基于帶狀傳感網絡的智慧路燈分簇路由協議

趙旭東 向敏 譚童

摘? 要：為滿足現有智慧路燈控制網絡中對實時性和準確率的要求，提出一種基于帶狀傳感網絡的智慧路燈分簇路由協議。首先匯聚節點對路燈網絡進行分簇，通過采用簇內單跳和簇間多跳路由的結合方式，以減少整條帶狀網絡中的傳輸跳數，使得路燈控制得到快速響應，在擴大網絡規模的同時也提高了通信的可靠性。仿真實驗結果表明，本方案能夠提高路燈控制的響應時間，同時也有效延長了網絡的通信距離。

關鍵詞：無線傳感器網絡;智慧路燈;分簇;路由協議

中圖分類號：TP393? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）07-0038-02

Abstract： In order to meet the requirements of real-time and accuracy in the existing intelligent street lamp control network， a clustering routing protocol for intelligent street lamp based on banded sensor network is proposed. Firstly， the convergence node clusters the street lamp network. By using the combination of intra-cluster single-hop routing and inter-cluster multi-hop routing， the number of transmission hops in the whole banded network is reduced， so that the street lamp control can get a fast response. It not only expands the scale of the network， but also improves the reliability of communication. The simulation results show that the scheme can improve the response time of street lamp control， but also effectively prolong the communication distance of the network.

Keywords： wireless sensor networks （WSN）; intelligent streetlights; clustering; routing protocols

1 概述

城市的智能化發展已成為不可逆的趨勢，路燈作為重要的基礎設施，實現路燈的智能化管控可有效節約能源，減少人力物力的支出[1-2]。路燈分布范圍廣，人工監管困難，因此將具有高效監測能力的無線傳感網絡技術應用于路燈控制中具有很大的優勢。

目前我國主要的智慧照明控制方式主要有電力線載波通信（power line carrier communication，PLC）和ZigBee無線通信方式。電力線載波以電力線作為傳輸介質，通過載波的方式進行信息傳輸，不需要另外架設網線，具有廣闊的應用前景[3-4]。但是，在低壓電力線載波通信中，電力線載波存在著易受到磁場的干擾，信道衰減大，可靠性差等問題。Zigbee是一種新興的短距離、低速率無線網絡通信技術，具有低速率、短時延、自愈合、抗干擾的特點[5]。但是其通信的穩定性易受環境的干擾，通信距離短，不適用路燈大規模組網，從而影響了路燈控制的實時性和可靠性。

根據路燈大多呈現帶狀分布的特點，應采用帶狀的網絡拓撲結構進行通信。其次路燈節點較多，為大規模應用場景，采用聚簇的路由方式可有效解決節點數量多，網絡通信量大的問題。分簇網絡具有良好的網絡擴展性，便于能量管理、負載平衡、資源分配等特點，而且分簇網絡拓撲更便于管理，具有良好的擴展性，更適用于路燈大規模組網[6]。

目前，針對無線傳感網絡分簇路由協議國內外已有很多相關的研究文獻。主要采用分簇的路由協議，研究網絡的能耗均衡問題。但對于智慧路燈控制網絡來說，傳感器節點的能耗已不是主要的研究問題，提高路燈控制網絡的可靠性和實時性成為主要的研究內容。因此本文提出一種基于帶狀傳感網絡的智慧路燈分簇路由協議。

2 網絡模型

本文針對路燈分布特點，設計無線傳感器網絡帶狀分簇網絡拓撲如圖1所示。模型中主要包括匯聚節點和傳感器節點。其中匯聚節點位于網絡的一端，進行控制指令下發和數據的收集。路燈節點采用人工部署的方案，假設有N個節點均勻分布在長為L，寬為M的監測區域范圍內（L>>M），節點遵循以下規則：（1）節點分布相對均勻，且部署后不再移動;（2）每個節點都是同構的，具有相同的計算、存儲等能力，且具有唯一的ID標識;（3）節點的能量不受限制，可通過路燈供電系統獲取;（4）節點可根據距離來適當調整其發射功率;（5）節點主動地、周期性的向匯聚節點傳送數據。

