摘要：对面向工业现场监测的无线传感器网络进行了分析，根据实际需求，以节约能耗为主要目标分别对网络分簇算法和簇间传输路径进行了优化设计。基于HEED分簇算法进行节点分簇，使得簇首节点较平均地遍布整个网络，并解决了边界区域可能出现的孤立节点问题；基于Dijkstra单源最短路径算法对簇间传输路径进行了优化设计，约束经过每个簇首节点的最大节点数，避免单个节点的过度消耗。经对比分析，文中的设计方案可有效节约节点的能量、均衡网络中各节点的能耗，延长网络的生存时长。
关键词：无线传感器网络；工业现场监测；HEED；多路径路由算法；多层分簇算法
0 引言
工业现场环境包括制造车间、化工厂、制药厂、仪器设备制造厂等，随着现代工业向着精密化、智能化和网络化的方向发展[1]，出于安全性和数据传输效率等方面的考虑，工业现场需要对其环境和设备运行状态等进行实时监测和评估[2]。
对工业现场环境和设备状态的监测是通过多种传感器实现的，包括温湿度传感器、烟雾传感器、压力传感器、加速度传感器、红外传感器等。其特点是数据采集节点多、传输的数据量不大且要求设备成本低、体积小、供电方便、功耗低，需要较大网络覆盖[3]。
在几种最先进的通信网络中，无线传感器网络在使用方面具有安装方便、成本低、移位灵活、功耗低等优势，能避免各种网络线路连接混乱，并且支持自组网和多跳传输，使得传输距离能够满足工业现场环境的使用，是较合适的选择[4]。
1 网络结构分析
工业现场应用中的传感器节点种类多，按功能可分为3类：传感节点、路由节点和汇聚节点。传感节点由不同种类的传感器加上无线通信系统组成，负责环境感知和数据采集，通过其父节点收发数据；路由节点在传感节点的基础上，负责转发数据，具有一定的数据处理能力，通过路由节点间的相互协作和转发将传感节点采集的数据发送至汇聚节点；汇聚节点负责整个网络的组织和协调，接收路由节点转发来的数据进行处理，并将数据传送至监控服务器进行显示、处理或存储[5]。
在无线传感器网络中，传感器节点需要把感知信息发送到汇聚节点进行集中处理，考虑到传感器节点的通信能力有限而工业现场区域较大，需要采取多跳转发的传输方式。无线传感器网络路由协议的主要目标就是寻找发送节点和目的节点间的优化多跳路径并将数据沿着优化路径转发[6]。
无线传感器网络特殊的应用环境导致其需要面临一些不同于其他通信网络的影响，其中最首要的是功耗问题。传感器节点广泛分布于现场的各个区域，通常靠能量有限的电池供电。虽然微型太阳能系统在很多领域已经得到广泛应用，但工业现场并不满足其应用条件[7]。因此，如何对传感器节点能量进行均衡优化、延长网络的生存周期仍是无线传感器网络设计的关键问题[8]。
2 网络结构设计
无线传感器网络路由协议可分为平面路由协议和分层路由协议。在平面路由协议中，所有节点具有相同的地位和功能，节点会根据需要与网络中任意可达节点进行通信，协同完成数据传输。平面路由协议简单、健壮性好，但建立和维护开销大，适合小规模网络[9]。分层路由协议将节点划分成多个簇，每个簇由一个簇首节点和多个成员节点组成，簇首节点负责簇内信息的融合处理，并经由其他簇首节点进行数据的簇间转发。分层路由协议扩展性好，适合工业中的大规模应用。
在分层路由协议中，簇首节点负责将簇内成员节点的数据进行处理和转发，其能量会消耗得更快，为均衡节点能耗并延长网络寿命，以周期性的方式对簇首节点进行轮换。基于此过程将每个轮换周期划分为初始化阶段与稳定传输阶段，其中初始化阶段包括节点分簇与簇间传输路径优化。
2.1 节点分簇
簇首节点的选择基于HEED迭代选举算法并进行改进，首先根据式(1)计算出每个节点成为簇首的概率
式中:Eresidual为节点当前剩余能量;Emax为节点初始能量;Pmin为给定最小门限，用以加快簇头选举迭代收敛速度;Cprob为提前设定的簇首节点占总结点数的比例，目前被学术界广泛认可的值是5%[10]。
将Cprob(H)作为主参数，并引入簇内平均可达能量AMRP= 
作为次参数，开始进行迭代选举：每个节点以Cprob(H)的概率成为临时簇首，成为临时簇首的节点向周围广播，如果发现周围也有临时簇首，则比较AMRP的值，较小者成为临时簇首。然后进行下一轮迭代，每轮迭代结束时节点的Cprob(H)值加倍。当C(H)≥1时结束迭代，节点成为最终簇首，并向其邻居节点广播。普通节点在接收到簇首节点的广播后加入簇，若普通节点处于多个簇范围内，则以参数AMRP的值决定最终加入哪个簇。分簇完成后网络的拓扑结构如图1所示。
图1 网络分簇拓扑图
在HEED算法中，如果一个节点在HEED执行完毕后没有成为簇首也没有加入簇，则自己成为簇首节点。这样在网络现场的边际区域势必会存在一些孤立的簇首节点，这些节点不参与簇内数据融合，降低了网络传输效率。并且网络现场范围越大，传感节点越稀疏，此问题愈严重。
