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1、 基于簇头冗余的无线传感器网络可靠性研究 冯冬芹 h3,李光辉 u 3,全剑敏 金建祥 h3 (1.浙江大学工业控制技术国家重点实验室，浙江杭州 310027; 2.浙江林学院信息工程学院，浙江杭州 311300; 3.浙江中控技术股份有限公司，浙江杭州 310053) 摘要：为了提高工业无线传感器网络的可靠性和可用性，使其能够长期自治地正常工作，提出了基于簇头冗余的 工业 无线传感器网络分簇路由算法 .当工作簇头能量不足时，将主动切换到冗余簇头工作状态 .冗余簇头通过冗余 测试结果 判断工作簇头是否发生故障并接管工作簇头的数据转发任务 .当边际节点不能与本簇簇头通信时，将利 用备份簇头进 行
2、数据转发 .对于不能与任何簇头直接通信的孤立节点，采用基于概率模型的多跳路由机制进行数 据转发 .为了降低功 耗，该算法将冗余簇头设置为轻度睡眠状态，当冗余测试周期到来时，关闭射频前端器件 .利用 自行研制的节点，组 建了实验系统，完成了簇头冗余切换、边际节点通信和孤立节点路由恢复的实验 .实验结果表 明该分簇路由算法具有 较高的可靠性 . 关键词：无线传感器网络；工业控制；分簇路由；冗余 ;可靠性 中图分类号： TP212 文献标识码 ： A 文章编号： 1008-973X(2009)05-0849-06 Reliability of wireless sensor networks bas
3、ed on redundancy of cluster-heads FENGDong-qin1， 3， LIGuang-hui1， 2,3， QUANJian-min1， JINJian-xiang1， 3 (1. National Laboratory of Industrial Control Technology， Zhejiang University， Hangzhou 310027, China; 2. School of Information Engineerings Zhejiang Forestry University， Hangzhou 311300, China; 3
4、. Zhejiang SUP CON Technology Co. Ltd， Hangzhou 3QQ53， China) Abstract： In order to improve the reliability and availability of industrial wireless sensor network (WSN )9 and to make WSN autonomously work for a long lifetime, a cluster-based routing algorithm for industrial WSN based on the redundan
5、cy of cluster-heads was given. When the master cluster-head has not enough energy or has a failure, the redundant cluster-head can take over the data transmission tasks. The marginal nodes use the backup cluster-head and a multi-cluster access scheme to tolerate the failure of cluster-heads. For the
6、 isolated nodes that cannot communicate with any cluster-head directly, a multi-hop routing technique based on the probability model was put forward to maintain the normal communication. In addition, the presented algorithm sets the redundant cluster-head into the light-weighted sleeping state, and
7、closes the front end radio frequency components when the redundant testing cycle comes so as to reduce the energy consumption. With the presented sensor nodes? an experimental environment was setup and three experiments were implemented, including cluster-head switching, marginal nodes and isolated
