基于dr的智能灌溉系统路由协议设计与仿真

基于dr的智能灌溉系统路由协议设计与仿真

无线传感器网络（wsd）是指由大量小型分散、经济和低效传感器节点在观测环境或附近无线通信的多段网络系统组成的多段网络系统。它在军事、监测、工业控制、智能住房和交通等方面具有重要的科研价值和应用前景。中国是一个拥有众多农业国家和重要农业物种的国家。它拥有便捷的通信能力、易操作性和高应用价值。因此，它特别适用于对大型农业生物的生态监测和管理。节点的位置是根据灌溉系统特定通道的配置确定的。通过选择合适的渗透结构和路径算法，可以实现智能农业灌溉。本文从我国大田农业监控的应用需求出发,根据农田环境及精细农业基础设施的具体特点,构建了用于农业智能灌溉的无线传感网络的子网拓扑结构.然后,根据该拓扑结构设计了一种分布式二级路由(distributedtwo-tierrouting,DTTR)协议,并在簇间多跳路由算法中引入博弈理论,较好地解决了网络在多种约束下的均衡问题.最后,对DTTR协议进行了分析与仿真.1应用背景1.1计算机设备通过分析应用需求、农田环境及基础设施,借鉴国内外的研究经验,将系统设计为一个二级分布式体系结构.整个系统由若干个灌溉控制子网、远程数据通信网(公众移动通信网络或者有线网络)以及控制中心构成.每个灌区构成一个灌溉控制子网,本文主要对单个灌溉控制子网所使用的路由协议进行研究与分析.1.2网络拓扑结构确定固定管道式滴灌系统由泵站、控制阀门以及灌溉干管、支管和滴管等三级管道组成.为提高灌溉精度,结合管道布置方式,将灌区划分为若干边长为D的田块,每个阀门独立控制对应地块的灌溉,灌区划分如图1(a)所示.灌溉子网组成一个静态分簇型拓扑结构,部署时已确定簇头节点(即执行器节点)的位置,因此可对每个簇头按部署的位置进行编号,该编号与灌区田块的编号一一对应.同时,传感器节点在部署时也已根据所属田块确定其所属的分簇.采用这种符号定位方式,只需簇编号即可进行寻址,为路由协议的设计带来便利.对应的网络拓扑如图1(b)所示.拓扑结构确定后,簇内路由采用单跳星型组网方式,簇间路由采用多跳Mesh组网方式.2关于路由协议的设计2.1pu+esen+eactE(t+Δt)=E(t)-C(Δt)+R(Δt)(1)式中R(Δt)=⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪0∫t+ΔttPsolar(x)dx普通电池太阳能电池R(Δt)={0普通电池∫tt+ΔtΡsolar(x)dx太阳能电池其中,E(t)表示节点在t时刻的能量;C(Δt)和R(Δt)分别表示节点在Δt时间间隔内消耗及获取的能量;Psolar(x)表示太阳能电池板获得的能量密度函数.整个传感器节点消耗的能量可表示为Esum=λ(Ecom+Ecpu+Esen+Eact)(2)式中,λ为常数,近似为1,可通过实验获得其具体数值;Ecom为无线通信模块所需能量,由发送能量和接收能量组成;Ecpu和Esen分别为处理器模块和传感器件所需的能量,均可近似为固定值;Eact为执行机构消耗的能量,其值取决于具体执行机构的物理参数及工作状态.假设:①发送端消耗的能量用于信号处理与功率放大,而接收端消耗的能量仅用于信号处理;②2个节点间距离小于d0时采用自由空间路径损耗模型,距离大于等于d0时采用多径衰落模型.由此可得,当距离为d的2个节点间发送l个比特数据时,发送端所消耗的能量为ETx(l,d)=Eelec(l)+Eamp(l,d)={lEelec+lεfsd2lEelec+lεmpd4d<d0d≥d0(3)EΤx(l,d)=Eelec(l)+Eamp(l,d)={lEelec+lεfsd2d<d0lEelec+lεmpd4d≥d0(3)接收端消耗的能量为ERx(l)=Eelec(l)=lEelec(4)式中,Eelec与Eamp分别表示信号处理与功率放大所需能量;εfs与εmp分别表示自由空间模型与多径衰落模型下的能量损耗.如果本系统使用的执行设备电磁阀为双稳态类型,则只需在电磁阀开关时消耗能量(近似为常量).