高速公路气象监测无线传感器网络路由策略

西北大学学报(自然科学版)

2008年10月,第38卷第5期,O ct.,2008,V o.l38,N o.5

Journal o fN o rt hwest U niversity(N atural Science Ed iti on)

收稿日期:2008-04-28

基金项目:国家自然科学基金资助项目(40674064)

作者简介:王卫亚(1964)),男,河南陕县人,长安大学副教授,从事计算机网络技术、网络信息处理研究。

高速公路气象监测无线传感器网络路由策略

王卫亚1,陈继川2,李伟兵1,陈冬冬1

(1.长安大学信息工程学院,陕西西安710064;2.陕西省第二综合物探大队,陕西西安710061)

摘要:目的研究高速公路气象监测无线传感器网络双向数据传输、多点数据接收的路有协议。方法针对高速公路气象监测无线传感器网络线形部署的特点,分析数据传输的要求和类型,研究现有W S N路由协议的特点,尤其是定向扩散路由协议,通过对现有路由协议的改进,提出满足双向传输的W SN路由协议。结果提出了基于定向扩散路由协议(DD)的双向无线传感器网络路由协议

(BDD),实现了高速公路气象监测数据的多点传输。结论经仿真测试,该路由协议具有实现简单、工作可靠稳定,能满足高速公路气象监测数据双向传输的要求。

关键词:无线传感器网络;路由协议;定向扩散;气象监测

中图分类号:TP39文献标识码:A文章编号:1000-274ú(2008)05-0744-05

全世界每年约有100多万人死于交通事故,其

中灾害性天气直接或间接导致的交通事故占所有交

通事故的1/4[1]。在我国,高速公路百公里事故率

比普通公路高出3倍多,而世界发达国家高速公路

死亡事故率仅为普通公路的1/2~1/10。2008年1

月南方诸省的大雪,导致高速公路全部中断,大批行

人和车辆滞留在高速公路上,政府不得不紧急调集

各种资源为这些车辆和行人提供生活、医疗和安全

保障,由此造成的经济损失高达数亿元。所以,高速

公路气象状况的检测和预报,对保障高速公路过往

车辆的安全、提高服务质量具有十分积极的作用。

无线传感器网络技术作为一种新的环境监测技

术,具有规模大、以数据为中心、自组织管理和部署

容易等优点[2],特别适合用来建立高速公路气象监

测系统。本文针对高速公路无线传感器监测网络的

特点,对无线传感器网络在高速公路气象监测中的

应用及路由选择策略进行分析和研究。

1基于W S N的高速公路气象监测系统

111高速公路气象监测系统结构

高速公路气象监测预报主要是监测和预报影响

高速公路通行能力并容易引起交通事故的各种灾害

气象。影响高速公路通行能力和通行安全的灾害性

天气主要有风、雨、雾、冰雪、雷电、低气压和湿热高

温等[3],所以高速公路气象监测预报系统需要针对

高速公路的风、雨、雾、冰雪、雷电、低气压和湿热高

温等进行监测,并将监测结果通过高速公路管理网

络传送到交通控制中心,然后根据各种气象对通行

能力的影响,做出相应的交通控制方案,并通过道路

信息发布系统将气象信息发布。

由于高速公路是线性的,所以与传统无线传感

器网络节点随即部署不同,高速公路气象监测无线

传感器网络中的传感器节点沿高速公路两侧呈线性

部署,其结构如图1所示。

112高速公路气象监测系统数据传输要求

高速公路气象监测系统的网络节点主要3种类

型:传感器节点、基站(si n k)和可变情报板。

传感器节点主要由传感器、处理器和通信模块

组成,用来监测高速公路的气象信息,并将信息传送

到对该信息感兴趣信息处理节点,沿公路两侧分布。

基站是高速公路气象信息的汇聚节点,分别设

立在高速公路的收费匝道和收费广场中,其主要作

用有两个:一是将收集到的气象信息通过高速公路

管理网络,将气象信息传送到高速公路管理网络信

息中心,由信息中心做进一步处理;二是根据收到气

象信息做出相应的交通控制,如在收费广场或者收费匝道的可变情报板上公布限速等,其对象是即将进入高速公路的车辆和驾驶人员。

可变情报板设立在高速公路两侧,主要用来发布和高速公路通行有关的信息和其他提示信息,其对象是高速公路上的行驶车辆和驾驶人员。为了让高速公路上的行驶车辆和驾驶人员及时掌握沿路的

气象条件和限速变化,可变情报板必须具备接收沿路传感器的监测信息并做出相应交通控制和显示的能力。

由于高速公路是双向通行,所以某点的监测信息必须同时向两个方向传输,使两端都能收到该点的气象监测信息,并根据收到的气象信息及时做出相应的交通控制,如图2

所示。

在图2中,传感器节点A 的监测信息必须通过网络传送到基站B 和E ,B ,E 分别位于传感器A 的两个不同方向上,同时,节点A 的监测信息还必须通过网络传送到可变情报板C ,D 和F 上。因此,高速公路无线传感器网络的路由策略必须满足数据多点传输的要求。1.3 高速公路气象监测传感器网络的特点

