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)+1
Aj=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。
本文只考虑路由路径的端到端时延和所消耗的能量这2个条件,该算法计算简单,适合资源紧张的CC2530芯片,若后续研究中还需要考虑其他约束条件,则可以灵活地修改适应度函数。GA-PSO融合算法实现步骤3)中适应度函数为:
其中,f为适应度函数;Ti和Ei分别为第i条路径延迟时间和各节点消耗的总能量;a,b 为适应度函数对时延和能耗所占比例进行调整的参数,可以根据项目具体要求进行设置,一般均设置为0.5。
步骤2)中对交叉概率和变异概率进行适应调整的公式如下:
其中,Pc为交叉概率;Pv为变异概率;fmax为最大适应度;favg为平均适应度;fbig 为交叉个体中较大的适应度;fv为变异个体的适应度;C1,C2,C3,C4为控制系数。设步骤4)中筛选出10%的优秀个体的数目为M,则M个个体将会作为PSO算法的M个初始粒子,这些粒子在n维空间独立飞行的过程中,会不断搜索自己最优点和空间中其他粒子飞行的极大值,并根据这些历史信息调整自己的变化[15]。第i个粒子的位置可以表示为si=(si1,si2,…,sin),第i个粒子的速度可以表示为
vi=(vi1,vi2,…,vin),第i个粒子适应值最大的位置为pbi=(pbi1,pbi2,…,pbin),在迭代过程中,粒子群所有粒子适应值最大的位置可以表示为Pg=(Pg1,Pg2,…,Pgn)。粒子根据式(7)、式(8)更新自己的位置和速度:
在式(7)中,ωi表示第i次的惯性权重,这里采用的是动态递减非线性惯性权重,即: ωi=ωmin+(ωmax-ωmin)·exp(-p(i/imax)2)
其中,p为控制因子;ωmin,ωmax,i,imax分别为最小权重值、最大权重值、当前迭代次数、最大迭代次数。
在式(7)中,c1,c2为加速度权重,这里采用的是非对称线性变化学习因子策略,即:
c1=c1s+(c1e-c1s)·(i/imax)
c2=c2s+(c2e-c2s)·(i/imax)
其中,c1s,c2s为c1,c2的初始值;c1e,c2e为c1,c2迭代的终值。
在式(7)中,ξ1与ξ2为[0,1]内的随机数,其中)为对自身学习的认知经验相关的“认知”部分,)为粒子间协作的“社会”部分。在优化过程中,粒子将跟踪自己目前找到的最优解Pbi和全种群目前找到的最优解Pbg,同时,粒子会跟着最优的粒子运动,经式(7)、式(8)逐代不断更新自己的速度和位置,并将Pg信息传递给其他粒子,从而找到全局最优解。由于这个过程的信息传递是单向的,因此保证了群体粒子向最优的方向运动,能有效避免分层遗传算法收敛速度慢和易陷入局部最优的情况。
系统仿真环境设置如下:酷睿i5-2450M,4 GB RAM。Windows7系统上安装VMware Workstation8.0虚拟机。虚拟机上安装Red Hat Enterprise Linux5。Linux系统上运行仿真软件NS-2.34。为充分分析传输时延和网络生命期,仿真场景大小为500 m×400 m的区域内,在中间放置一个协调器,随机部署800个ZigBee无线节点,节点电压为3 V,初始能量为200 J,数据包长度设置为70 Byte,源节点每秒发送一个数据包。每个节点可以根据通信距离远近自动调整发射和接收功率,且在没有工作时进入休眠状态[16]。通过对比研究和多次仿真测试,在遗传算法中,将时延和能耗所占比重相同,调整参数a=b=0.5,结合遗传算法和实际情况,个体在遗传操作中以交叉为主,考虑到变异产生的不确定性和多样性,将其控制在较小概率内,相应的控制系数为C1=0.9,C2=0.6,C3=0.05,C4=0.1,根据种群规模,遗传代数设定为30代。在粒子群优化算法中,采用的是动态递减非线性惯性权
重,ωmin=0.4,ωmax=1.0,对优化时的惯性权重控制因子设置为p=3.5,加速度采用非对称线性变化学习因子策略,结合无线传感网络覆盖区域大小,粒子自身学习和相互分享时,加速度权重初始值和终值为c1s=2.5,c2s=1.5,c1e=1.0,c2e=2.8,综合考虑粒子数目、优化时间和精度要求,最大迭代次数为imax=20。仿真时每分钟记录一次死亡节点数和端到端时延,结果如图4与图5所示。
由图4可以看出,在网络中死亡节点数方面,GA-PSO算法出现死亡节点的时间明显比AODVjr算法和GA算法晚,其主要原因是采用了分层遗传算法并在组网时引入簇首竞争轮换机制,所以,节点死亡会延迟;150 min后,GA-PSO算法死亡节点数增加也明显加快,因为此时节点平均消耗的总能量较大,导致很多节点快速死亡;在190 min时,GA-PSO算法的节点死亡速率进一步增大,因为节点死亡后,导致节点间距离变大,多跳通信的跳数减小甚至可能出现单跳模式,这加大了节点的发射功率和接收功率,使节点快速死亡。但整个过程中,采用该算法的节点会延迟死亡,且死亡节点总数仍然明显少于AODVjr算法和GA算法所优化的节点数,这体现了GA-PSO算法在死亡节点上有较好的改进效果。
由图5可以看出,在网络中源端点到目标端点的时间延迟方面,30 min前,3种算法的端时延相差不大,主要原因是3种算法寻找的路由路径比较接近;30 min～150 min之间,GA-PSO算法的端时延增加不大,而其他2种算法的端时延明显增大;140 min时,GA-PSO算法的端时延仅为AODVjr算法端时延的一半,验证了该算法对于此性能的改善能力。
在物联网迅速发展的时代,对ZigBee网络相关技术的研究具有重要的意义。为此,本文首先分析ZigBee自组网流程,在自组网时引入簇首竞争轮换机制;然后通过调整交叉概率和变异概率,利用分层遗传算法对初始种群进行选择、交叉、变异,当满足遗传代数条件后,按比例筛选出较优解;最后利用具有同构性的粒子群算法进行优化,加快优化的收敛速度。
