基于物联网的环境监测系统可靠传输机制研究

（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 ：

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。

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。

节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。

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。

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 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。

4 系统实验与性能分析 

利用中科院计算所无线传感网实验室研发的 EZ240[10] 节 点进行实验。在实验室部署 10 个传感节点和一个网关。

系统寿命和节点的能量均衡是衡量路由算法优劣的重要 指标。