3 基于帶狀傳感網絡的分簇方法

路燈網絡多為長距離帶狀網絡，因此在匯聚節點附近的簇首節點同時擔任著路由轉發和簇內數據匯聚的任務，因此成簇規模應盡量較小。本文采用非均勻分簇的思想，采用非均勻競爭半徑的概念，使距離匯聚節點較近的簇首節點競爭半徑較小，一定程度上解決無線傳感網絡多跳路由中的“熱區”問題。

網絡初始化階段，由匯聚節點廣播一個Hello信號，節點接收后計算距離并反饋給匯聚節點，之后由匯聚節點對路燈網絡進行備選簇首節點的部署，其中備選簇首節點的競選半徑Rc是非均勻網絡拓撲的關鍵因子，競選半徑Rc表達式為：

其中，dmax和dmin網絡節點距匯聚節點的最大距離和最小距離，d（si，BS）為節點i與Sink節點的距離，Nmax為最大節點數量，Ni為節點i的鄰節點數目，R為最大競爭半徑，c1和c2為0～1的常數。

簇首節點競選成功后，宣布成為簇首節點，其他備選簇首節點退出競爭并成為普通節點。然后由簇首節點廣播消息，普通節點加入最近的節點從而網絡分簇完成。

分簇網絡建立后由匯聚節點以組播的模式將控制指令下發給各個簇首節點，再由簇首節點來向其成員節點來廣播控制信息。采用簇內單跳和簇間多跳的路由方式進行路由轉發從而可以提高路燈控制的響應速度。簇間采用多跳方式進行路由轉發，路由轉發選擇信號范圍內距離最遠的節點作為中繼節點以提高路燈控制的響應速度。中繼節點代價函數定義為：

其中：d（CH-CH）為簇首節點i到j的距離，d（CH-CH）為j到匯聚節點的距離，若中繼節點為簇首本身，則直接發送數據給集中器，否則轉發給中繼節點。

4 仿真分析

為驗證本協議的性能，本文通過Matlab環境下進行仿真，對比分簇網絡和未分簇帶狀傳感網絡，驗證帶狀分簇網絡路燈控制的優越性，假設路燈節點均勻分布L×M為100m×15m監測區域范圍內，網絡節點規模取100個節點，匯聚節點位于網絡的一端，坐標為（0，0）。其中最大通信半徑Rmax為100m，發送數據表大小為4000bits，發送數據包周期為3s。

通過仿真可以得出節點丟包率和路燈節點數量的關系如圖2所示，可以看出，在分簇網絡下節點的丟包率更低，從而達到的控制效果更好。

節點通信成功率和路燈節點數量的關系如圖3所示，可以看出，在分簇網絡下節點的通信成功率更高，從而可以提高路燈通信的控制成功率。

5 結束語

本文提出一種基于帶狀傳感網絡的智慧路燈分簇路由協議。首先匯聚節點將網絡劃分成大小不同的簇并選出一組最優簇首節點，其次普通節點加入簇首節點。本協議利用分簇網絡的優勢，通過簇內單跳和簇間多跳路由的結合方式，可使路燈控制得到快速響應，仿真實驗結果表明，與常用的電力線載波和Zigbee網絡相比，本方案在響應時間和穩定性方面有著很大提升，同時也有效延長了網絡的通信距離。同時對路燈控制和信息采集在無線傳感網絡中的應用和發展具有一定的參考價值。

參考文獻：

[1]Daely P T， Reda H T， Satrya G B， et al. Design of Smart LED Streetlight System for Smart City with Web-Based Management System[J]. IEEE Sensors Journal， 2017， PP（99）：1-1.

[2]Paz J F D， Bajo J， Rodríguez S， et al. Intelligent system for lighting control in smart cities[J]. Information Sciences， 2016， 372：241-255.

[3]戚佳金，陳雪萍，劉曉勝.低壓電力線載波通信技術研究進展[J].電網技術，2010（5）：161-172.

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[5]王東東，郭文成.基于ZigBee技術的路燈無線網絡控制系統設計[J].天津工業大學學報，2009，28（1）：84-88.

[6]HaiPing Huang， Xiao Cao， RuChuan Wang，等.無線多媒體傳感網中基于蟻群分簇的QoS感知路由算法[J].Science China Information Sciences， 2014， 57（10）：1-16.