8、nodes communication mechanisms. Experimental results showed that the proposed cluster-based routing algorithm has higher reliability than that of the single cluster-head network model. Key words： wireless sensor network； industrial control； cluster-based routing； redundancy； reliability 收稿日期： 2008 -
9、 03 - 12 . 浙江大学学报（ 工学版） 网址： 基金项目：国家自然科学基金资助项目（ 90818010 ); 国家 ” 863 ” 高技术研究发展计划资助项目（ 2006 AA040301 ， 2008 AA04 Z132 ). 作者简介：冯冬芹（ 1968 ），男，江苏泰州人，教授，博士， 主要从事工业以太网、 工业数据通信技术及其标准化研宄 . E- mail： dqfeng ipc. zju. 通讯联系人： 李光辉， 男， 教授， 博士后 . E- mail: 目前，工业控制系统主要依靠有线网络来实现 信息共 享并进行智能决策，这些应用对于网络可靠 性、低延迟、 安全性、实
10、时性等方面有严格的要求 .然 而，有线网络需要 布线和维护，成本很高，使其在应 用时受到许多限制 .与有 线网络相比，无线传感器网 络 (wireless sensor network, WSN)的部署和维护 方便、系统成本相对低廉，其分布式 的智能节点可以 代替操作员控制工业过程，使得工厂管理 更加灵活 . 因此，无线传感器网络在工业控制领域展现出广 阔 的应用前景 15. 为了减少通信次数、降低通信能耗、提高网络的 可扩 展性，从而延长网络生命周期，往往在网络内部 署一些具 备高能量和计算能力的簇头节点，将网络 中的感知节点组 织成簇树的层次化结构 34.感知节 点负责采集工业现场数 据，
11、簇头节点完成对本簇中 数据采集节点的数据进行融 合， 并将结果传送到更 高层次的簇头节点或基站 .目前，无线传 感器网络的 分簇路由算法大体可以分为单层模式和多层模 式两 种类型 .单层模式算法仅对传感器进行一次簇划分，假 设每个簇头节点能够直接与汇聚节点通信 .最具 代 表 性 的 单 层 模 式 算 法 是 LEACH 算法 6 PEGASIS 算法 8 等 .多层模式算法是对传感器节点 进行多层级的簇划分，较 低层簇头成为较高层簇头 的成员节点 .多层模式的典型算法 有 TEEN 算法 9 和能量感知分簇网络算法 1. 如果簇头节点失效，将导致簇中 感知节点采集 的所有 数据丢失，可能对
12、系统的可靠性造成严重影 响 .因此，针对 簇头的可靠性设计对于工业无线应用 非常重要 .本文提出了 一种基于簇头冗余的无线传 感器网络分簇路由算法，在每 个簇中配置 2 个簇头， 当工作簇头发生故障或能量不足时， 将自动切换到 冗余簇头的工作状态 .对于边际节点和孤立节 点，可 以分别使用多族接入和多跳路由机制进行数据转 发， 避免了因链路故障或簇头故障而无法通信 . 1 基 于 簇 头 冗 余 的 分 簇 路 由 算 法 基于分簇路由网络模型进行现场数据传输，可 以有效 地减少无线传感器网络控制系统的复杂性， 加快部署速度， 改善网络的性能（比如可靠性、网络 生存期等 )，使之更好 地满足工
13、业领域的特殊技术要 求 11.然而，在工业现场环境 下，绝大部分传感器节 点是在设备安装时固定到相关设备 上，除了少数节 点在设备运转时有小范围的移动，大多数 节点都是 相对静止的 .因此，以往的分簇路由协议难以满足 实 际的工业应用，必须构造适合工业现场特点的分簇 路 由算法 . 2.1 基于簇头冗余的分簇路由网络模型 定义 1 冗余簇头 （ redundant cluster-head):在 一个簇内，除了正常工作的簇头和簇内成员节点以 外，还 增配一个簇头，称之为冗余簇头 .冗余簇头与 处于工作状态 的簇头的资源配置完全相同 . 定义 2 边际节点 :一个簇内的某些成员节点 , 不仅能够
