基于無線傳感網的樓宇環境監測系統設計

陸歡佳，俞 立，董齊芬，潘 浩，葉靈潔

（浙江工業大學 信息工程學院，浙江 杭州 310023）

基于無線傳感網的樓宇環境監測系統設計

陸歡佳，俞 立，董齊芬，潘 浩，葉靈潔

（浙江工業大學 信息工程學院，浙江 杭州 310023）

為滿足樓宇環境監測系統低成本、部署方便等要求，設計了一種層次型結構的無線傳感網實現對樓宇環境數據的收集工作.首先闡述系統中傳感器節點與匯聚節點的硬件設計，然后，根據樓宇監測的應用背景，設計一種基于IEEE802.15.4／ZigBee協議模型的自組織、低功耗的無線傳感網數據收集協議，不僅可以實現上行感知數據的傳輸，還可用于下行配置參數的傳輸.最后，實地部署和測試結果表明，系統在數據采集、在線監測和數據管理與分析等方面已達到了設計要求.

樓宇環境監測；無線傳感網；數據收集

樓宇室內環境的監測，可以為樓宇自動化系統提供原始數據支持［1］，有助于在改善用戶居住舒適度的同時提高樓宇能量利用率.傳統的監測方法往往是部署大量有線傳感器，這種方式存在安裝成本高、影響室內美觀等問題.而采用 WLAN、CDMA／GSM等無線數據傳輸方式也存在設備運行成本高、能耗大等局限.

無線傳感網（Wireless Sensor Networks，WSNs）的出現為樓宇環境監測提供了新的有力技術手段［2－3］.WSNs能夠實時采集網絡分布區域內各個監測對象的信息［4］，在樓宇環境監測等應用中有著良好的應用前景.針對WSNs在樓宇環境監測中的應用，目前已存在較多可供參考的設計方案.文獻［5］設計了監測室內電器設備能耗的WSNs，但其網絡協議的設計與其所采用的硬件緊密相關，使其不能直接移植使用.文獻［6］利用 WSNs監測室內光照強度及燈光的使用情況，為燈光節能控制系統提供數據支持，但其網絡具有閉環控制功能，網絡協議的實現過于復雜.文獻［7］設計了基于 WSNs的歷史建筑物結構監測系統，其采用中間件的方式實現數據收集及分發協議，使得網絡運行效率較低.資源的有限性決定了WSNs的設計在滿足樓宇環境監測應用需求的同時，應盡量簡單和高效.然而上述方案不能簡單、高效的實現，需要重新設計.

筆者針對樓宇監測應用，設計一種層次結構WSNs來實現樓宇環境數據的收集，主要內容包括：（1）用于環境數據采集的低功耗傳感器節點硬件設計及充當網關的匯聚節點硬件設計；（2）面向樓宇環境監測應用的自組織、低功耗WSNs數據收集協議設計.所設計協議基于IEEE802.15.4／ZigBee協議模型，能完成上行感知數據及下行配置參數的傳輸.實地部署和測試結果表明，節點能動態形成WSNs，并能正確完成對樓宇環境信息的周期性收集任務.

1 節點硬件設計

傳感器節點硬件體系架構如圖1（a）所示.節點由傳感模塊（包括溫濕度傳感器SHT11和光照強度傳感器TSL2550）、處理模塊（Atmega128L）、無線通信模塊（CC2420）和電源模塊等組成.傳感模塊獨立設計，并通過擴展接口與處理模塊相連，便于在監測任務改變時進行更換.圖1（b）所示為傳感器節點實物圖，在安裝上傳感模塊后，節點尺寸為60 mm×40 mm×20 mm，滿足節點的小型化要求.

匯聚節點是連接WSNs和互聯網這兩種異構網絡的橋梁，它匯總處理所有傳感器節點采集的數據.圖1（c）所示為匯聚節點實物圖，其采用Samsung公司的S3C2440 ARM處理器，并配有32 MB RAM和64 MB Flash存儲器以提供足夠的計算和存儲能力，同時配置串口、以太網等通信接口方便與計算機網絡的連接.

2 WSNs數據收集協議設計

針對樓宇監測應用需求，設計一個自組織、低功耗的WSNs數據收集協議是文章重點.樓宇環境變化往往是相對緩慢的，傳感器節點可以以較低的頻率采集環境參數，系統需傳輸的數據量較少，對網絡帶寬的要求不高.因此，所設計的系統建立在IEEE802.15.4／ZigBee協議模型上，并貼近應用特點，實現簡單高效的數據收集協議.

2.1 網絡的構建與維護

根據房間大小及監測精度要求，每個房間部署不同數量的傳感器節點，所有節點自組織形成WSNs.

WSNs中節點資源的有限性決定了組網過程不應存在過多復雜控制信息的交互過程，同時在網絡運行中應盡量保持各節點間的能耗均衡.所設計系統采用以下方法實現網絡的構建及維護.

