基于GA-PSO算法的ZigBee自组网最佳路由选择
ZigBee自组网地址分配与路由协议技术详解
如果需要从一个节点向另一个节点发送数据，那么信息将沿着树的路径向上传递到最近的祖先节 点然后再向下传递到目标节点。 这种拓扑方式的缺点就是信息只有唯一的路由通道。另外信息的路由是由协议栈层处理的，整个 的路由过程对于应用层是完全透明的
如果一个设备 Cskip(d)的值为 0，则没有路由能力，该设备为终端设备； 如果一个设备 Cskip(d)的值大于 0，则有路由能力，该设备为路由器设备。 网络中分配地址为（n 为当前分配节点个数） 终端：An=Ak+1+Cskip(d)*(n-1) 路由器：An=Ak+Cskip(d)*Rm*(n-1); 下一个路由器设备分配地址为前一个已分配路由器地址加 Cskip 偏移量 CurNodeInfo.NextRouterAddr+ = CurNodeInfo.Cskip; 下一个要分配的终端设备地址为前一个已知分配地址+1 CurNodeInfo.NextEndDevAddr++;
ZigBee 树状路由机制
假设一个路由器要发送数据包到目标地址 D。这个路由器的网络地址个网络深度为 A 和 d。它 首先会判断目标地址设备是否是它的子设备，应当满足： A < D < A+Cskip(d-1) 如果目标设备是它的子设备，下一跳地址就是
否则，路由器将此数据包发向它的父节点。
通常在支持网状网络的实现上，网络层会提供相应的路由探索功能，这一特性使得网络层可以找 到信息传输的最优化的路径。需要注意的是，以上所提到的特性都是由网络层来实现，应用层不 需要进行任何的参与。 网状网络拓扑结构的网络具有强大的功能，网络可以通过“多级跳”的方式来通信；该拓扑结构 还可以组成极为复杂的网络；网络还具备自组织、自愈功能；
ZIGBEE配置与组网
3.2.1.2 Zigbee组网类型及特点 星型、网格状、簇状
共有三种基本组网结 构
Star Network Mesh Network Mesh-Tree
Network
3.2 ZIGBEE配置与组网
3.2.1 Zigbee组网类型及特点 3.2.2 ZIGBEE模块配置
3Hale Waihona Puke 2.2.1组网基础知识 3.2.2.2星型网组网实验
3.2.2.2星型网组网实验
所需器材 烧入内容 烧入过程 组网实验
所需器材
所需节点
1个协调器，2个终端节点
其它
串口线、仿真器、相关软件等
烧入内容
组网配置内容
Channel: PANID: IEEE address 烧入节点程序 hex文件
协调器配置
Channel: 13 PANID: 3001 IEEE address: 00 00 00 00 00 00 01 04
ZigB ee路由节点
ZigBee路由节点(ZigBeeRouter,ZR)也必 须是FFD。
ZigBee路由节点可以参与路由发现、消息 转发，通过连接别的节点来扩展网络的覆盖 范围等。
ZigBee终端节点
ZigBee终端节点(ZigBeeEndDevice，ZE) 可以是全功能节点FFD或者精简功能设备 RFD（ ReducedFunctionDevice,RFD ），它通过ZigBee 协凋点或者ZigBee路由节点连接到网络， 但不允许其他任何节点通过它加入网络， ZigBee终端节点能够以非常低的功率运行。
烧入过程
仿真器连接协调器节点
将仿真器排线插入协调器对应插槽 将仿真器USB口插入电脑USB口
首先烧入节点IEEE地址
ZigBee结合GPRS的无线自组网的数据传输系统
PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION Vol.33No.7July 2012中央高校科研资金资助项目（编号：JUSRP20914、JUDCF10031）。
修改稿收到日期：2011－07－07。
第一作者耿鹏（1986－），男，现为江南大学电子工程系在读硕士研究生；主要从事无线通信方面的研究。
ZigBee 结合GPRS 的无线自组网的数据传输系统Wireless ad hoc Network Data Transmission SystemBased on Combination of ZigBee and GPRS耿鹏1戴欢1何磊2顾晓峰1（轻工过程先进控制教育部重点实验室江南大学电子工程系1，江苏无锡214122；中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所2，江苏苏州215123）摘要：为解决数据通过无线自组网远距离传输所存在的问题，设计了ZigBee 结合GPRS 的数据传输系统。