首先是拓扑结构不同。高速公路气象监测网络的传感器节点是沿高速公路两侧线性分布的,而普通传感器网络节点的分布则是随即分散的。

其次sink 节点数量不同。普通的无线传感器网络是单si n k 节点网络结构,而高速公路气象监测网络的sink 节点是两个,同时数据传输目的节点也有多个,既包括汇聚节点,也有不转发数据的可变情报板节点,而且可变情报板节点是多个(见图2)。这样,高速公路气象监测系统的路由协议要能满足数据同时在两个不同方向上的传输。

第三,由于高速公路气象监测系统的监测对象是影响高速公路通行的恶劣天气,而大多数天气情况良好,不需要传感器网络进行数据传输,所以大部分时间传感器网络处于休眠状态,一旦监测到天气变化,再立即进行数据传输。

第四,由于高速公路通行里程较长,路上的气象变化也比较大,所以信息中心收到数据后需要确定恶劣天气发生的地理位置,由于数据是沿高速公路向两端同时传输,所以,路由协议要能实现简单的地理位置判断。

2 高速公路气象监测传感器网络路由BDD 设计

211 无线传感器网络路由协议原理

无线传感器网络路由协议负责在si n k 点和其余节点间可靠地传输数据,其研究的核心是如何在

)

745)第5期 王卫亚等:高速公路气象监测无线传感器网络路由策略

发送数据的传感器节点和转发的汇聚节点之间建立一条路由,保证数据能够沿该路由进行正确传输,所以路有协议一直是无线传感器网络的一个种研究领域。典型的传感器结构如图3所示。在图3所示的网络中,路由协议研究的重点是如何实现在传感器节点和sink 节点之间建立可靠的、无错误的数据传输链路,与高速公路气象监测无线传感器网络不同的是网络中只有一个si n k 节点。目前,根据路由协议采用的通信模式、路由结构、路由建立时机、状态维护、节点标识和投递方式等,路由协议可以划分为不同的类型,文献[4]

给出了比较详细的描述。

图3 无线传感器网络拓扑结构示意图F i g .3 T he genera l topo logy ofW S N

212 基于数据查询的定向扩散协议(DD )

与传统无线传感器网络不同,高速公路气象监测网络中有两个si n k 节点和多个数据接收节点。在现有的多si n k 节点无线传感器网络研究中,其路由研究的目的是如何实现将传感器节点的发送到最近的si n k 节点,而不是同时发送到两个sink 节点

[5-7]

,所以现有的无线传感器网络路由协议绝大

部分都不能满足数据双向传输的需要。

目前,只有F l o od i n g 协议可以满足向多个目的地传输数据的要求。F l o od i n g 协议的工作原理是:传感器节点所有的邻节点发送数据,邻节点收到数据后同样向自身的所有邻节点发送数据,数据包直

到过期或到达目的地才停止传播[8]

。利用这种肯定把数据发送到si n k 节点,同时由于F l o od i n g 协议是每个节点都进行数据广播的协议,所以,Flooding 协议同样可以把同一个数据发送到多个目的地。但是,这样会导致网络中充斥了大量的无用报文,使得节点的能源遭到严重消耗,整个网络的生存期受到了影响,所以不适合用于高速公路气象监测网络。

加州大学洛杉矶分校的E stri n D .等人提出了定向扩散(D irected diff u si o n)路由协议,简称DD 协议[9]

。DD 协议是基于数据查询驱动的路由协议,其工作原理是:基站或者si n k 节点产生包含属性列表、上报间隔、持续时间、地理区域等信息的查询请求)I n teres,t 并将该/兴趣0向网络中所有的节点flooding ;沿途节点按需对/兴趣0进行缓存与合并,并根据/兴趣0计算、创建包含数据上报率、下一跳等信息的梯度(gradient),从而建立多条指向基站或sink 点的路径;当节点有符合/兴趣0要求的数据时,将数据周期性沿着梯度方向发送到基站或si n k 节点,中间节点可对数据进行缓存与聚合。其工作原理如图4所示。另外,si n k 点可通过对某条路径发送上报间隔更小或更大的/兴趣0,以增强或减弱数据上报率,这个过程称为路径加强。该协议采用多路径,健壮性好,利用数据聚合减少了数据通信量,si n k 节点还可以根据实际情况对路径增强或减弱,按需建立路由,

具有较高的应用价值。

图4 DD 协议原理示意图F ig .4 The pri nc i p l e o f D i rected D iff usion

213 基于DD 的高速公路气象监测系统双向路由

协议(BDD )设计 DD 协议是一种数据查询路由协议,高速公路气象监测无线传感器网络的路由协议可以通过对DD 协议的改进来实现。把向两个si n k 节点传输数据看成是在两个方向上的定向扩散,如图5,其工作原理如下。

