面向智能家居的无线传感器网络路由协议优化研究

胡同花 吕满金

（湖南永州职业技术学院 湖南省永州市 425000）

1 引言

智能家居作为无线传感器网络的一种重要应用，通过综合配置家居内的各功能子系统，以网络系统为桥梁，实现对整个家居的智能管理、控制与共享,为居住者提供尽可能的便利和舒适。无线传感器网络技术[1]在智能家居中具有很大的应用前景。由于无线传感器网络中没有固定基站，网络的生成是节点根据一定的路由机制完全自组织实现，网络中的节点充当着路由节点的角色，通过单跳或多跳的方式传输数据[2]。因此，抽象出具体的网络模型并分析信息处理以及信息路由之间内在联系，设计一种适应WSNSH 特点的路由算法已成为WSNSH 中一项关键的工作。

2 智能家居领域的发展

根据网络的逻辑结构，现阶段WSNS 路由协议大致可分为平面路由协议和分簇路由协议[3]。典型的平面路由有定向拆散路由，基于信息协商的路由，能量意识路由和基于梯度的路由等。平面路由协议虽然结构简单，但在运作过程中由于需要维持较大的路由表，缺乏对通信资源的优化管理，对网络动态变化反应速度较慢，并不适合在大规模网络中采用。分簇路由协议与其相比一定程度上改进了这个问题。LEACH[4]路由协议是MIT 的Heinzelman W B 等人提出的低功耗自适应分层路由算法。其基本思想是以循环的方式随机选择簇首节点，将整个网络的能量负载平均分配到每个节点中，从而降低网络能耗、提高网络生命周期。将一般的平面多跳路由协议和静态分层算法的网络生命周期延长15%。具代表性的分层路由协议还包括能量高效收集算法和敏感门限能耗高效的传感器网络协议等。分层路由协议能够在簇首进行数据融合，减少网络整体数据传输量及网络中路由控制信息量，提高了能量效率，具有较好的扩充性，但簇头选择算法较为复杂，簇的建立增加额外能耗，且簇头能耗较高，易成为死亡节点而导致网络性能下降甚至瘫痪。因此，如何让由有限能量的微型传感器节点所构成的无线传感器网络实现较长的生命周期，成为大规模无线传感器网络发展所面临的重大挑战。人们普遍认识到，进一步拓宽大规模无线传感器网络应用潜力的关键技术，就是尽量地减小其工作时的功耗，延长其生命周期[5]。

延长无线传感器网络生命周期的研究大体可以分为 2 个方向，其一是减小节点自身和物理层链路的功耗[6]。其二是研究协作策略，即各传感器节点如何协作，以最节能的方式实现网络功能。WSNSH 的网络规模较小，节点数目大小和位置处于动态的变化，网络更多地用于当人在室内的时候，其通信量要远大于人不在室内的时候。通信链路的不稳定是WSNSH 的最大特性，因为室内无线信号的传输要受到比室外更严重的反射、衍射和折射。另一方面，人的走动会对无线信号的传输产生很大的干扰，及链路不稳定对路由协议的影响。

3 应用方案

3.1 研究目标

针对经典无线传感器网络路由算法难以适应智能家居室内环境中多分隔、多障碍、环境动态变化等特点，本文旨在将压缩理论、多目标模糊优化和低能耗策略相结合，开展了面向智能家居的路由优化协议的研究，进一步丰富和完善WSNSH 理论，为无线传感器网络技术在智能家居中的应用提供理论借鉴。

图1：智能家居无线传感器最优路由设计示意图

3.2 研究内容

3.2.1 面向智能家居的改进LEACH 算法的研究

针对室内节点分布不均，传统LEACH 算法易造成部分区域可能出现多个簇头，而部分区域却没簇头而导致网络瘫痪的问题，提出一种面向智能家居控制器改进的LEACH-SHC 算法，该算法将室内节点按功能不同分成若干区域，结合节点区域ID 号与剩余能量选择簇头，通过压缩理论对数据进行融合，降低数据传输量，延长网络生命周期；并采用贝叶斯神经网络算法建立室内无线通信传输能耗模型，使其结果更接近工程实践。