为克服此问题，针对孤立的簇首节点增加一个算法：若孤立节点Ni附近存在其他簇的成员节点Nj，则孤立节点以此成员节点为中继加入这个簇。如图2所示。
图2 孤立节点处理示意图
2.2 簇间传输路径设计
以上节点成簇过程将整个网络分为了簇内与簇间两层，对于簇间的数据传输，若簇首节点采用单跳的方式直接将数据传送至汇聚节点，那么对于较大规模的网络，距离汇聚节点较远的簇首能量消耗将显著增加，导致部分节点过早失效。因此需要对簇间通信进行优化。
参考Dijkstra单源最短路径算法，基本原理是：如果存在一条从i到j的最短路径(Vi…Vk,Vj)，Vk是Vj前面一点，则(Vi…Vk)是i到k的最短路径。经过分析改进，基本流程如下：
首先对所有节点按照接收到汇聚节点广播的信号强度，计算出到汇聚节点的距离，各节点协同得到自己的位置并发送给汇聚节点。
创建2个集合S与V，S为已找到的从汇聚节点v0出发的最短路径的终点集合，初始状态为空集；V为除v0外所有簇首节点的集合；D[i]表示从v0出发到簇首节点vi的最短路径长度；参数parentNode[vi ],vi∈V用以存放vi的上一跳节点；childNodeNum[vi ],vi∈V表示经过节点vi的下一跳的节点数，为避免过多节点连接至同一节点，约束其不能超过N。
(1)选取vj，使得D[j]=min{D[i]|vi∈V-S}，则vj就是一条从v0出发的最短路径的终点，将vj放入S集合中；
(2)将vj的上一跳节点parentNode[j]赋值给parentIndex，将childNodeNum[parentIndex]加1；
(3)若childNodeNum[parentIndex]>N且parentIndex≠v0,那么对于任何I !∈S，如果parentNode[i]=parentIndex，则D[i]=min{arcs[k][i]+D[k],k∈{S-parentIndex}&{childNodeNum[parentIndex]<N}}；
(4)修改从v0出发到集合V-S中任一节点vk可达的最短路径长度，如果D[j]+arcs[j][k]<D[k],则修改D[k]为D[k]=D[j]+arcs[j][k]，parentNode[k]=j；
(5)重复以上(1)到(4)操作n-1次，由此求得从v0到其余各簇首的最短路径是依路径长度递增的序列。
至此将整个网络划分为多层分簇的结构，数据传输的路径得到基本确认，如图3所示。
图3 多层分簇网络结构示意图
2.3 稳定传输阶段
簇首节点在选定之后，向簇内成员节点发送TDMA调度方案，将整个稳定传输阶段划分为多个帧，每个帧为一个节点的工作时隙，节点在自己的工作时隙内只能向其簇首发送一次数据。如图4所示，为尽可能减少网络控制的开销，稳定传输阶段的持续时间应明显长于初始化阶段。
图4 工作时隙示意图
2.4 网络评估
在节点分簇阶段，基于HEED算法进行改进，使簇首节点在整个网络的分布较均匀，同时解决了边际区域可能出现大量孤立节点的问题，主副参数的限定能够使各个节点的能量消耗趋于平均，延长了网络的寿命。簇间传输阶段，采用改进的Dijkstra算法设计出各簇首节点的多跳传输路径，约束每个簇首节点的下一跳节点个数，避免单个节点收发数据过于繁忙，能量消耗过多。在稳定传输阶段，簇首节点需要一直保持工作状态接收其成员节点的数据，成员节点在自己的工作时隙之外进入休眠状态以节省能量，传输结束后本轮传输结束，进入下一轮的初始化阶段，对簇首节点进行轮换。
3 结束语
本文主要研究面向工业现场监测的无线传感器网络，结合实际应用环境，以节约能量、均衡各节点能耗、延长整个网络寿命为目标，分别对网络分簇方法、簇间数据传输路径以及稳定传输阶段进行了算法和流程设计，通过对比分析，初步达到了节约能量和均衡能耗、延长网络生存时长的目的。
还有以下问题有待于研究：
(1)传感器的定位问题。本文根据接收信号强度计算其到汇聚节点的距离，由于无线信号易受噪声影响，且会被物理障碍反射或吸收，测距精度不够高。需要通过智能校准或建立特定模型来提高精度[11]。
(2)在实际应用中某些节点的测量数据可能并不需要在每个周期都发送一次，比如温湿度，仅需要在变化超过某个范围之后再报告即可。为进一步节约能耗，可参考TEEN协议，在初始化阶段为每个节点设定2个阈值，分别表示数据所不能逾越的阈值和其变化范围。在稳定工作阶段，只有当监测数据的数值大于第一个阈值且变化范围不小于第二个阈值时，节点才会发送数据。如何设定阈值以便在精读和能耗之间取得折中，则是本课题下一步研究的主要问题。
