基于停车诱导系统的能量均衡可靠路由协议的设计

周　雪，朱小明，陈立建，方　凯，雷艳静，毛科技

（1.浙江广播电视大学萧山学院，杭州311200；2.浙江工业大学计算机科学与技术学院，杭州310032）

基于停车诱导系统的能量均衡可靠路由协议的设计

周雪1*，朱小明1，陈立建1，方凯2，雷艳静2，毛科技2

（1.浙江广播电视大学萧山学院，杭州311200；2.浙江工业大学计算机科学与技术学院，杭州310032）

无线传感器网络中节点的能量是有限的，如何设计一个能有效节能的路由协议是其研究的热点之一。针对实际的停车位诱导系统提出了一种能量均衡的可靠路由协议。该协议在网络的初始阶段先建立全局网络拓扑，然后根据能量代价函数选择下一跳转发的节点，节点上方有障碍物的时候更新节点的可靠度信息。由于综合考虑了节点的剩余能量、跳数、邻居节点的距离以及可靠度等因素，使得网络节点能量的消耗得以均衡，达到延长网络生命周期的目的。在仿真平台对能量均衡的可靠路由协议进行了仿真分析，并且和最短路径路由进行了对比，从网络生命周期、网络能量均值以及网络能量方差三个方面分别分析，验证了本协议的优越性。最后将协议应用到实际的停车位诱导系统中，取得了较显著的效果。

无线传感器网络；停车诱导系统；能量均衡；可靠；路由协议

EEACC:6150P；7230doi:10.3969/j.issn.1004-1699.2015.09.024

随着无线网络技术、传感器技术及嵌入式计算等高科技技术的发展，很多传感器节点已经广泛应用于军事、商业、医疗等领域［1］。由这些微型的传感器节点构成的无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）受到了人们的极大关注，无线传感器网络技术也应运而生。无线传感网络的路由协议的功能是在两个节点间寻找一条保证数据分组能够安全、高效传输数据的路径。节点的能量一般有限，同时限于无线传感网络的具体应用，节点一般不会得到能量补充，所以路由协议在考虑数据分组的转发时也要考虑能量的消耗问题；同时传感器网络的节点分布的量大，使得节点只能通过局部的信息交换来获取局部的网络拓扑形状。这就要求路由协议能够根据局部网络拓扑做出路径选择；无线传感器网络的应用相关性较强，路由选择与应用很有关系，不同的应用路由算法差异很大［2］。

根据文献［3］路由结构、通信模式、状态维护、节点标识、路由建立时机和投递方式等，无线传感网络路由协议可以分为很多种方式。目前比较典型的非基于位置的路由协议中，大量的研究人员相继提出了flooding、gossiping［4］、SPIN［5］、directed diffusion［6］、rumor［7］、LEACH［8］等面向特定传感网络应用的路由协议。同时，在原有Ad hoc网研究的基础上，继承并改进了诸如DSDV［9］、AODV［10］、DSR［11］等路由协议，使其更适应于无线传感网络的特点。这些协议中有许多已经在实际的无线传感网络应用中实行，并取得了不错的效果。

能量均衡的路由协议主要是在层次路由协议中，国内外很多学者对其进行了研究。文献［12］针对矿井的无线传感器网络提出了一个簇规模自适应调节的能量均衡分簇路由协议，根据节点之间的距离、剩余能量和密度来构造规模不等的簇，该协议考虑了链路能耗最优和转发节点间的能量均衡；也有学者从均衡节点能量消耗的角度设计了基于模糊梯度的能量均衡路由协议，对节点间的梯度值进行模糊分级，并将等级选择策略与质量评价函数相结合进行下一跳节点选择，以实现全局的能量均衡［13］；郑相全等人提出了一种基于跨层设计和蚁群优化的负载均衡路由协议（CALRA），利用蚁群优化算法特有的信息素挥发方法实现对替代路径的老化问题，将蚁群优化和跨层优化方法结合起来解决自组网中的负载均衡问题［14］；朱丁丁等人采用了非均匀分簇的思想来平衡簇首的能量消耗，提出了一种新的负载均衡的基于能量优先分簇算法的WSN分层路由协议（LRP-EPCA），以簇首和基站作为树根，生成簇内和簇间的路由树［15］；童孟军等人综合考虑了路径的能量消耗速度、路径上剩余的最小能量、距离目的节点Sink的跳数和路径的拥塞程度，提出了一种基于蚁群算法的能量均衡多路径路由算法［16］。