3.2.2 基于多属性决策的低能耗无线传感器网络路由协议

为了解决无线传感器网络中现有节能路由存在方法单一、自适应动态调整能为不足等问题，本文提出的路由协议将下一跳节点选择转换为一个多属性优化问题，首先利用经典物理学中的势能概念创建一个混合虚拟势能场，然后采用智能优化算法解决势能场权重优化问题，使数据包在势能场所产生联合力的驱使下转发至下一跳节点并最终到达汇聚节点。以获得更佳的能耗有效性和均衡性，延长WSN 的生命周期。

3.2.3 基于动态链路的自适应路由算法研究

针对室内环境无线信道参数随节点移动以及家电设备位置调整而动态变化，经典无线传感器网络路由算法自适应能力有限，难以在这一环境中保证网络能量均衡与生存时间的特点，本文提出一种基于动态链路的自适应路由算法。将路由建立过程抽象为典型的多属性决策过程，以主客观综合赋权法和熵权系数法实现权重系数的确定及自适应动态调整，并结合传播损耗、节点能量、节点位置等信息，选取最优节点进行数据转发。实现权重的动态自适应调整，使数据流量得到合理分配，提高网络能量的动态均衡性。

3.3 关键技术

（1）智能家居内无线节点通信链路模型是WSNSH 路由设计中的关键因素，对室内物品的放置、材料结构、节点位置、天线的高度差异等参数对通信链路性能的影响进行评估，建立合理的能耗模型，是要解决的关键问题之一。

（2）虚拟势能场的建立与权重系数的优化，如何抽象节点与汇聚节点以及节点与相邻节点之间的虚拟势能场，并对权重系数进行优化，是实现基于多属性决策的低能耗无线传感器网络路由协议的难点，也是要解决的关键问题。

4 设计与实现

针对智能家居无线传感器网络路由算法，开展改进LEACH 算法，基于多属性决策的低能耗无线传感器网络路由协议以及基于动态链路的自适应路由算法三个方面的研究，通过仿真与分析，最终得到智能家居无线传感器网络最优路由协议，设计如图1 所示。

（1）针对面向智能家居的改进LEACH 算法的研究，通过整理并收集已有LEACH 路由算法的研究成果和国内外资料，将改进LEACH 算法的从以下几个步骤实现：

1.室内无线通信信道最佳损耗模型的建模与仿真。选取典型的住宅进行信道传输特性测试，运用LSM 算法，贝叶斯神经网络等算法，确定最佳路径损耗模型，为路由算法提供仿真分析的依据。

2.系统路由算法设计。路由算法的设计可分为簇头的确定，簇的形成以及数据传输三个步骤，其中在簇头的选择时，充分考虑智能家居应用情景的特殊性，对不同功能区域分配相应ID 号；数据传输阶段则应对无线传输的能量损耗模型进行优化。

3.路由算法的仿真与优化。运用Matlab 对路由算法进行仿真，模拟实际应用，反复测试，将网络生命周期指标最佳作为唯一优化目标，运用群智能算法从可行解集再次寻优，直到找到满足多指标的满意解。

（2）针对基于多属性决策的低能耗无线传感器网络路由协议，结合室内无线传感器网络应用背景，深入研究混沌遗传算法与蚁群算法的原理与应用。并从以下三个方面完成基于多属性决策的低能耗无线传感器网络路由协议的设计、仿真与优化：

1.虚拟势能场的建立。将整个WSNSH 网络抽象为一个引力场，数据包可看作水滴，则数包由源节点发送至汇聚节点的轨道由引力势能场中的为来决定，综合考虑节点到汇聚节点距离，节点与邻居节点间距离以及能量均衡因子，建立室内无线网络虚拟势能场。