初始化時，各節點是獨立的.匯聚節點發起網絡建立，未入網節點按照圖2所示的入網步驟加入網絡.節點多次廣播入網請求幀以獲得多個已入網鄰居節點或匯聚節點反饋的入網響應，并利用入網響應幀中包含的信息選擇預選父節點.預選父節點應該是所有反饋了入網響應節點中最優的節點，其應具有較少的網絡深度及較多的剩余能量.較少的網絡深度意味著數據的傳輸路徑較短，這樣就降低了數據在網絡上傳輸時的總能量消耗；較多的剩余能量可以保證傳輸路徑的可靠性，同時也是節點間能耗均衡的需要（具有較多子節點的父節點在數據轉發過程中需要消耗更多的能量）.綜上，預選父節點Ppreselect的選擇依據為

圖2 節點入網過程Fig.2 Join network process

式中：N表示回復入網響應幀的節點個數；Ei為第i個回復節點的剩余能量；Di表示第i個回復節點的網絡深度（數據幀從該節點傳輸至匯聚節點所需的最小路由跳數）；α1和α2為相應非負權重系數，應根據實際系統中網絡深度及剩余能量對預選父節點選擇的不同重要程度進行量化.

如果請求入網節點在定時器設定的時間內未能接收到任何入網響應幀，則節點將隨機延時一段時間后再次廣播入網請求.需要特別說明的是，請求入網節點選定的預選父節點在接收到關聯請求后，若發現不能對該子節點進行關聯，就會回復關聯拒絕幀，請求入網節點在接收到該信息后將根據式（1）重新選擇次優預選父節點進行關聯.

按照這種方法，最終將建立起以匯聚節點為根的樹形結構網絡.但因每個節點擁有的子節點數不同，導致其能耗也不相同，這種節點間能量消耗的不均衡會減短WSNs的生命周期.因此，節點提供解關聯操作來維護該網絡.每個父節點設置一個周期能量消耗閾值，同時記錄上次解關聯操作以來消耗的總能量，并在檢測到該能量消耗超過閾值后執行新的解關聯操作.子節點接收到父節點的解關聯信息后將重新入網，動態更新其父節點，從而達到能耗均衡的目的.

2.2 節點地址分配及數據轉發機制

每個節點須擁有唯一的網絡地址用于數據轉發時的尋址操作.父節點在關聯子節點時采用式（2）所示的分布式節點地址分配機制實現子節點的地址分配：

An＝AParent＋CSkip（d）×（n－1）＋1，1≤n≤Cm（2）式中：AParent為父節點的網絡地址；An為隸屬于該父節點的第n個子節點的網絡地址；Cm為節點所能擁有的最大子節點數；CSkip（d）表示處于d網絡深度的父節點所擁有的地址數，計算如下：

式中：Dm為最大允許網絡深度；Cm與Dm為常數，在系統部署時設定.

特別的，作為組網發起者的匯聚節點擁有唯一的固定地址：

基于上述地址分配方式，節點所擁有子節點的地址均將處于［AParent＋1，AParent＋CSkip（d）×（Cm－1）＋1］區間內，使網絡數據轉發過程無需額外的輔助路由信息，以降低協議的復雜度.協議采用圖3方法實現數據幀轉發.

2.3 網絡數據流

所設計的路由樹不僅可以實現上行感知數據的傳輸，還可用于下行配置參數信息的傳輸.針對樓宇監測應用，網絡數據鏈路還提供合適的數據傳輸服務質量以在滿足不同類型數據對傳輸質量需求的同時最小化傳輸所需能量消耗，具體如下：

圖3 節點數據幀轉發流程圖Fig.3 Data frame forwarding flowchart

（1）周期性環境參數.如周期性采集的室內環境溫度值等數據是WSNs數據鏈路上主要的流通對象，其對傳輸質量的要求較低，允許較大傳輸時延和丟包的發生.數據鏈路在傳輸這類數據時，不提供重發機制，以減少網絡通信量，延長網絡生存周期.

（2）配置參數.采集周期與異常閾值設置值及網絡運行信息，如節點當前電池電壓值等數據要求可靠傳輸，但允許較大時延.數據鏈路在傳輸這類數據時，提供重發機制以保證信息的可靠傳輸.

（3）異常數據.如采集到的超出閾值的環境溫度值等信息一旦產生就需要正確及時地反映給用戶，所以其不僅要求可靠傳輸，還要求傳輸具有較低時延.這類數據在數據鏈路上具有優先傳輸權（不用經過各中轉節點的MAC層發送等待隊列而直接發送），并采用重發機制來保證傳輸的可靠和低時延.

3 系統測試

3.1 節點能耗測試

實際運行過程中，在兩節1.5 V普通AA電池（南孚LR6）供電情況下，節點工作在不同狀態時消耗的電流如表1所示，具有較低的運行功耗.

表1 節點工作電流Table 1 Node operating current consumption m A

3.2 網絡連通性測試

在樓宇環境監測應用中，節點的部署需要由監測規劃確定，而不是隨機的.這種較為固定的節點部署方式使節點間的連通性成為節點部署中最重要的約束條件.采用在實際樓宇環境中測試節點間的無線通信距離來衡量網絡的連通性，測試結果如表2所示.可以看到，針對一般樓宇環境，部署在同一房間及相鄰房間的節點間連通性是可以保證的.