文献［17］提出了一种基于能量状态的节点缓存路由算法，这个算法作为ECNC_AODV（能量约束节点缓存）建立路由协议AODV是衍生的协议。该算法基于当前能源现状和缓存节点每个节点。仿真结果显示了ECNC_AODV AODV协议的比较和与性能参数如能量消耗由于路由控制包，路由开销等；文献［18］觉得当前最先进的节能路由技术是调查WMSNs连同其中的每个策略的性能问题，并概括了设计路由协议的挑战为WMSNs其次是当前技术的局限性为非多媒体数据传输；文献［19］在能耗分析的基础上对数据收发器、单跳转发方案证明消耗更少的能量比多次反射转发方案通信范围内的源传感器，使用自由空间能量消耗模型。基于能量不等式，这个方法是用来计算程度的能量平衡。基于模糊逻辑的能量优化的路由算法实现多参数、模糊路由决策。仿真结果表明，该算法有效地延长了网络的生命周期，实现了能量效率和能量平衡在一起，与类似的算法；文献［20］提出了一种基于PSO聚类协议和平衡的感知距离能量的双簇头的集中式网络，主要是改善了原始粒子群优化的适应度函数优化。此外，该算法数据传输阶段的主要分工从簇头，簇首选举周期延长，该算法在均衡的能源消费在整个网络的生命周期，同时扩展整个网络。

以上的一些研究都是基于能量优化的，但是大部分只停留在理论阶段，或者没有实际的应用场景。本文针对于实际的应用项目--基于地磁传感器的停车位诱导系统，提出了一种能量均衡的可靠路由协议，并取得了显著的效果。

1　能量均衡的可靠路由协议

1.1能量均衡的可靠路由协议前提假设

本文假设无线传感器网络有如下的性质［21］:①节点具有唯一的ID，均匀分布在监测区域；②所有节点固定并且能量有限，Sink位置固定但能量不受限；③所有的节点性能、结构和地位都一致；④节点没有位置感知能力，未安装GPS定位功能的天线；⑤节点具有障碍物感知的能力；⑥节点可以根据已知的传输功率和接收的信号强度计算彼此之间的距离；⑦每个节点周期性地采集数据，并传送至Sink节点。其中前面3项假设是一般的无线传感器网络的典型设置。第4点表明本算法不要求节点具有位置的感知能力。第5点表明节点可以感知到障碍物。第6点表明，节点直接可以根据信号强度估算彼此之间的距离。第7点表明本算法适合周期性数据收集。

1.2网络能量模型

无线传感器网络中的能耗主要是节点内部的计算能耗和通信能耗，而通信能耗占主导地位。在无线传输的发送和接收数据的节点能量和传输功率和传输距离成正比，将初始能量记为E0，开始时所有的节点能量均衡。在数据传输阶段，Eava表示剩余的能量其可以用发送数据能耗Esend和接收数据的能耗Erecive来获得。

本文的能量模型使用的是第一顺序无线电模型［22］，该模型示意图如图1所示。

图1　第一顺序无线电模型图

从图1可以看出，通信能耗主要由发送能耗和接收能耗组成。其中发送的能耗主要是信号发射电路的能耗和信号放大电路的能耗，接收能耗主要就是信号接收电路的能耗。数据发送时首先经过信号发射电路，然后传给信号放大电路进行功率放大后转发给其他节点；其他节点监听网络，由信号接收电路接收数据并处理。这两个模块都要消耗一定的能耗。根据图1所示的能耗模型，可以得出网络传输的能量消耗公式。节点发送和接收k bit数据所耗的能量如下:

