袁川來，周維龍，鄒 彬

（湖南工業(yè)大學 電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412007）

基于LEACH算法的智能家居環(huán)境參數(shù)無線監(jiān)測網絡的實現(xiàn)

袁川來，周維龍，鄒 彬

（湖南工業(yè)大學 電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412007）

由于智能家居環(huán)境參數(shù)無線監(jiān)測網絡可實時監(jiān)測室內不同區(qū)域中溫/濕度、光照度與空氣質量（CO2，CH2O, CH4等各種氣體濃度），對實現(xiàn)智能家居具有重要意義。提出了一種基于LEACH協(xié)議的智能家居環(huán)境參數(shù)無線監(jiān)測網絡系統(tǒng)。針對智能家居節(jié)點的分布特點，對LEACH路由算法中簇頭的選擇以及穩(wěn)定通信階段數(shù)據(jù)傳輸方式進行改進，并設計了對多種環(huán)境參數(shù)采集的硬件電路，敘述了基于CC2530的無線監(jiān)測網絡的實現(xiàn)，對各模塊和整個系統(tǒng)進行了聯(lián)機調試，最后通過組網測試證明了本系統(tǒng)滿足實際要求。

智能家居；無線監(jiān)測網絡；環(huán)境參數(shù)；LEACH

越來越多的復合材料被廣泛應用于現(xiàn)代建筑的建設與裝修中，嚴重破壞了室內空氣質量。如果長時間處于這種環(huán)境下，人容易出現(xiàn)頭暈、惡心、胸悶、煩躁等病態(tài)建筑綜合癥，因此，室內環(huán)境質量對人身心健康與工作效率起著很重要的作用。對室內環(huán)境參數(shù)的采集與測控已成為學術界的一大研究熱點。精確采集室內環(huán)境參數(shù)與監(jiān)測室內空氣質量[1]是改善室內環(huán)境的前提。目前，國內市場的室內環(huán)境監(jiān)測儀雖有較高的測量精度，但測量參數(shù)單一，不利于快速分析多參數(shù)綜合環(huán)境問題；而少數(shù)具備若干參數(shù)監(jiān)測能力的設備，數(shù)據(jù)顯示實時性差、測量準確度低[2-3]。本文主要針對室內的溫/濕度、光照度，CO2、甲醛（CH2O）與可燃氣體（CH4, C2H6等）濃度等參數(shù)的采集進行了研究，以ZigBee協(xié)議完成無線組網，實現(xiàn)對室內多個節(jié)點、多個環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測，有效解決了傳統(tǒng)有線監(jiān)測系統(tǒng)布線復雜、監(jiān)測參數(shù)單一等問題，同時確保了信號的實時性與準確性。

1 系統(tǒng)路由算法分析

無線傳感器網絡受成本、體積等因素限制，能量受限成了傳感器網絡最顯著的特點之一。傳感器網絡通常應用于環(huán)境條件惡劣的場合，節(jié)點能量常常無法得到補充，因此，無線傳感器網絡的關鍵技術之一是網絡節(jié)點能量的節(jié)省。G. J. Pottie等[4]通過實驗證明，傳輸一個比特所消耗的能量比運算處理一個比特消耗的能量大。W. B. Heinzelman等[5]提出了低功耗自適應分簇LEACH算法，通過隨機輪轉方式使各節(jié)點選取為簇頭，以有效節(jié)省能量消耗，但是，簇內節(jié)點通過單跳通信將數(shù)據(jù)傳送給簇頭，簇頭也通過單跳方式實現(xiàn)與基站之間的通信，但那些距離簇頭遠的節(jié)點很快就會耗盡自己的能量，造成網絡中還有大量的剩余能量沒有被利用。而智能家居無線傳感器網絡（wireless sensor networks in smart home，WSNSH）的應用環(huán)境較復雜，WSNSH還存在很多的技術挑戰(zhàn)[6-7]。趙敏超等[8]提出了一種針對智能家居數(shù)據(jù)采集的LEACH算法。該算法為本系統(tǒng)路由算法提供了很好的思路。改進后的LEACH算法的基本思想仍為循環(huán)分簇重構，每個簇重構時引用“輪（round）”的概念，每輪分成建立簇和傳輸數(shù)據(jù)2個階段。為了節(jié)省資源開銷，穩(wěn)定階段的時間要大于建立階段的時間[9]。

