區(qū)域分級的糧庫無線傳感器網絡路由算法

摘 要 糧庫WSN路由算法是WSN檢測糧庫糧食數量技術的難點之一。由于糧庫中傳感器節(jié)點分布的復雜性，所以其路由算法比較特殊。根據糧庫WSN的分布，提出一種RCCMA路由算法，先將大量分布不均的傳感器節(jié)點進行簇區(qū)域劃分和級別設定，然后利用最小夾角原則實現(xiàn)二級簇區(qū)域內節(jié)點間路由和一級簇區(qū)域與二級區(qū)域內目標節(jié)點間的路由。由于一級簇區(qū)域傳感器節(jié)點能耗較大，因此采用輪轉調度機制，將能耗平衡化，降低了單個傳感器節(jié)點的能耗。對比幾種典型的路由算法，實驗顯示，該算法具有明顯的優(yōu)勢。
關鍵詞 路由算法 簇區(qū)域 無線傳感器網絡

引 言
利用無線傳感器網絡檢測糧庫的糧食數量是一項新技術。由于糧堆的復雜性，可在糧庫底部散布大量分布不均的壓力傳感器節(jié)點。將糧庫內大量分布不均的傳感器節(jié)點進行組網，構建一種路由算法，這是糧庫WSN(Wire-less Sensor Network)的關鍵技術之一。
高效的路由算法需滿足以下幾點：能量高效(協(xié)議簡單和節(jié)省能量和均衡消耗)、可擴展性(網絡范圍和節(jié)點密度)、魯棒性(節(jié)點變化和拓撲變化)、快速收斂性。本文通過研究目前主要的幾種典型WSN路由算法，提出一種針對糧庫WSN的路由算法。實驗證明，該算法滿足能量高效性、可擴展性、魯棒性和快速收斂性要求。單個對比文中提到的幾種典型路由算法，該算法整體性能比它們都優(yōu)越。

1 典型的WSN路由算法
傳統(tǒng)無線通信網絡研究的重點放在無線通信的服務質量(QoS)上，而無線傳感器節(jié)點是隨機分布、電池供電的，因此無線傳感器網絡路由算法的研究重點放在如何提高能量效率上。目前典型的無線傳感器網絡路由算法主要有以下幾種。
1．1 泛洪算法
泛洪(Flooding)算法是一種傳統(tǒng)的無線通信路由算法。該算法規(guī)定，每個節(jié)點接收來自其他節(jié)點的信息，并以廣播的形式發(fā)送給其他鄰居節(jié)點。如此繼續(xù)下去，最后將信息數據發(fā)送給目的節(jié)點。但這個算法容易引起信息的“內爆”(implosion)和“重疊”(overlap)，造成資源的浪費。因此在泛洪算法的基礎上，提出了閑聊(Gossiping)算法。
1．2 Gossiping算法
Gossiping算法是在泛洪算法的基礎上進行改進而提出的。它傳播信息的途徑是，隨機地選擇一個鄰居節(jié)點，獲得信息的鄰居節(jié)點再以同樣的方式隨機地選擇下一個節(jié)點，進行信息的傳遞。這種方式避免了以廣播形式進行信息傳播的能量消耗，但其代價是延長了信息的傳遞時間。雖然Gossiping算法在一定程度上解決了信息的內爆問題，但是仍然存在信息的重疊現(xiàn)象。
1．3 SPIN算法
SPIN(Sensor Protocol for Information via Negotia-tion)算法是一種以數據為中心的自適應路由算法。其目的是通過節(jié)點之間的協(xié)商，解決Flooding算法和Gossi-ping算法的內爆和重疊問題。SPIN算法有3種類型的消息，即ADC、REQ和DATA。ADC用于數據的廣播，當某一個節(jié)點有數據可以共享時，可以用其進行數據信息廣播。REQ用于請求發(fā)送數據，當某一個節(jié)點希望接收DATA數據包時，發(fā)送REQ數據包。DATA為傳感器采集的數據包。在發(fā)送一個DATA數據包之前，一個傳感器節(jié)點首先對外廣播ADV數據包。如果某一個節(jié)點希望接收要傳來的數據信息，則向發(fā)送ADV數據包的節(jié)點回復REQ數據包，因此，便建立起發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點的聯(lián)系，發(fā)送節(jié)點便向接收節(jié)點發(fā)送DATA數據包。SPIN協(xié)議的工作流程如圖1所示。

1．4 定向擴散算法
定向擴散(Direeted Diffusion)算法是一種基于查詢的路由機制。整個過程可以分為興趣擴散、梯度建立以及路徑加強3個階段。在興趣擴散階段，匯聚節(jié)點向傳感器節(jié)點發(fā)送其想要獲取的信息種類或內容。興趣消息中含有任務類型、目標區(qū)域、數據發(fā)送速率、時間戳等參數。每個傳感器節(jié)點在收到該信息后，將其保存在Cache 中。當整個信息要求傳遍整個傳感器網絡后，便在傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點之間建立起一個梯度場，梯度場的建立是根據成本最小化和能量自適應原則。一旦傳感器節(jié)點收集到匯聚節(jié)點感興趣的數據，就會根據建立的梯度場尋求最快路徑進行數據傳遞。梯度場建立的過程如圖2所示。