2.虚拟势能场权重优化[6]。本算法中两个距离虚拟势能场对应于两个不同的评价指标。令第i(i=1,2,3...n)个备选节点的第j(j=1,2,...p)个势能场值用Zij(1 ≤i ≤n,1 ≤j ≤p)表示，由此转变为多属性决策问题。势能场的权重反映各势能场的相对重要程度，权重的确定对于正确决策影响重大，采用混沌遗传算法获取不同的权重结果。

3.路由算法的仿真与优化。运用Matlab 对路由算法进行仿真，选择网络生命周期和节点平均能耗送两项指标来衡量各算法的性能，对路由算法采用不同权重值的性能进行分析与对比，实现路由算法的最优化。

（3）针对基于动态链路的自适应路由算法研究，结合卡尔漫滤波算法，RSSI 值的获取以及在智能家居环境中的应用，从以下两个方面实现基于动态链路的自适应路由算法的设计与优化：

1.室内无线通信传播损耗的能量均衡模型的建立。将路由建立过程抽象为典型的多属性决策过程，建立多属性能量均衡模型；对原始数据进行归一化处理，解决模型中数据间的不可公度性；以主客观综合赋权法和熵权系数法，实现权重随数据变化而变化的自适应动态调整。

2.路由算法的实现与仿真。结合前面提出的能量均衡模型和属性选择策略，即可实现 基于动态链路的自适应路由算法，运用Matlab 对路由算法进行仿真与分析。

最后，以智能家居管理系统为硬件平台，用C++实现以上三种不同的路由算法，并以室内温度、湿度以及光照度为采集对象，对系统的路由性能进行测试，通过测试网络的通信时延和丢包率验证系统的整体路由性能。

其次，通过分析和研究，以上研究方法和实验是切实可行的。

（1）面向智能家居的LEACH 算法，在簇头的选择中，可通过分不同区域，结合节点剩余能量进行优化。而室内无线传输能量损耗模型，当前已经有一些研究成果可以借鉴；特别是项目组已完成智能家居控制器的设计与制作，可通过实验数据，利用RSSI 变化曲线，建立内室无线通信链路能耗模型，实现改进LEACH 算法设计。

（2）针对基于多属性决策的低能耗无线传感器网络路由协议，本文采用虚拟势能场策略，将节点信息抽象为势能场的质子，则信息的传输可由势能场的驱动力来决定。其驱动力由节点能量因子、节点与节点间距离因子以及节点与基站距离因子等因素决定。

（3）针对基于动态链路的自适应路由算法研究，本文采用实验与数据拟合的方案，建立无线通信传播损耗的能量均衡模型，项目成员在数据采集与分析方面所取得成果以及现有的实验设备，可保证测试实验的顺利进行，通过原始数据进行归一化处理，解决模型中数据间的不可公度性；以主客观综合赋权法和熵权系数法，实现权重随数据变化而变化的自适应动态调整是完全可行的。通过分析和研究，本文提出的研究方案是切实可以行的。

5 技术创新

（1）提出一种面向智能家居的改进LEACH 算法。本算法在簇头的选择时结合了节点的剩余能量与不同功能区域的ID 号，并对室内无线传输损耗模型进行优化设计，实现面向智能家居的改进LEACH 算法的设计与仿真；

（2）提出一种基于多属性决策的低能耗无线传感器网络路由协议。将多属性决策策略融入路由建立过程，提高网络能量的动态均衡性，延长网络周期。

（3）提出一种基于动态链路的自适应路由算法。将待发节点数量、相邻节点间距、节点与基站间距以及节点剩余能量等影响WSNSH 网络性能的重要因素有机结合起来，采用智能优化处理技术设计一种基于动态链路的自适应路由算法。

6 结论

本文对针对经典无线传感器网络路由算法难以适应智能家居室内环境中多分隔、多障碍、环境动态变化等特点，将压缩理论、多目标模糊优化和低能耗策略相结合，开展了面向智能家居的路由优化协议的研究，进一步丰富和完善WSNSH 理论，为无线传感器网络技术在智能家居中的应用提供理论借鉴。