介绍了系统的硬件架构以及终端通过路由转发数据的过程，同时对终端节点发送、路由转发及数据上报到网关等环节进行了软件设计；最后对系统运行进行了测试。
测试结果显示，数据可以稳定地从终端节点传输到服务器端，系统有效地实现了数据在无线自组网中的远程传输。
关键词：ZigBeeGPRS无线自组网数据传输系统网关路由终端节点中图分类号：TN99文献标志码：AAbstract ：To solve the problems existing in remote data transmission through wireless ad hoc network ，the data transmission system combining ZigBee with GPRS is designed．The system hardware framework and the process of transferring data through router for terminal are introduced ，in addition ，the software design for several segments are carried out ，e．g．terminal node transmit ，route transferring and the reporting of data to the gateway ；finally ，the system operation is tested．The test result shows that data can be stably transmitted from terminal node to the server and the system implements the remote transmission of data on wireless ad hoc network effectively．Keywords ：ZigBeeGPRSWireless ad hoc networkData transmission systemGateway routeTerminal node0引言工农业领域的工作环境通常比较恶劣，需要数据采集或监控的网络节点多，且要求设备成本低、数据传输可靠性高［1］。
zigbee组网方案
zigbee组网方案Zigbee组网方案简介Zigbee是一种低功耗、近距离的无线通信技术，主要应用于物联网领域。
它基于IEEE 802.15.4标准，通过无线信号传输数据，可以实现设备之间的互联和通信。
本文将介绍Zigbee组网的原理以及常见的组网方案。
Zigbee组网原理Zigbee组网主要由三个组成部分组成：协调器（Coordinator），路由器（Router）和终端设备（End Device）。
协调器是整个网络的中心，负责管理和控制整个网络，并在必要时与外部网络通信。
路由器可以通过多跳方式将数据传输到不同的节点，终端设备是网络中的终端节点，主要用于数据的采集和传输。
Zigbee网络采用星状拓扑结构，协调器位于网络的中心，路由器和终端设备通过与协调器的连接来建立网状拓扑结构。
这种结构可以保证网络的稳定性和可靠性。
组网过程中，首先需要进行网络的初始化和配置。
协调器将会发出一个网络启动信号，其他设备在接收到信号后可以加入已有网络或创建一个新的网络。
随后，设备会通过Zigbee的网络协议进行数据的传输和交换。
协议包括了设备之间的通信规则、数据的格式和传输的方式。
Zigbee组网方案Zigbee组网方案有两种常见的方式：单主结构和多主结构。
单主结构在单主结构中，只有一个协调器作为网络的中心，其他设备通过与协调器的连接来进行通信。
这种结构的优点是简单和易于部署，适用于规模较小的网络。
然而，由于只有一个协调器，整个网络的稳定性和可靠性会受到限制。
多主结构多主结构中，可以有多个协调器作为网络的中心。
这种结构的优点是能够提供更高的灵活性和可扩展性，并且可以实现区域之间的连接和通信。
每个协调器都可以管理一部分设备和节点，通过多跳方式实现数据的传输。
然而，多主结构的部署和管理相对复杂，需要更多的设备和资源。
Zigbee网络拓扑结构除了单主结构和多主结构之外，Zigbee还支持多种拓扑结构，包括星状、网状、树状和混合结构。
基于ZigBee的无线通信组网设计
基于ZigBee的无线通信组网设计一、ZigBee协议栈ZigBee协议栈是ZigBee通信协议的基础，由物理层、MAC层、网络层和应用层组成。
物理层定义了无线信道的调制、频率和功率等参数；MAC层负责数据的传输和接收，实现了信道共享和帧格式的定义；网络层处理路由选择和网络拓扑结构的管理；应用层实现了不同应用的数据处理和交互。