14、 与本簇簇头节点进行单跳通信，而且处于 其他簇簇头的单 跳通信距离范围之内，称这类成员 节点为边际节点 . 定义 3 孤立节点：如果某个成员节点不能与 本簇簇头 节点单跳通信，但又不是边际节点，则称这 类节点为孤立 节点，简称孤点 . 本文提出的基于簇头冗余的分簇路由网络模型 如图 1 所示 .网络中所有的传感器节点根据 计算能 力、存储容量、 通信能力以及节点位置等预先配置成 不同的簇，毎个簇头 均配置相应的冗金簇头 .由于簇 头的冗余设置，在网络中路 由控制信息包的数量有 所增加的同时，增加了网络中成员 节点的协议功能 的复杂性 .但与单簇头的网络模型相比，新 的模型增 加了网络中成员节点
15、数据信息接入有效路径条数， 提高了数据成功转发至网关的概率，能够满足工业 现场对 稳定性和可靠性的要求 . 图 1 基于簇头冗余的分簇路由网络模型 Fig. 1 Cluster-based routing network model based on redundancy of cluster-heads 2.2 基于簇头冗余的分簇路由算法 首先作如下假设 :整个网络中的节点都是经过 预先配 置的；每个簇头节点都配置了自己的簇号 (ClusterlD)，而 且留有一定存储空间用于存储路由 表，冗余簇头与工作簇 头具有相同的 ClusterlD，但 节点 ID 不同 ;成员节点配置了 所属簇的
16、ClsuterlD, 同样留有一定存储空间用于存储特殊 传输路径的路 由表，比如冗余簇头的 ClusterlD、孤点多跳路由表 等 ; 在一个簇内，有 2 个簇头节点和一般采样节点； 非簇头节 点统称为成员节点 . 边际节点在组网之初，处理一切收到的组簇报 文 (组 簇报文都是以广播形式发送 )，将本簇簇头设 置为工作簇头， 将能够单跳通信的其他簇簇头作为 备份转发簇头 (注意与冗 余簇 头的区别） .当所配置 的簇头失效时 (发生故障或射频 环境变化 )，边际节 点将启用备份簇头进行数据转发 .当某 个节点被判 定为孤点时，将触发多跳路由机制，选择一个 与其相 邻的成员节点作为路由器进行数据
17、转发 . 2.2 1 簇 头 节 点 的 冗 余 切 换 机 制 工 作 簇 头 (master cluster-head)在数据转发周期 Ti 时，周期性地转发 成员节 点采样数据和发送组簇请求报文 CB_Req 并 监测自身能量 状态，当能量低于某一阈值时，启动冗 余簇头切换 .同成员 节点类似，在无线事件触发 时， 对报文类型进行判断，进 入相应的协议处理机制 .当 工作簇头的能量低于某一阈值 时，触发冗余切换机 制 .当工作簇头不是能量过低，而是发 生软硬件故障 时，可能不会触发切换机制 .这时冗余族头将 会根据 冗余状态测试结果主动接管网络 .工作簇头程序流 程如图 2 所 7K.
18、图 2 工作簇头程序流程 Fig. 2 Procedure of master cluster-head 冗 余 簇头 的 任务 比 较简 单 ，只 需 要一 个 周期事 件 触 发 任务 ， 即 在 一定 周 期时 间 内 ， 按 一 定规 则 周期 性 地 向 工 作 簇 头 发 送 冗 余 状 态 测 试 报 文 Redun Test_ Req， 若 不 能 正 常 收到 ACK 确 认 帧 ， 则 将 故障 标 志 变量 FaultCnt 加 1. 当 FaultCnt 的 值 大于 某 一 给 定 阈 倌 maxFaultNum 时 ， 认 为 工 作 簾 头 有 故障 ， 并 触
19、发 冗 余 切 换 机 制， 主 动 接 管 工 作 簇 头 的 任务 .冗 余 簇 头 程 序 流 程 如 图 3 所 示 .在 冗 余 状 态 测 试 周 期 r2 没 到 时 ，关 闭 射频 收 发器 ， 进入 轻 度睡 眠 状 态 . 2.2 2 边 际 节 点 通 信 机 制 根 据 数 据 接 入 方 式 的 不 同 ， 成 员 节点有 3 种 工 作状态 :正 常 状态 （ 即 采 用 本 簇 簇头 进 行 数 据 转发 的 状态 ） 、备 份 簇头 工 作状态 图 3 冗余簇头程序流程 Fig. 3 Procedure of redundant cluster-head 以及孤
20、点工作状态 .当成员节点采样数据的发送失 败次数达 到某一阈值 maxFailNum时，进行状态切 换 .若是边际节点， 则切换成备份簇头接入状态，否 则 进 入 孤 点 状 态 . 图 4 描 述 了 成 员 节 点 的 3 种 状 态 之间的切换过程 .当收到组 簇或路由更新报文时，成 员节点会从备份簇头工作状态或 孤 点工作状态切换 为正常状态 . 图 4 成员节点的工作状态转移关系 Fig.4 State transition graph of client nodes 边际节点在组网之初，除了接收到自身配置的 簇头节 点的组簇请求 CB_Req 之外，还会收到其他 的非配置簇头 节点
