智慧路燈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)及組網(wǎng)設(shè)計(jì)

周余玥，胡 妤

（南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京210094）

路燈作為密集型的城市基礎(chǔ)設(shè)施，其智慧化可以給城市信息采集和發(fā)布提供便利。智慧路燈未來(lái)將會(huì)是物聯(lián)網(wǎng)重要的數(shù)據(jù)和信息收集來(lái)源，城市智慧路燈則會(huì)是我國(guó)建設(shè)智慧城市重要組成部分和重要入口，可以有效促進(jìn)智慧市政和智慧城市在城市照明各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用和落實(shí)，加快推行智慧化城市的步伐。

關(guān)于智慧路燈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，文獻(xiàn)[1]提出將遺傳算法運(yùn)用到照明控制中，并開發(fā)了照明控制軟件，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制燈光的構(gòu)想；文獻(xiàn)[2]提出一種隧道照明控制算法，可以根據(jù)外部光照度情況、車輛駛?cè)霠顟B(tài)對(duì)路燈輸出功率進(jìn)行簡(jiǎn)單直觀的調(diào)節(jié)；文獻(xiàn)[3]提出了一種基于Brute-Force 搜索算法的照明控制系統(tǒng)，通過(guò)優(yōu)化字程序、分段或中間控制器確定每個(gè)路燈切換、調(diào)度以及對(duì)應(yīng)的調(diào)光級(jí)別，通過(guò)電力線載波通信將信息發(fā)送至本地路燈控制器；文獻(xiàn)[4]提出路燈亮度與色溫和道路環(huán)境狀態(tài)具有一定的聯(lián)系，設(shè)計(jì)了路燈亮度與色溫控制策略；文獻(xiàn)[5]利用孤立森林（iForest）算法建立調(diào)光算法，采集夜間車流量數(shù)據(jù)；文獻(xiàn)[6]利用有向無(wú)環(huán)圖支持向量機(jī)算法實(shí)現(xiàn)多分類原理，并建立調(diào)光模型。

上述文獻(xiàn)表明智慧路燈在照明控制算法上已經(jīng)有了較為成熟的研究成果，但當(dāng)前的成果仍鮮少能以完整、詳盡、高通用性的姿態(tài)應(yīng)用于不同、復(fù)雜的路面情況上。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與照明控制技術(shù)、現(xiàn)有的傳感器技術(shù)的有機(jī)結(jié)合能夠較好地改進(jìn)這一問(wèn)題。在無(wú)線分布式的前提下，需要高效、準(zhǔn)確地感知路面情況，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。智慧路燈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是由事件驅(qū)動(dòng)的無(wú)線分布式系統(tǒng)，其核心是布置在智慧路燈監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的多個(gè)底層節(jié)點(diǎn)。本文主要研究了智慧路燈系統(tǒng)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)方案，并根據(jù)所建立的道路監(jiān)控檢測(cè)模型的具體需求，提出并設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，目前處于仿真和試驗(yàn)階段，應(yīng)用單位為南京理工大學(xué)。

1 智慧路燈網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智慧路燈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要根據(jù)其實(shí)際特性來(lái)確定：①路燈本身由城市電力局對(duì)其提供供電，故在設(shè)計(jì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)，不必考慮節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)哪芎模虎谠诟兄O(jiān)視路面的領(lǐng)域，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)部署和拓?fù)湓O(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)視、動(dòng)物跟蹤和監(jiān)視、環(huán)境監(jiān)視等其他典型應(yīng)用領(lǐng)域明顯不同。

由于城市街道的長(zhǎng)度不同，每條街道的路燈位置是固定且數(shù)目巨大的，大量的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和采集數(shù)據(jù)可能會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞和嚴(yán)重的數(shù)據(jù)包傳輸超時(shí)、錯(cuò)亂現(xiàn)象。所以，在設(shè)計(jì)智慧路燈監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)將重點(diǎn)放在如何解決網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)沖突，提高吞吐量，提高網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性以及傳輸數(shù)據(jù)效率上。

