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摘 要：基于物联网的环境监测系统的寿命主要取决于系统中传感节点的寿命，传感节点的不合理能量消耗以及能量消耗不均会缩短整个物联网系统的寿命。文章针对物联网系统中的能量消耗问题进行分析，提出了基于多参数自适应调节的路由方法，该路由方法能够根据链路的动态变化自适应调整路由，最终达到优化节点能量的目的，从而延长整个系统的寿命。
关键词：环境监测；物联网；能量消耗；能量均衡；路由选择；路由更新
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）01-00-03
0 引 言
环境监测物联网系统[1，2]在水体监测、森林监测等领域得到了广泛的使用。该类系统具有如下特点：
（1）物联网系统本身由许多具有数据采集及传输通信能力的传感节点和接入网关构成；
（2）数据传输链路质量受到环境影响，并且链路质量变化具有突发性；
（3）对系统的寿命有要求。为了达到节能的目的，环境监测系统中的传感节点采用资源受限设备，通信能力和计算能力有限。传感节点本身能量消耗低，但由于传感节点所部署的环境传输信号容易受到干扰导致传输失败，而频繁的传输会导致节点能量消耗过快。在实际部署的物联网环境监测系统中，设计合理的路由算法能够在保证数据可靠传输的前提下，降低传感节点的能量消耗并保证传感节点的能量均衡，从而实现延长整个物联网系统寿命的目的。
1 研究背景
通过大量的实际场景实验对数据的接收情况进行了测量分析，表明无线链路具有不确定性，且容易受干扰。实验和相关文献表明，实际部署系统的链路受到多种因素影响。目前的物联网设备大多工作在2.4 GHz频段，在这个频段存在很多干扰信号[3，4]，如802.11网络、微波炉和无绳电话等会干扰节点间的通信。同时物联网环境监测系统部署的环境通信链路受到建筑物遮挡、人流等因素影响，存在链路不稳定的因素。
考虑到以上因素，本文的主要工作是解决传输可靠性并在此前提下实现寿命最大化。实现寿命最大化以保证数据传输可靠性为前提，应从以下两方面着手：
（1）降低系统中每个传感节点的能量消耗；
（2）确保系统中每个传感节点的能量消耗均衡。
文献[5]、文献[6]说明，相比MCU（Micro Controller Unit）和其他模块的能量消耗，节点的能量消耗主要集中在射频模块上。由于节点需要传输数据，而传输失败导致的数据重传以及节点不能尽快进入休眠状态造成了节点能量消耗过大的问题。由于每个节点所处的链路环境和所承担的任务量不同会造成节点的能量消耗不同，从而导致了能量消耗不均衡的现象出现。这种现象在层次网络中表现的尤为突出，在层次网络中越靠近汇聚节点的节点转发任务量越大，能量消耗也越快。
2 研究现状
2.1 可靠传输
在已有的研究工作中针对可靠传输的研究工作主要集中在错误数据包的恢复和数据包重传两方面。
在数据包的恢复过程中，一般采用基于FEC编码[7]的方式，但是该方法需要额外的计算资源甚至硬件资源来识别和修正比特错误，在比特错误率高时，FEC能有效修正比特位错误，但在比特错误率低的场景下，会造成资源浪费，并且添加额外的硬件会导致系统不具有通用性。
在数据包的自动重传过程中，需要考虑实际系统所面临的实际环境因素和系统要求，尽可能减少数据包的重传次数。
2.2 路由算法
在路由算法中有基于地理位置信息的路由GEAR[8]以及LEACH路由协议[9]等。该类路由方法未考虑实际环境中链路的频繁变化以及节点的剩余能量。
3 环境监测系统可靠传输的设计与实现
3.1 系统架构
系统整体架构和网关结构如图1所示，系统由传感节点（包含路由节点，以下无特殊说明均用节点代表）、网关和服务器端组成。其中，网关采用持续供电方式，节点采用电池供电。环境监测架构包括存储单元、处理单元、任务单元和通信单元。
（1）处理单元负责处理节点的计算操作；
（2）任务单元负责管理节点需要完成的任务（路由建立、路由更新等）；
（3）通信单元负责节点和网关通信；
（4）供电单元负责给节点供电，并且能够获取节点的剩余工作电压。
本文用到的参数信息见表1所列。
3.2 基于多参数评估的路由选择方法