Esend=Eelec×k+εamp×k×dτ（1）

Erecive=Eelec×k（2）

式中:Eelec是发射模块和接收模块处理1 bit所消耗的能量，εamp是信号放大电路的放大倍数。d是数据发送的距离，发送的能耗和dτ成正比关系。当距离d小于一个阈值d0时，路径损耗指数τ就等于2，这个时候称为自由空间模型（free space）；当距离d大于阈值d0时，路径损耗指数τ就等于4，这个时候称为多路径衰减模型（multi-path fading）。

和通信能耗相比，传感器内部的计算处理能耗要明显地低。但是由于传感器能量有限的特点，在设计的时候还是要尽量减小节点内部的计算处理能耗。

1.3能量均衡的可靠路由协议评价标准

本文使用了和文献［23］相同的评价方案，来验证能量均衡的WSN路由协议的有效性。

定义1对网络在时刻t的能量均衡性评价可采用网络能量均值和网络能量方差

在式（3）和式（4）中，Ei（t）表示在时刻t节点i的剩余能量，M表示网络中的节点数量。网络中的能量消耗速度可以通过能量均值来评价衡量，但是只用网络能量均值AE（t）来对路由协议进行评价是不充分的，因为如果网络中某些节点频繁使用，即“热点”问题，个别节点的能量已经耗尽，但是整个网络的能量均值却可能还是很高。可是由于“热点”能量提前耗尽，容易导致网络的割裂，所以需要结合能量方差来评价网络的能耗是否均衡，在t时刻网络能量均衡值较高，能量方差较小的协议才具有更好的网络能耗均衡性。

N表示网络中的节点集合，即M=|N|，整个网络的生命周期结束就是当第一个节点能量耗尽的时刻。因此，为了提高整个网络的生命周期，无线传感器网络路由协议设计的时候就应该均衡整个网络的能耗，尽量推迟第一个能量耗尽的节点出现时间。

1.4能量均衡的可靠路由协议的描述

在无线传感器网络中，Sink节点通常是有源的，能量无限而且处理能力相对普通节点要强很多，因此，在本协议中，我们假定Sink节点的行为都是可靠的，不会受到其他障碍物的影响干扰。

本协议主要分为3个阶段:建立网络拓扑阶段、建立路由阶段、障碍物信息更新阶段:①建立网络拓扑阶段:在该阶段由Sink节点广播信标帧，初步建立网络拓扑关系，每个普通节点建立一个邻居节点信息列表存储邻居节点信息；②建立路由阶段:当某个节点需要发送数据的时候，根据自身邻居节点列表里的邻居节点信息选择下一跳转发的节点；③可靠度更新阶段:与②同时进行，如果发现节点上方有障碍物，则对该节点的可靠度更新，并且告之其邻居节点。

1.4.1建立网络拓扑

在网络中的节点部署完之后，Sink节点以泛洪的方式向网络中的节点广播beacon信标帧，每个收到该信标帧的节点都能获得发送节点的ID、剩余能量、节点与Sink的跳数等信息，可以据此计算出自身节点与Sink的最少跳数信息，并且可根据信号强度计算出和发送节点的距离，为后续的转发数据选择路径做准备。所有的节点都有一份邻居信息列表，根据上述的初始化过程，将邻居节点的信息存储在邻居信息列表中。其泛洪的过程如图2所示。

图2（a）表示Sink节点开始广播信标帧，圈内是节点号，边上的数字表示从Sink开始的跳数，初始跳数为∞，Sink节点自身的跳数为0。

图2（b）显示的是2号节点收到信标帧后的转发过程，它将信标帧转发给其邻居节点，1号和3号节点收到消息后更改与Sink的跳数信息，4号节点由于之前收到过来自Sink的消息，因此只将2号节点存为自己的邻居节点，但是并不会更新和Sink的跳数信息。图2（c）所示的就是初始化完成之后的效果。