1.1 系統(tǒng)網絡結構

由于居室內的布局結構區(qū)域性比較明顯，一般有客廳、臥室、餐廳、陽臺等不同區(qū)域。客廳、臥室、陽臺等區(qū)域的主要監(jiān)測對象為溫/濕度、光照度，CO2與甲醛（CH2O）濃度等參數(shù)，而廚房與衛(wèi)生間還需監(jiān)測可燃氣體（CH4, C2H6等）。因此，本課題組根據(jù)當前主流的戶型，將系統(tǒng)節(jié)點分布抽象為如圖1所示的網絡結構，共分為7個分區(qū)。

由圖1可知，每個分區(qū)有且僅有一個簇頭節(jié)點。簇頭節(jié)點將數(shù)據(jù)通過單跳或多跳的方式發(fā)送給匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點通過網口或串口等有線方式，將數(shù)據(jù)可靠地上傳至主控機，主控機分析數(shù)據(jù)，并通過GPRS模塊，將室內信息發(fā)送給用戶，以實現(xiàn)室內環(huán)境參數(shù)的無線監(jiān)測。

圖1 智能家居中的節(jié)點分布結構圖Fig.1 Node distribution diagram for smart home

1.2 簇頭的確定

系統(tǒng)網關預先根據(jù)室內節(jié)點布局存儲分區(qū)數(shù)與每個區(qū)域的具體坐標。當節(jié)點將自己的坐標信息傳送到網關時，網關解析節(jié)點坐標，給每個節(jié)點分配一個唯一的ID號Gateway_ID（網內唯一）與區(qū)域ID號Area_ID（根據(jù)圖1不同分區(qū)標定）。簇頭的選取原則是：每個分區(qū)有且只有一個簇頭；在LEACH算法中增加了一個能量因子，簇頭的選擇將受到剩余能量的調節(jié)，其閾值T(n)為：

Pch為預期的簇頭百分比；

1.3 簇的形成

本系統(tǒng)設計中，節(jié)點被分為7個不同區(qū)域，每個區(qū)域僅有一個簇頭。但在上述簇頭的確定過程中，按式（1）計算時，不可避免地會出現(xiàn)2種情況：在某個區(qū)域（如客廳2號區(qū)域）簇頭個數(shù)多于1個或者為0。前者會造成一個區(qū)域中因多簇頭而引起能量的浪費，導致網絡提前死亡；而后者顯然無法實現(xiàn)分區(qū)成簇，該區(qū)域中的數(shù)據(jù)不能傳送到匯聚節(jié)點。

針對某一區(qū)域中有多個簇頭的情況，可進行如下處理：每個區(qū)域內的節(jié)點在每輪簇頭選定后，簇頭向該區(qū)域發(fā)出一個廣播幀，其他節(jié)點處于偵聽狀態(tài)；若某區(qū)域在本輪中產生了N（′N′＞1）個簇頭，則選式（1）中最大的值的節(jié)點為本輪簇頭。而針對某區(qū)域在第一輪簇頭選擇中簇頭數(shù)為0的情況，可將該區(qū)域的所有節(jié)點再次按式（1）進行T(n)和隨機數(shù)計算，并重復以上選擇過程，直到有節(jié)點當選為簇頭，并向該區(qū)域發(fā)出一個廣播幀。

簇頭確定后，非簇頭節(jié)點接收到簇頭的廣播消息，并結合自身的Area_ID號，選擇合適的簇頭，并通知該簇頭成為該簇成員。簇頭節(jié)點接收到所有想加入該簇節(jié)點的反饋消息后，根據(jù)該區(qū)域節(jié)點的數(shù)量，創(chuàng)建TDMA 時隙表，再通知本區(qū)域內所有節(jié)點何時開始數(shù)據(jù)傳輸。

