智能建筑室內(nèi)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署與優(yōu)化研究

倪曉東

(中鐵建設(shè)集團有限公司 北京 100041)

1 引言

伴隨著信息化與智能化在各行各業(yè)的深入推進(jìn)發(fā)展，傳感器正在發(fā)揮著越來越重要的作用，在這其中，環(huán)境監(jiān)測是其較早期的應(yīng)用。本世紀(jì)初，來自加州大學(xué)伯克利分校的一個研究小組利用無線傳感器觀察島上的鳥類，并借助衛(wèi)星通信基站進(jìn)行遠(yuǎn)程連接。這種無人值守的監(jiān)測可以最大程度地減少現(xiàn)場收集數(shù)據(jù)的觀察者對研究對象的干擾。近年來，由于其易于部署且?guī)缀鯖]有基礎(chǔ)設(shè)施需求的特點，傳感器在軍事、太空、生物醫(yī)學(xué)、制造業(yè)和交通領(lǐng)域中越來越受到歡迎[1]。

而智能建筑室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測與控制，現(xiàn)如今也是傳感器應(yīng)用的熱門方向[2]。進(jìn)一步地，工程師們將位于一棟建筑物內(nèi)的大量傳感器統(tǒng)一接入一個網(wǎng)絡(luò)，每臺傳感器設(shè)備都被定義為網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點，這些節(jié)點通過無線通信相互傳輸數(shù)據(jù)[3]。借助傳感器環(huán)境中的不同物理量進(jìn)行實時測量，如溫度、場強、濕度、壓力、重量等[4]。由于這些設(shè)備體積小且價格低廉，可以大量生產(chǎn)和部署使用，近年來吸引了各國學(xué)者的廣泛研究。一方面，利用傳感器網(wǎng)絡(luò)可以減少環(huán)控能耗，合理分配照明控制[5]。若沒有可靠的傳感器網(wǎng)絡(luò)來驅(qū)動控制器進(jìn)行控制，將會額外消耗大量的能源和資金[6]。另一方面，通過傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以監(jiān)測樓體結(jié)構(gòu)的健康狀況。無論是縱火等人為蓄意損毀[7]，還是地震、臺風(fēng)等不可抗的自然災(zāi)害，都可能會對建筑物造成破壞。通過傳感器的實時監(jiān)測，可以有效減少這類危害的影響[8]。因此，建筑環(huán)境的監(jiān)測和自動控制都是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要應(yīng)用。

在當(dāng)前實際工程應(yīng)用中，信號沖突、人為干擾以及建筑物中的混凝土墻或其他障礙物會對傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生多重干擾，無線信道環(huán)境非常復(fù)雜[9]，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能往往會嚴(yán)重下降。上述問題制約了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能建筑中的應(yīng)用，也是傳感器網(wǎng)絡(luò)的實際應(yīng)用難以簡單地在計算機仿真軟件上準(zhǔn)確呈現(xiàn)的主要原因[10]。在先前的研究中，已有研究學(xué)者建立了建筑物傳感器網(wǎng)絡(luò)模型[11]，并進(jìn)行了一些實驗。但是這些相關(guān)研究沒有采用數(shù)據(jù)來評估網(wǎng)絡(luò)[12]，亦或是沒有根據(jù)測試結(jié)果提出優(yōu)化方案。與現(xiàn)有的研究工作相比，本文不僅著眼于在智能建筑中實現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，還提出了一些優(yōu)化建議，以提高智能建筑中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能。

本研究基于某項目，測試驗證了建筑物中已部署的傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性。從通信協(xié)議入手提出了兩種改進(jìn)方法并進(jìn)行驗證實驗，結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠滿足智能建筑應(yīng)用的要求。研究成果為今后智能建筑的傳感器網(wǎng)絡(luò)部署提供了一個可行的方案。

2 實驗平臺的建立

2.1 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

典型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

目前，應(yīng)用最廣泛的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)是IEEE802.15.4。該標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了使傳感器節(jié)點相互通信的物理層和介質(zhì)訪問控制層。為了保證網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的可行性，協(xié)議還引入了自適應(yīng)層。在這之上是提供各種服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。該平臺使用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是IPv6低功耗無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(6LoWPAN)，所有功能的實現(xiàn)都依賴于網(wǎng)絡(luò)中有限節(jié)點上的傳感器。

2.2 協(xié)議分析

網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)是802.15.4 MAC協(xié)議。802.15.4的參數(shù)和默認(rèn)設(shè)置如表1所示。

表1 IEEE802.15.4 MAC協(xié)議參數(shù)