图2　初始化过程示意图

每个节点收到beacon信标帧后，邻居信息列表中记录的消息格式如下:

ID　ENERGY　HOP　DISTANCE RELIABLE COUNT

其中ID号是每个节点唯一的标识，ENERGY表示的是每个节点的剩余能量，HOP是指该节点距离Sink的跳数信息，DISTANCE是根据信号强度计算的和该邻居节点的距离信息，RELIABLE表示该节点的可靠程度。COUNT表示发送的失败次数，当有数据转发给该节点时，等待接收ACK，若超时未收到则失败次数增加一次。我们假定初始化的过程中是没有障碍物的影响的，所有的信标帧传输都是可靠的。

1.4.2建立路由

当网络中的普通节点采集到数据需要转发给Sink节点时，就需要选择转发路径，建立路由。

假设源节点为i，邻居节点为j，那么节点i就根据自身的邻居节点信息列表查询邻居节点的信息、对节点的剩余能量、到Sink的跳数、与自身节点的距离以及是否有障碍物等信息进行综合考虑，计算出节点i到每个邻居节点的能量代价，选择能量代价最小的邻居节点作为下一跳节点进行数据的转发。能量代价函数如式（6）所示:

其中α+β+γ+χ=1，可以根据不同的需要确定四个权衡因子，使得在下一跳的选择中是更偏向于节约能量或者是更可靠的传输。各个参数含义如表1所示。因为本文并非利用可靠度的值作为路由选择的参数，而是使用初始可靠度与当前可靠度的比值作为路由选择的一部分，因此初始可靠度的取值可以是一个非负数。

表1　能量代价函数各个参数意义表

分析上述能量代价函数，首先Eoriginal（j）表示的是下一跳转发节点的剩余能量，剩余能量越高，也就是分母越大，那么能量代价就相对越小。H（j）表示的是下一跳节点到Sink的跳数，如果跳数越少，那么整个分式的值也就越小。同理，距离也是越短能量代价越小。最后在可靠度方面，没有障碍物的初始情况下其可靠度表示最大Roriginal（j），当有障碍物在节点上方的时候其可靠度就会下降，当前的可靠度越低能量代价也就越高。

由于此能量代价函数考虑了下一跳节点的剩余能量，因此当某些节点作为中间节点转发数据后，其下一次被选为中间节点的概率就会降低，可以保证整个网络的能耗均衡。并且此协议综合考虑了跳数和距离的影响，也可以有效节约网络中的能耗。当某节点受到障碍物的影响时，其可靠度就会降低，该节点再次被选为转发节点的概率也会降低，从而有效地避免了一些不必要的重传，在一定程度上节约了能耗，延长了网络的生命周期。

1.4.3可靠度更新

当节点检测到上方有障碍物的时候，则会将此信息告知其邻居节点，邻居节点根据收到的消息，更新自身的邻居节点信息列表。同理当障碍物消失的时候也会通知其邻居节点。更新的方法如下:

Rcurrent表示的是当前的可靠度，式（7）是在障碍物存在的情况下更新可靠度，其中n表示数据发送的失败次数，即邻居信息列表中的COUNT字段。为了防止代价函数的溢出，当发送次数多于 μ时，即n＞μ时，可靠度不再降低，Rcurrent=θ，而θ足够小。式（8）是障碍物消失的情况下更新可靠度，其中t是时间，当障碍物消失后，其可靠度并不是马上恢复到初始状态，而是根据时间逐步增加。式（7）中的V1表示平均每次丢包损失的可靠度，该值的大小与初始可靠度的取值有关。假设单位时间内网络中某条链路的丢包次数达到M次时，我们就认为该链路已经不能满足要求。此时