Step1:si n k 节点向网络广播查询请求,也就是兴趣扩散阶段如图5(a)。

Step2:传感器节点收到查询广播后,记录该查询请求,记录内容包括查询内容、时间、si n k 节点名称、转发节点编号和距离(距离指经过的传感器节点数)。

Step3:传感器节点根据收到的信息建立通向该

)

746)西北大学学报(自然科学版) 第38卷

si n k 节点的路由记录,也就是路由建立阶段。

S tep4:传感器节点沿该路由方向向两个si n k 节点传送数据,如图5(b)。

由于该路由协议由两个si n k 节点发出查询兴趣,并向两个方向传送数据,所以称为B i-d irected d iffusion ,简称BDD

。

图5 BDD 原理示意图F i g .5 T he pr i nc i ple of BDD

3 仿真结果

为了检验该双向路由协议的可靠性和实际应用效果,在实际投入使用之前,对他进行了仿真分析,

分别选取15km,50k m,100km 和150km 路段进行仿真,无限传感器间距为40m 和80m 两种,主要分析路由收敛时间、路由的可靠性和数据的传输时延

[10]

。仿真结果如表1所示。

表1 高速公路气象监测无线传感器网络双向路由仿真结果

Tab .1 The results of BDD si m ul a tion

传感器间距40m

传感器间距80m 路由收敛时间/S 传输最大

时延/S 数据丢失率

路由收敛时间/S 传输最大

时延/S 数据丢失率

15k m 0148118515%

013811230

50k m 0146118230%013811220100k m 0145118435%013911220150k m

0145

1182

20%

0137

1124

通过上述结果可以看出,网络路由的收敛时间和传感器在高速公路上部署的距离无关,这是因为虽然整体网络规模扩大了,但是路由仍然只在两个收费站之间的网络建立,所以路由收敛时间仅仅和两个收费站之间的网络规模有关,而一般来说,高速公路两个出入口之间的距离大约在10km 左右。

当传感器之间的间距为40m 时,出现了严重的数据丢失,经过分析,发现由于传感器密度过大,造成一个传感器可能收到多个邻节点的路由申请转发,而这个传感器只选择其中一个作为路由,从而形成了部分传感器节点是单向路由的现象,经过在程序中增加斜体字部分,该现象消除。

另外就是当传感器密度比较大时,由于要经过的传感器节点比较多,使得网络的延时比较大。

4 结 论

根据上述仿真效果可以得出:

1)针对高速公路气象监测无线传感器网络的特殊要求,设计基于定向扩散路由协议的双向通讯路由协议是可行的,可以实现高速公路监测网络的双向数据传输要求。

2)仿真证明,双向扩散路由协议收敛时间基本确定,传输延时相对固定,数据传输可靠。

3)双向扩散路由协议可以满足数据查询的传输需要,亦可由传感器节点根据设定的检测范围,自动将检测到的异常数据主动发送到两个sink 节点,比定向扩散协议有更宽的应用领域和应用范围。

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(编 辑 曹大刚)

Routing protocol for free way weat her m onitor

w ireless sensor net wor k

WANG W e-i ya 1

,CHEN J-i chuan 2

,LIW e-i bi ng 1

,CHEN D ong -dong

1

(1.A cade m e of Infor m ation Eng i neeri ng ,Chang c an U niversity ,X i c an 710064,China ;2.The N o .2Co m prechensive G eophysical Exp l o -

ra ti on T eam o f G eo l ogy and M i nera l Bureau of Shaanx,i X i c an 710061,Chi na)

Abst ract :A i m To put for w ar d a ne w routi n g algorith m f o r free w ay w eatherm on ito rw ireless sensor net w ork w hich

can satisfy the de m ands o f mu lti desti n ation nod and b i d irectional infor m ati o n transfer o f free w ay w eather m onitor w ireless sensor net w ork .M et hods Through ana lysis o f the feat u res of free w ay w eather m onitorW SN and study ing t h e con te mporary routi n g a l g orithm,especia ll y directed d iffusion protoco,l to pr opose a b i d irecti o na l routi n g protoco l to satisfy the need of free w ay w eather m on itor W SN.R esults A b-i d irected d iffusion routi n g a l g orithm w as pro -posed based on d irected diff u si o n ,w hich can transfer data i n b-i d irecti o n .Conclusi o n The si m ulati o n pr oved that t h is b-i directi o na l routi n g protoco l is easy to i m p l e m en tation and stab le i n w orking ,satisfy i n g the de m and of b i d irec -ti o na l infor m ati o n transfer o f free w ay w eather monitor w ire less sensor net w or k.K ey w ords :w ire l e ss sensor net w ork ;r outi n g protoco;l directed d iffusion ;w eather m on ito r

)

748)西北大学学报(自然科学版) 第38卷