这些层次的协议组成了整个ZigBee协议栈，为ZigBee的无线通信提供了可靠的基础。
二、网络拓扑结构ZigBee的网络拓扑结构包括星型、网状和混合型等几种形式。
星型拓扑结构适用于简单的小范围通信，一个集中控制器连接多个设备；网状拓扑结构适用于大范围通信和设备密集的场景，任意两个设备之间都可以通过中继节点进行通信；混合型拓扑结构将星型和网状结合起来，适用于较大规模和多样化的应用场景。
不同的网络拓扑结构适用于不同的场景和需求，设计者可以根据实际情况选择合适的网络结构。
三、节点类型ZigBee网络中的节点主要分为协调器、路由器和终端设备三种类型。
协调器是网络中的主节点，负责网络的组建和管理；路由器用于数据的中继和转发，拥有一定的计算和存储能力；终端设备是网络中的终端节点，通常功耗较低，只负责数据的采集和传输。
这三种节点类型相互配合，形成了稳定的通信网络。
四、通信机制ZigBee的通信机制主要包括数据传输、路由选择和能耗管理等方面。
数据传输采用了低功耗的无线通信技术，使用低频率和短数据包进行数据的传输；路由选择采用了基于跳数的路由协议，实现了快速且稳定的数据传输；能耗管理采用了低功耗的设计，通过睡眠模式和功耗优化实现了长时间的运行。
这些通信机制使得ZigBee具有了良好的稳定性和低功耗的特点。
基于ZigBee的无线通信组网设计是一项复杂而重要的工作。
设计者需要根据实际应用场景和需求，选取合适的ZigBee协议栈、网络拓扑结构、节点类型和通信机制，才能设计出稳定、高效、低功耗的无线通信系统。
基于Zig Bee组网的通信组合技术与路由协议算法的优化
基于Zig Bee组网的通信组合技术与路由协议算法的优化杨军1李丹2魏斌3张飞朋41大庆油田设计院有限公司2中国石油天然气管道工程有限公司3华北油田公司物资分公司第二供应业务部4中国石油新疆油田分公司采油二厂摘要：随着智慧油田的建设，油田数字化快速发展，油田地区基本实现生产数据的自动化采集、存储和分析。
某煤层气田大部分井处于山腰或山间，存在GPRS信号不稳定、井组设备成本比较高、数据传输存在失效性和时延性等问题。
通过使用Zig Bee协调器与终端建立网络通信，再通过位置灵活性强的GPRS模块传出数据；将现有的Cluster-Tree路由算法的Zig Bee协议与AODVjr算法结合优化，以降低数据传输的失效性和时延性。
对两种算法和优化后的算法进行直观的仿真模型比较，结果表明:算法优化后，在保证节约电池能量的同时，失效性和时延时间问题得到了很大的改善。
关键词：通信组合；路由算法；Zig Bee；失效性；时延性；优化Communication Combination Technology and Optimization of Routing Protocol Algo⁃rithm Based on Zig Bee NetworkYANG Jun1，LI Dan2，WEI Bin3，ZHANG Feipeng41Daqing Oilfield Design Institute Co.，Ltd.2China Petroleum Pipeline Engineering Co.，Ltd.3The Second Supply Business Department of Material Branch of Huabei Oilfield Company4No.2Oil Production Plant of Xinjiang Oilfield Company，CNPCAbstract：With the construction of smart oil fields and the rapid development of oilfield digitaliza-tion，automatic collection，storage and analysis of production data are basically realized in oil fields.Most of the wells in a coalbed methane field are located on the mountainside or between the moun-tains，so there are some problems，such as unstable GPRS signal，relatively high cost of well group equipment，failure and time-ductility of data transmission.By using Zig Bee coordinator to establish network communication