表2 節點通信距離Table 2 Node communication distance m

3.3 系統測試

所測試的樓宇環境監測系統由9個部署在同一樓層相鄰房間節點及監測軟件平臺構成.所設計監測軟件平臺以Sqlite作為數據庫，采用C＋＋基于Qt開源圖形庫平臺開發完成，主要實現整個監測系統管理、環境感知數據在線顯示存儲、歷史數據分析和用戶交互等功能.

在節點部署前，需要配置節點的類型、房間號、監測項目及采集周期等信息，如圖4（a）所示.為了測試傳感器的采集精度和數據鏈路的可靠性，設置所有節點數據采集周期為5 s（實際應用中，節點將會以更低的采集頻率運行，以節約能量）.

節點實際部署的分布情況如圖4（b）所示，整個系統部署有一個匯聚節點、和八個傳感器節點，并設置網絡運行參數Cm＝3及Dm＝4.

圖4 監測軟件配置Fig.4 Software configuration

傳感器節點采集到的環境數據將以協作方式傳輸至匯聚節點，進而傳送給監控軟件平臺進行存儲、可視化分析與統計.圖5（a）所示為321房間10 min內所采集溫濕度及光照強度數據的實時曲線.圖5（b）所示是該房間一周內每日平均溫度統計圖.

圖5 監測軟件數據顯示和分析Fig.5 Data visualization and analysis

上述測試結果表明，設計的節點能以較低的功耗實現環境數據的采集及處理，節點間的連通性也保證了WSNs的穩定運行及傳感數據的可靠匯集.整個樓宇監測系統在數據收集及數據管理分析等方面已達到應用要求.

4 結 論

筆者設計一種基于WSNs的樓宇監測系統，并對系統節點硬件設計及數據收集協議等進行了闡述.系統測試結果表明，所設計的系統已能基本滿足應用需求，實現了環境參數數據的實時采集、傳輸與存儲，并提供數據的可視化分析.作為WSNs的一個有效應用，該樓宇環境監測系統可以為樓宇自動化及智能化提供更直接的參考價值，具有較好的應用前景.

下一步工作主要集中在系統的測試及監測軟件平臺功能的完善上，同時研究并實現節點間的休眠調度機制，以進一步降低節點的功耗，最大化網絡生存周期.

［1］TESS D，ELENA G，JAMES B.Wireless sensor networks to enable the passive house-deployment experiences［C］／／Smart Sensing and Context.Berlin：Springer，2009：177-192.

［2］WU Shao-min，DEREK C.Understanding the indoor environment through mining sensory data-A case study［J］.Energy and Buildings，2007，39（11）：1183-1191.

［3］WON-SUK J，WILLIAM M，MIROSLAW J.Wireless sensor networks as part of a web-based building environmental monitoring system［J］.Automation in Construction，2008，17（3）：29-736.

［4］王太杰，許家棟，徐建成.基于蟻群優化算法的無線傳感器網絡路由協議［J］.系統仿真學報，2008，20（18）：4849-4901.

［5］KAPPLER C，RIEGEL G.A real-world，simple wireless sensor network for monitoring electrical energy consumption［C］／／Proceedings of 1st European Workshop on Wireless Sensor Networks.Berlin：Springer-Verla，2004：339-352.

［6］VIPUL S，ANDREAS K，CARLOS G.Intelligent light control using sensor networks［C］／／Proceedings of the 3rd International Conference on Embedded Networked Sensor Systems.San Diego：ACM，2005：218-229.

［7］MATTEO C，LUCA M，GIAN P，et al.Monitoring heritage buildings with wireless sensor networks：The torre aquila deployment［C］／／Proceedings of the 2009 International Conference on Information Processing in Sensor Networks.San Francisco：IEEE Computer Society，2009：277-288.

Design of building environment monitoring systems based on wireless sensor network

LU Huan-jia，YU Li，DONG Qi-fen，PAN Hao，YE Ling－jie
（College of Information Engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310023，China）

To meet the requirements of low cost and convenient deployment from the building environment monitoring systems，a hierarchical wireless sensor network is designed to gather building environment data.Firstly，the hardware designs of sensor node and cluster node are explained.Then，a self-organization and low-power data collection protocol in wireless sensor networks specified for building monitoring is proposed，which is based on the IEEE802.15.4／ZigBee protocol stacks.The proposed network could deliver both uplink sense data and configuration parameters with downlink data.Finally，the in-situ deployment and testing results show that the system achieves the application requirements well in the aspects of data collection，on-line monitoring，data management and analysis.

building environment monitoring；wireless sensor networks；data gathering

TP212.9

A

1006-4303（2011）06-0683-05

2010-09-14

浙江省教育廳重大科技攻關項目（ZD2007003）

陸歡佳（1986—），男，浙江海寧人，碩士研究生，研究方向為無線傳感器網絡研究與應用，E-mail：luhuanjia1020＠126.com.

（

陳石平）