改進的ZigBee路由算法在貨運機車軸溫探測系統的應用

孫曉，劉永彬，武宇龍，盧祥江，周浩

（1. 湖南工業大學機械工程學院，湖南株洲412007；2. 湖南工業大學電氣與信息工程學院，湖南株洲412007）

改進的ZigBee路由算法在貨運機車軸溫探測系統的應用

孫曉1，劉永彬2，武宇龍1，盧祥江1，周浩2

（1. 湖南工業大學機械工程學院，湖南株洲412007；2. 湖南工業大學電氣與信息工程學院，湖南株洲412007）

通過對ZigBee協議中傳統的Cluster-Tree算法、AODVjr算法和Cluster-Tree+AODVjr算法進行分析和比較，提出了一種適用于貨運機車這一特殊系統的“握手”優化算法。該算法通過2個節點間的握手連接來實現數據傳輸，不僅能夠降低節點的能耗，而且克服了ZigBee技術短距離傳輸的缺點。

路由算法；ZigBee；貨運機車；握手連接

0 引言

ZigBee技術是一種新的低功耗、高動態的組網形式，廣泛應用于各行各業，如貨運機車的安全檢測。貨運機車是我國目前貨運的主要工具之一，它的運輸量大，工作環境惡劣。據統計，貨運機車80%以上的故障由車軸磨損引起?，F階段我國鐵路貨運機車主要通過2種軸溫探測裝置[1]來預防此類故障：一種是直接接觸式的車載軸溫探測系統，另一種是非接觸式的紅外軸溫探測系統。目前，應用于機車的通信網絡主要有TCN總線網絡（train communication network）、ARCNET通信網絡（attached resource computer network）和CAN總線網絡（controller area network）。這3種網絡協議共同的特點就是應用有線傳輸，適用于客運機車。而貨運機車的車廂無人值守，且車廂頻繁編組，缺乏長效記錄數據資料，不能達到對車軸溫度進行實時監測的目的，因此，以上幾種網絡協議不適用于貨運列車，在線軸溫監測系統應用于貨運列車受到限制。選用一種合適的通訊手段來實現貨運機車的在線軸溫監測，成為了一個重要的研究課題。

ZigBee技術為貨運機車的軸溫監測系統提供了技術支持。它是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術，主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間進行數據傳輸，還可實現周期性、間歇性和低反應時間的數據傳輸。本課題組利用車廂節點的路由轉發功能，將傳感器采集到的溫度值發送到路由器節點，路由器節點再將數據以無線通信的方式發送到協調器節點[2-3]，協調器節點將收到的數據匯總打包，通過串口實時將數據送回主控中心，并通過專家系統對機車故障進行預測與報警。顯然，這樣的網絡架構能適合貨運機車的需求，但由于車廂無電力供應設備，ZigBee模塊需要靠自身電池供電，因此，節能問題在此顯得格外重要。要實現節約能耗，目前只有2種方法：采用低能耗元器件和改進路由算法。本文采用改進路由算法來降低貨運機車軸溫探測系統中的節點能耗。

1 ZigBee的路由算法分析

ZigBee技術支持Cluster-Tree、AODVjr、Cluster-Tree+AODVjr等路由算法[4]。對于每一種特定的應用來說，每種算法都有其優點，也有不足之處。通過對ZigBee傳統路由算法和列車的“一字長蛇”系統的研究發現，傳統的路由算法已經不適用于這一新型系統。因此，本課題組改進了ZigBee的路由算法，提出“分組-握手”路由算法，該算法能達到節約能耗的目的。

1.1 Cluster-Tree算法

在Cluster-Tree算法[5-6]中，節點直接通過數據包中的目的節點信息來計算下一條的地址，而不需要路由發現過程進行路由。假設一個路由節點的地址為A，深度為d，如果判斷目的地址為D的節點是否為A節點的子節點，需滿足下列不等式

