基于森林环境监测的无线传感器网络路由技术研究

左是　刘竹林　李祯

摘 要： 以森林环境监测为研究背景，以无线传感器网络路由技术为研究对象，通过分析森林环境监测的特点，应用OMNeT++仿真软件，开展8个传感器节点在重点区域森林环境监测中的路由协议仿真研究。仿真结果与分析设计基本一致，该路由协议可作为该领域应用的技术方案。

关键词： 无线传感器网络；路由；森林环境监测

中图分类号： TP212；TN929.5 文献标识码： A 文章编号： 2095-8153（2018）03-0062-04

我国具有广袤的森林植被，按生态学特征选定的固定样地就有23万个以上，自20世纪80年代末期相关机构就利用遥感技术进行地表植被观测，但遥感观测受时令气候和遥感技术本身的限制，削弱了对险情的应急响应速度和政府宏观干预效果，也不利于低成本大范围推广。某种程度上，在该领域我国仍依赖于人工值守观测，从数据处理和信息通信角度来看，急需新技术手段来解决这个问题。

2000年以来，随着无线传感器网络技术逐步在各领域开展应用，已有国内高校利用这一新技术手段针对森林环境因子开展环境监测实验。无线传感器网络可在感知对象附近以自组织方式组网，通过公用通信网络将感知信息传送到远程控制中心，在技术层面显著地解决了之前观测手段的缺陷。研究表明，在当前技术条件下传感器节点在硬件上仍然受感知范围、通信能力、生存周期等方面的限制，同时还受不同森林环境特征的影响。因此对节点之间路由协议进行优化，采用“软手段”，可以缓解无线传感器网络分布式结构对于节点硬件性能的依赖。本文将对基于森林环境监测情况下的无线传感器网络技术进行仿真研究。

1 重点区域森林环境监测网络路由设计

本着对目标监测和应用开展的需要，本课题明确为重点区域的实时监测，不需要节点具备休眠功能，也不需要通过控制节点规模来覆盖大范围的区域。

基于此，笔者有如下思考：

（1）通用网络路由协议十分有限，无线传感器网络通常基于特定应用目的和场景，没有普适的路由协议能够同时应对多种网络拓扑；

（2）考虑网络生命周期和运行成本，单个节点的生存时间直接影响網络整体的寿命。因此，减少电能损耗，通过控制节点跳数来达到优化数据传输是路由设计需要考虑的；

（3）单个传感器节点的处理功率低、缓存容量有限，如果节点在选择下一跳传送目标时需要经过复杂运算，则会削弱网络质量。

2 重点区域森林监测物联网的路由设计与仿真

本课题在OMNeT++（Objective Modular Network Testbed in C++）2软件下开展仿真，该软件是一款开源面向对象的离散事件网络模拟器，具备完善的图形界面接口和嵌入式仿真内核，可以通过定义网络拓扑结构，对网络仿真进行模块化的编程、调试和事件跟踪。

2.1 监测情景分析与路由设计分析

实施重点区域的森林环境监测，意味着监测范围小、网络轮转速度快、数据更新频率高，网络生命周期等质量因素也是不容忽视的。在此前提下，结合Tic-Toc模型给出以下设计方案：

（1）无线传感器网络的传感器节点数量明确为8个。路由设计策略是：在“软层面”动态生成节点的传送目标，在传递过程中完成对网络中所有节点的轮询。如若事先给定路由表，每个传感器节点都会因存储该路由表带来缓存的压力。

（2）根据当前国内文献，8个传感器节点已能覆盖并控制一定的区域，为使表述清晰，这些节点的组网方式和结构将事先明确。

（3）本仿真实验会考虑在重点区域监测存在高频运行的情况。

2.2 路由协议的OMNET++仿真

仿真由两部分组成，一是构建网络模型，基于应用本身对网络进行描述；二是定义网络行为，使网络按路由协议进行数据传递，并记录数据传递过程中的“离散事件”以及统计“路由跳数”。