21、的 CB_Req.当出现配置簇头通 信故障时，可以使用备 份簇头切换，使得边际节点的 采样数据能够 继续转发 .在备 份簇头切换完成后， 清 除 CB_Req 报文接收标志符为 False, 以 便 在 接 收 到 周期性组簇报文后，能够脱离备份 簇头接入状态，转 换成正常工作状态 . 2.2 3 孤 点 通 信 机 制 对 于 孤 点 ， 由 于 不 能 与 任 何 簇 头单跳通信，必须启动孤点多跳通信机制 .孤点首 先发送一 个多跳接入请求报文 MultiHop_Req 到所 有邻居成员节点 . 因为该孤点的邻居节点可能有多 个，在选择多跳路由节点 时，需要一个抉择机制来选 出这个节点，本
22、文提出了一种基于概率模型的路由 选择机 制 . 参考 Shah 等人 12提出的路由方法，孤点在发 送多跳 接入请求报文 MultiHop_Req 后，在一段延 迟 时 间 内 ， 收 到 一 些 邻 居 的 响 应 包 . 假 定 在 每 个 MAC 帧 中 包 含 一 个 接 收 信 号 强 度 指 示 （ received signal strength 决定是否将节点设置于休眠状态 .若保持运行状态 且 下 一 事 件 在 时 间 & vent 内发生，则运行状态消耗的 总 能 量 五 active = 尸 active avent 6 ) .若 将 节 点 切 换 到 休 眠状态，假
23、设 切 换 时间为 Td_， 如 果这 阶 段的 平 均功 耗为 CP active+P sleep )/2,那么保持功耗尸 Sleep 直到 fevent 消耗的能量为 indicator， RSSI)的子域 .使用 RSSI 作为路由节点的抉择权 值，设需要从节点 ， h 中选择出目标对 象 h，具体算法如 下 . down active I P sleep ) / 2 从而，节省的能量为 五 saved (,event t )Pactive (event t down ) Psleep Tdown (尸 active I Psleep )/2 I 1) 计算节点成为目标对象的概率 :设选
24、择 F,作 为 抉 择 结 果 的 概 率 为 令 P, = (1) 式中 :凡表示节点的射频强度 “ =1， 2, 2) 分配权值区间：根据计算的 P, 值 , 计 算 出 节 点 R 所分配的权值区间为 (,event 11 down ) Psleep 若有事件处理，在处理事件前需要的额外功耗为 -overhead -up CP active I P sleep ) / 2 . 当恢复运行状态时，状态切换期间将会产生额 外功耗 . 显然，只有当五 overheaddved 时，切换到休眠 状态才有意 义 .由此得到 P active 1 P sleep Li = f Pj , Pi + P
25、 j | (2) event 2 P active P sleep oip 3) 抉择目标对象 :产生随机数 a (0 0 )，根据 a 值，选择符合 a eZ/ 的 节 点 作 为 目 标 对 象 . 3 冗 余 簇 头 的 功 耗 分 析 无线传感器节点功耗的主体是控制器和射频前 端，存 储器只占了一小部分，且与传感器的类型有关 . 在能量有限 的情况下，应该尽可能降低工作能耗 . 处于冗余状态的簇头节点，在大部分时间内处 于空闲 状态，必须根据具体工作来确定其工作状态， 周期性地休 眠、唤醒节点 .对于控制器，典型的状态 为 “ 运行 ” 、 “ 空闲 ” 、 “ 休眠 ” ;对于无线射
26、频前端，可以 调节接收发射机的状态 .对 于休眠态，同样存在多 级 .通常认为，休眠态越深，则需要 消耗越多的时间 和能量才能唤醒并恢复到工作状态（或其 他浅休眠 状态） .因此，即使从功耗方面考虑，保持工作状 态也 比进入深度睡眠 状态有益 .利用一个较常采用的模 型 13来说明，如图 5 所示 . 在时间？ 1， 为减少功耗（从 Pactive 到尸 sleep )， 必须 图 5 休眠模式节省的能源和额外功耗 Fig. 5 Energy saving and consumption in sleeping mode 通过上述分析，有必要将冗余簇头节点设置为 休眠状 态，但仅将其设置为轻度
27、休眠状 态 .在冗余测 试周期 h 到来 之前，关闭射频前端收发器件 . 4 实 验 结 果 及 分 析 4.1 测试方案 设计开发了面向工业应用的无线传感器节点和 网关， 并实现了上述路由算法 .用于实验的无线传感 器 网 络 由 2 个 簇 组 成 ，每 个 簇 包 括 2 个 簇 头 和 3 个 成员节点，共 10 个现场节点 .成员节点的采样周期 为 1 s，采样数据为软 件模拟的信号，如方波、三角波 等 .测试平台不支持簇间通 信 .现场采样数据包为 10 字节 (不包括 MAC 帧头及帧尾 ). 所有的节点在网络 中的位置固定 .2 个簇头与计算机串口直 接相连 .根 据实验测试内