在整个路由选择过程中,本文只通过一个协调器组建了一个具有800个节点的网络,仿真结果验证了GA-PSO算法在优化死亡节点数和端时延上的有效性,表明其可满足智能家居和检测控制系统的需求。若网络节点数和覆盖的面积继续增大,则可以对多个协调器设置不同短地址,利用多个协调器组建多个不同的网络,从而满足实际的需求。下一步研究将检验GA-PSO算法在大型复杂网络中的优势,并推广其至智
能家居和安防监控系统中。
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ZigBee技术网络层的路由算法分析(1) 摘要基于IEEE802.15.4标准的 ZigBee网络是一种具有强大组网能力的新型无线个域网，其中的路由算法是研发工作的重点。本文介绍了IEEE802.15.4标准及ZigBee规范的协议模型，重点研究了ZigBee协议网络层的路由算法，分析了Tree路由及Z-AODV路由算法，在此基础上提出了ZigBee网格型网络中基于数据特性的路由选择机制，该机制在网络性能和低功耗方面有明显的优势，并且可以平衡节点能量，最后简单介绍了ZigBee节点的硬件实现。 关键词 ZigBee协议；网络；IEEE802.15.4；路由算法；Tree路由；Z-AODV路由 1 概述 ZigBee技术是由英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦等公司在2002年10月共同提出设计研究开发的具有低成本、体积小、能量消耗小和传输速率低的无线通信技术。 2000年12月，IEEE 802 无线个域网（WPAN，Wireless Personal Area Network）小组成立，致力于WPAN无线传输协议的建立。2003年12月，IEEE正式发布了该技术物理层和MAC层所采用的标准协议，即IEEE 802.15.4协议标准，作为ZigBee技术的网络层和媒体接入层的标准协议。2004年12月，ZigBee联盟在IEEE 802.15.4 定义的物理层（PHY）和媒体接入层（MAC）的基础上定义了网络层和应用层，正式发布了基于IEEE 802.15.4的ZigBee标准协议。 2 网络层的研究 ZigBee技术的体系结构主要由物理层（PHY）、媒体接入层（MAC）、网络/安全层以及应用框架层组成，各层之间的分布如图1所示。 图1 ZigBee技术协议组成 PHY层的特征是启动和关闭无线收发器、能量检测、链路质量、信道选择、清除信道评估（CCA）以及通过物理媒体对数据包进行发送和接收。MAC 层可以实现信标管理、信道接入、时隙管理、发送确认帧、发送连接及断开连接请求，还为应用合适的安全机制提供一些方法。它包含具有时间同步信标的可选超帧结构，采用免碰撞的载波侦听多址访问（CSMA-CA）。安全层主要实现密钥管理、存取等功能。网络层主要用于ZigBee的LR-WPAN网的组网连接、数据管理等。应用框架层主要负责向用户提供简单的应用软件接口（API），包括应用子层支持APS（Application Sub-layer Support）、ZigBee设备对象ZDO （ZigBee Device Object）等，实现应用层对设备的管理，为ZigBee技术的实际应用提供一些应用框架模型等，以便对ZigBee技术的开发应用。 网络层的定义包括网络拓扑、网络建立、网络维护、路由及路由的维护。
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ZIGBEE技术规范与协议栈分析 篇一：ZigBee知识无线龙 1.协议栈工作流程和无线收发控制 LED 实验内容： 1. ZigBee 协议栈简介 2. 如何使用 ZigBee 协议栈 3. ZigBee 协议栈的安装、编译与下载 4. 协议栈无线收发控制 LED 5. 协议栈工作流程实现现象： 协调器、终端上电，组网成功后 D1 灯闪烁 1. ZigBee 协议栈简介 什么是 ZigBee 协议栈呢？它和 ZigBee 协议有什么关系呢?协议是一系列的通信标准，通信双方需要共同按照这一标准进行正常的数据发射和接收。协议栈是协议的具体实现形式，通俗点来理解就是协议栈是协议和用户之间的一个接口，开发人员通过使用协议栈来使用这个协议的，进而实现无线数据收发。图 1 展示了 ZigBee 无线网络协议层的架构图。ZigBee 的协议分为两部分，IEEE 802.15.4 定义了 PHY（物理层）和 MAC（介质访问层）技术规范；ZigBee联盟定义了NWK（网络层）、APS（应用程序支持子层）、APL（应用层）技术规范。ZigBee协议栈就是将各个层定义的协议都集合在一直，以函数的形式实现，并给用户提供 API(应用层)，用户可以直接调用。 图 1 ZigBee 无线网络协议层 2. 如何使用 ZigBee 协议栈 协议栈是协议的实现，可以理解为代码，函数库，供上层应用调用，协议较底下的层与应用是相互独立的。商业化的协议