解決網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)沖突、提高吞吐量是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)的核心。吞吐量主要與工作節(jié)點(diǎn)的數(shù)量和發(fā)送數(shù)據(jù)所需的響應(yīng)時(shí)間有關(guān)，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，吞吐量指在不丟失數(shù)據(jù)的情況下可以接受的最大速率。下面本文提出2 種提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量的辦法。

（1）通過(guò)縮小各節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)間的間隔來(lái)實(shí)現(xiàn)信道時(shí)分復(fù)用。該方法主要使用時(shí)分多址（TDMA）算法[7]的思想，將信道中的絕對(duì)時(shí)間段劃分為在同一信道中具有不同地址的節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)只有享有時(shí)隙，才能使用信道通信資源。這樣，在規(guī)避競(jìng)爭(zhēng)沖突同時(shí)亦提高了網(wǎng)絡(luò)傳輸效率。但是，智慧路燈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)際投入使用時(shí)通常需要較大的數(shù)據(jù)量發(fā)送，并且為了避免復(fù)雜的錯(cuò)誤，此方法適用于由采集節(jié)點(diǎn)和簇頭節(jié)點(diǎn)組成的子網(wǎng)。

（2）對(duì)于由簇頭節(jié)點(diǎn)和基站節(jié)點(diǎn)組成的子網(wǎng)間的數(shù)據(jù)通信，可以通過(guò)構(gòu)造多個(gè)傳輸通道來(lái)實(shí)現(xiàn)。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，信道指發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的路徑，別稱“頻段”。單通道基站只能同時(shí)接收單通道節(jié)點(diǎn)下載的數(shù)據(jù)。

所設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞譃閮蓪?，底層由多個(gè)分簇組成，每個(gè)分簇是一個(gè)子網(wǎng)，該子網(wǎng)由簇頭節(jié)點(diǎn)和幾個(gè)采集節(jié)點(diǎn)組成；上層由簇頭節(jié)點(diǎn)和基站節(jié)點(diǎn)組成。鑒于有些道路路燈為單側(cè)分布，另一些道路路燈為兩側(cè)分布的實(shí)際情況，簇頭節(jié)點(diǎn)的位置應(yīng)該在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中均勻分布。通過(guò)研究ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信距離約為100 m～400 m，而路燈之間的距離不一，通常為10 m～50 m，因?qū)⒋怂写仡^節(jié)點(diǎn)都布置在路邊以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，兩個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)被一個(gè)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)分隔。除緊急情況外，上述網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)很少改動(dòng)。

本文采用基于時(shí)間競(jìng)爭(zhēng)的非均勻分簇路由算法（UCTC），建立了數(shù)據(jù)通信的頻帶拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型，如圖1所示。該圖清晰地說(shuō)明了基站節(jié)點(diǎn)、簇頭節(jié)點(diǎn)與采集節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系：基站節(jié)點(diǎn)位于安裝簇頭節(jié)點(diǎn)的某側(cè)道路的中心，用于下達(dá)控制命令、進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；簇頭節(jié)點(diǎn)和采集節(jié)點(diǎn)采用人工部署的方式安裝在路燈上。簇頭節(jié)點(diǎn)與采集節(jié)點(diǎn)在存儲(chǔ)、結(jié)構(gòu)、計(jì)算等性能相同，均具有唯一的ID 號(hào)；節(jié)點(diǎn)在得到部署后不再移動(dòng)，呈相對(duì)均勻分布。

圖1 多信道帶狀分簇網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of multi-channel banded clustering network topology

在此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，3 個(gè)采集節(jié)點(diǎn)和1 個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)組成1 個(gè)小型子網(wǎng)。關(guān)于子網(wǎng)中的數(shù)據(jù)流，采集節(jié)點(diǎn)采用TDMA 機(jī)制劃分時(shí)隙并將數(shù)據(jù)發(fā)送到簇頭節(jié)點(diǎn)，每個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)專用通道，可以有效避免數(shù)據(jù)沖突并將數(shù)據(jù)發(fā)送到基站節(jié)點(diǎn)。由于基站節(jié)點(diǎn)有一定的距離限制和信道限制，如果道路過(guò)長(zhǎng)，可以建立多個(gè)基站來(lái)滿足數(shù)據(jù)通信的需求。

