基于ZigBee的低功耗無線傳感器網絡改進協議*

向鳳紅， 孔慶平， 毛劍琳， 付麗霞

(昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500)

基于ZigBee的低功耗無線傳感器網絡改進協議*

向鳳紅， 孔慶平， 毛劍琳， 付麗霞

(昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500)

如何降低無線傳感器網絡(WSNs)節點的能耗來延長網絡壽命是非常重要的，無線網路的性能主要取決于MAC協議，若要降低節點能耗，合理的設計與改進MAC協議就成為一個關鍵性問題。主要介紹了無線傳感器網絡中的ZigBee技術發展與應用，針對相關能耗問題，將延遲測量時間同步(DMTS)算法融入到ZigBee網絡中,同時引入了基于S-MAC協議機制的周期性偵聽/睡眠、碰撞避免等措施對協議進行改進，通過仿真與基本協議進行比較。仿真結果表明：改進的協議能夠有效降低網絡節點能耗。

無線傳感器網絡； ZigBee協議棧； 低功耗； 延遲測量時間同步

0 引 言

無線傳感器網絡(WSNs)作為新型無線網絡，是當前國際上非常關注的、一種多學科交叉技術，具有相當廣泛的應用前景[1,2]。無線傳感器網絡的節點能夠采集環境數據信息、實時地監控被控對象的動態信息，并且經過嵌入式處理操作對采集的信息處理，通過無線通信將相關信息傳遞給觀測者[3]。2011年，美國商業周刊和MIT技術對未來影響世界的技術進行了評選，無線傳感器網絡技術被評選為21世紀最有影響的21世紀21項技術和改變世界的10大技術之一[4]，該項技術是繼因特網之后的又一項偉大的技術。

本文通過分析基礎IEEE 802.15.4協議存在的能耗問題，引入了基于S-MAC協議機制的周期性偵聽/睡眠措施，同時結合時間同步算法中能耗較低的DMTS算法來進行時間同步，進一步減少能量消耗。

1 協議改進

在無線傳感器網絡中，網絡傳輸協議體系中的MAC協議是無線傳感器網絡系統的底層協議，該協議主要負責管理信道的使用方式，為節點分配有限的頻譜資源，并且它直接控制著傳感器網絡中的發射模塊，對傳感器節點的能耗有很大的影響，是保證無線傳感器網絡低功耗性能的關鍵協議之一[5,6]。傳統無線網絡的MAC協議重點考慮節點使用帶寬的公平性，增加網絡的實時性以及提高帶寬的利用率[7]。

ZigBee 協議校的MAC層協議采用采用IEEE 802.15.4標準，該標準是建立在節點的固定功率基礎上，那么會降低傳感器節點的電池壽命。那么合理的設計MAC協議也能有效的降低功耗，對提高ZigBee 網絡的整體性能有很重要的作用。本節將重點介紹MAC層協議的節能研究，以及如何對其進行改進，以用于本文所研究的無線傳感網絡系統。

ZigBee傳感器網絡中，能量消耗主要在于處理器和無線通信模塊折兩個部分[7]，傳感器節點各個模塊消耗能量分布圖如圖1所示。

圖1 傳感器節點各個模塊消耗能量分布圖

由圖1所知，傳感器、處理器模塊的能耗是由硬件所決定，且占據整個傳感器網絡功耗的比重比較小，而無線通信模塊的能耗占據整個傳感器網絡功耗的比重很大，所以有效管理無線通信模塊能耗，才能使整個網絡的功耗得以降低。由上分析可知，若傳感器節點在沒有發送和接收數據狀態下，讓節點盡量處于睡眠狀態進行休眠操作。而S-MAC協議就是基于此種思想的一種協議，該協議采用的周期性偵聽/睡眠機制就是讓節點在無數據傳輸時進入睡眠狀態，避免了不必要的偵聽，以達到節能的效果。

S-MAC協議采用周期性偵聽/睡眠機制，使節點定期地進入睡眠狀態，從而減少節點空閑偵聽的時間降低能量消耗。在協議校中將時間分成很多的時隙，再將每個時隙分成偵聽和睡眠兩個狀態，其時間幀格式如圖2所示。

圖2 周期性偵聽/睡眠幀格式

在S-MAC協議中一個完整的偵聽和睡眠是一個時間幀，其中Tframe是一個幀周期，偵聽時間Tlisten占一個幀周期號Tframe的比值稱作占空比，它的公式為

(1)

該過程基本的調度思想如下:在偵聽狀態時，節點的無線收發器是正常工作的，與其它節點進行數據傳輸。而節點在睡眠狀態時，關閉無線收發器，不參與任何數據傳輸，然后通過定時器喚醒節點，查看是否有數據發送給自己。在周期偵聽/睡眠前，每一個節點都要選擇一個調度表，與鄰居節點交換調度信息，而且每個節點都存儲著所有鄰居調度信息的調度表。為了使節點被喚醒后能夠收到鄰居節點的消息，則相鄰節點要維護彼此鄰居節點的時間調度表，還有節點睡眠和醒來的時間，以便于確保相鄰節點間能及時通信降低因睡眠造成的時延。

在時間調度表中，節點的睡眠和監聽的比不是固定的，而是根據節點接收和發送的多少進行設定的，具體的比例根據網絡需求來調節，為了方便實際的應用，本文只選擇睡眠和監聽的時間比為1∶1 進行研究，即節點在一個時間幀內，50 %的時間處于休眠狀態，這樣會有效減少不必要的偵聽，以達到網絡的節能。

本文主要在傳感器終端節點的設計上引入工作/睡眠調度機制，該協議校中的MAC層協議是基于IEEE 802.15.4的標準的，由于其MAC層總是處于工作或監聽狀態，沒有加入睡眠機制，則本文在MAC層的任務運行函數MACTASKs中，加入監聽/睡眠機制功能函數部分，為了能正常運行協議，本文選擇在無原語的狀態下，實現監聽/睡眠機制。

但在實際應用中，要使改進的協議很好運行，就要使整個網絡的時間進行時間同步，但由于ZigBee協議節點加入網絡時間點不同，那么會使整個網絡的時間不能夠同步，為了更好實現協議枝，需要整個網絡同步，延遲測量時間同步(delay measurement time synchronization,DMTS)算法[8,9]，是基于發送者—接收者的單向時間同步算法，該算法結構簡單，功耗較低，具有廣泛的運用，其算法原理圖如圖3所示。當發送節點在檢測到通道空閑時，給廣播分組加上時間戳t0，從而排除了發送節點的處理延遲與MAC層的訪問延遲，并假設發送報文的長度為N個bit(包括前導碼與同步字)，報文發送速率為t/bit，而接收者在接收完同步字后，記錄下此時的本地時間為t1，而調整自身本地時間記錄前的時間為t2，這時接收節點為實現與基準節點時間的同步，調整接收節點的本地時間改為t0+t*N+(t2-t1)。

圖3 DMTS算法示意圖

由圖3可知，DMTS算法簡單，能耗低，能夠滿足部分的無線傳感器網絡要求。

2 實驗仿真

2.1 NS2模擬仿真

通過以上分析，用NS2網絡仿真軟件[10]來模擬仿真IEEE 802.15.4 MAC層協議和采用S-MAC協議思想機制的改進協議能耗分析。模擬仿真中設定16個節點，設定網絡拓撲為星型拓撲結構，節點以相同速度產生數據流，節點之間隨機選擇連續比特率(continuous bit rate,CBR)數據傳輸鏈路，節點的場景參數配置:占空比為50 %，節點通信距離為200 m，信道帶寬為10 kbps，數據包長度為100 bytes，MAC幀頭長度為10 bytes，控制包長度為10 bytes，時隙長度為2 ms，初始能量為1 000 J，傳單器幾點個數為16。

通過編寫tcl程序設置好節點參數后，然后進行數據發送分組間隔分別為1，2，3,…，10 s的仿真，每分組間隔進行仿真15次，每個源節點發送50個數據分組，每節點長度為100字節，每個節點通過仿真后的trace文件記錄數據傳送過程和能量的變化情況。數據傳輸過程仿真圖如圖4所示。

圖4 數據傳送過程仿真圖

2.2 Matlab能耗仿真

經過NS2仿真后，仿真的結果數據都保留在trace文件即out.tr下，進行數據處理后得到所需要數據，然后通過Matlab軟件模擬出能耗曲線如圖4所示。

圖5 改進協議與原MAC協議能耗對比圖

從圖5所示，在不同的發送數據間隔，改進后的MAC層協議整體功耗的變化不大，其能量消耗低于原MAC協議即IEEE 802.15.4協議，特別在隨著分組時間間隔的變大，其更具有優勢。

2.3 Matlab死亡節點與數據傳輸仿真

通過收集的能耗對比數據來利用Matlab進行無線傳感器網絡的死亡節點數量與數據傳輸對比仿真，仿真結果圖6和圖7所示。

圖6 改進協議與原MAC的死亡節點數對比圖

從圖6中可以看出，隨著時間的不斷增長，由于改進后的MAC層協議整體功耗的變化不大，其能量消耗低于原MAC協議即IEEE 802.15.4協議，所以整個無線傳感器網絡的節點死亡速度有顯著降低，能夠有效延長節點的存活時間，從而延長整個網絡的使用壽命，提高效率。