栈就是给你写好了底层的代码，符合协议标准，提供给你一个功能模块给你调用。你需要关心的就是你的应用逻辑，数据从哪里到哪里，怎么存储，处理；还有系统里的设备之间的通信顺序什么的，当你的应用需要数据通信时，调用组网函数给你组建你想要的网络；当你想从一个设备发数据到另一个设备时，调用无线数据发送函数；当然，接收端就调用接收函数；当你的设备没事干的时候，你就调用睡眠函数；要干活的时候就调用唤醒函数。所以当你做具体应用时，不需要关心协议栈是怎么写的，里面的每条代码是什么意思。除非你要做协议研究。每个厂商的协议栈有区别，也就是函数名称和参数可能有区别，这个要看具体的例子、说明文档。 怎么使用 ZigBee 协议栈?举个例子，用户实现一个简单的无线数据通信时的一般步骤： 1、组网：调用协议栈的组网函数、加入网络函数，实现网络的建立与节点的加入。 2、发送：发送节点调用协议栈的无线数据发送函数，实现无线数据发送。 3、接收：接收节点调用协议栈的无线数据接收函数，实现无线数据接收。 是不是看上去很简单啊，其实协议栈很多都封装好了，下面我们大概看看无线发送函数： 1. afStatus_t AF_DataRequest( afAddrType_t *dstAddr, 2. afStatus_t AF_DataRequest( afAddrType_t *dstAddr, 2. endPointDesc_t *srcEP, 3. endPointDesc_t *srcEP, 3. uint16 cID, 4. uint16 cID, 4. uint16 len, 5. uint16 len, 5. uint8 *buf, 6. uint8 *buf,
zigbee 编辑 Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。 1概述 ZigBee是一种低速短距离传输的无线网络协议。ZigBee协议从下到上分别为物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、传输层(TL)、网络层(NWK)、应用层(APL)等。其中物理层和媒体访问控制层遵循IEEE 802.15.4标准的规定。 ZigBee网络主要特点是低功耗、低成本、低速率、支持大量节点、支持多种网络拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。ZigBee网络中设备的可分为协调器(Coordinator)、汇聚节点(Router)、传感器节点(EndDevice)等三种角色。[1] 才茂Zigbee 典型组网方式 与此同时，中国物联网校企联盟认为：zigbee作为一种短距离无线通信技术，由于其网络可以便捷的为用户提供无线数据传输功能，因此在物联网领域具有非常强的可应用性。
2起源 ZigBee译为"紫蜂"，它与蓝牙相类似。是一种新兴的短距离无线通信技术，用于传感控制应用(Sensor and Control)。由IEEE 802.15工作组中提出，并由其TG4工作组制定规范。 2001年8月，ZigBee Alliance成立。 2004年，ZigBee V1.0诞生。它是Zigbee规范的第一个版本。由于推出仓促，存在一些错误。 2006年，推出ZigBee 2006，比较完善。 2007年底，ZigBee PRO推出。 2009年3月，Zigbee RF4CE推出，具备更强的灵活性和远程控制能力。 2009年开始，Zigbee采用了IETF的IPv6 6Lowpan标准作为新一代智能电网Smart Energy(SEP 2.0)的标准，致力于形成全球统一的易于与互联网集成的网络，实现端到端的网络通信。随着美国及全球智能电网的建设，Zigbee将逐渐被IPv6/6Lowpan标准所取代。 ZigBee的底层技术基于IEEE 802.15.4，即其物理层和媒体访问控制层直接使用了IEEE 802.15.4的定义。 在蓝牙技术的使用过程中，人们发现蓝牙技术尽管有许多优点，但仍存在许多缺陷。对工业，家庭自动化控制和工业遥测遥控领域而言，蓝牙技术太复杂，功耗大，距离近，组网规模太小等。而工业自动化，对无线数据通信的需求越来越强烈，而且，对于工业现场，这种无线传输必须是高可靠的，并能抵抗工业现场的各种电磁干扰。因此，经过人们长期努力，ZigBee协议在2003年正式问世。另外，Zigbee使用了在它之前所研究过的面向家庭网络的通信协议Home RF Lite。 长期以来，低价位、低速率、短距离、低功率的无线通讯市场一直存在着。蓝牙的出现，曾让工业控制、家用自动控制、玩具制造商等业者雀跃不已，
基于zigbee 1、引言 建立基于实时数据库的生产信息管理系统，实现对控制装置的数据上传，实时数据监测，形成一个工业控制网络是现代企业工业化管理的特征，如图1。随着计算机网络技术、无线技术以及智能传感器技术的相互渗透、结合，无线通讯技术逐渐在工业控制领域，为各种智能现场设备、移动机器人以及各种自动化设备之间的通信提供无线数据链路，特别是在一些特殊环境下弥补有线网络的不足，进一步完善工业控制网络的通信性能，成为工业通信的新宠。在GPRS、蓝牙、WiFi、ZigBee等无线通信标准中，ZigBee以功耗低、可靠性高、网络容量大、时延小、成本低等优点在工业通信领域脱颖而出。 图1 ZigBee是由ZigBee Alliance（ZigBee联盟）制定的无线网络协议，是一种近距离、低功耗、低数据速率、低复杂度、低成本的双向无线接入技术，主要适合于自动控制和远程监控领域。ZigBee联盟在制定ZigBee标准时，采用了 IEEE802. 15. 4协议作为其物理层和媒体接入层规范。在其基础之上，ZigBee 联盟制定了网络层(NWK)和应用编程接口(API)规范,并负责高层应用、测试和市场推广等方面的工作,见图2。 图2 2、IEEE802.15.4协议
