向鳳紅， 孔慶平， 毛劍琳， 付麗霞

(昆明理工大學(xué) 信息工程與自動化學(xué)院，云南 昆明 650500)

基于ZigBee的低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)改進協(xié)議*

向鳳紅， 孔慶平， 毛劍琳， 付麗霞

(昆明理工大學(xué) 信息工程與自動化學(xué)院，云南 昆明 650500)

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

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)； ZigBee協(xié)議棧； 低功耗； 延遲測量時間同步

0 引 言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)作為新型無線網(wǎng)絡(luò)，是當(dāng)前國際上非常關(guān)注的、一種多學(xué)科交叉技術(shù)，具有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用前景[1,2]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點能夠采集環(huán)境數(shù)據(jù)信息、實時地監(jiān)控被控對象的動態(tài)信息，并且經(jīng)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(guān)信息傳遞給觀測者[3]。2011年，美國商業(yè)周刊和MIT技術(shù)對未來影響世界的技術(shù)進行了評選，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)被評選為21世紀(jì)最有影響的21世紀(jì)21項技術(shù)和改變世界的10大技術(shù)之一[4]，該項技術(shù)是繼因特網(wǎng)之后的又一項偉大的技術(shù)。

本文通過分析基礎(chǔ)IEEE 802.15.4協(xié)議存在的能耗問題，引入了基于S-MAC協(xié)議機制的周期性偵聽/睡眠措施，同時結(jié)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(xié)議改進

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議體系中的MAC協(xié)議是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的底層協(xié)議，該協(xié)議主要負責(zé)管理信道的使用方式，為節(jié)點分配有限的頻譜資源，并且它直接控制著傳感器網(wǎng)絡(luò)中的發(fā)射模塊，對傳感器節(jié)點的能耗有很大的影響，是保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低功耗性能的關(guān)鍵協(xié)議之一[5,6]。傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議重點考慮節(jié)點使用帶寬的公平性，增加網(wǎng)絡(luò)的實時性以及提高帶寬的利用率[7]。

ZigBee 協(xié)議校的MAC層協(xié)議采用采用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)是建立在節(jié)點的固定功率基礎(chǔ)上，那么會降低傳感器節(jié)點的電池壽命。那么合理的設(shè)計MAC協(xié)議也能有效的降低功耗，對提高ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的整體性能有很重要的作用。本節(jié)將重點介紹MAC層協(xié)議的節(jié)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(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)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(jié)點各個模塊消耗能量分布圖如圖1所示。

圖1 傳感器節(jié)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(jù)整個傳感器網(wǎng)絡(luò)功耗的比重比較小，而無線通信模塊的能耗占據(jù)整個傳感器網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)的功耗得以降低。由上分析可知，若傳感器節(jié)點在沒有發(fā)送和接收數(shù)據(jù)狀態(tài)下，讓節(jié)點盡量處于睡眠狀態(tài)進行休眠操作。而S-MAC協(xié)議就是基于此種思想的一種協(xié)議，該協(xié)議采用的周期性偵聽/睡眠機制就是讓節(jié)點在無數(shù)據(jù)傳輸時進入睡眠狀態(tài)，避免了不必要的偵聽，以達到節(jié)能的效果。

S-MAC協(xié)議采用周期性偵聽/睡眠機制，使節(jié)點定期地進入睡眠狀態(tài)，從而減少節(jié)點空閑偵聽的時間降低能量消耗。在協(xié)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(tài)，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(xié)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(diào)度思想如下:在偵聽狀態(tài)時，節(jié)點的無線收發(fā)器是正常工作的，與其它節(jié)點進行數(shù)據(jù)傳輸。而節(jié)點在睡眠狀態(tài)時，關(guān)閉無線收發(fā)器，不參與任何數(shù)據(jù)傳輸，然后通過定時器喚醒節(jié)點，查看是否有數(shù)據(jù)發(fā)送給自己。在周期偵聽/睡眠前，每一個節(jié)點都要選擇一個調(diào)度表，與鄰居節(jié)點交換調(diào)度信息，而且每個節(jié)點都存儲著所有鄰居調(diào)度信息的調(diào)度表。為了使節(jié)點被喚醒后能夠收到鄰居節(jié)點的消息，則相鄰節(jié)點要維護彼此鄰居節(jié)點的時間調(diào)度表，還有節(jié)點睡眠和醒來的時間，以便于確保相鄰節(jié)點間能及時通信降低因睡眠造成的時延。

在時間調(diào)度表中，節(jié)點的睡眠和監(jiān)聽的比不是固定的，而是根據(jù)節(jié)點接收和發(fā)送的多少進行設(shè)定的，具體的比例根據(jù)網(wǎng)絡(luò)需求來調(diào)節(jié)，為了方便實際的應(yīng)用，本文只選擇睡眠和監(jiān)聽的時間比為1∶1 進行研究，即節(jié)點在一個時間幀內(nèi)，50 %的時間處于休眠狀態(tài)，這樣會有效減少不必要的偵聽，以達到網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能。

本文主要在傳感器終端節(jié)點的設(shè)計上引入工作/睡眠調(diào)度機制，該協(xié)議校中的MAC層協(xié)議是基于IEEE 802.15.4的標(biāo)準(zhǔn)的，由于其MAC層總是處于工作或監(jiān)聽狀態(tài)，沒有加入睡眠機制，則本文在MAC層的任務(wù)運行函數(shù)MACTASKs中，加入監(jiān)聽/睡眠機制功能函數(shù)部分，為了能正常運行協(xié)議，本文選擇在無原語的狀態(tài)下，實現(xiàn)監(jiān)聽/睡眠機制。