圖7 改進協議與原MAC的數據傳輸對比圖

從圖7中所示，隨著時間增長，原MAC協議即IEEE 802.15.4協議的節點會接連死亡，而改進后的MAC層協議由于能耗降低，節點存活時間增長，存活的節點數量也更多，所以能在相同時間內工作更長時間，傳輸的數據量也比原協議要多。

利用改進的MAC協議與DMTS算法來實現無線傳感器網絡的時間同步，雖說精度上沒有TPSN，參考廣播同步(reference broadcast synchronization,RBS)算法精度高，不過通過實驗表明，本文的算法大大降低了無線傳感器網絡的能量消耗，增加了節點的存貨時間與相同時間內的存活數量，大大提高了無線傳感器網絡的使用壽命與工作效率。

3 結 論

實驗仿真測試證明：當數據量較小時，改進的協議能夠使節點的能耗在理論上大幅度降低，延長了節點存活時間，從而延長了無線傳感器網絡的使用壽命，但在時間同步的精度上有一定誤差，需要后續工作繼續改進。本文的研究在降低能耗方面具有一定的應用價值，在實際的工程應用中具有一定的參考價值。

[1] 任豐原,黃海寧,林 闖.無線傳感器網絡[J].軟件學報,2003,14(7):1282-1291.

[2] 原 峰.ZigBee技術在港口貨運倉庫安全監控系統中的應用[J].自動化技術與應用,2015,34(2):57-59.

[3] 劉海燕,劉 云.無線傳感器網絡中基于距離的簇頭選擇優化研究[J].云南大學學報：自然科學版,2014(4):490-496.

[4] 王 殊.無線傳感器網絡的理論及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社,2007.

[5] 曾 東,熊 飛.面向能耗控制的無線傳感器網絡節點協議優化[J].無線電通信技術,2014,40(1):28-31.

[6] Shakshuki E,Malik H.Agent-based approach to minimize energy consumption for border nodes in wireless sensor networks[C]∥Proceedings of the 21st International Conference on Advanced Networking and Applications,IEEE Computer Society,2007:134-141.

[7] Xian Y,Liu L.The adaptive scheme and relationship between traffic load and optimal duty cycle based on best traffic efficiency in S-MAC[C]∥2008 The 4th International Conference on Wireless Communications,Networking and Mobile Computing，WiCOM’08,IEEE,2008:1-4.

[8] 何秀春,張金榜,劉 軍,等.基于TPSN和DMTS的低能耗時間同步算法[J].電子設計工程,2014(3):21-22.

[9] 陳 英,舒 堅,劉琳嵐,等.無線傳感器網絡時間同步與成簇算法[J].傳感器與微系統,2008,27(1):44-48.

[10] 黃化吉,馮穗力,秦麗姣,等.NS網絡模擬和協議仿真[M].北京：人民郵電出版社,2010.

Improved low-power consumption protocol for wireless sensor networks based on ZigBee*

XIANG Feng-hong, KONG Qing-ping, MAO Jian-lin, FU Li-xia

(Faculty of Information Engineering and Automation,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China)

How to reduce the energy consumption of nodes in wireless sensor networks(WSNs),extend the life cycle of the network is very important.The performance of WSNs mainly depend on MAC protocol.To reduce energy consumption of nodes,reasonable design and improvement of MAC protocol has become a critical issue.Development and application of ZigBee technology in WSNs mainly introduced.To solve these related issues,delay measurement time synchronization(DMTS)algorithm is fused into ZigBee networks while mechanism cyclical interception/ sleep,collision avoid other measures based on S-MAC protocol is introduced.To improve the protocol,compare with basic protocol by simulation.The simulation results show that energy consumption of node is reduced efficiently by the improved protocol.

wireless sensor networks(WSNs); ZigBee protocol stack; low energy consumption; delay measurement time synchronization(DMTS)

10.13873/J.1000—9787(2017)03—0033—03

2016—03—30

國家自然科學基金資助項目(61163051);云南省教育廳科學研究基金資助項目(2015Y071)

TP 272

A

1000—9787(2017)03—0033—03

向鳳紅(1964-)，男，博士，教授，博士生導師，中國自動化學會第九屆理事會理事,主要從事自動化控制方向研究工作。

孔慶平(1991-)，男，通訊作者，碩士研究生，研究方向為無線傳感技術,E-mail：1104317402@qq.com。