基于物联网的无线传感器网络技术路由协议研究

一、引言

无线传感器网络由大量具有感知、计算和通信能力的自组织网络，用于监测和采集物理世界中的各种信息，如温度、湿度、光照、压力等，并将这些信息传输到汇聚节点或基站，以便进行进一步的处理和分析。路由协议作为无线传感器网络的核心技术之一，负责在源节点和目的节点之间选择合适的传输路径，以确保数据的可靠传输和网络资源的有效利用。由于存储容量较小、通信带宽受限等特点，因此设计高效、节能、可靠的路由协议是无线传感器网络研究的重点和难点。

二、无线传感器网络路由协议的设计原则和目标

（一）能量效率

传感器节点一般依靠电池供电，且在大多数应用场景中难以更换电池，因此降低节点的能量消耗，延长网络的整体寿命是路由协议设计的首要目标。通过合理选择路由路径、减少不必要的通信开销、优化数据传输方式等手段，最大限度地节省节点的能量，确保网络能够长时间稳定运行。

（二）数据传输可靠性

在许多应用中，传感器节点采集的数据具有重要的价值，如在工业生产监控、环境监测、医疗保健等领域，数据的丢失或错误传输可能会导致严重的后果。因此，路由协议应具备一定的差错控制和数据重传机制，能够在复杂的无线通信环境下保证数据的可靠传输，提高数据传输的成功率和准确性。

（三）网络可扩展性

随着无线传感器网络应用范围的不断扩大，网络规模可能会不断增大，节点数量可能会从几百个增加到几千个甚至更多。路由协议应具有良好的可扩展性，能够适应网络规模的变化，在大规模网络环境下仍然能够保持高效的运行性能，避免因网络规模的扩大而导致性能急剧下降。

三、典型无线传感器网络路由协议分析

（一）洪泛路由协议（Flooding）

洪泛路由是一种最简单的路由协议，将数据转发给各自的邻居节点，如此重复，直到数据到达目的节点或达到预设的最大转发次数。这种协议的优点是简单易实现，能够确保数据的快速传播，并且在一定程度上具有较强的鲁棒性，因为即使部分节点出现故障，数据仍然有可能通过其他路径到达目的节点。然而，其缺点也非常明显，由于数据的盲目转发，会产生大量的冗余数据传输，导致网络中能量消耗过快，网络寿命大大缩短，同时也容易引发网络拥塞，降低数据传输的效率和可靠性。

（二）低功耗自适应聚类分层型协议（LEACH）

LEACH 协议是一种基于层次的路由协议，其核心思想是通过周期性地随机选举簇头节点，将网络中的节点划分为多个簇。每个簇内的非簇头节点将采集到的数据发送给簇头节点，再将其发送给汇聚节点。簇头节点的选举采用随机循环的方式，使得每个节点都有机会成为簇头，从而均衡了节点的能量消耗，延长了网络的整体寿命。此外，数据融合技术的应用减少了数据的传输量，进一步降低了能量消耗。然而，LEACH 协议也存在一些不足之处，例如簇头选举的随机性可能导致某些性能不佳的节点成为簇头，影响网络的整体性能；簇头节点的能量消耗相对较快，可能会出现簇头过早死亡的情况；同时，协议在簇头与汇聚节点之间的通信以及簇头选举过程中的开销较大，也会对网络性能产生一定的影响。

四、无线传感器网络路由协议性能实验对比

（一）网络寿命

网络寿命定义为从网络开始运行到第一个节点能量耗尽的时间。实验结果表明，洪泛路由协议由于大量的冗余数据传输，节点能量消耗速度极快，网络寿命最短，仅为 20 小时；LEACH 协议通过簇头选举和数据融合技术，有效地均衡了节点的能量消耗，网络寿命相对较长，达到了 120 小时；GPSR 协议在合理选择路由路径的情况下，也能够在一定程度上节省能量，网络寿命为 95 小时，但略低于LEACH 协议。

（二）数据传输延迟

数据传输延迟是指从源节点发送数据到目的节点接收到数据所经历的时间。在实验中，我们通过发送一定数量的数据包，并统计其平均传输延迟来评估不同路由协议的性能。结果显示，洪泛路由协议由于数据的盲目转发，传输延迟较高，平均延迟达到了60 毫秒；GPSR 协议在贪心转发模式下能够快速选择较优的路径，传输延迟相对较低，平均延迟为 75 毫秒；LEACH 协议由于簇内和簇间的通信机制，数据需要经过多次转发和处理，传输延迟相对较高，平均延迟为 88 毫秒。基于数据驱动的路由协议中，洪泛和闲聊协议的数据传输延迟较高，因为它们没有考虑数据传输的路径优化，而基于梯度的路由协议在一定程度上能够根据节点的属性选择较优的传输路径，延迟相对较低。

（三）数据传输成功率

数据传输成功率是指成功传输到目的节点的数据包数量与源节点发送的数据包总数的比值。实验结果表明，洪泛路由协议由于网络拥塞和能量耗尽等原因，数据传输成功率较低，仅为 20% ；LEACH协议通过数据融合和簇头节点的可靠传输，数据传输成功率相对较高，达到了 78% ；GPSR 协议在地理位置信息准确且网络拓扑相对稳定的情况下，数据传输成功率较高，为 85% ，但在网络出现空洞或节点位置信息误差较大时，成功率会有所下降。

五、无线传感器网络路由协议的应用案例

（一）环境监测领域

在环境监测应用中，无线传感器网络被广泛用于监测大气质量、水质、土壤湿度、森林火灾等环境参数。例如，在一个大型自然保护区内，部署了大量的传感器节点，这些节点通过合适的路由协议将采集到的环境数据传输到位于保护区管理中心的汇聚节点。采用LEACH 协议可以有效地降低节点的能量消耗，延长网络的使用寿命，确保长期稳定地采集和传输环境数据。同时，通过数据融合技术，可以减少数据传输量，提高数据传输的效率和可靠性，为环境保护部门提供及时、准确的环境监测信息，以便采取相应的保护措施。

（二）工业生产监控领域

在工业生产过程中，实现对生产过程的实时监控和故障预警。例如，在一个自动化工厂的生产线上，分布着众多的传感器节点，这些节点利用 GPSR 协议将采集到的数据快速传输到生产控制中心。GPSR 协议的低延迟特性能够满足工业生产对实时性的要求，确保生产控制中心能够及时获取设备的运行状态信息，及时发现并处理设备故障，提高生产效率和产品质量，降低生产成本。

六、结论

无线传感器网络路由协议的设计与应用研究是一个具有挑战性和重要现实意义的课题。通过对路由协议的设计原则、典型协议的分析、性能实验对比以及实际应用案例的探讨，我们深入了解了不同路由协议的特点和优缺点，并明确了其在不同领域的应用价值。随着无线传感器网络技术的不断发展和应用需求的日益多样化，路由协议将朝着跨层优化、与能量收集技术结合、定制化和智能化的方向发展。未来的研究需要不断探索新的路由协议设计方法和技术，以满足无线传感器网络在各种复杂环境和应用场景下的高效运行需求，推动无线传感器网络技术在物联网领域的广泛应用和发展。

参考文献

[1] 乔晓燕 .“双高”校本科层次职业教育发展路径研究 [J]. 机械职业教育 , 2024（11）: 1-5.