基于带状传感网络的智慧路灯分簇路由协议

赵旭东 向敏 谭童

摘  要：为满足现有智慧路灯控制网络中对实时性和准确率的要求，提出一种基于带状传感网络的智慧路灯分簇路由协议。首先汇聚节点对路灯网络进行分簇，通过采用簇内单跳和簇间多跳路由的结合方式，以减少整条带状网络中的传输跳数，使得路灯控制得到快速响应，在扩大网络规模的同时也提高了通信的可靠性。仿真实验结果表明，本方案能够提高路灯控制的响应时间，同时也有效延长了网络的通信距离。

关键词：无线传感器网络;智慧路灯;分簇;路由协议

中图分类号：TP393         文献标志码：A         文章编号：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

城市的智能化发展已成为不可逆的趋势，路灯作为重要的基础设施，实现路灯的智能化管控可有效节约能源，减少人力物力的支出[1-2]。路灯分布范围广，人工监管困难，因此将具有高效监测能力的无线传感网络技术应用于路灯控制中具有很大的优势。

目前我国主要的智慧照明控制方式主要有电力线载波通信（power line carrier communication，PLC）和ZigBee无线通信方式。电力线载波以电力线作为传输介质，通过载波的方式进行信息传输，不需要另外架设网线，具有广阔的应用前景[3-4]。但是，在低壓电力线载波通信中，电力线载波存在着易受到磁场的干扰，信道衰减大，可靠性差等问题。Zigbee是一种新兴的短距离、低速率无线网络通信技术，具有低速率、短时延、自愈合、抗干扰的特点[5]。但是其通信的稳定性易受环境的干扰，通信距离短，不适用路灯大规模组网，从而影响了路灯控制的实时性和可靠性。

根据路灯大多呈现带状分布的特点，应采用带状的网络拓扑结构进行通信。其次路灯节点较多，为大规模应用场景，采用聚簇的路由方式可有效解决节点数量多，网络通信量大的问题。分簇网络具有良好的网络扩展性，便于能量管理、负载平衡、资源分配等特点，而且分簇网络拓扑更便于管理，具有良好的扩展性，更适用于路灯大规模组网[6]。

目前，针对无线传感网络分簇路由协议国内外已有很多相关的研究文献。主要采用分簇的路由协议，研究网络的能耗均衡问题。但对于智慧路灯控制网络来说，传感器节点的能耗已不是主要的研究问题，提高路灯控制网络的可靠性和实时性成为主要的研究内容。因此本文提出一种基于带状传感网络的智慧路灯分簇路由协议。

2 网络模型

本文针对路灯分布特点，设计无线传感器网络带状分簇网络拓扑如图1所示。模型中主要包括汇聚节点和传感器节点。其中汇聚节点位于网络的一端，进行控制指令下发和数据的收集。路灯节点采用人工部署的方案，假设有N个节点均匀分布在长为L，宽为M的监测区域范围内（L>>M），节点遵循以下规则：（1）节点分布相对均匀，且部署后不再移动;（2）每个节点都是同构的，具有相同的计算、存储等能力，且具有唯一的ID标识;（3）节点的能量不受限制，可通过路灯供电系统获取;（4）节点可根据距离来适当调整其发射功率;（5）节点主动地、周期性的向汇聚节点传送数据。

3 基于带状传感网络的分簇方法

路灯网络多为长距离带状网络，因此在汇聚节点附近的簇首节点同时担任着路由转发和簇内数据汇聚的任务，因此成簇规模应尽量较小。本文采用非均匀分簇的思想，采用非均匀竞争半径的概念，使距离汇聚节点较近的簇首节点竞争半径较小，一定程度上解决无线传感网络多跳路由中的“热区”问题。

网络初始化阶段，由汇聚节点广播一个Hello信号，节点接收后计算距离并反馈给汇聚节点，之后由汇聚节点对路灯网络进行备选簇首节点的部署，其中备选簇首节点的竞选半径Rc是非均匀网络拓扑的关键因子，竞选半径Rc表达式为：

其中，dmax和dmin网络节点距汇聚节点的最大距离和最小距离，d（si，BS）为节点i与Sink节点的距离，Nmax为最大节点数量，Ni为节点i的邻节点数目，R为最大竞争半径，c1和c2为0～1的常数。

簇首节点竞选成功后，宣布成为簇首节点，其他备选簇首节点退出竞争并成为普通节点。然后由簇首节点广播消息，普通节点加入最近的节点从而网络分簇完成。

分簇网络建立后由汇聚节点以组播的模式将控制指令下发给各个簇首节点，再由簇首节点来向其成员节点来广播控制信息。采用簇内单跳和簇间多跳的路由方式进行路由转发从而可以提高路灯控制的响应速度。簇间采用多跳方式进行路由转发，路由转发选择信号范围内距离最远的节点作为中继节点以提高路灯控制的响应速度。中继节点代价函数定义为：

其中：d（CH-CH）为簇首节点i到j的距离，d（CH-CH）为j到汇聚节点的距离，若中继节点为簇首本身，则直接发送数据给集中器，否则转发给中继节点。

4 仿真分析

为验证本协议的性能，本文通过Matlab环境下进行仿真，对比分簇网络和未分簇带状传感网络，验证带状分簇网络路灯控制的优越性，假设路灯节点均匀分布L×M为100m×15m监测区域范围内，网络节点规模取100个节点，汇聚节点位于网络的一端，坐标为（0，0）。其中最大通信半径Rmax为100m，发送数据表大小为4000bits，发送数据包周期为3s。

通过仿真可以得出节点丢包率和路灯节点数量的关系如图2所示，可以看出，在分簇网络下节点的丢包率更低，从而达到的控制效果更好。

节点通信成功率和路灯节点数量的关系如图3所示，可以看出，在分簇网络下节点的通信成功率更高，从而可以提高路灯通信的控制成功率。

5 结束语

本文提出一种基于带状传感网络的智慧路灯分簇路由协议。首先汇聚节点将网络划分成大小不同的簇并选出一组最优簇首节点，其次普通节点加入簇首节点。本协议利用分簇网络的优势，通过簇内单跳和簇间多跳路由的结合方式，可使路灯控制得到快速响应，仿真实验结果表明，与常用的电力线载波和Zigbee网络相比，本方案在响应时间和稳定性方面有着很大提升，同时也有效延长了网络的通信距离。同时对路灯控制和信息采集在无线传感网络中的应用和发展具有一定的参考价值。

参考文献：

[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，刘晓胜.低压电力线载波通信技术研究进展[J].电网技术，2010（5）：161-172.

[4]Mudriievskyi S. Power Line Communications： State of the art in research， development and application[J]. AEUE - International Journal of Electronics and Communications， 2014， 68（7）：575-577.

[5]王东东，郭文成.基于ZigBee技术的路灯无线网络控制系统设计[J].天津工业大学学报，2009，28（1）：84-88.

[6]HaiPing Huang， Xiao Cao， RuChuan Wang，等.无线多媒体传感网中基于蚁群分簇的QoS感知路由算法[J].Science China Information Sciences， 2014， 57（10）：1-16.