假设电磁阀打开和关闭所消耗的能量分别为EOFF/ON和EON/OFF,在其处于开状态时无需保持电流,因此只需获知Δt时间内电磁阀的开、关次数m和n即可确定执行设备所消耗的能量,即Eact=mEOFF/ON+nEON/OFF(5)2.2链路质量度量传统的路由协议大多以源节点到目的节点的跳数为选路标准,该标准倾向于选择单跳距离较远的路径.在链路质量非常可靠的网络环境下,该标准可取得较为优良的性能.但在大田农业应用中,由于地形地貌、植被覆盖、恶劣天气等多种因素的作用,单跳距离过大的路径往往链路质量很差,造成重传报文数量大大增加,大量浪费了节点能量和带宽,降低了网络的吞吐量.因此,DTTR协议将链路质量作为重要的选路标准之一.IEEE802.15.4协议物理层可对上层协议提供每个成功接收数据包的接收信号强度指示(receivesignalstrengthindication,RSSI)和链路质量指示(linkqualityindication,LQI),可用于链路质量统计及预测.Gungor等进行了实测实验,结果表明LQI的变化趋势更接近于PRR的变化趋势,在与PRR的相关性方面优于RSSI.为克服经典ETX度量方法的不足,DTTR协议采用了基于LQI的链路质量度量方法.引入窗口平均的指数加权移动平均WMEWMA(t,α)算法,其中t为时间窗,α∈为平滑处理参数.假设pk为k时刻LQI的测量值,pˆp^k-1为k-1时刻LQI的评估值,则k时刻LQI的评估值为pˆk=(1−α)pk+αpˆk−1(6)p^k=(1-α)pk+αp^k-1(6)当链路质量变化比较平稳时,t和α取值较大;当链路质量变化较为迅速时,t和α取值较小.令k时刻前向与反向链路LQI的评估值分别为pˆp^kf和pˆp^kr,LQI的取值区间为[Ll,Lh],则经过归一化处理后的链路质量度量MLQI可表示为MLQI=(pˆkf−LlLh−Ll)(pˆkr−LlLh−Ll)=(pˆkf−Ll)(pˆkr−Ll)(Lh−Ll)2(7)ΜLQΙ=(p^kf-LlLh-Ll)(p^kr-LlLh-Ll)=(p^kf-Ll)(p^kr-Ll)(Lh-Ll)2(7)2.3分簇控制比较网络采用二级分层结构,其中DTTR协议的簇内路由与簇间路由相互独立.DTTR簇内路由算法与LEACH算法类似,采用TDMA方式令簇成员轮流向簇头发送数据,簇成员节点定期休眠/唤醒以减少节点处于空闲状态的时间,簇头每隔一个周期T对收到的数据进行融合与压缩,并通过簇间路由算法将数据包发送至网关.不同之处在于,DTTR协议采用固定分簇算法,省略了重新分簇及簇头轮转,且在簇头成员的剩余电量降低到设定阀值以下时,簇头通知簇成员降低数据发送频率以延长节点使用寿命.2.4支付函数的选取簇间路由是指簇头节点之间通过多跳到达网关的路径选择,算法的选路标准取决于具体应用的QoS需求,一般需要在路由性能(如吞吐量与实时性)和节点能耗的均衡性之间进行折中,从而在满足应用需求的前提下尽可能延长网络的生存时间.引入经济学中分析冲突与合作的博弈理论,可将路由问题看作是网络中的博弈问题.在DTTR簇间路由算法中,网络中所有参与簇间路由的簇头节点构成理性参与者集合S={s1,s2,…,sn}.每一次选路过程中,以节点是否成为本次路由的中继节点作为该节点的策略.所有节点策略构成本次选路过程的纯策略集合L={l1,l2,…,ln},其中,li=1表示该节点被选作中继节点,否则li=0.当进行路由选择时,每个参与节点根据支付函数选择下一跳节点,从而得出最佳路由选择方案(即最佳策略集合).节点i如果选择节点j为下一跳节点,并假设参与路由的节点最大能量相同,则节点i的支付函数可表示为πj=Mijρ+ej(1-ρ)(8)式中,Mij为节点i,j之间的链路质量度量;ej∈为节点剩余能量与最大能量的比值;ρ为可调参数,其值的选取由控制中心根据天气状况及簇头剩余能量统计情况决定,当能量供应充足时ρ=1,当遇到灾害天气时ρ∈[0,1).显然,该支付函数综合考虑了节点剩余能量、节点间的链路质量以及太阳能电池供电节点的特点.为实现路由协议,每个簇头节点内部储存一张路由表,每个表项主要包括如下4个域:①邻居簇头节点编号(x,y);②本节点到该邻居节点的正向链路LQI的评估值pf;③本节点到该邻居节点的反向链路LQI的评估值pr;④邻居节点剩余能量等级.