2.1 物理层 IEEE802.15.4定义了两个物理层标准，分别是2.4 GHz物理层和 868/915MHz物理层。两个物理层都基于DSSS（Direct Sequence SpreadSpectrum，直接序列扩频）技术，使用相同的物理层数据包格式，区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率。2.4GHz波段为全球统一的无需申请的ISM 频段，划分成l6个信道, 码元速率为62.5kbaud，采用了l6进制正交调制，用码片长度为8的伪随机码直接扩频技术,能够提供250kb/s的传输速率.868MHz频段是欧洲的ISM 频段，有1个信道，数据传输速率为20kb ／s。915MHz频段是美国的ISM频段，划分为10个信道, 数据传输速率为40kb ／s，见表1 。后2个频段均采用了差分编码的二进制移相键控(BPSK)调制，用码片长度为15的M序列直接扩频。这两个频段的引入避免了2.4GHz附近各种无线通信设备的相互干扰。物理层的主要功能包括：数据的调制，激活和休眠射频收发器,信道能量检测,信道接收数据包的链路质量指示,空闲信道评估,收发数据等。 表1 2.2 数据链路层 数据链路层负责数据成帧、帧检测、介质访问和差错控制等。IEEE802系列标准把数据链路层分为媒质接入子层MAC和逻辑链路控制子层LLC。MAC子层依赖于物理层提供的服务实现设备之间无线链路的建立与拆除、数据帧传输等；LLC子层在MAC子层的基础上，为设备提供连接服务，由IEEE802.6定义，为IEE802系列标准公用。链路层通过两个服务访问点（SAP）访问高层，通用部
ZigBee技术网络层的路由算法分析 ZigBee技术是一种低功耗、低数据速率、短距离无线通信标准，其拥有小型化、低成本的优点，被广泛用于物联网、智能家居、工业控制等领域。在ZigBee技术中，网络层的路由算 法是至关重要的一部分，因为它能够确保数据包正确的传输。 在ZigBee技术中，常用的路由算法主要有基于距离向量的算法、基于链路状态的算法和基于源路由的算法。其中，基于距离向量的算法是ZigBee网络中最广泛应用的算法之一，主要 是利用每个节点的距离向量信息计算出最佳的路径。这种算法的优点是实现简单、易于部署、对网络的稳定性有好处。但是，由于节点仅能获得其邻居节点的信息，使得该算法无法得到全局网络状态信息，容易产生路由环路问题，限制了它的应用范围。 基于链路状态的路由算法解决了距离向量算法中存在的路由环路问题，具有更好的路由总体性能。该算法的主要思想是每个节点通过收集相邻节点的链路状态信息，构建出整个网络的拓扑结构，根据链路质量和信号强度等信息为每个节点计算出最佳的路由路径。但是，该算法需要广泛的网络信息和大量的网络带宽，因此实现和部署成本较高，对节点能耗的影响也较大。 基于源路由的算法可以有效地避免路由环路问题和冗余流量，因为整个路径都是在源节点中计算的，而不是在网络中的中间节点上计算。源节点负责为每个数据包计算出到目标节点的完整路径，并将该路径信息附加到数据包的首部。该算法的优点是具有不可逆性和确定性等特点，可以提高网络的稳定性和性
能，同时也更加灵活。但是，实现该算法需要高速处理器和大规模的存储器，因此成本比较高。 总的来说，不同的路由算法具有适用于不同ZigBee网络环境的优缺点。在实际应用中，需要根据具体的应用场景和网络规模选择适合的路由算法，以达到最佳的路由效果。
基于邻居表查询的ZigBee多播路由算法 白乐强;王佳林;张士宏 【摘要】由于ZigBee网络需要将信息以多播的方式进行传递,部分节点多次传输消耗大量能量,导致节点死亡,为缓解这个问题,提出了基于邻居表查询的ZigBee多播路由算法.该算法结合邻居表查询和ZigBee分布式地址分配特性,对ZigBee网络多播转发节点选择进行优化,使一个节点能给多个目的节点转发信息.仿真结果证明该算法减少了路由开销,节约了网络的能量,提高了网络的可靠性.%Due to lot of the ZigBee network information needs to be sent by the ways of multicast,parts of the nodes consume a large amount of energy in multiple transmissions,resulting nodes failure.To alleviate this problem,a ZigBee multicast routing algorithm based on neighbor table query is presented.The algorithm combines with neighbor table query and the ZigBee distributed addressing assignment scheme,making a node send the information to more destination nodes.The simulation results show that the algorithm reduces routing cost,economizes the energy of the ZigBee network and improves the reliability of the network. 【期刊名称】《沈阳大学学报》 【年(卷),期】2012(024)006 【总页数】5页(P38-42) 【关键词】ZigBee;邻居表;多播通信;路由选择;网络 【作者】白乐强;王佳林;张士宏