2 數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制

基于上文設(shè)計(jì)的智慧路燈監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及各類型節(jié)點(diǎn)之間的通信機(jī)制，本文在采集節(jié)點(diǎn)和簇頭節(jié)點(diǎn)組成的子網(wǎng)中，以吞吐量作為依據(jù)，進(jìn)一步選用TDMA 時(shí)分多址算法，并通過(guò)分配間隙來(lái)實(shí)現(xiàn)信道訪問(wèn)。其工作原理是：將時(shí)間資源在傳輸過(guò)程中分為若干間隙，當(dāng)任務(wù)以隊(duì)列形式發(fā)布時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)獨(dú)享預(yù)約好的時(shí)隙進(jìn)行發(fā)送。若當(dāng)前時(shí)隙已被占用，就將其他節(jié)點(diǎn)置位空閑狀態(tài)，分別等待自身預(yù)約時(shí)隙的到來(lái)。時(shí)隙以固定順序分配，未保留的節(jié)點(diǎn)不會(huì)發(fā)送數(shù)據(jù)包來(lái)參與信道資源競(jìng)爭(zhēng)，也不會(huì)引起網(wǎng)絡(luò)擁塞，如圖2所示。

圖2 時(shí)分多址傳輸策略Fig.2 Time division multiple access transport policy

在網(wǎng)絡(luò)建立后的穩(wěn)定執(zhí)行階段，簇頭節(jié)點(diǎn)根據(jù)需要將監(jiān)測(cè)周期內(nèi)的執(zhí)行時(shí)隙分配給3 個(gè)采集節(jié)點(diǎn)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)完成最后一個(gè)任務(wù)時(shí)隙，即可確認(rèn)數(shù)據(jù)是否已經(jīng)到達(dá)。如果在監(jiān)測(cè)周期內(nèi)成功上傳任務(wù)數(shù)據(jù)組，則會(huì)向所有工作節(jié)點(diǎn)發(fā)送ACK 確認(rèn)消息，并終止該輪任務(wù)。

數(shù)據(jù)在簇頭節(jié)點(diǎn)和基站節(jié)點(diǎn)之間傳輸時(shí)，簇頭節(jié)點(diǎn)通過(guò)專用信道的方式有效避免數(shù)據(jù)沖突。多信道同時(shí)傳輸?shù)牟呗院艽蟪潭壬蠞M足了對(duì)智能路燈監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有效傳輸?shù)男枨?，同時(shí)提高了整體系統(tǒng)的吞吐量。但是，在復(fù)雜的道路檢測(cè)環(huán)境中，網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)由于各種干擾導(dǎo)致任務(wù)超時(shí)，從而阻止一個(gè)或多個(gè)通道執(zhí)行正常的數(shù)據(jù)傳輸。因此，網(wǎng)絡(luò)的健壯性和可靠性是數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制必須考慮的問(wèn)題。針對(duì)任務(wù)超時(shí)問(wèn)題和在意外情況下數(shù)據(jù)逃生的策略問(wèn)題，可以利用IEEE 802.15.4 中定義的載波偵聽/沖突避免（CSMA/CA）協(xié)議加以解決，執(zhí)行過(guò)程如圖3所示。

圖3 退避過(guò)程Fig.3 Retreat flow chart

3 時(shí)間同步算法

前文研究的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制中，智慧路燈監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中簇頭節(jié)點(diǎn)依據(jù)TDMA 機(jī)制，給3 個(gè)采集節(jié)點(diǎn)分配時(shí)隙，故要求此網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)以同一時(shí)域作為參考系，在時(shí)間歷程上保持一致。在所建立的組網(wǎng)里需要設(shè)計(jì)適用的時(shí)間同步算法機(jī)制。