V1=（Roriginal-μ）/M（9）

式（8）中的V2表示单位时间内可靠度增加的值。假设当网络中某个障碍物消失后，原来被遮挡的链路至少需要T时间才能恢复正常，则

V2=（Roriginal-μ）/T（10）

并且0＜Rcurrent≤Roriginal。

1.5算法性能分析

根据前面的能量均衡的可靠路由协议的评价标准对我们上面提前的能量均衡的可靠路由协议进行理论上的分析。

从能量平衡的角度，这个算法的主要想法是根据剩余能量的节点来控制参与传输距离来实现目标的能量平衡。假设节点的初始能量是E，可分为N个能量等级，不同数量的路径从源点到目的地，首先选择能量水平比较高的部分，那么在这些路径的路径根据相关指标选择最可靠的一个。这个路由模式，可以选择更可靠的端到端路径，可以减少能量级别较低的节点数据量。而且本算法中的能量代价函数还考虑了下一跳节点的剩余能量，所以当有节点作为中间节点转发数据后，在考虑其下一次被选为中间节点时的概率就会明显降低，这样就保证网络的能耗均衡，而且本算法还综合考虑了跳数和距离，可以有效节约网络中的能耗。

从可靠度的角度来看，当节点检测到上方有障碍物的时候，则会将此信息告知其邻居节点，邻居节点根据收到的消息，更新自身的邻居节点信息列表。同理当障碍物消失的时候也会通知其邻居节点。所以本算法对节点是否碰到障碍物有自适应调整过程，能保证路由的可靠性。

综合上述本文提出的能量均衡的可靠路由算法在理论上看能实现真正的能量均衡，减少能耗并延长网络的寿命，从而保证了此算法的路由可靠性。

2　实验仿真

由于本文所提的能量均衡可靠路由协议是针对于实际的应用环境的，所以跟其他现有的一些路由协议无法进行比较。所以本文采用两种方案来证实协议的可行性。第一用来仿真该协议的能量消耗和可靠性；第二在实际实验中来验证该协议的可行性。

在本协议中，节点在广播时候选择的通信半径尤为重要，会直接对路由的建立造成一定的影响。如果广播的半径设置的过大，则在范围内的节点数目较多，路由转发的信息量就会过大，容易造成节点过早地死亡。如果半径过小的话，很多节点会接收不到邻居节点的消息帧，则在路由的建立过程中就会出现问题，可能会导致很多节点不能进入网络。因此，节点广播半径需要根据节点的分布情况进行合理的设置。

假定N个节点均匀分布在L×L（m2）的平面区域内，在半径为R的圆形区域内有两个节点，则根据均匀分布有:

财政管理人员在管理方面所具备的能力和乡镇财政内部控制在执行方面的效果紧密相关。因此，具有高素质与高技术的财政管理队伍可以保证乡镇财政内部控制的有效实施，并促进内部控制科学性的提升，所以财政管理人员在管理方面的能力就内部控制而言，极其重要。乡镇财政部门在录用工作人员的过程中，需秉承德才兼备以及公平公正的基本原则，采取公开招聘的方式来对人才进行筛选。其次，增强对管理人员的培训与继续教育强度，确保其专业能力可以紧跟时代发展的潮流。重视对相关从业人员的职业道德教育，利用增强奖惩力度的方式来确保内部控制制度的有效实施。

由上式可得半径R:

则代价函数中计算可得的两个节点间的最小距离为:

所以广播的半径R≥dmin，即

由于上述的验证是在均匀分布的情况下进行，而实际仿真当中节点是随机分布的，所以要在上述的结论中对参数作适当的调整。例如，81个节点随机分布在100 m×100 m的区域内，如图3所示，那么，N=81，L=100，代入式（13）、式（14）可得，dmin=18 m，20 m。因此我们在实验中就取广播半径为20 m，这样适当的调整在实际仿真中更符合。每个节点都有一个维护邻居节点信息的队列。试验中随机的选取一个节点作为信息发送节点，它要把n条信息发送到Sink节点。当发送完n/2条信息后，在选择的链路上放置一个障碍物，放置的时间为一个随机数t，当t时间结束后障碍物拿掉，并计算在这个过程中整个网络的能耗代价。放置障碍物后影响了原来的路由，节点维护的邻居节点信息的队列进行相应的调准。然后重复这样的操作来完成实验。