with the terminal，and then through the GPRS module with high position flexibility to transmit data，the Zig Bee protocol of the existing Cluster-Tree routing algorithm is com-bined with AODVjr algorithm to optimize the algorithm to reduce the data transmission failure and time ductility.The two algorithms and the optimized algorithm are intuitionistic compared with the simula-tion model.The results show that the optimized algorithm can not only save the battery energy，but al-so improve the failure and time ductility.Keywords：communication combination；routing algorithm；Zig Bee；failure；time-ductility；op-timization随着油田自动化、数字化的快速发展，对油田建设相配套的网络和通信技术要求越来越高，特别是山间、野外现场集中的油水井数据采集，存在通信信号不稳定等问题。
基于通信代价的Zigbee网状网络路由选择算法
（ 辽 宁工程技术大学 电子与信 息工程学院，辽宁 葫芦岛 １ ２ ５ １ ０ ５ ）
摘 要 ：针 对 Ｚ ｉ ｇ ｂ ｅ ｅ网状 网络 Ａ０ Ｄ Ｖｊ ｒ 路 由算法在路 由发现过程 中引起的节 点能耗不均衡 问题 ，提 出了一种通过 有效选择 转发 节点 ，动态建立通信路径的路 由选择算 法。该 算法在 定义通信代 价函数 的基础 上 ，通过 限定邻居前 区集合 来确定待选 节点集，并综合 考虑待选节点的剩余能量 以及待选 节点转发数据 至下一跳 的 能量损 耗 ，选择 具有最 小通信 代价 的节点转发 数据 ，尽 可能的减小节点在路 由发现过 程 中所 引起 的 不必要 的 能量损耗 。仿 真 结果表 明 ，该 算法 能够有 效地 均衡 节点能
ｒ ｏ ｕ ｔ ｉ ｎ ｇ ａ ｌ ｇ ｏ ｒ ｉ ｔ ｈ ｍ ，ａ ｒ ｏ ｕ ｔ ｉ ｎ ｇ ａ ｌ ｇ ｏ ｒ ｉ ｔ ｈ ｍ ｗｈ ｉ ｃ ｈ ｃ ａ ｎ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｌ ｙ ｓ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｔ ｈ ｅ ｆ ｏ ｒ ｗａ ｒ ｄ ｎ ｏ ｄ ｅ ａ ｎ ｄ ｄ ｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ ａ ｌ ｌ ｙ ｅ ｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｉ ｓ ｈ ｃ ｏ ｍｍｕ ｎ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐ ａ ｔ ｈ ｓ ｉ ｓ ｐ ｒ ｏ ｐ ｏ ｓ ｅ ｄ ．Ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｂ ａ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ｃ ｏ ｍｍｕ ｎ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ｏ ｓ ｔ ，ｔ ｈ ｒ ｏ ｕ ｇ ｈ ｔ ｈ ｅ ｆ ｏ ｒ ｍｅ ｒ ａ ｒ ｅ ａ ｏ ｆ ｎ ｅ ｉ ｇ ｈ ｂ ｏ ｒ ｓ ｔ ｏ ｄ ｅ ｔ ｅ ｒ ｍｉ ｎ ｅ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｏ ｆ ｍａ ｔ ｃ — ｈ ｉ ｎ ｇ ｎ ｏ ｄ ｅ ｓ ，ｃ ｏ ｍｐ ｒ ｅ ｈ ｅ ｎ ｓ ｉ ｖ ｅ ｃ ｏ ｎ ｓ ｉ ｄ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｉ ｄ ｕ ａ ｌ ｅ ｎ ｅ ｒ ｇ ｙ ｏ ｆ ｃ ａ ｎ ｄ ｉ ｄ ａ ｔ ｅ ｎ ｏ ｄ ｅ ｓ ，ｔ ｈ ｅ ｅ ｎ ｅ ｒ ｇ ｙ ｃ ｏ ｎ ｓ ｕ ｍｐ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｃ ａ ｎ ｄ ｉ ｄ ａ ｔ ｅ ｎ ｏ ｄ ｅ ｓ ｆ ｏ ｒ ｗａ ｒ ｄ ｄ ａ ｔ ａ ｔ Ｏ ｔ ｈ ｅ ｎ ｅ ｘ ｔ ｈ ｏ ｐ ，ｔ ｈ ｅ ｍｉ ｎ ｉ ｍｕ ｍ ｃ ｏ ｍｍｕ ｎ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ｏ ｓ ｔ ｏ ｆ ｎ ｏ ｄ ｅ ｉ Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｓ ｅ ｎ ｔ Ｏ ｆ ｏ ｒ ｗａ ｒ ｄ ｄ ａ ｔ ａ ａ ｎ ｄ ｔ ｏ ｒ ｅ ｄ ｕ ｃ ｅ ｔ ｈ ｅ ｕ ｎ ｎ ｅ ｃ ｅ ｓ ｓ ａ ｒ ｙ ｌ ｏ ｓ ｓ ｏ ｆ ｅ ｎ ｅ ｒ ｇ ｙ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｏ ｆ ｒ ｏ ｕ ｔ ｅ ｄ ｉ ｓ ｃ ｏ ｖ ｅ ｒ ｙ ．Ｔｈ ｅ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｉ ｎ ｄ ｉ ｃ ａ ｔ ｅ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ａ ｌ ｇ ｏ ｒ ｉ ｔ ｈ ｍ ｃ ａ ｎ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｌ ｙ ｂ ａ ｌ ａ ｎ ｃ ｅ ｎ ｏ ｄ ｅ
基于ZigBee的无线通信组网设计
基于ZigBee的无线通信组网设计一、引言随着无线通信技术的飞速发展，基于ZigBee的无线通信组网技术正逐渐成为物联网和智能家居等领域的主流技术之一。
ZigBee技术具有低功耗、低成本、自组织网络等特点，适用于各种环境下的无线通信场景。
本文将着重介绍基于ZigBee的无线通信组网设计，包括ZigBee技术的优势、组网原理、网络拓扑结构和网络层次设计等内容，旨在帮助读者更好地理解和应用ZigBee技术。
二、ZigBee技术的优势1. 低功耗：ZigBee技术采用低功耗的设计，可实现长时间的无线通信，适用于电池供电设备和需要长时间运行的场景。
2. 低成本：ZigBee技术的硬件成本低廉，同时其标准化的设计和生态系统，降低了开发和维护成本，适合小范围和大规模的部署。
3. 自组织网络：ZigBee网络具有自组织、自修复的特点，可以实现相对稳定的通信环境和优良的网络覆盖范围。
4. 低数据传输速率：ZigBee技术适合传输低速数据，可以满足物联网和智能家居等领域对数据传输的需求。
5. 安全性和稳定性：ZigBee技术支持AES 128位加密算法，能够保障数据的安全传输；同时其频率稳定性高，受干扰能力强，保障了通信的稳定性。
三、ZigBee组网原理ZigBee组网使用的是无主从多路访问（CSMA/CA）协议，采用层级式的网络结构，实现了设备之间的自组织和自修复。
ZigBee网络中包含三种设备类型：协调器（Coordinator）、路由器（Router）和端设备（End Device），它们分别具有不同的功能和位置。
1. 协调器（Coordinator）：是ZigBee网络的核心，负责协调整个网络的组网和安全管理等工作，每个ZigBee网络中只能有一个协调器。
2. 路由器（Router）：负责数据的中继和转发，增强了网络的覆盖范围和稳定性，可以支持更多的端设备连接。
3. 端设备（End Device）：是网络中的最终节点，可以连接到路由器或者协调器，负责数据的采集和传输等工作。
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基于GA-PSO算法的ZigBee自组网最佳路由选择王飞;王能河;张琼英;瞿少成;颜炯【摘要】为进一步提高ZigBee自组网的网络性能,对ZigBee自组网和路由算法两方面进行研究.利用ZigBee技术构建网络,在路由路径更新时综合考虑网络节点能量均衡和收敛速度,采用改进遗传算法搜索到全局较优解,并利用粒子群优化算法从中快速找到最优解的最佳路由路径.基于NS2的仿真结果表明,与经典AODVjr 路由算法和基于遗传算法的路由算法相比,混合遗传粒子群优化算法可延长网络的生命周期,减小网络延时,提高ZigBee网络的整体性能,更适合规模较大的复杂网络.