1.4 數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸

網絡中的簇一旦建立后，便進入到穩(wěn)定通信階段。簇內節(jié)點根據(jù)接收到的TDMA時隙表，在規(guī)定的時間內將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給簇頭。為了避免不同簇間數(shù)據(jù)傳輸時發(fā)生相互干擾，本系統(tǒng)采用時分頻分（time division-frequency division multiple access，TD-FDMA）技術，不同節(jié)點根據(jù)自身Area_ID號，選擇不同的信道（如2.4 G頻段，有16個信道可被選擇）進行數(shù)據(jù)傳送。簇頭節(jié)點接收到簇內所有節(jié)點的數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行分析、融合[10-11]，打包后發(fā)送給網關節(jié)點。

2 環(huán)境參數(shù)采集節(jié)點設計

環(huán)境參數(shù)采集節(jié)點采用TI（Texas Instruments）公司生產的CC2530所使用的CPU，對各種參數(shù)進行采集、處理與傳輸。本文主要針對室內的溫/濕度、光照度，CO2、甲醛（CH2O）與可燃氣體（CH4, C2H6等）濃度等參數(shù)的監(jiān)測，因此對節(jié)點傳感器進行選擇時，主要考慮了器件的測量精度、量程范圍、靈敏度、可靠性等性能指標。系統(tǒng)所選用的傳感器類型與性能參數(shù)如表1所示。由表1可得，傳感器輸出信號既有模擬量也有數(shù)字量。CC2530外部有20個通用I/O口，其中P0口的8個管腳可與外部模擬信號直接相連，內部8 路輸入和可配置分辨率的12 位ADC可滿足各類傳感器的輸入和A/D轉換的要求。

表1 傳感器類型與性能參數(shù)Table 1 Sensor types and performance parameters

CC2530與傳感器連接電路如圖2所示。

溫/濕度AM2303與CC2530連接時，雙方均采用3.3 V電源供電，為確保數(shù)據(jù)正常傳輸，DATA腳與P1.1口之間加5.1 k的上拉電阻。CO2傳感器可直接輸出TTL電平信號，為確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃耘c穩(wěn)定性，利用電阻分壓將TTL電平轉換為LVTTL電平與CC2530的P1.2口相連。

BH1750FVI是一種支持I2C總線接口的數(shù)字型光照強度傳感器。由于CC2530沒有I2C硬件接口，因此本文利用P1.5與P1.6模擬I2C通信協(xié)議來完成對BH1750FVI的讀寫操作，上拉電阻均為5.1 k；ADDR為I2C通信時設備地址的選擇控制端，直接與地相連，相應寄存器值0x46為寫操作，0x47為讀操作；光亮度值計算方法為

表2 BH1750FVI的不同工作模式參數(shù)值Table 2 BH1750FVI parameters of different modes

NAP-50A與AP-M-CH2O 傳感器輸出電壓信號較小，需加前置放大電路對信號進行放大。本系統(tǒng)采用TI公司的INA128PA精密低功耗儀用放大器與電位器RW構成前置放大電路，其放大倍數(shù)為

式中RRW為電位器RW的接入有效值。由式（4）可知，通過調節(jié)RRW的大小，可改變放大電路的增益，調試簡單方便。

圖2 環(huán)境參數(shù)采集節(jié)點原理圖Fig.2 Schematic of environmental parameters acquisition

3 無線傳感器網絡組網設計

3.1 成簇階段

按圖1將居室分成7個不同的區(qū)域，每個區(qū)域即為一簇，區(qū)域中不同的傳感器為成員節(jié)點。修正后的LEACH算法生成簇的算法流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)LEACH算法的簇形成流程圖Fig.3 The flowchart of system LEACH algorithm cluster

3.2 數(shù)據(jù)傳輸階段

數(shù)據(jù)傳輸階段主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?。首先由Sink節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)請求，當某簇頭接收到數(shù)據(jù)請求后，便向其成員節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)請求，各成員收到請求信號后，按自身的TDMA 時隙表向簇頭發(fā)送信息，簇頭接收到數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)融合并將數(shù)據(jù)發(fā)送到Sink節(jié)點[12-13]。穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸階段采集節(jié)點的算法流程如圖4所示。