但在實際應(yīng)用中，要使改進的協(xié)議很好運行，就要使整個網(wǎng)絡(luò)的時間進行時間同步，但由于ZigBee協(xié)議節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)時間點不同，那么會使整個網(wǎng)絡(luò)的時間不能夠同步，為了更好實現(xiàn)協(xié)議枝，需要整個網(wǎng)絡(luò)同步，延遲測量時間同步(delay measurement time synchronization,DMTS)算法[8,9]，是基于發(fā)送者—接收者的單向時間同步算法，該算法結(jié)構(gòu)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(dāng)發(fā)送節(jié)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(fā)送節(jié)點的處理延遲與MAC層的訪問延遲，并假設(shè)發(fā)送報文的長度為N個bit(包括前導(dǎo)碼與同步字)，報文發(fā)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(diào)整自身本地時間記錄前的時間為t2，這時接收節(jié)點為實現(xiàn)與基準(zhǔn)節(jié)點時間的同步，調(diào)整接收節(jié)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(wǎng)絡(luò)要求。

2 實驗仿真

2.1 NS2模擬仿真

通過以上分析，用NS2網(wǎng)絡(luò)仿真軟件[10]來模擬仿真IEEE 802.15.4 MAC層協(xié)議和采用S-MAC協(xié)議思想機制的改進協(xié)議能耗分析。模擬仿真中設(shè)定16個節(jié)點，設(shè)定網(wǎng)絡(luò)拓撲為星型拓撲結(jié)構(gòu)，節(jié)點以相同速度產(chǎn)生數(shù)據(jù)流，節(jié)點之間隨機選擇連續(xù)比特率(continuous bit rate,CBR)數(shù)據(jù)傳輸鏈路，節(jié)點的場景參數(shù)配置:占空比為50 %，節(jié)點通信距離為200 m，信道帶寬為10 kbps，數(shù)據(jù)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(shù)為16。

通過編寫tcl程序設(shè)置好節(jié)點參數(shù)后，然后進行數(shù)據(jù)發(fā)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(jié)點發(fā)送50個數(shù)據(jù)分組，每節(jié)點長度為100字節(jié)，每個節(jié)點通過仿真后的trace文件記錄數(shù)據(jù)傳送過程和能量的變化情況。數(shù)據(jù)傳輸過程仿真圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)傳送過程仿真圖

2.2 Matlab能耗仿真

經(jīng)過NS2仿真后，仿真的結(jié)果數(shù)據(jù)都保留在trace文件即out.tr下，進行數(shù)據(jù)處理后得到所需要數(shù)據(jù)，然后通過Matlab軟件模擬出能耗曲線如圖4所示。

圖5 改進協(xié)議與原MAC協(xié)議能耗對比圖

從圖5所示，在不同的發(fā)送數(shù)據(jù)間隔，改進后的MAC層協(xié)議整體功耗的變化不大，其能量消耗低于原MAC協(xié)議即IEEE 802.15.4協(xié)議，特別在隨著分組時間間隔的變大，其更具有優(yōu)勢。

2.3 Matlab死亡節(jié)點與數(shù)據(jù)傳輸仿真

通過收集的能耗對比數(shù)據(jù)來利用Matlab進行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的死亡節(jié)點數(shù)量與數(shù)據(jù)傳輸對比仿真，仿真結(jié)果圖6和圖7所示。

圖6 改進協(xié)議與原MAC的死亡節(jié)點數(shù)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(xié)議整體功耗的變化不大，其能量消耗低于原MAC協(xié)議即IEEE 802.15.4協(xié)議，所以整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點死亡速度有顯著降低，能夠有效延長節(jié)點的存活時間，從而延長整個網(wǎng)絡(luò)的使用壽命，提高效率。

圖7 改進協(xié)議與原MAC的數(shù)據(jù)傳輸對比圖

從圖7中所示，隨著時間增長，原MAC協(xié)議即IEEE 802.15.4協(xié)議的節(jié)點會接連死亡，而改進后的MAC層協(xié)議由于能耗降低，節(jié)點存活時間增長，存活的節(jié)點數(shù)量也更多，所以能在相同時間內(nèi)工作更長時間，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量也比原協(xié)議要多。

利用改進的MAC協(xié)議與DMTS算法來實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)的能量消耗，增加了節(jié)點的存貨時間與相同時間內(nèi)的存活數(shù)量，大大提高了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用壽命與工作效率。

3 結(jié) 論

實驗仿真測試證明：當(dāng)數(shù)據(jù)量較小時，改進的協(xié)議能夠使節(jié)點的能耗在理論上大幅度降低，延長了節(jié)點存活時間，從而延長了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用壽命，但在時間同步的精度上有一定誤差，需要后續(xù)工作繼續(xù)改進。本文的研究在降低能耗方面具有一定的應(yīng)用價值，在實際的工程應(yīng)用中具有一定的參考價值。

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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(xué)基金資助項目(61163051);云南省教育廳科學(xué)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(dǎo)師，中國自動化學(xué)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(shù),E-mail：1104317402@qq.com。