图3　能量均衡路由协议仿真节点分布示意图

在本协议中权衡因子根据经验值设定，具体如表2所示。路由表的大小根据节点的分布情况和节点的广播半径进行设置。由于确定了广播半径R，在其范围内的节点数也就确定了，路由表内的节点不会超过这个数目。为了验证本协议的有效性，在平台中建立了一个模拟环境进行仿真实验。假设拓扑区域为100 m×100 m，其中有81个节点随机分布于该网络区域中。Sink节点布置区域的原点（0，0）位置，如图3所示。

表2　能量均衡路由协议仿真参数设定表

3　仿真结果分析

为了验证能量均衡的可靠路由协议的能量有效性和传输可靠性上的性能，我们在仿真平台进行了仿真，并从网络能量均值，能量方差，以及生命周期三个方面对该协议进行了评估。这些评估标准在众多的路由协议中都有广泛的应用，希望对本协议也能做出有效地评估判断。

首先我们先看一下网络均值的仿真结果示意图，如图4所示。从图4看出，最短路径路由和能量均衡的可靠路由在整个过程中网络能量的均值几乎一样。这是由于最短路径路由协议在选择下一跳转发节点的时候，只选择跳数最少的节点进行转发，这样容易导致某些节点的能量耗尽，另一方面，某些节点却很少进行转发，而能量相对就比较充裕。因此整个网络的能量均值却能保持很高。而能量均衡的可靠路由协议，在能量的使用上各个节点相对均衡，整体的能量均值就和单个节点的能量比较接近。

图4　能量均值比较图

图5　能量方差比较图

图5所示为网络能量方差的比较。图5显示了两种协议在网络能量方差上的比较，网络能量方差越低那么网络中的能量均衡性就越好。从图5可以看出，最短路径路由协议相对能量均衡的可靠路由协议有更大的网络方差。这是因为，在最短路径路由协议中，节点只是选择离Sink节点最近的下一跳节点进行数据的转发，某些节点被重复地选择作为转发节点，出现“热点”问题，而能量容易迅速耗尽，某些节点却很少进行转发，保持有很高的能量，这样就导致节点之间的能量不均衡，具有很大的网络能量方差。网络方差太大的话意味着某些节点过早地死亡，那么整个网络的生命周期也就自然而然地缩短了。

而能量均衡的可靠路由协议，选择下一跳节点进行转发的时候，并不只是考虑跳数，还综合考虑了剩余能量，距离以及节点的可靠度等，综合去判断下一跳节点的时候有些经常转发的节点被选择进行转发的概率就会越来越低，而某些不经常转发的节点被选择进行转发的概率就会增加。这样有效地均衡了整个网络的能量，网络能量方差也就相对会小很多，第一个节点的死亡时间就会推迟，有效地延长了整个网络的生命周期。

图6显示的是经过多次仿真之后在同一网络拓扑结构下的生命周期比较，可以看出，能量均衡的可靠路由协议的网络生命周期要长于最短路径路由协议，性能相对优越。

图6　网络生命周期比较图

图7显示了不同的拓扑结构下的仿真结果，经过多次仿真实验，得出两种不同协议的生命周期。不同的网络拓扑结构生命周期也不一样，存在较大的差别。

图7　网络生命周期比较图

图7显示的是经过多次仿真之后记录的网络生命周期的比较，也就是第一个节点的死亡时间，可以从发包数量分析，当第一个节点能量耗尽的时候就停止发送数据包。很明显，在不同的网络拓扑中，最短路径路由协议的网络生命周期比能量均衡的可靠路由协议要短，这就有效地说明了本文提出的能量均衡的可靠路由协议可以有效地提高整个网络的生命周期。