基于微傳感器路由協(xié)議(MSRP)搭建的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是智能建筑傳感器網(wǎng)絡(luò)的一種常見結(jié)構(gòu)，該協(xié)議具有隨需應(yīng)變的特點，有效降低路由過程的能耗，滿足節(jié)能要求。MSRP協(xié)議是一種專門為基于IEEE 802.15.4的傳感器網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計的協(xié)議。在這個協(xié)議框架下，如果某節(jié)點需要傳輸數(shù)據(jù)時，才會啟動路由搜索過程來查找路由。協(xié)議會首先搜索路由列表。如果不存在接收路由，節(jié)點將緩存當(dāng)前的數(shù)據(jù)，隨后產(chǎn)生路由請求(RREQ)數(shù)據(jù)包并對其進(jìn)行廣播。當(dāng)中間節(jié)點收到請求時，它將自動檢查其是否為目標(biāo)節(jié)點；如果是則將數(shù)據(jù)單播至下一節(jié)點，否則協(xié)議仍將繼續(xù)廣播數(shù)據(jù)包。需要指出的是，只有目標(biāo)節(jié)點才能回復(fù)路由應(yīng)答(RREP)報文。MSRP協(xié)議搭建的網(wǎng)絡(luò)使用確認(rèn)幀(ACK)來確定相鄰節(jié)點的可靠性。如果源節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)后的一段時間內(nèi)沒有收到確認(rèn)幀，這意味著相鄰節(jié)點已過期，協(xié)議會將當(dāng)前數(shù)據(jù)保存在緩沖區(qū)中，同時再次啟動請求進(jìn)程。

3 實驗和評估

3.1 環(huán)境測試

為了評估無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能，本文依托某項目進(jìn)行實驗測試平臺搭建與優(yōu)化。項目已有的智能建筑監(jiān)測與控制系統(tǒng)選用了低功耗Atmega128的8位MPU傳感器節(jié)點和iDwaRF-168射頻芯片，利用2.4 GHz的通信信道來實現(xiàn)無線傳輸。如圖2所示。本文在此基礎(chǔ)上開展實驗與優(yōu)化研究。

圖2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署

系統(tǒng)布置在一個50 m×20 m的建筑空間內(nèi)，周圍環(huán)境包含了人類活動以及其他障礙物(墻、金屬門)干擾無線信號。由于建筑物的干擾，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可靠性會受到嚴(yán)重的影響。因此，在改進(jìn)傳輸協(xié)議之前，需要對傳感器網(wǎng)絡(luò)部署的可靠性進(jìn)行測試。表2顯示了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，通過將節(jié)點預(yù)期讀取的數(shù)據(jù)量與實際收到的數(shù)據(jù)量進(jìn)行對比，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以確定重復(fù)數(shù)據(jù)包。結(jié)果表明，距離中心15 m以內(nèi)的節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸速率均達(dá)到90%以上，表現(xiàn)良好；位于15～30 m之間的節(jié)點一般有效，數(shù)據(jù)傳輸速率超過60%；距離超過40 m的節(jié)點無法提供可靠的數(shù)據(jù)通信。

表2 試驗測試結(jié)果

傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋區(qū)域受建筑材料及其厚度或其他障礙的影響很大。此外，無線電波往往會被建筑物中的導(dǎo)電物體反射或衍射，只有很少一部分能夠穿透它們。由于內(nèi)部環(huán)境中存在的過渡區(qū)域，混凝土、磚墻、隔墻、辦公家具和其他物品等障礙，甚至建筑物內(nèi)的人類活動，也是網(wǎng)絡(luò)性能損失的重要原因。

3.2 改進(jìn)部署

參照3.1節(jié)的測試結(jié)果，對智能建筑中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署方案進(jìn)行了改進(jìn)。在單層實驗樓內(nèi)部署了數(shù)十個傳感器節(jié)點，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，新的部署方案減少了節(jié)點之間的傳輸距離，盡量避免布置在過渡區(qū)域，并將中心節(jié)點布置在樓層中心，實現(xiàn)最小化樓體結(jié)構(gòu)對通信干擾的目標(biāo)。同時在布置時，每一層都設(shè)有一個獨立的子網(wǎng)，避免不同樓層的網(wǎng)絡(luò)通信受到樓體混凝土的干擾。

3.3 問題分析

雖然在部署無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的過程中，先前的分析已經(jīng)考慮了大部分的問題，但實驗結(jié)果表明，無線網(wǎng)絡(luò)仍不夠穩(wěn)定，部分通信鏈路的可靠性仍處于較低水平。從網(wǎng)絡(luò)通信過程入手分析，可能是由以下原因造成的:

(1)現(xiàn)有的路由不夠穩(wěn)定。當(dāng)一個節(jié)點收到數(shù)據(jù)包時，可能會建立一條不考慮路由質(zhì)量的路由通道。