圖4 采集節(jié)點的算法流程圖Fig.4 Acquisition node algorithm flowchart

在數(shù)據(jù)的傳輸過程，為提高傳輸信號的信噪比與頻帶利用率，采用偏移四相移相鍵控（offset-quadrature phase shift keying，O-QPSK）調制技術對所要傳輸?shù)墓β逝c功率因數(shù)進行調制，并采用TD-FDMA方法實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸[14-16]。利用信道對應的中心頻率給每個區(qū)域分配一個不同的載波頻率，即

式中i=0, 1, …, 6，為信道編號，與分區(qū)Area_ID號相對應。

4 系統(tǒng)測試及分析

本文利用樣機分別對不同區(qū)域中環(huán)境參數(shù)采集節(jié)點的測量精度與數(shù)據(jù)傳輸性能進行了測試。

4.1 節(jié)點測量精度

節(jié)點測量精度主要針對溫/濕度、光照度以及CO2濃度進行測試。溫/濕度以Anymetre公司的JR913溫/濕度計測試結果為實際值；光照度以臺灣泰仕TES1339測試結果為參照；CO2濃度則以AUDIT公司的ADT600C-K(CO2)測試結果為標準。對不同區(qū)域的節(jié)點進行10次測試，取平均值，測試結果如表3所示。由實驗結果可以得出，各種參數(shù)的測量誤差都比較小，基本滿足要求。

表3 節(jié)點環(huán)境參數(shù)采集測試結果Table 3 Results of environment data acquisition test

4.2 數(shù)據(jù)傳輸性能測試

數(shù)據(jù)傳輸性能測試主要測試各采集節(jié)點與網關的通信可靠性。由于節(jié)點個數(shù)有限，本課題組只測試了5個區(qū)域。設定節(jié)點數(shù)據(jù)采集周期為1 min，測試時長為6 h（360 min），測試結果如表4 所示。由表4 可知，所有的數(shù)據(jù)采集節(jié)點與網關之間的通信成功率均為100%，驗證了系統(tǒng)通信協(xié)議的可靠性。

表4 數(shù)據(jù)傳輸準確性測試結果Table 4 Results of data transmission accuracy test

5 結語

由于智能家居環(huán)境參數(shù)無線監(jiān)測網絡對實現(xiàn)智能家居具有重要意義，因此本文設計了基于 LEACH協(xié)議的智能家居環(huán)境參數(shù)無線監(jiān)測傳感網絡。該系統(tǒng)不僅能完成室內溫/濕度、光照度、空氣質量等參數(shù)的采集，并保證了信號的實時性和準確性。本無線傳感網絡可用于對智能家居家電（如水表、電表、氣表等）進行實時監(jiān)測，對推動物聯(lián)網技術在智能家居中的應用具有重要意義。

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（責任編輯：鄧 彬）

Realization of Wireless Monitoring Network on LEACH Protocol for Smart Home Environmental Parameter

Yuan Chuanlai，Zhou Weilong，Zou Bin
（School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

Wireless smart home environmental parameter monitoring network could real-time monitor the temperature/humidity, light intensity and air quality ( the concentration of CO2, CH2O, CH4, etc. ) in different areas of household, and it has very important significance for realizing the smart home. Proposes a wireless monitoring network based on LEACH protocol for smart home environmental parameter. Aiming at the characteristics of node distribution in intelligent home, the LEACH routing algorithm was modified about the selection for the cluster and the data-transmission method for the stable communication. And designs the hardware circuit of multiple environmental parameters acquisition, describes the wireless monitoring network based on CC2530, conducts the online debugging of modules and system, and finally the system is proved to meet the actual requirements through network test.

smart home ；wireless monitoring network ；environmental parameter ；LEACH

TP393

A

1673-9833(2015)03-0071-05

10.3969/j.issn.1673-9833.2015.03.014

2015-02-25

湖南省自然科學基金資助項目（13JJ9016，2015JJ5025），湖南省教育廳基金資助一般項目（13C024），湖南工業(yè)大學科研基金資助項目（2013HZX12）

袁川來（1972-），男，湖南衡東人，湖南工業(yè)大學副教授，主要研究方向為機器人與智能傳感技術，E-mail ：chuanlai1972@163.com

周維龍（1978-），男，湖南邵陽人，湖南工業(yè)大學講師，主要研究方向為無線傳感器網絡與嵌入式系統(tǒng)應用，E-mail ：weilong_12345@163.com