在前面研究的背景中已经提到在物联网系统中主要解决能量消耗和能量不均衡两个问题。基于这两点，本文充分结合实际环境中的链路质量因素和节点剩余电量情况选择路由选择算法。路由选择主要包含剩余能量请求，链路质量评估，多参数评估选择链路三个方面。
3.2.1 剩余能量请求
节点报文信息如图2所示。
節点广播剩余能量信息请求报文，收到该报文的邻居节点获取自身的电压信息并发送给源节点。节点根据剩余能量信息选择满足条件的候选邻居节点。
3.2.2 链路质量评估
节点报文信息格式如图3所示。
节点对候选邻居节点单播发送数据包接收率测试包，根据接收率信息统计各节点之间的链路情况。
3.2.3 多参数评估选择链路
节点根据剩余能量信息和数据包接收率信息Prrij进行综合衡量，节点Ni到节点Nj的路由建立综合评价因子如式（1）所示：
在式（1）中，参数和参数根据系统具体的工作环境来选择，需满足0≤ ≤ 1，0≤ ≤ 1。根据Scij的值排序，每个传感节点将建立自身的传输路由表。
经过以上步骤，每个传感节点将会建立以网关节点为终点的一跳或者多跳路由。 3.3 基于链路质量数据发送机制LRV
系统中的节点建立整个传输网络之后，初始化变量Sei（k）、Sui（k）和Rai（k）为0；节点周期性采集数据，然后节点根据路由表中的下一跳节点信息传输数据。
在LRV发送方法中，传感节点根据节点路由表中节点的顺序发送数据，依次尝试路由表中的下一跳节点直至把数据成功发送，并且在发送过程中统计路由表中每个候选节点发送数据包的丢包率。
3.4 路由更新方法
由于实际环境的变化，在实际传输链路情况中会出现链路长期不通的情况，在这种情况下，需要及时分辨，并进行路由更新。失效的节点需要重新建立路由，以保证链路的有效性和数据传输的可靠性，从而减少过多的能量消耗。路由更新的判断条件和参数依据已在3.3节中给出，下面将根据参数的变化动态调整路由变化，具体过程如下所示：
在路由更新方法中，参数N和lr分别代表在实际应用环境中设定的发送次数阈值以及丢包率阈值。在实际环境中，链路具有波动性，为了避免频繁切换路由，当发送次数满足一定阈值且丢包率达到一定阈值时才会把该候选节点从节点路由表中移除。同时在路由表中候选节点数目少于2个时则直接对该节点进行路由选择建立的过程。
算法2 路由更新方法
Time to route table update Roi
FOR （k=0； k IF Sei（k）>N
关键词：环境监测；物联网；能量消耗；能量均衡；路由选择；路由更新
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）01-00-03
0 引 言
环境监测物联网系统[1，2]在水体监测、森林监测等领域得到了广泛的使用。该类系统具有如下特点：
（1）物联网系统本身由许多具有数据采集及传输通信能力的传感节点和接入网关构成；
（2）数据传输链路质量受到环境影响，并且链路质量变化具有突发性；
（3）对系统的寿命有要求。为了达到节能的目的，环境监测系统中的传感节点采用资源受限设备，通信能力和计算能力有限。传感节点本身能量消耗低，但由于传感节点所部署的环境传输信号容易受到干扰导致传输失败，而频繁的传输会导致节点能量消耗过快。在实际部署的物联网环境监测系统中，设计合理的路由算法能够在保证数据可靠传输的前提下，降低传感节点的能量消耗并保证传感节点的能量均衡，从而实现延长整个物联网系统寿命的目的。
1 研究背景
通过大量的实际场景实验对数据的接收情况进行了测量分析，表明无线链路具有不确定性，且容易受干扰。实验和相关文献表明，实际部署系统的链路受到多种因素影响。目前的物联网设备大多工作在2.4 GHz频段，在这个频段存在很多干扰信号[3，4]，如802.11网络、微波炉和无绳电话等会干扰节点间的通信。同时物联网环境监测系统部署的环境通信链路受到建筑物遮挡、人流等因素影响，存在链路不稳定的因素。
考虑到以上因素，本文的主要工作是解决传输可靠性并在此前提下实现寿命最大化。实现寿命最大化以保证数据传输可靠性为前提，应从以下两方面着手：
（1）降低系统中每个传感节点的能量消耗；
（2）确保系统中每个传感节点的能量消耗均衡。