ZigBee网络Cluster－Tree优化路由算法研究 引言无线通信和嵌入式微传感器技术的快速发展促进了无线传感器网络的崛起。ZigBee协议基于IEEE 802．15．4无线标准制定，包括应用层、网络层、安全层等，实现了网络的自组织和自维护的功能。在无线传感器网络中，节点的能量是有限的，如果节点在最后因为自身的能量消耗殆尽而死亡，将会对整个网络的传输性能造成很大影响。因此，在实际应用中，根据不同的网络情况来选择最符合应用需求的路由协议，让路由协议根据网络拓扑选择合适的路径，平均分布节点的传输能量，降低网络的功耗是网络层必须要考虑的任务。1 ZigBee 路由算法研究依据设备的能力，ZigBee网络中的设备可以分为全功能设备(Full Function Device，FFD)和半功能设备(Reduced Function Device，RFD)。FFD能转发其他设备的数据帧，RFD则不能。当FFD加入一个网络时，它可以作为协调器。协调器会周期性地广播数据帧，周围的RFD能够发现并加入网络，形成一个星型拓扑网络。在星型拓扑中，协调器负责控制整个网络，所有终端设备都直接与协调器通信，并且由它维护。ZigBee网络层还支持树型和网状网络。树型网络采用分级路由的策略在网络中传送数据和控制信息，而网状网络则可以进行点对点的通信。在树型网络中，根节点(协调器节点)和所有的内部节点(路由器节点)是FFD，而RFD只能作为叶子节点(终端节点)。当协调器或路由器加入网络时，它必须被分配唯一的网络地址。1．1 网络地址分配ZigBee协议规范使用一个分布式地址方案分配网络地址，它设计为给每个潜在父节点提供一个有限的网络地址子块。当一个设备成功加入网络后，其父节点给该节点自动分配一个唯一的网络地址。1．2 ZigBee路由算法网络层支持Cluster-Tree、AODVjr和Cluster-Tree+AODVjr算法(以下简称C+A算法)等多种路由算法，因此ZigBee网络的路由协议兼具树型网络和网状网络的特性。1．2．1 Cluster-Tree算法树路由机制是根据网络地址和节点间的父子关系来实现路由的。如果目的地址设备不是该路由器的子孙，则直接将数据帧转发给该路由器的父节点，其父节点将按照同样的步骤进行路由。1．2．2 AODVjr算法AODVjr是对AODV算法的一种简化改进，当源节点要寻找到达目的节点的路径时，先向其邻居节点组播RREQ分组。收到该分组的邻居节点若具备路由能力，则建立指向源节点的反向路由回复，同时继续向自己的邻居节点组播该RREQ分组。若不具备路由能力，则通过Cluster-Tree路由算法将该分组交由其子孙节点或父节点进行转发。当目的节点接收到此RREQ分组后，通过单播的方式向源节点回复RREP分组，同时，所有接收到此RREP分组的节点都将更新记录自己的邻居表，路由建立成功。实验证明，AODVjr算法在保持了AODV原始功能的基础上，控制开销比AODV算法更小，因此更节能。1．2．3 Cluster-Tree+AODVjr算法在此算法中，网络中的节点被分成了4类：Coordinator、RN+、RN-和RFD。其中RN+具有足够的存储空间和能力来进行AODVjr协议；而RN-则因存储空间受限，不能够进行AODVjr协议。Coordinator、RN+、RN-都具有路由功能，在通信时，如果目的节点不是邻居节点，RN+将会启动AODVjr，主动查找到达目地节点的最佳路径；RN-节点只能通过树路由算法来寻找下一跳的节点。仿真证明，采用Cluster-Tree和AODVjr相结合的路由协议在保证分组递交率的情况下，具有比单独使用其中一种路由协议更低的控制开销和平均时延。2 优化ZigBee路由算法2．1 ZigBee路由算法问题Cluster-Tree算法必须按照簇树型结构地址分配方式来寻址，路由效率低，并且源节点到目的节点的传输路径由于跳数过多，会影响网络时延。AODVjr算法在路由发现过程中，会产生分组大量泛洪问题。例如，当目的节点是源节点的子节点时，若采用AODVjr向邻居节点发送RREQ分组，则向其父节点以上的节点发送RREQ分组是多余的；若目的节点不是源节点的子节点，则采用AODVjr向其子节点方向发送RREQ分组是多余的。假设网络的最大深度是1，则数据帧可能被转发的最长路径是21，因此当跳数大于21时，就应停止对RREQ分组的继续广播，将其丢弃；假设从源节点到目的节点的最小跳数为M，当RREQ分组被转发的次数大于M时，再继续转发是多余的。
ZigBee无线通讯技术介绍 一、ZigBee技术的起源 ZigBee是一种新兴的近距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线传感器网络的新技术,它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。主要用于近距离无线连接，面向无线传感和工业控制应用领域。它依据802.15.4标准,在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量,以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器,所以它们的通信效率非常高。 ZigBee一词源自蜜蜂群在发现花粉位置时，通过跳ZigZag形舞蹈来告知同伴，达到交换信息的目的。可以说是一种小的动物通过简捷的方式实现“无线”的沟通。人们借此称呼一种专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速率的近程无线网络通信技术，亦包含此寓意。 一般而言,随着通信距离的增大,设备的复杂度、功耗以及系统成本都在增加。相对于现有的各种无线通信技术,ZigBee技术将是最低功耗和成本的技术。 ZigBee联盟成立于2001年8月，2002年下半年，英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司等四大公司加盟ZigBee联盟，这一事件成为ZigBee技术的里程碑。到目前为止，加盟ZigBee 联盟的不仅仅只有当初的四大公司，而是涵盖了IT领域以及其它行业的150多家企业。 ZigBee是一组基于IEEE 802.15.4无线标准研制开发的、有关组网、安全和应用软件方面的技术，IEEE 802.15.4仅处理MAC层和物理层协议，ZigBee 联盟对其网络层协议和API进行了标准化。ZigBee是由ZigBee Alliance所主导的标准，定义了网络层（Network Layer）、安全层（Security Layer）、应用层（Application Layer）、以及各种应用产品的资料（Profile）；而由国际电子电机工程协会（IEEE）所制订的802.15.4标准，则是定义了物理层（PHY Layer）及媒体存取层（Media Access ControlLayer；MAC Layer） 二、技术特点： ★功耗低