由于网络需要同时支持传感器节点到网关的数据汇集以及网关到执行器节点的控制命令传输2种方向的数据流,节点选路步骤如下:①根据博弈理论建立网络模型,模型包括参与者集合S、本次选路过程的纯策略集合L以及节点被选为中继节点时的支付函数π.②排除失效的邻居节点,再在剩余的邻居节点中排除MLQI低于一定阀值的邻居,即排除链路质量过差的节点.③根据离网关距离远近将邻居节点分为2组,一组距网关距离小于本节点,另一组大于等于本节点.按照式(8)计算剩余邻居节点所对应的π值,然后根据π值对2组剩余节点分别进行排序,选取各组π值最大的节点为2种数据流向的下一跳节点.④收到数据包后,根据目的地址选择下一跳节点进行报文发送.若数据包发送失败,则立即从排序队列余下节点中选取π值最大的节点继续发送.上述的选路策略表明,DTTR簇间路由算法采用了扩展式博弈中的多阶段有限次重复博弈.在整个选路过程中,博弈分阶段进行,所有参与者在某一阶段选择策略时均已知所有相关参与者在以前阶段所选择的行动,同时所有参与者在选择行动时均根据历史行动策略及相关信息作出策略选择.这种多阶段博弈的策略集合在每一阶段均为纳什均衡,最终策略组合为完美子博弈均衡.同时,每个节点也只需保留自己与邻居的本地信息,而不用维护整条路径的路由状态.3簇间路由仿真下面利用OPNET软件对DTTR协议进行仿真,并针对节点寿命、吞吐率、剩余能耗标准差等指标进行性能评估.由于DTTR协议采用二级分层结构,簇内路由与簇间路由过程相互独立,因此对簇内路由与簇间路由分别进行仿真,仿真参数的取值见表1.簇内路由场景为100m×100m的正方形区域,簇头位于区域正中,16个簇成员节点在区域内随机均匀分布.当剩余能量低于预定阀值时,将数据采集发送时间间隔增加为原来的2倍,分别对阀值取0(即不改变发送数据间隔)以及初始能量的40%,得到的仿真结果如图2所示.如果将最后一个节点能量耗尽的时间作网络寿命,由图2可知,当节点剩余能量下降到某一阀值以下时,可通过降低发送数据频率来降低单位时间内平均能量消耗,进而延长网络寿命.当阀值取初始能量的40%时,网络寿命增加约30%.簇间路由节点拓扑结构如图1(b)所示,整个场景由1个网关和16个簇头节点组成,不放置簇成员节点,每个簇头的包生成速度固定为1包/s,仿真时间为1500s.为简化仿真条件,假设仿真期间太阳能电池充电能量为簇头节点最大能量的2%,执行机构每次转换开关状态时消耗能量为太阳能电池最大充电能量的1%.电磁阀打开时刻满足[1,1500]上的均匀分布,关闭时刻固定为打开时刻之后的60s,即电磁阀在1500s之间只打开一次,且每次固定打开60s.MintRoute协议是一种已得到广泛应用的TinyOS提供的单径路由协议.在定期链路估计的基础上,MintRoute协议建立以基站为根的树形路由,适合应用于多对一的数据收集网络中.以MintRoute协议为比较基准,对簇间路由协议的吞吐率、剩余能量标准差等性能指标进行考察.时间间隔Δt内的吞吐率Sth定义如下:Sth=r(Δt)Δt(9)Sth=r(Δt)Δt(9)式中,r(Δt)表示网关在时间间隔Δt内收到的有效数据包个数.仿真结果如图3和图4所示.MintRoute协议和DTTR协议在选路时考虑了底层链路的实际通信情况,进而在进行路由度量时,均选择了相对可靠的链路.由于数据包产生的速率较低,因此网络很少出现拥塞,且无需考虑节点数据收发缓冲区溢出造成的丢包,吞吐率主要受单条链路数据发送成功率影响.DTTR协议在路由表中维持多条备选路径,吞吐率比采用单径路由的MintRoute协议提高约25%.由于MintRoute协议采用最短路径优先原则,选路标准是选择距离基站最近以及链路质量最好的节点作为下一跳节点,没有考虑节点剩余能量的问题,因此可能倾向于反复选择某些节点而造成这些节点能耗较大.DTTR协议考虑了节点剩余能耗,因此,当ρ≠1时,在能耗平衡方面的表现明显优于MintRoute协议.当ρ=0.1时,DTTR协议的剩余能量标准差比MintRoute协议降低约30%.4分簇功能网络联合网络dtt