文献[5]、文献[6]说明，相比MCU（Micro Controller Unit）和其他模块的能量消耗，节点的能量消耗主要集中在射频模块上。由于节点需要传输数据，而传输失败导致的数据重传以及节点不能尽快进入休眠状态造成了节点能量消耗过大的问题。由于每个节点所处的链路环境和所承担的任务量不同会造成节点的能量消耗不同，从而导致了能量消耗不均衡的现象出现。这种现象在层次网络中表现的尤为突出，在层次网络中越靠近汇聚节点的节点转发任务量越大，能量消耗也越快。
2 研究现状
2.1 可靠传输
在已有的研究工作中针对可靠传输的研究工作主要集中在错误数据包的恢复和数据包重传两方面。
在数据包的恢复过程中，一般采用基于FEC编码[7]的方式，但是该方法需要额外的计算资源甚至硬件资源来识别和修正比特错误，在比特错误率高时，FEC能有效修正比特位错误，但在比特错误率低的场景下，会造成资源浪费，并且添加额外的硬件会导致系统不具有通用性。
在数据包的自动重传过程中，需要考虑实际系统所面临的实际环境因素和系统要求，尽可能减少数据包的重传次数。
2.2 路由算法
在路由算法中有基于地理位置信息的路由GEAR[8]以及LEACH路由协议[9]等。该类路由方法未考虑实际环境中链路的频繁变化以及节点的剩余能量。
3 环境监测系统可靠传输的设计与实现
3.1 系统架构
系统整体架构和网关结构如图1所示，系统由传感节点（包含路由节点，以下无特殊说明均用节点代表）、网关和服务器端组成。其中，网关采用持续供电方式，节点采用电池供电。环境监测架构包括存储单元、处理单元、任务单元和通信单元。
（1）处理单元负责处理节点的计算操作；
（2）任务单元负责管理节点需要完成的任务（路由建立、路由更新等）；
（3）通信单元负责节点和网关通信；
（4）供电单元负责给节点供电，并且能够获取节点的剩余工作电压。
本文用到的参数信息见表1所列。
3.2 基于多参数评估的路由选择方法
在前面研究的背景中已经提到在物联网系统中主要解决能量消耗和能量不均衡两个问题。基于这两点，本文充分结合实际环境中的链路质量因素和节点剩余电量情况选择路由选择算法。路由选择主要包含剩余能量请求，链路质量评估，多参数评估选择链路三个方面。
3.2.1 剩余能量请求
节点报文信息如图2所示。
節点广播剩余能量信息请求报文，收到该报文的邻居节点获取自身的电压信息并发送给源节点。节点根据剩余能量信息选择满足条件的候选邻居节点。
3.2.2 链路质量评估
节点报文信息格式如图3所示。
节点对候选邻居节点单播发送数据包接收率测试包，根据接收率信息统计各节点之间的链路情况。
3.2.3 多参数评估选择链路
节点根据剩余能量信息和数据包接收率信息Prrij进行综合衡量，节点Ni到节点Nj的路由建立综合评价因子如式（1）所示：
在式（1）中，参数和参数根据系统具体的工作环境来选择，需满足0≤ ≤ 1，0≤ ≤ 1。根据Scij的值排序，每个传感节点将建立自身的传输路由表。
经过以上步骤，每个传感节点将会建立以网关节点为终点的一跳或者多跳路由。 3.3 基于链路质量数据发送机制LRV
系统中的节点建立整个传输网络之后，初始化变量Sei（k）、Sui（k）和Rai（k）为0；节点周期性采集数据，然后节点根据路由表中的下一跳节点信息传输数据。
在LRV发送方法中，传感节点根据节点路由表中节点的顺序发送数据，依次尝试路由表中的下一跳节点直至把数据成功发送，并且在发送过程中统计路由表中每个候选节点发送数据包的丢包率。
3.4 路由更新方法
由于实际环境的变化，在实际传输链路情况中会出现链路长期不通的情况，在这种情况下，需要及时分辨，并进行路由更新。失效的节点需要重新建立路由，以保证链路的有效性和数据传输的可靠性，从而减少过多的能量消耗。路由更新的判断条件和参数依据已在3.3节中给出，下面将根据参数的变化动态调整路由变化，具体过程如下所示：
在路由更新方法中，参数N和lr分别代表在实际应用环境中设定的发送次数阈值以及丢包率阈值。在实际环境中，链路具有波动性，为了避免频繁切换路由，当发送次数满足一定阈值且丢包率达到一定阈值时才会把该候选节点从节点路由表中移除。同时在路由表中候选节点数目少于2个时则直接对该节点进行路由选择建立的过程。
算法2 路由更新方法
Time to route table update Roi
FOR （k=0； k