式中，Cskip(d-1)表示d-1深度的父節點為其子節點分配的地址偏移量。

如果目的節點是A節點的子節點，則下一跳節點地址為N=D；如果目的節點不是A節點的子節點，則下一跳節點為A節點的父節點，其地址為

這種算法適應于節點數量不多的網絡。對于列車這種節點數量龐大的“一字蛇形”結構（i1, i2,…, in）來說，車廂im為車廂im-1的父節點，即車廂im節點收到數據包后，都要轉發給其子節點車廂im-1，直至傳送到機車的上位機監控平臺。這樣網絡延遲時間長，且越靠近車頭的節點所要轉發的數據量越大，它的能量消耗也越快，導致其能量提前耗盡而脫離網絡，破壞了整個網絡的信息傳輸。因此，對于貨運機車而言，Cluster-Tree算法不是最優算法。

1.2 AODVjr算法

AODVjr算法是對AODV算法的改進[5]。當源節點要尋找到達目的節點的路徑時，先向其鄰居節點組播RREQ（route request）分組。收到該分組的鄰居節點若具備路由能力，則建立指向源節點的反向路由回復，同時繼續向自己的鄰居節點組播該RREQ分組；若不具備路由能力，則通過Cluster-Tree路由算法將該分組交由其子孫節點或父節點進行轉發。當目的節點接收到此RREQ分組后，通過單播方式向源節點回復RREP（route reply）分組。同時，所有接收到此RREP分組的節點都將更新自己的鄰居表記錄，路由建立成功。

AODVjr算法在路由發現過程中，會產生RREQ分組泛洪問題。由于節點產生了多余的RREQ分組，使其自身能量被大量消耗，進而耗盡自身能量造成網絡分割，縮短網絡壽命，這也是AODVjr路由算法的短板。

1.3 Cluster-Tree+AODVjr算法

Cluster-Tree+AODVjr算法的網絡節點可分為4類：協調器節點、RN+、RN-和RFD（full function device）。其中，RN+有足夠的存儲空間和能力進行AODVjr算法協議，而RN-則由于存儲空間受限不能進行AODVjr算法協議。除RFD外，另外3種節點都具備路由功能。在通信時，如果目的節點不是鄰居節點，RN+就會啟動AODVjr算法協議，主動查找到達目的節點的最佳路徑；相反，RN-節點就會通過Cluster-Tree路由算法來尋找下一跳的節點并通過自身的計算能力做出判斷，并將消息轉發給父節點或者其中一個子節點。

因此，Cluster-Tree+AODVjr算法有Cluster-Tree算法和AODVjr算法的優點。故本文采用Cluster-Tree+AODVjr算法并加以改進。

2 路由算法改進

為了節約能耗，本文采用跳躍式傳輸模式。此模式既有Cluster-Tree路由算法父子節點的關系，也有AODVjr路由算法尋找最優路徑的特點。由于列車車廂之間的距離較遠而ZigBee是短距離傳輸，因此，同一分組內的2個相鄰節點之間不能進行數據傳輸?；谏鲜鲈颍疚膶luster-Tree+AODVjr算法進行改進，即“握手”連接算法。每一個編組中相鄰的2節車廂節點的距離超出了ZigBee的通信范圍而無法直接通信，因此，可以使這2個相鄰的節點同時發送尋找對方地址的請求，一旦2個請求相遇便握手成功，進而進行數據傳遞。車廂節點的編號分組情況如圖1所示。

圖1 網絡節點傳輸地址分配圖Fig.1The address distribution diagram of network node transmission

車廂節點分為3組，一組為1, 4, 7，另一組為2, 5, 8，最后一組為3, 6, 9。當所有車廂節點加入網絡，即網絡形成后，每個節點會根據自己的分組狀態尋找到本組中前后2節點的地址并進行存儲，為以后的數據傳輸做好準備。這樣不但可以節約Cluster-Tree算法中的靠近中心協調器節點的能量，還能彌補傳輸距離短這一缺陷。除此之外，對網絡中各個車廂節點采用了能量控制機制，即對每一個車廂節點都定義了一個最小路由能量Emin和總能量E。當節點的能量達到Emin這個極限時，此路由節點便不再發起握手連接而退出分組，進而改為直接將它的信息按照Cluster-Tree算法發送給它的父節點，從而盡量保證數據采集的完整性。在整個網絡中，距離中心協調器越近的節點所要轉發的數據量越大，因此其能量消耗也會越快，故節點的能量控制Emin應與節點深度成反比，即距離中心協調器越遠的節點Emin值越小。