%To further improve the networking capability of ZigBee Ad Hoc network,this paper researches ZigBee Ad Hoc network and its route algorithms.Firstly,a network is created by the ZigBee technology.Then,the energy balance of network nodes and the convergence rate are taken into account when the network updates its routing path.Finally,an improved Genetic Algorithm(GA) is applied to search the global better solution,and a Particle Swarm Optimization(PSO) algorithm is adapted to quickly search the global optimal solution.Simulation results in NS2 show the superiority of GA-PSO algorithm in network lifetime and propagation delay by comparing with traditional AODVjr route algorithm and the route algorithm based on GA.It is more suitable for the larger complex network.【期刊名称】《计算机工程》【年(卷),期】2017(043)007【总页数】5页(P75-79)【关键词】ZigBee自组网;物联网;遗传算法;最佳路由;粒子群优化算法【作者】王飞;王能河;张琼英;瞿少成;颜炯【作者单位】华中师范大学物理科学与技术学院电信系,武汉430079;华中师范大学物理科学与技术学院电信系,武汉430079;华中师范大学物理科学与技术学院电信系,武汉430079;华中师范大学物理科学与技术学院电信系,武汉430079;国网湖北省电力公司经济技术研究院,武汉 430077【正文语种】中文【中图分类】TP393中文引用格式：王飞,王能河,张琼英,等.基于GA-PSO算法的ZigBee自组网最佳路由选择[J].计算机工程,2017,43(7):75-79.英文引用格式： Wang Fei,Wang Nenghe,Zhang Qiongying,et al.Optimal Routing Selection in ZigBee Ad Hoc Network Based on GA-PSO Algorithm[J].Computer Engineering,2017,43(7):75-79.随着“互联网+”行动计划的开展,物联网的作用也越来越被重视,该领域中无线传感器网络逐渐成为研究的热点和发展趋势,而ZigBee技术以其强大的自组网能力及低功耗、低时延等显著优势,被广泛地应用于物联网中,实现万物联网,这对智能家居和未来加强城市规划建设管理“推广街区制,逐步打开封闭小区和单位大院”后的安防也将发挥重大作用[1]。
路由算法是复杂网络中的关键技术之一,其中ZigBee无线传感器网络支持的经典路由算法有Cluster-Tree算法和AODVjr算法。
针对节点收发消息损耗能量问题,文献[2]利用CLUSTERPOW协议并根据节点传输距离的不同,分为3种等级功率来处理,每个节点分别为3个功率等级维护一个路由列表,从而实现节点能量的均衡。
为减缓网络中节点死亡速度,文献[3]采用一种基于负载均衡的ZigBee动态路由优化算法,通过定向发送RREQ分组减少网络风暴,设定能耗平衡代价,利用簇保护机制延长了网络的生存时间。
针对节点负载不均而产生的问题,文献[4]综合考虑距离和剩余能量2个因素,为减少节点转发的任务,提出将网络动态非均匀分区的分布式成簇路由协议。
为进一步提高ZigBee自组网的网络性能,本文在上述研究的基础上,采用分区成簇协议、簇首竞争轮换机制和适合复杂网络的路由算法,使ZigBee技术可适用于较大的复杂网络。
通过综合考虑网络节点能量均衡和收敛速度2个方面因素[5],在组网中选用层次型路由,引入邻居表,根据对网络节点剩余能量和所处网络深度的判断,实行簇首竞争轮换机制。
在通信过程中,若路由表没有最佳路由,则利用遗传算法[6]的全局搜索能力,在所有链路中找到较优解,通过收敛速度快的粒子群算法对其进行优化[7],从而在簇内节点间通信与簇首间通信时快速找到最佳路由路径。
本文利用CC2530射频主控芯片搭建ZigBee网络的硬件电路,采用TI公司的Z-Stack协议栈,主要操作网络层、应用支持子层、ZDO层、应用层,实现ZigBee网络的初始化、组建网络、节点加入管理等,构成ZigBee自组网[8]。