Zigbee方案 简介 Zigbee是一种低功耗、短距离无线通信技术，适用于物联网设备之间的通信。 它基于IEEE 802.15.4标准，并提供对应用层的协议栈，包括网络层、应用层和设 备描述层。Zigbee方案具有低功耗、低成本、简单的网络拓扑结构和广阔的应用 领域等特点，广泛应用于家庭自动化、智能电网等领域。 Zigbee网络结构 Zigbee网络由一个协调器（Coordinator）和多个终端设备（End Device）组成，协调器负责组网和网络管理，终端设备负责数据采集和传输。Zigbee还支持中继 设备（Router），用于扩展网络的覆盖范围。 Zigbee的网络拓扑结构可以是星型、网状型或混合型。在星型网络中，所有终 端设备都直接与协调器相连；在网状网络中，终端设备可以通过中继设备与协调器通信；混合型网络结构则是星型和网状型的组合。 Zigbee协议栈 Zigbee协议栈包括物理层、MAC层、网络层、应用层和设备描述层。 •物理层（PHY）：负责无线信号的发送与接收。Zigbee使用2.4 GHz、915 MHz或868 MHz的无线频谱进行通信，支持多种调制技术，如BPSK、 O-QPSK和CSS等。 •MAC层：负责媒体访问控制，实现自适应频率跳频（AFH）和多址访问（CSMA/CA）等机制，确保数据的可靠传输。 •网络层：负责网络拓扑管理、路由选择和数据传输，以及网络发现和设备加入等功能。Zigbee网络采用星型或网状型的路由算法进行数据的多 跳传输。 •应用层：负责定义应用数据的格式和协议。Zigbee联盟制定了一系列应用层标准，如家庭自动化、智能电网、工业控制等。 •设备描述层：描述设备的功能和属性，包括设备识别信息、输入输出点和数据格式等。设备描述层允许不同厂商的设备在同一个网络中互操作。 Zigbee的优势 Zigbee方案在物联网领域具有以下优势：
编号： 审定成绩： 重庆邮电大学 毕业设计（论文） 设计（论文）题目：ZigBee网络路由算法设计 学院名称：自动化学院 学生姓名：董沙 专业：测控技术与仪器 班级：0820803 学号：08210323 指导教师：谢昊飞 答辩组负责人：向敏 填表时间：2012年 5 月 重庆邮电大学教务处制
摘要 ZigBee技术是一种低功耗、低成本、低速率的无线通信技术。目前在工业领域、医学领域、军事领域、智能家居、道路监测、家庭自动化等方面有着良好的应用前景。ZigBee网络常用的路由算法有Cluster-Tree算法、AODVjr算法和Cluster-Tree&AODVjr算法。其中AODVjr 是AODV算法的简化版本。 ，在此平台上实现了对AODV路由算法的设计。该设计可以分为以下几个模块来实现：初始化、路由发现及维护、节点收发数据、节点移动、显示及时钟模块。重点分析介绍了AODV 路由发现及维护模块。分析了一种基于路由发现过程的改进方案。该方案通过增加反向的RREQ分组和备用路由表来降低网络阻塞的概率和数据丢失率。 通过设计节点的移动来模拟真实网络中节点失效的情况。通过测试，在该平台上，可以实现AODV路由的发现、建立、维护、收发数据等功能。 【关键词】ZigBee AODV Truetime 路由
ABSTRACT ZigBee is a technology of wireless communication, which is low power, low cost, low rate. Currently, it is widely used in such as industrial,medical,military areas,intelligent house, road monitoring ,home automation and so on. Typically,there are three kind of route algorithms,namely AODVjr algorithm ,Cluster-Tree algorithm and Cluster-Tree & AODVjr the three ones,the AODVjr algorithm is a short version of AODV protocol. We build a simulation platform of the ZigBee network with the toolbox of TrueTime in Matlab,and then design the protocol of AODV on it. The design can be divided into several modules to achieve, they are the block of route discovery and maintance , initialization, the animation block, clock, node moving and sending and reciving introduce the route discovery and maintance block as a an improved AODV algorithm is analyzed in detail,which helps to reduce the loss of data and the probability of network congestion. We simulate the real environment of network by moving two nodes .As a result,we realize the feature of discoverying and maintaining a route, sending and receiving datas and so on. 【Key words】ZigBee AODV Truetime Improved routing protocol
