区域分级的粮库无线传感器网络路由算法

摘 要 粮库WSN路由算法是WSN检测粮库粮食数量技术的难点之一。由于粮库中传感器节点分布的复杂性，所以其路由算法比较特殊。根据粮库WSN的分布，提出一种RCCMA路由算法，先将大量分布不均的传感器节点进行簇区域划分和级别设定，然后利用最小夹角原则实现二级簇区域内节点间路由和一级簇区域与二级区域内目标节点间的路由。由于一级簇区域传感器节点能耗较大，因此采用轮转调度机制，将能耗平衡化，降低了单个传感器节点的能耗。对比几种典型的路由算法，实验显示，该算法具有明显的优势。
关键词 路由算法 簇区域 无线传感器网络

引 言
利用无线传感器网络检测粮库的粮食数量是一项新技术。由于粮堆的复杂性，可在粮库底部散布大量分布不均的压力传感器节点。将粮库内大量分布不均的传感器节点进行组网，构建一种路由算法，这是粮库WSN(Wire-less Sensor Network)的关键技术之一。
高效的路由算法需满足以下几点：能量高效(协议简单和节省能量和均衡消耗)、可扩展性(网络范围和节点密度)、鲁棒性(节点变化和拓扑变化)、快速收敛性。本文通过研究目前主要的几种典型WSN路由算法，提出一种针对粮库WSN的路由算法。实验证明，该算法满足能量高效性、可扩展性、鲁棒性和快速收敛性要求。单个对比文中提到的几种典型路由算法，该算法整体性能比它们都优越。

1 典型的WSN路由算法
传统无线通信网络研究的重点放在无线通信的服务质量(QoS)上，而无线传感器节点是随机分布、电池供电的，因此无线传感器网络路由算法的研究重点放在如何提高能量效率上。目前典型的无线传感器网络路由算法主要有以下几种。
1．1 泛洪算法
泛洪(Flooding)算法是一种传统的无线通信路由算法。该算法规定，每个节点接收来自其他节点的信息，并以广播的形式发送给其他邻居节点。如此继续下去，最后将信息数据发送给目的节点。但这个算法容易引起信息的“内爆”(implosion)和“重叠”(overlap)，造成资源的浪费。因此在泛洪算法的基础上，提出了闲聊(Gossiping)算法。
1．2 Gossiping算法
Gossiping算法是在泛洪算法的基础上进行改进而提出的。它传播信息的途径是，随机地选择一个邻居节点，获得信息的邻居节点再以同样的方式随机地选择下一个节点，进行信息的传递。这种方式避免了以广播形式进行信息传播的能量消耗，但其代价是延长了信息的传递时间。虽然Gossiping算法在一定程度上解决了信息的内爆问题，但是仍然存在信息的重叠现象。
1．3 SPIN算法
SPIN(Sensor Protocol for Information via Negotia-tion)算法是一种以数据为中心的自适应路由算法。其目的是通过节点之间的协商，解决Flooding算法和Gossi-ping算法的内爆和重叠问题。SPIN算法有3种类型的消息，即ADC、REQ和DATA。ADC用于数据的广播，当某一个节点有数据可以共享时，可以用其进行数据信息广播。REQ用于请求发送数据，当某一个节点希望接收DATA数据包时，发送REQ数据包。DATA为传感器采集的数据包。在发送一个DATA数据包之前，一个传感器节点首先对外广播ADV数据包。如果某一个节点希望接收要传来的数据信息，则向发送ADV数据包的节点回复REQ数据包，因此，便建立起发送节点和接收节点的联系，发送节点便向接收节点发送DATA数据包。SPIN协议的工作流程如图1所示。

1．4 定向扩散算法
定向扩散(Direeted Diffusion)算法是一种基于查询的路由机制。整个过程可以分为兴趣扩散、梯度建立以及路径加强3个阶段。在兴趣扩散阶段，汇聚节点向传感器节点发送其想要获取的信息种类或内容。兴趣消息中含有任务类型、目标区域、数据发送速率、时间戳等参数。每个传感器节点在收到该信息后，将其保存在Cache 中。当整个信息要求传遍整个传感器网络后，便在传感器节点和汇聚节点之间建立起一个梯度场，梯度场的建立是根据成本最小化和能量自适应原则。一旦传感器节点收集到汇聚节点感兴趣的数据，就会根据建立的梯度场寻求最快路径进行数据传递。梯度场建立的过程如图2所示。