(2)原有路由協(xié)議使用確認(rèn)幀來判斷相鄰節(jié)點的可靠性。如果源節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)后的一段時間內(nèi)沒有收到回復(fù)的確認(rèn)幀，將會自動廣播請求來搜索路由。接收到請求報文的中間節(jié)點會重新廣播請求報文，這可能會在網(wǎng)絡(luò)中引起廣播風(fēng)暴。

這兩個問題可能影響了智能建筑傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能，因此可以針對路由協(xié)議進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。

4 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

在分析存在問題的基礎(chǔ)上，本章提出了改進(jìn)措施。但由于缺乏統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，因此在目前的研究中，很難從單一某項指標(biāo)來確定網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化效果，可行的做法是采用多項參數(shù)進(jìn)行綜合考察。在優(yōu)化傳感器網(wǎng)絡(luò)時選用了以下幾個參數(shù)，分別為丟包率(PLR)、鏈路質(zhì)量指標(biāo)(LQI)和往返時間(RTT)，用以分析網(wǎng)絡(luò)的改善情況以及評估是否滿足應(yīng)用程序的要求。

首先，為保證所建立路由的魯棒性，對可能的鏈路設(shè)置質(zhì)量閾值，不允許鏈路質(zhì)量低于閾值的請求報文建立路由。

如圖3所示，平臺中任意兩個相鄰節(jié)點的鏈路質(zhì)量值超過了實驗設(shè)定的50閾值，使得路由更加穩(wěn)定。

圖3 鏈路質(zhì)量評估

其次，在路由協(xié)議中引入了改進(jìn)的路由修復(fù)過程。當(dāng)源節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)后，在一定時間內(nèi)沒有收到確認(rèn)報文時，源節(jié)點不是簡單地創(chuàng)建請求報文并將其重新廣播，而是在較短時間內(nèi)啟動路由修復(fù)過程。

改進(jìn)后的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議重定義了兩種路由包，分別是RREQ_Repair包和RREP_Repair包。

當(dāng)傳感器節(jié)點開始路由修復(fù)過程時，會廣播只有一跳有效傳輸距離的RREQ_Repair報文。相鄰節(jié)點收到后，會從路由列表中搜索目標(biāo)節(jié)點的路由。一旦出現(xiàn)可用路由，則相鄰節(jié)點將回復(fù)RREP_Repair報文，從而快速重新構(gòu)建路由。如果路由修復(fù)過程失敗，源節(jié)點將啟動請求過程。路由修復(fù)過程可有效地降低無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中廣播風(fēng)暴的可能性。

優(yōu)化后的路由協(xié)議評估如圖4所示。由圖4a可知，任意兩個節(jié)點之間的往返時間隨跳數(shù)的增加而增加。但在采用優(yōu)化后的協(xié)議后，往返時間上升的速度顯著下降，傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能更為穩(wěn)定。如圖4b所示，丟包率是性能評價的另一個重要指標(biāo)。顯然，跳數(shù)越多丟包的概率就越大。在優(yōu)化后的路由協(xié)議中，雖然丟包率的值與原路由協(xié)議有相似的趨勢，但節(jié)點的丟包率概率明顯降低。評估結(jié)果表明，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能建筑中的性能得到了提高。

圖4 優(yōu)化路由協(xié)議的評估

綜上，可認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案是有效且可行的，能夠在不改變原有硬件設(shè)施的基礎(chǔ)上，通過對內(nèi)在協(xié)議的優(yōu)化，相當(dāng)大程度提升網(wǎng)絡(luò)的性能，滿足當(dāng)前智能建筑應(yīng)用的要求。

5 結(jié)論

本文對智能建筑無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了部署與優(yōu)化研究?；诂F(xiàn)有的單層建筑傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行了可靠性測試，實驗結(jié)果表明節(jié)點距離以及環(huán)境復(fù)雜的過渡區(qū)域?qū)W(wǎng)絡(luò)可靠性產(chǎn)生顯著的影響，當(dāng)節(jié)點距離超過40 m之后將無法保證傳輸數(shù)據(jù)的可靠性。因此在實際部署中應(yīng)當(dāng)盡量避免傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的距離過遠(yuǎn)，且應(yīng)需注意不要放置在金屬門，較厚混凝土墻，人員密集區(qū)等過渡區(qū)域。每層應(yīng)設(shè)置單獨的通信子網(wǎng)，以增強傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能。在分析測試數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，本文優(yōu)化了傳感器的部署和改進(jìn)了路由協(xié)議，并進(jìn)行了性能評估。結(jié)果表明該系統(tǒng)有能力在復(fù)雜環(huán)境下高效地工作。未來的工作將主要集中于其他部署條件下更通用的方案和適當(dāng)?shù)膮f(xié)議。