2.2.1 构建网络模型

在OMNet++软件中对网络模型进行描述，以完成对网络中各个模块的封装。构建过程通过NED语言和图形化编程完成，该程序文件以“.ned后缀”体现。设计流程如图1所示，流程图描述了构建网络模型的过程，首先定义模型及模型参数，然后定义网络中所有节点，最后对每个节点连接进行定义。OMNeT++软件会在语句编程基础上得到如图2所示为图形化网络组织结构，该图也可表征节点之间信息传递的准实时状态。

2.2.2 路由协议的C++程序设计——定义网络模型的行为

通过构建网络模型，也就完成在该应用场景下对网络本身的描述。此后将使用C++语言来定义网络模型的行为。该部分在OMNeT++中以“.msg”和 “.cc”为后缀的程序文件体现。网络“行为”主要由两部分组成——确定数据包发送的源节点和目标节点（并创建节点集合），以及激活路由协议开始数据传递（包含记录网络中的离散事件）并统计路由跳数。流程图如图3。

“. msg”程序文件将动态生产节点的目标节点，以明确“. cc”程序文件中在数据传递开始后数据传递的路径，数据在完成第一次“起始节点—目标节点”传送后，程序将重复上述过程，并激活路由跳数的计算，从而判断仿真结果是否符合预期。

2.3 路由的仿真结果分析

通过OMNeT++对路由协议进行仿真，在仿真运行后得到如下结果。

2.3.1 Sequence Charts图

据图3所示，在仿真开始的1 s 872 ms内，网络最初执行“tic-0-to-5”，意味着数据传递从第0号传感器节点发起，传递目标是第5号传感器节点。还可从图3的横轴仿真时间看到节点之间高频次的数据传递。在此网络第一次执行“起始节点-目标节点”模式时，网络依次轮询第7号、第0号、第1号、第2号、第6号、第3号、第4号传感器节点，完成数据传递。随后网络执行“tic-0-to-5”模式，再次对网络节点完成轮询。同时可从图3的横轴仿真时间看到节点之间高频次的数据传递。

让仿真时间继续，向右拖动Sequence Charts图，可以清晰地看到网络按以下“起始节点-目标节点”模式运行——tic-0-to-5，tic-5-to-0，tic-0-to-1，tic-1-to-4，tic-4-to-5，tic-5-to-3，网络按动态生成的目标集合，建立起数据传递机制。

结合森林环境监测的特点，路由依据算法产生节点的传送目标集合，动态传送目标集合在传递过程中给每个节点分配任务，在运行过程中降低了网络冗余和节点负载，使节点在有限电能供应下提升工作效率，保证了重点区域森林环境监测高频次地运行。如图3，在不到1 s的时间内，8个节点执行完成路由分配的初始化任务，对于缓存计算能力有限的节点，也能在该路由模式下完成预先设定的任务。简单有效的网络路由模式基本达到了设计初衷。

2.3.2 路由跳数统计

图4 为在95s 900 ms的仿真时间内节点的平均跳数。8个节点的跳数1～16之间波动，其中5个节点的跳数在9～12，考虑到实际运行环境中网络可能会出现单个节点失去功能，随机的跳跃可能会减轻网络瘫痪的风险。第1号节点平均跳数为1，第5号节点平均跳数为16，网络需使负载均衡，以避免特殊节点过早死亡，但考虑到仿真时间较短，该路由算法本身不复杂、对节点要求不高、网络实施代价小，恐不足以导致此问题。同时，可以此确定数据传输的sink节点，匹配公用网络通信功能，向环境监测监控中心传输数据。

3 结语

基于上述路由技术的设计、仿真和分析，在付诸实施时，需按照生态学理论确定的观察标志点，布置传感器节点（整合传感器、通信芯片、电池等模块后，即為传感器节点硬件），并按路由协议组建网络以达到监测目的，该路由技术方案可以作为重点区域森林环境监测的一种可行尝试。

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