智能建筑室內無線傳感器網絡部署與優(yōu)化研究

倪曉東

(中鐵建設集團有限公司 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)測是其較早期的應用。本世紀初，來自加州大學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)星通信基站進行遠程連接。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]有基礎設施需求的特點，傳感器在軍事、太空、生物醫(yī)學、制造業(yè)和交通領域中越來越受到歡迎[1]。

而智能建筑室內環(huán)境的監(jiān)測與控制，現(xiàn)如今也是傳感器應用的熱門方向[2]。進一步地，工程師們將位于一棟建筑物內的大量傳感器統(tǒng)一接入一個網絡，每臺傳感器設備都被定義為網絡中的一個節(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行實時測量，如溫度、場強、濕度、壓力、重量等[4]。由于這些設備體積小且價格低廉，可以大量生產和部署使用，近年來吸引了各國學者的廣泛研究。一方面，利用傳感器網絡可以減少環(huán)控能耗，合理分配照明控制[5]。若沒有可靠的傳感器網絡來驅動控制器進行控制，將會額外消耗大量的能源和資金[6]。另一方面，通過傳感器網絡，可以監(jiān)測樓體結構的健康狀況。無論是縱火等人為蓄意損毀[7]，還是地震、臺風等不可抗的自然災害，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絡的重要應用。

在當前實際工程應用中，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絡產生多重干擾，無線信道環(huán)境非常復雜[9]，無線傳感器網絡的性能往往會嚴重下降。上述問題制約了無線傳感器網絡在智能建筑中的應用，也是傳感器網絡的實際應用難以簡單地在計算機仿真軟件上準確呈現(xiàn)的主要原因[10]。在先前的研究中，已有研究學者建立了建筑物傳感器網絡模型[11]，并進行了一些實驗。但是這些相關研究沒有采用數(shù)據(jù)來評估網絡[12]，亦或是沒有根據(jù)測試結果提出優(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)傳感器網絡，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絡的性能。

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絡可靠性。從通信協(xié)議入手提出了兩種改進方法并進行驗證實驗，結果表明該系統(tǒng)能夠滿足智能建筑應用的要求。研究成果為今后智能建筑的傳感器網絡部署提供了一個可行的方案。

2 實驗平臺的建立

2.1 網絡基礎結構

典型的網絡結構如圖1所示。

圖1 無線傳感器網絡結構

目前，應用最廣泛的無線傳感器網絡通信標準是IEEE802.15.4。該標準涵蓋了使傳感器節(jié)點相互通信的物理層和介質訪問控制層。為了保證網絡體系結構的可行性，協(xié)議還引入了自適應層。在這之上是提供各種服務的網絡層和應用層。該平臺使用的網絡協(xié)議是IPv6低功耗無線個人區(qū)域網絡(6LoWPAN)，所有功能的實現(xiàn)都依賴于網絡中有限節(jié)點上的傳感器。

2.2 協(xié)議分析

網絡中每個節(jié)點的執(zhí)行標準是802.15.4 MAC協(xié)議。802.15.4的參數(shù)和默認設置如表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絡是智能建筑傳感器網絡的一種常見結構，該協(xié)議具有隨需應變的特點，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的傳感器網絡而設計的協(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)點將緩存當前的數(shù)據(jù)，隨后產生路由請求(RREQ)數(shù)據(jù)包并對其進行廣播。當中間節(jié)點收到請求時，它將自動檢查其是否為目標節(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，只有目標節(jié)點才能回復路由應答(RREP)報文。MSRP協(xié)議搭建的網絡使用確認幀(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)后的一段時間內沒有收到確認幀，這意味著相鄰節(jié)點已過期，協(xié)議會將當前數(shù)據(jù)保存在緩沖區(qū)中，同時再次啟動請求進程。

3 實驗和評估

3.1 環(huán)境測試

為了評估無線傳感器網絡的性能，本文依托某項目進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。本文在此基礎上開展實驗與優(yōu)化研究。

圖2 無線傳感器網絡部署

系統(tǒng)布置在一個50 m×20 m的建筑空間內，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，無線傳感器網絡的可靠性會受到嚴重的影響。因此，在改進傳輸協(xié)議之前，需要對傳感器網絡部署的可靠性進行測試。表2顯示了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕ㄟ^將節(jié)點預期讀取的數(shù)據(jù)量與實際收到的數(shù)據(jù)量進行對比，并進行數(shù)據(jù)處理以確定重復數(shù)據(jù)包。結果表明，距離中心15 m以內的節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸速率均達到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 試驗測試結果

傳感器網絡的覆蓋區(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電物體反射或衍射，只有很少一部分能夠穿透它們。由于內部環(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，甚至建筑物內的人類活動，也是網絡性能損失的重要原因。

3.2 改進部署

參照3.1節(jié)的測試結果，對智能建筑中無線傳感器網絡的部署方案進行了改進。在單層實驗樓內部署了數(shù)十個傳感器節(jié)點，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕碌牟渴鸱桨笢p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)最小化樓體結構對通信干擾的目標。同時在布置時，每一層都設有一個獨立的子網，避免不同樓層的網絡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絡的過程中，先前的分析已經考慮了大部分的問題，但實驗結果表明，無線網絡仍不夠穩(wěn)定，部分通信鏈路的可靠性仍處于較低水平。從網絡通信過程入手分析，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量的路由通道。

(2)原有路由協(xié)議使用確認幀來判斷相鄰節(jié)點的可靠性。如果源節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)后的一段時間內沒有收到回復的確認幀，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，這可能會在網絡中引起廣播風暴。

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

4 網絡優(yōu)化

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

首先，為保證所建立路由的魯棒性，對可能的鏈路設置質量閾值，不允許鏈路質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)點的鏈路質量值超過了實驗設定的50閾值，使得路由更加穩(wěn)定。

圖3 鏈路質量評估

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

改進后的網絡協(xié)議重定義了兩種路由包，分別是RREQ_Repair包和RREP_Repair包。

當傳感器節(jié)點開始路由修復過程時，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節(jié)點的路由。一旦出現(xiàn)可用路由，則相鄰節(jié)點將回復RREP_Repair報文，從而快速重新構建路由。如果路由修復過程失敗，源節(jié)點將啟動請求過程。路由修復過程可有效地降低無線傳感器網絡中廣播風暴的可能性。

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，傳感器網絡的性能更為穩(wěn)定。如圖4b所示，丟包率是性能評價的另一個重要指標。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。評估結果表明，無線傳感器網絡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，可認為網絡優(yōu)化方案是有效且可行的，能夠在不改變原有硬件設施的基礎上，通過對內在協(xié)議的優(yōu)化，相當大程度提升網絡的性能，滿足當前智能建筑應用的要求。

5 結論

本文對智能建筑無線傳感器網絡進行了部署與優(yōu)化研究。基于現(xiàn)有的單層建筑傳感器網絡系統(tǒng)進行了可靠性測試，實驗結果表明節(jié)點距離以及環(huán)境復雜的過渡區(qū)域將對網絡可靠性產生顯著的影響，當節(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當盡量避免傳感器網絡節(jié)點的距離過遠，且應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。每層應設置單獨的通信子網，以增強傳感器網絡的性能。在分析測試數(shù)據(jù)的基礎上，本文優(yōu)化了傳感器的部署和改進了路由協(xié)議，并進行了性能評估。結果表明該系統(tǒng)有能力在復雜環(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?shù)膮f(xié)議。