式中：El_min為節點正常工作時所需的最小能量；

d為節點深度。

式中：t為網絡運行時間；

di為深度為i的節點；

當節點能量介于Emin和El_min之間時，節點將按照Cluster-Tree路由算法進行數據傳輸；當能量低于El_min時，節點停止工作，自動退出網絡。此時，節點的能耗為

式中：y為每個節點發送的數據包個數；

n為此節點后面所有節點的總個數；

本文的中心協調器（位于1號車廂節點）采用有源供電，以確保穩定供電。

算法流程如圖2所示。

圖2 算法流程圖Fig.2Algorithm flow chart

3 仿真結果分析

為了比較改進后的算法與傳統算法的性能，利用NS2（network simulator version 2）作為試驗仿真平臺。在相同的仿真環境下，對3種算法進行仿真分析，算法仿真結果如圖3～4所示。

由圖3可以看出，在前200 s內3種算法都沒有死亡節點的出現。但是，在270 s左右時，Cluster-Tree算法出現了第一個死亡節點，在290 s左右時，AODVjr算法也第一次出現了死亡節點，隨著時間的推遲，死亡節點數量迅速上升；改進后的算法在320 s左右才第一次出現了死亡節點，并且隨時間推移，死亡節點數量的上升速率明顯要比其他算法小，且算法運行到600 s時，本算法的死亡節點數量明顯少于另外2種算法。從整條曲線來看，無論是在同一時刻還是最終時刻，改進后的算法都要優于其他算法。由此可以得出，改進后的算法能夠更長時間支持網絡的運行。

圖3 算法死亡節點數的仿真Fig.3The simulation on dead node numbers of algorithm

由圖4可以看出，隨著網絡運行時間的增長，3種算法的每個節點的平均能耗都在不斷增加。在300 s以前，沒有節點死亡，因此，節點的平均能耗增加較為迅速；300 s以后尤其是超過400 s后的一段時間內，由于死亡節點數量的增加，3條能耗曲線都變得更加平滑。整體來說，在整個網絡的運行中，改進后的算法的能量消耗是最少的。

圖4 每個節點平均能耗的仿真Fig.4The simulation on each node average energy consumption

4 結語

本文根據貨運機車軸溫檢測的需求，對ZigBee技術進行了研究。針對此應用的突出問題即能耗問題，對路由算法進行了改進，達到節約能量的目的，同時還解決了ZigBee技術傳輸距離短等問題。仿真試驗表明，改進后的算法能夠降低節點能量的損耗，延長網絡的生存周期。因此，該算法適合應用于貨運機車這種“一字長蛇”型車軸溫探測系統中。

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（責任編輯：鄧彬）

Application of Improved ZigBee Routing Algorithm in the Axle Temperature Detecting System of Freight Machine

Sun Xiao1，Liu Yongbin2，Wu Yulong1，Lu Xiangjiang1，Zhou Hao2
（1. School of Mechanical Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China；2. School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

Through the Analysis and comparison of the traditional Cluster - Tree algorithm, AODVjr algorithm and Cluster-Tree+AODVjr algorithm of the ZigBee protocol, a method of“handshake”optimization algorithm is presented for the special system of freight locomotive. This algorithm realizes the data transmission through the handshake connection between two nodes, and it not only saves the energy consumption of nodes, but also overcomes the disadvantages of ZigBee technology in short distance transmission.

routing algorithm；ZigBee；freight locomotive；handshake connection

TP393

A

1673-9833(2014)03-0056-04

10.3969/j.issn.1673-9833.2014.03.012

2014-01-30

湖南工業大學研究生創新基金資助項目（湖工大研字[2013]2號）

孫曉（1972-），男，湖南株洲人，湖南工業大學教授，碩士生導師，主要從事機電控制與計算機應用技術方面的教學與研究，E-mail：sxbug@163.com