具体工作流程如图1所示。
在构建ZigBee自组网时,将协调器的地址设置为0000,式(1)表示第d层的路由器节点为其子节点分配的地址,若第d层路由器子节点的短地址为Ap,则分配给它第i 个路由器子节点和第j个终端子节点的地址[9]分别满足式(2)和式(3)。
Ai=Ap+(i-1)·Cskip(d)+1Aj=Ap+Rm·Cskip(d)+j其中,Lm表示网络的最大深度;Rm表示一个父节点拥有的路由器子节点最大数目;Cm表示一个父节点拥有子节点最大的个数。
在本文研究中,无线传感网络采用800个节点,根据以上“深度换取宽度”的地址分配方法,综合考虑地址空间和端时间延迟[10],相关参数设置为Rm=4,Cm=4,Lm=7。
2.1 自组网中改进的簇树型分层结构在ZigBee自组网中,随着路由节点数的增加,网络的复杂程度会急剧增大,采取簇树型分层结构能有效地克服复杂网络中广播风暴和能量浪费等问题[11]。
因为在传统的簇树型分层结构的网络中,簇首需要转发其子节点的消息,还要与其他簇首通信,所以簇首的能量消耗最快,容易过早、过快死亡,从而导致网络路由不断恶化,增大端到端的时间延迟,减小网络的生命周期。
针对这一缺陷,本文实行簇首竞争轮换机制,一旦协调器收到簇首剩余能量Power小于簇首能量的警告值E(E设置为所有簇首节点平均能量的一半)时,就会发布簇首竞争消息,并通过对网络路由节点剩余能量和所处网络深度的判断,利用簇首竞争轮换机制筛选出新的簇首,此时,被替换的簇首变为新簇首的子节点继续工作,在一定时间内仍然可以保持网络原有结构的完整性。
簇首竞争轮换流程如图2所示。
2.2 ZigBee网络中路由节点间的通信在ZigBee网络中,所实行的簇首竞争轮换机制可以延长节点的生命周期,保护网络结构的完整性,而在网络中路由节点之间通信时,快速找到最佳路由路径将会进一步改进ZigBee网络的性能。
利用AODVjr算法按需建立路由的灵活查找功能,可以改善协议的搜索效率,但容易引起洪泛效应并增加网络的能耗[12]。
若利用GA算法的全局搜索能力,在所有的路径中找到最优的路由路径,能够有效地克服AODVjr 算法所存在的不足,但由于GA算法在搜索最优解达到一定精度时的收敛速度较慢,端到端的时间延迟还是较大。
针对以上情况,本文在ZigBee网络路由节点间相互通信的过程中,选用混合遗传粒子群优化(Genetic Algorithm-Particle Swarm Optimization,GA-PSO)算法,以改善网络最佳路由路径的搜索能力。
当网络簇树型分层结构确定后进行通信时,如果路由表中存在当前最佳路由路径,则按照最佳路由通信,否则采用GA算法在大量的路由路径中按照设置好的比例找出较优解,然后利用PSO算法[13]快速收敛的优势来克服GA算法时延较大的缺点,对较优解进一步优化,最后快速搜索到全局最佳路由。
结合遗传算法的全局搜索能力和粒子群优化算法快速收敛性等优点,文献[14]研究了基于遗传算法与粒子群算法的混合算法,用以解决非线性优化问题。
本文结合ZigBee自组网对最佳路由的搜索过程中所存在的具体问题,将遗传算法和粒子群算法的优点应用于ZigBee自组网最佳路由的研究中,采用混合遗传粒子群算法(GA-PSO)对ZigBee网络进行优化,在搜索最佳路由的过程中,不仅提高了搜索速度,同时还避免了算法陷入局部最优解,从而快速精确地搜索到全局最佳路由。
针对一个较复杂的ZigBee自组网,将网络中的路由节点随机分布在x×y的区域内,将源节点到目的节点组成的m条路由路径看作遗传算法中种群拥有的m个个体,每个路由节点的初始能量为E0。
GA-PSO融合算法实现步骤如下:1)当系统重启时,初始化网络路由所有节点并对网络路由节点进行簇树型分层结构划分,若簇首剩余能量小于警告值,则采用簇首竞争轮换机制建立新的簇首。
2)在ZigBee网络通信时,如果需要搜索网络中的最佳路由,则设置GA算法的相应参数,其中初始种群是由网络的节点总数、节点随机深度和能量大小生成的,根据交叉概率和变异概率对节点所组成的路径进行交叉、变异操作。
3)个体按适应度函数计算各自的适应值,并且根据适应值的大小从大到小对个体进行排序,选择适应度大的个体进行遗传操作。
4)若满足遗传代数条件,则筛选出适应值排在前10%的优秀个体进入步骤5),否则继续步骤3)。
5)初始化PSO算法的参数,利用PSO算法对步骤4)筛选出的较优解进行优化,根据PSO算法计算第i个粒子当前自己适应值最大的位置Pb和粒子群当前所有粒子适应值最大的位置Pg,并通过自己学习和相互分享来更新最佳路径。
6)若达到最大迭代次数,则输出全局最优解,否则继续步骤5)。
GA-PSO融合算法的工作流程如图3所示。