.4 路由更新方法 

由于實(shí)際環(huán)境的變化，在實(shí)際傳輸鏈路情況中會(huì)出現(xiàn)鏈 路長期不通的情況，在這種情況下，需要及時(shí)分辨，并進(jìn)行路 由更新。失效的節(jié)點(diǎn)需要重新建立路由，以保證鏈路的有效性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，從而減少過多的能量消耗。路由更 新的判斷條件和參數(shù)依據(jù)已在 3.3 節(jié)中給出，下面將根據(jù)參數(shù) 的變化動(dòng)態(tài)調(diào)整路由變化，具體過程如下所示：

在路由更新方法中，參數(shù) N 和 lr 分別代表在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中設(shè)定的發(fā)送次數(shù)閾值以及丟包率閾值。在實(shí)際環(huán)境中，鏈路具有波動(dòng)性，為了避免頻繁切換路由，當(dāng)發(fā)送次數(shù)滿足一定閾值且丟包率達(dá)到一定閾值時(shí)才會(huì)把該候選節(jié)點(diǎn)從節(jié)點(diǎn)路由表中移除。同時(shí)在路由表中候選節(jié)點(diǎn)數(shù)目少于 2 個(gè)時(shí)則直接對該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由選擇建立的過程。

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與性能分析 

利用中科院計(jì)算所無線傳感網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的 EZ240[10] 節(jié) 點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)室部署 10 個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)和一個(gè)網(wǎng)關(guān)。

系統(tǒng)壽命和節(jié)點(diǎn)的能量均衡是衡量路由算法優(yōu)劣的重要 指標(biāo)。