可靠度只有两种状态，一种是可靠度降低，还有一种就是可靠度升高。如式（7）、式（8）所示。n 和t并非是人为设置的变量，而是根据网络路由选择自动确定的，所以不需要研究参数n和t的不同值对算法的影响。影响可靠度的主要是参数V1和V2，它们可以通过式（9）、式（10）计算得到，但是取不同的值会使得算法效果不同。本次实验研究V1、V2对本文提出算法的影响。图8研究了影响可靠度的参数V1和V2对路由算法的影响。和上个实验一样，还是多次进行仿真实验，记录网络的生存时间，也就是网络中第一个节点死亡的时间。横坐标表示V1、V2的取值，纵坐标表示网络死亡之前发送的数据包的数量。实验结果表明V1、V2取不同的值对网络的生存时间有很大影响。当V1等于0，V2等于0的时候，可靠度对路由算法没贡献，此时的算法类似于最短路径算法，不能根据网络的性能进行自动调整，所以网络的生存时间最短。当V1等于0.6，V2等于0.3左右计算的可靠度比较适合网络，因为此时当网络中链路受影响时能快速有效的变换路由，因此网络的生存时间最长。图8是10次实验的平均结果。

图8　可靠因子影响图

综上所述，本文提出的能量均衡的可靠路由协议具有很好的优越性，能有效地均衡网络的能量，提高整个网络的生命周期。

4　能量均衡的可靠路由协议在停车位诱导系统中的应用

本文提出的能量均衡的可靠路由协议具有比较好的应用领域，可以将该协议应用于基于地磁传感器的停车位诱导系统当中。系统利用埋在停车位下的地磁传感器实时检测车位是否空闲，并将数据通过WSN和GPRS逐级传给后台的服务器端处理程序处理和显示，同时，开发移动终端上的程序用以显示所检测的所有停车位的当前信息如图9所示。

图9　车位检测管理系统图

停车位诱导系统由两部分构成，前台的监测部分和后台的数据显示部分。前台监测部分的网络主要由传感器节点和汇聚节点组成。其中，传感器节点具有感知地磁场的能力，将传感器节点布置于车位中间。其原理就是金属会引起地磁场发生偏移，磁场的变化最终导致电压值的改变，据此来判断车辆。后台显示部分可以根据具体显示直观判断此车位是否有车。

当车辆停在车位上方，即出现在传感器节点上方的时候，地磁场会发生一定的偏移，这时传感器读到的数据就会发生变化。传感器将采集的数据经过处理之后，转发给汇聚节点。汇聚节点接收到一定量的数据之后，将这些数据打包一起通过GPRS模块传输给后台服务器。我们最后可以根据传感器传到后台的数据，判断车位上方是否有车辆。

在停车位诱导系统当中，一方面，某些节点经常被选为中继转发数据，耗能较快，如果某个节点能量耗尽，那么意味着这个车位的感知能力失效，整个系统就出现了局部故障，如果进行更换节点，不仅耗时而且浪费经济资源；另一方面，由于车辆的制作材料主要是铁，在传感器传输数据的过程中，如果车辆刚好在其上方，那么车辆就会对通信信号有一定的阻挡和吸收，通信质量就会下降。针对上述问题，我们的协议则能很好地进行解决。

能量均衡的可靠路由协议，一方面综合考虑了剩余能量、跳数、距离等信息，整个网络中的节点能耗得到适当的均衡，那么在整个停车位诱导系统当中，出现过早死亡的节点时间就会推迟，有效地增加了系统的运作时间，节约了经济成本。另一方面，由于考虑了节点传输的可靠性，当车辆出现在节点上方的时候，其可靠度下降，这时该节点被选为中继的概率也就下降，这不仅保证了一定的可靠度而且减少了重传的能耗。

停车位诱导系统的后台服务器端的主要功能就是显示车位上方的车辆信息，而这些信息都是由Sink节点通过GPRS无线通信模块发送到主机的。图10所示的是未使用本文提出的能量均衡的路由协议，其中粗框里所示的统计信息就是发送成功率，也就是传感器发送数据给Sink的成功率统计。可以看出，当车位上方不空的时候，也就是车位上方出现车辆的时候，传感器发包的成功率非常低。这就如前面所述，车辆对传感器的通信存在一定的影响，吸收和屏蔽效果很厉害，因此设计合理的路由协议是必要的。