28、容的变化而改变串口的连接方式， 例 如，当测试簇头冗余切换功能时，串口分别连接同一 簇 的工作簇头与冗余簇头 ;而当测试备份簇头切换功 能时，串 口分别连接 2 个簇的工作簇头 .然后利用 NI 公司的 LabView 软件进行串口数据处理 .图 6 所示为 用于实验的分簇网络拓 扑结构示意图 . 4.2 簇头冗余切换测试 分别将 2 个簇的工作簇头与计算机串口连接 .然 后给网 络各节点上电，进行组网操作 .图 7 所示为当 网络正常接入 时 2 个簇头 接收到的采样数据波形 . 当网络的工作簇头能量低于某一阈值时，将触 发簇头 冗余切换 ;或者冗余节点经过几次冗余测试 后，发现簇头发 生故
29、障，将直接接替网络并进行相应 图 6 实 验 网 络 拓 扑 结 构 图 Fig. 6 Topological graph of experimental network 图 7 节 点 正 常 接 入 的 数 据 采 样 波 形 Fig. 7 Normal waveform of nodes data 设置 .本文仅完成了第一种情况的测试实验 .图 8 给 出 了 利 用 簇 头 冗 余 切 换 机 制 所 得 到 的 数 据 采 样 波 形 .可以看 到，在第 24 s，冗余簇头成功地接替工作 簇头，完成各成 员节点的数据转发任务 . 图 8 冗余簇头切换前后数据采样波形 Fig. 8 W
30、aveform comparison of before/after redundant cluster-head and master cluster-head switching 4 . 3 边 际 节 点 切 换 测 试 为了保证某些边际节点的采样数据能够顺利到 达网关节点，必须使用备份簇头切换机制 .当边际节 点与转发簇头通信失败的次数达到规定的阈值时，边 际节点将使用备份 簇头进行数据转发 .图 9 给出了节 点 NodeO 使用冗余簇头切换前后的数据采样结果 .在 第 22 s,通过人为地加入障碍，使 NodeO 节点无法与 本簇簇头及其冗余簇头通信 .NodeO 能够在很短的时
31、间内启用冗余簇头进行数据转发，保持了正常通信 . 图 9 备份簇头切换前后数据采样波形 Fig. 9 Waveform comparison of before/after master cluster-head and backup cluster-head switching 4 . 4 孤 点 的 路 由 恢 复 测 试 孤点切换机制与边际节点切换机制的触发情形 相同 . 然而，孤点没有备份簇头，只能采用多跳路由 接入的方式 来保证自己的采样数据有效接入 .由于 在网络组网后，既要 产生孤点，又要有 2 个以上（可 以验证抉择机制 )成员节点 作为该孤点的多跳路由， 在实际的实验中比较困
32、难 .本文仅 完成从孤点恢复 到正常路由的路由恢复实验 .首先让某个节 点用正 常路由数据接入，然后移动该节点，使之成为孤点， 但没有成员节点作为多跳接入 .经过一段时间，移动 到在某 个簇头通信范围内的区域 .在接收到周期的 组簇报文后，孤 点将切换回原来的簇路由 .图 10 所 示为节点从孤点状态切 换成备份簇头接入状态的测 试结果 .NodeO 首先利用冗余 簇头进行正常的数据 通信，随后被移动位置成为孤点， 但 是在第 22 s，又 被移动到工作簇头的通信范围内，从而启 用工作簇 头进行数据转发 . 图 10 孤点切换机制测试结果 Fig. 10 Testing result of i
33、solated node s switching 5 结 语 本文提出了一种基于蔟头冗余的分簇路由网络 模型， 以及相应的簇头冗余切换机制、边际节点切换 机制和孤点 多跳接入机制 .理论分析与测试结果表 明，提出的分簇网络 模型和路由算法较好地实现了预 期的功能目标，有效地提 高了无线传感器网络的可靠 性，能够适应工业领域的特殊 要求 .由于 本文算法重 点在于提高网络的可靠性，今后还要 进一步完善路由 协议，以提高无线传感器网络的实时性和 稳定性 . 参考文献 (References): 1 WILLING A, MATHEUS K, WOL1SZ A. Wireless technolog
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