常見(jiàn)的時(shí)間同步機(jī)制通?？梢愿爬? 類：①TPSN 等基于發(fā)送─接收的雙向同步機(jī)制；②RBS等基于接收─接收的同步機(jī)制；③FTSP 等基于發(fā)送─接收的單向同步機(jī)制。這3 種時(shí)間同步機(jī)制可以應(yīng)用于不同的場(chǎng)景，并且在不同的性能指標(biāo)上也有差異。上述3 種同步機(jī)制常用算法類型的性能指標(biāo)對(duì)比如表1所示。

表1 典型同步算法的性能指標(biāo)對(duì)比Tab.1 Comparison of performance indexes of typical synchronization algorithms

從表中我們可以看到TPSN 算法是最精確的，并且該算法的實(shí)現(xiàn)是基于分層思想，智慧路燈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟膊捎梅謱咏Y(jié)構(gòu)。鑒于前文對(duì)該系統(tǒng)組網(wǎng)無(wú)需考慮能耗問(wèn)題的原因做出過(guò)說(shuō)明，雖然TPSN 算法存在網(wǎng)絡(luò)開銷較高的缺點(diǎn)，綜合來(lái)看，仍使用TPSN 算法來(lái)同步網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的時(shí)間。

4 實(shí)驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)及其組網(wǎng)相比于前人研究的優(yōu)越性，按照上文對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)和設(shè)計(jì)搭建硬件平臺(tái)，單個(gè)的基站節(jié)點(diǎn)如圖4所示，單個(gè)的采集節(jié)點(diǎn)如圖5所示。

圖4 基站節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖Fig.4 Physical diagram of base station nodes

圖5 采集節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖Fig.5 Physical diagram of acquisition nodes

基于此，分別組件多信道帶狀分簇網(wǎng)絡(luò)和單信道網(wǎng)絡(luò)。其中，開啟多個(gè)基站節(jié)點(diǎn)所構(gòu)成的多信道帶狀分簇網(wǎng)絡(luò)如圖6所示，開啟單個(gè)基站節(jié)點(diǎn)的單信道網(wǎng)絡(luò)如圖7所示。

圖6 多信道帶狀分簇網(wǎng)絡(luò)搭建Fig.6 Construction of multi-channel banded clustering network

圖7 單信道網(wǎng)絡(luò)搭建Fig.7 Single channel network construction

從租賃的服務(wù)器中選取兩次接收到的數(shù)據(jù)包的網(wǎng)絡(luò)吞吐量，傳輸時(shí)間、數(shù)據(jù)丟包率和平均信號(hào)強(qiáng)度作為網(wǎng)絡(luò)傳輸測(cè)試的性能指標(biāo)，其測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 網(wǎng)絡(luò)傳輸性能Tab.2 Network transmission performance

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以看出，兩次實(shí)驗(yàn)中選用了不同的組網(wǎng)方式，均完成了路面環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)。從表2中可以發(fā)現(xiàn)，多信道帶狀分簇網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)整體性能要好于單信道模式，其丟包率僅為0.20%；轉(zhuǎn)換為單信道后，不僅網(wǎng)絡(luò)吞吐量降低，數(shù)據(jù)丟包率增加，還存在著網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)难訒r(shí)問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)智慧路燈監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入探討，在介紹了系統(tǒng)的整體架構(gòu)和節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)方案的基礎(chǔ)上，提出一種面向智慧路燈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)及其組網(wǎng)設(shè)計(jì)，即：設(shè)計(jì)了一種適用于路燈的多信道帶狀分簇網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，確定了不同節(jié)點(diǎn)之間的通信機(jī)制。

與已有智慧路燈控制算法相比，本文提出的方案與設(shè)計(jì)可以有效保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和綜合性，在無(wú)線組網(wǎng)的自組織階段，提高了數(shù)據(jù)傳輸效率和網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性，為智慧路燈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的進(jìn)一步研究提供了一定的參考價(jià)值。