图10　使用协议前服务器端显示

图11为使用了本文提出的路由协议后的后台服务器信息。从图中可以看出粗框所示的统计信息即成功率有显著的提高，也就是说传感器如果感知到上方有车辆后回告之附近的邻居节点，然后邻居节点则根据自身的邻居节点信息列表，查找选择可靠度较高并且距离、能量等适当的最佳路径，进行数据信息的转发。这样保证了通信的质量，同时也避免了由于丢包造成的传感器节点不断重传的能量浪费。

综上所述，能量均衡的可靠路由协议对于停车位诱导系统非常适用。

图11　协议后服务器端显示

5　总结

本文提出了一种能量均衡的可靠路由协议，在前人的研究基础上，着重于研究能耗的均衡性以及传感器节点的可靠程度。本协议首先建立全局的网络拓扑结构，每个节点都存储自身的邻居节点信息，包括节点号、剩余能量、距离Sink的跳数、和邻居节点的距离以及可靠度等。等网络正常运行之后，节点会更新其可靠度，在选择下一跳节点转发数据的时候，会根据能量代价函数选择能量代价最小的节点进行转发。由于综合考虑了剩余能量、距离Sink的跳数、距离及可靠度等因素，每个节点的能耗都相对比较均衡，推迟了第一个节点死亡的时间，有效地增加了网络的生命周期。另一方面，由于考虑到节点的可靠程度，如果节点上方出现障碍物，则会影响网络的通信，那么节点的可靠度就会进行更新；当障碍物消失后，节点的可靠度也会更新。这样在选择下一跳节点的时候可以选择通信质量更好的节点，一定程度上避免了重传等能量的浪费。通过对此能量均衡的可靠路由协议进行仿真分析，和同类型的路由协议进行比较，证明了其优越性，在能耗均衡等方面有比较好的性能。文章最后简单介绍了该协议在基于地磁传感器的停车位诱导系统当中的应用，通过实验数据进行比较分析，证明了此协议具有有比较好的适用性。

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周雪（1982-）女，汉族，浙江广播电视大学萧山学院讲师，主要研究方向为无线传感器网络，zx2092@163.com；

毛科技（1979-），男，汉族，浙江工业大学计算机学院博士，主要研究方向为无线传感器网络，maokeji@zjut.edu.cn。

Design of An Energy Balance Reliable Routing Protocol Based on Parking Guidance System*

ZHOU Xue1*，ZHU Xiaoming1，CHEN Lijian1，FANG Kai2，LEI Yanjing2，MAO Keji2
（1.College of Xiaoshan，Zhejiang Radio and Television University，Hangzhou 311200，China；2.Department of Computer Science and Technology，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310032，China）

Due to the limitation of node energy，the design of routing protocol which can effectively save energy and prolong the lifetime of network has become a hot-spot in WSN research.The paper proposed a reliable energy-balanced routing protocol after analyzing readily available protocols.The protocol establishes a global network topology in the initial stage，and then selects the next hop node according to energy cost function and updates node's reliability information when there are obstacles above the node.With the consideration of the nodes'residual energy，hops，the distance of the neighbors and reliability factors，our protocol balanced the energy consumption of the nodes and effectively prolonged the lifetime of the network.We simulated the reliable energy-balanced routing protocol on the platform and compared it with the Shortest-path routing algorithm in the aspects of lifetime，the average energy consumption and the energy variance of the network，which turns out that the algorithm，is superior to others.At last it is applied to the actual parking guidance system，the significant results were obtained.

WSN；parking guidance system；energy balance；reliable；routing agreement

TP393

A

1004-1699（2015）09-1408-10

项目来源:浙江省公益性技术应用研究计划项目（2015C31066）；国家自然科学基金项目（61379023；61302129）；浙江省自然科学基金项目（LQ12F02015）；浙江省可视媒体智能处理技术研究重点实验室开放基金项目（2013011，2013051，2013082）

2015-02-12修改日期:2015-06-25