ZIGBEE自组网技术在野外勘测当中的应用 随着科技的不断发展，人们在野外勘测中越来越多地使用无线传输技术。其中ZigBee 自组网技术是一种重要的无线传输技术。它具有能耗低、穿透力强、扩展性好等优点，因 此在野外勘测中得到广泛应用。 首先，ZigBee自组网技术可以用于野外环境监测。例如，人们可以在野外设立一些环境监测节点，利用这些节点进行环境数据的采集和传输。这些环境监测节点可以通过ZigBee协议进行自组网，互相之间通过路由器建立无线网络。这样，人们就可以实时地获取野外环境的各种数据，如温度、湿度、气压、风速等，为环境保护和资源利用提供科学 依据。 其次，ZigBee自组网技术还可以应用于野外应急通信。在野外环境中，由于山高林密、信号干扰等因素，传统的无线通信方式往往无法满足实际需求。而使用ZigBee自组网技术可以解决这一问题。人们可以在野外设立一些应急通信节点，这些节点可以通过ZigBee协议自组网，形成一个弹性的通信网络。当需要应急通信时，人们可以通过这个网络进行数 据传输和信息交流，有效提高应急响应能力。 再次，ZigBee自组网技术还可以用于野外测量和控制。例如，在野外工地上，人们可以利用ZigBee自组网技术来监测机器设备的运行数据、控制灯光的开关、调节气温等。这些控制器节点可以通过ZigBee协议进行自组网，并能够实现高效的数据传输和控制命令的下达。这样，人们在野外工程上进行测量和控制时，可以更加方便、快捷、精确。 此外，ZigBee自组网技术还可以应用于野外传感器网络。野外传感器网络是一种由许多分布式传感器节点组成的网络，这些节点可以在野外完成温度、湿度、光照、位置等各 种数据的测量和传输。ZigBee自组网技术可以有效地解决传感器网络中的通信问题，使得整个传感器网络能够更加稳定、高效地运行。 综上所述，ZigBee自组网技术在野外勘测中的应用范围很广，可以应用于环境监测、应急通信、测量和控制、传感器网络等方面。它具有良好的扩展性和适应性，在未来的野 外勘测中将发挥越来越重要的作用。
ZigBee 网络中 Cluster — Tree 路由算法优化 ZigBee 网络是一种基于 IEEE 802.15.4 标准的低功耗、短距离 通讯协议，在智能家居、物联网等领域得到广泛应用。其中Cluster-Tree 路由算法是 ZigBee 网络中常用的路由协议，它利 用集簇和树形结构构建网络拓扑，并实现了多级路由，是ZigBee 网络高效、稳定运行的关键。 然而，在Cluster-Tree 路由算法的实际应用中，存在一些问题，如数据包路由过程中需要的时间过长、能量消耗大等。为了解决这些问题，需要对 Cluster-Tree 路由算法进行优化。 一般来说，对于 ZigBee 网络中的 Cluster-Tree 路由算法，可以从以下几个方面进行优化： 1. 簇头选举算法的优化 簇头选举是 Cluster-Tree 路由算法中非常重要的一步，直接决 定了簇头节点的质量和稳定性。建议采用基于能量和距离的动态选举算法，根据节点的能量水平和其与周围节点的距离进行簇头选举，从而提高网络的稳定性和可靠性。 2. 路径选择的优化 在Cluster-Tree 路由算法中，路径选择是一个比较关键的环节。建议采用基于预测和历史数据的路径选择算法，根据节点之间的历史数据和预测数据选择最优路径，从而提高路由的准确性和效率。
3. 节点能量控制的优化 在 ZigBee 网络中，节点的能量是一个非常重要的指标，对于Cluster-Tree 路由算法的优化来说也是关键。建议对节点的能 量进行有效控制，延长节点寿命，同时合理利用节点能量，减少网络中节点的能量浪费，提高网络的可靠性和稳定性。 在上述的优化方案中，需要重点考虑选举算法和路径选择算法的性能和效率。建议采用基于机器学习和人工智能的技术，对算法进行进一步优化和改进，实现 ZibBee 网络的高效、稳定 和可靠运行，为智能家居、物联网等领域的发展提供有力支持。
GA算法和PSO算法 遗传算法(Genetic Algorithm, GA)是一种基于生物进化过程中的适应度选择和遗传交叉突变原理的优化算法。它模拟了进化过程中基因在群体中的复制、交叉和变异，通过这些操作来最佳解。 遗传算法的主要步骤包括： 1.初始化种群：随机生成一组个体作为初始种群。 2.适应度评估：根据问题设定的评价函数计算每个个体的适应度。 3.选择操作：根据适应度大小，选择一些适应度较高的个体作为优势个体，并通过轮盘赌等方法确定下一代个体。 4.交叉操作：对选中的个体进行交叉操作，产生新的个体。 5.变异操作：对新生成的个体进行变异操作，引入新的基因组合。 6.迭代更新：重复执行步骤2-5，直到达到预设停止条件。 遗传算法的优点包括： 1.适应性强：对于解空间复杂且多样的问题，遗传算法能够自适应地最佳解。 2.并行计算：每个个体的适应度计算和操作相互独立，可以以并行方式进行计算，提高效率。 3.可解释性：遗传算法的操作可以很好地解释和理解，有助于发现问题的规律。 4.全局优化：遗传算法能够通过全局来寻找问题的最优解。
粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization, PSO)是一种基于群体智能的优化算法。它模拟了鸟群中个体在环境中的协同行为，通过自身经验和群体信息来最佳解。 粒子群优化算法的主要步骤包括： 1.初始化粒子群：随机生成一组粒子，并初始化其位置和速度。 2.适应度评估：根据问题设定的评价函数计算每个粒子的适应度。 3.更新粒子速度和位置：根据粒子本身的经验和群体信息，更新粒子的速度和位置。 4.更新全局最优解：根据粒子的适应度更新全局最优解。 5.迭代更新：重复执行步骤2-4，直到达到预设停止条件。 粒子群优化算法的优点包括： 1.收敛速度快：粒子群优化算法可以通过合理的初始化和速度更新策略，快速收敛到最优解。 2.全局能力强：通过粒子之间的信息交流和合作，粒子群优化算法可以很好地进行全局。 3.算法参数少：相对于其他优化算法，粒子群优化算法通常只有少量的参数需要调整。 4.直观可视化：粒子群优化算法的迭代过程可以直观地展示为粒子在空间中的移动轨迹，有助于理解算法行为。
GA算法和PSO算法 GA算法（Genetic Algorithm）是一种基于自然选择和进化论的优化 算法。它模拟了生物界的进化过程，通过选择、交叉和变异等操作来生成 新的解，并逐渐优化解的质量，最终找到最优解。 GA算法的基本过程如下： 1.初始化种群：随机生成一组个体（解）作为初始种群。 2.评估适应度：对每个个体进行适应度评估，根据问题的具体要求， 可以定义适应度函数。 3.选择操作：根据个体适应度，利用选择操作进行个体筛选，较优秀 的个体被选中用于生成下一代。 4.交叉操作：选中的个体进行交叉操作，生成新的个体。交叉可以是 单点交叉、多点交叉或均匀交叉等方式。 5.变异操作：对新生成的个体进行变异，引入一定的随机性，增加空间。 6.更新种群：将交叉、变异得到的新个体加入种群，生成下一代种群。 7.终止条件判断：判断是否达到停止迭代的条件，如找到最优解或迭 代次数达到上限。 8.返回优秀个体：返回当前种群中适应度最好的个体作为最优解。 PSO算法（Particle Swarm Optimization）是一种模拟鸟群觅食行 为的优化算法。它利用群体中个体的协作和信息传递来寻找最优解。 PSO算法的基本过程如下：
1.初始化粒子群：随机生成一群粒子，每个粒子表示一个解，包含位置和速度信息。 2.评估适应度：对每个粒子进行适应度评估，根据问题的具体要求，可以定义适应度函数。 3.更新粒子速度和位置： -根据粒子自身历史最优解和全局最优解，更新速度和位置。 -根据随机数和权重因子，调整速度和位置，并限定在空间范围内。 4.更新全局最优解：根据当前粒子群的适应度，更新全局最优解。 5.终止条件判断：判断是否达到停止迭代的条件，如找到最优解或迭代次数达到上限。 6.返回最优解：返回全局最优解作为最终结果。 1.都需要初始化个体或粒子群来构建初始种群。 2.都需要根据适应度函数来评估每个个体或粒子的适应度。 3.都涉及到群体的选择操作，选中优秀的个体或粒子用于后续的进化过程。 4.都需要引入随机性，增加的多样性。 然而，GA算法和PSO算法也存在一些区别： 1.GA算法更倾向于全局，通过选择、交叉和变异等操作能够在整个解空间进行，并以种群的形式保留多个解，有较强的能力。而PSO算法则更倾向于局部，粒子的位置受历史最优解和全局最优解的影响，能够快速收敛到局部最优解。
智能家居无疑是这几年来热门的研究对象之一，各类协议不停的更新最新版本及改进缺点，导致目前没有一种真正意义上国际标准化用于智能家居、智能照明的通讯协议。本文主要针对各种方案的原理，技术特点及优缺点作出了一个对照并以此展望了智能家居市场的未来。 Zigbee 是 IEEE 802.15.4 协议的简称，它来源于蜜蜂的八字舞，蜜蜂(bee)是通过飞翔和“嗡嗡”(zig)颤动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，而 ZigBee 协议的方式特点与其类似便更名为 ZigBee。ZigBee 主要适合用于自动控制和远程控制
领域，可以嵌入各种设备，其特点是传播距离近、低功耗、低成本、低数据速率、可自组网、协议简单。 ZigBee 的主要优点如下： 1. 功耗低 对照 Bluetooth 与 WiFi，在相同的电量下(两节五号电池)可支持设备使用六个月至两年摆布的时间，而 Bluetooth 只能工作几周， WiFi 仅能工作几小时。 2. 成本低 ZigBee 专利费免收，传输速率较小且协议简单，大大降低了ZigBee 设备的成本。 3. 掉线率低 由于 ZigBee 的避免碰撞机制，且同时为通信业务的固定带宽预留了专用的时间空隙，使得在数据传输时不会发生竞争和冲突；可自组网的功能让其每一个节点模块之间都能建立起联系，接收到的信息可通过每一个节点模块间的路线进行传输，使得ZigBee 传输信息的可靠性大大提高了，几乎可以认为是不会掉线的。 4. 组网能力强 ZigBee 的组网能力超群，建立的网络每一个有 60，000 个节点。 5. 安全保密
ZigBee 提供了一套基于 128 位 AES 算法的安全类和软件，并集成为了 IEEE 802.15.4 的安全元素。 6. 灵便的工作频段 2.4 GHz，868 MHz 及 915 MHz 的使用频段均为免执照频段。 ZigBee 的缺点如下： 1. 传播距离近 若在不合用功率放大器的情况下，普通 ZigBee 的有效传播距离普通在 10m-75m，主要还是合用于一些小型的区域，例如家庭和办公场所。但若在牺牲掉其低掉线率的优点的前提下，以节点模块作为接收端也作为发射端，便可实现较长距离的信息传输。 2. 数据信息传输速率低 处于 2.4 GHz 的频段时， ZigBee 也惟独 250 Kb/s 的传播速度，而且这单单是链路上的速率且不包含帧头开消、信道竞争、应答和重传，去除掉这些后实际可应用的速率会低于 100 Kb/s ，在多个节点运行多个应用时速率还要被他们分享掉。 3. 会有延时性 ZigBee 在随机接入 MAC 层的同时不支持时分复用的信道接入方式，因此在支持一些实时的应用时会因为发送多跳和冲突会产生延时。