倪曉東

(中鐵建設(shè)集團(tuán)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(jìn)發(fā)展，傳感器正在發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，在這其中，環(huán)境監(jiān)測(cè)是其較早期的應(yīng)用。本世紀(jì)初，來(lái)自加州大學(xué)伯克利分校的一個(gè)研究小組利用無(wú)線傳感器觀察島上的鳥(niǎo)類，并借助衛(wèi)星通信基站進(jìn)行遠(yuǎn)程連接。這種無(wú)人值守的監(jiān)測(cè)可以最大程度地減少現(xiàn)場(chǎng)收集數(shù)據(jù)的觀察者對(duì)研究對(duì)象的干擾。近年來(lái)，由于其易于部署且?guī)缀鯖](méi)有基礎(chǔ)設(shè)施需求的特點(diǎn)，傳感器在軍事、太空、生物醫(yī)學(xué)、制造業(yè)和交通領(lǐng)域中越來(lái)越受到歡迎[1]。

而智能建筑室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測(cè)與控制，現(xiàn)如今也是傳感器應(yīng)用的熱門方向[2]。進(jìn)一步地，工程師們將位于一棟建筑物內(nèi)的大量傳感器統(tǒng)一接入一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，每臺(tái)傳感器設(shè)備都被定義為網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)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(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，如溫度、場(chǎng)強(qiáng)、濕度、壓力、重量等[4]。由于這些設(shè)備體積小且價(jià)格低廉，可以大量生產(chǎn)和部署使用，近年來(lái)吸引了各國(guó)學(xué)者的廣泛研究。一方面，利用傳感器網(wǎng)絡(luò)可以減少環(huán)控能耗，合理分配照明控制[5]。若沒(méi)有可靠的傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)驅(qū)動(dòng)控制器進(jìn)行控制，將會(huì)額外消耗大量的能源和資金[6]。另一方面，通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以監(jiān)測(cè)樓體結(jié)構(gòu)的健康狀況。無(wú)論是縱火等人為蓄意損毀[7]，還是地震、臺(tái)風(fēng)等不可抗的自然災(zāi)害，都可能會(huì)對(duì)建筑物造成破壞。通過(guò)傳感器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，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(cè)和自動(dòng)控制都是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要應(yīng)用。

在當(dāng)前實(shí)際工程應(yīng)用中，信號(hào)沖突、人為干擾以及建筑物中的混凝土墻或其他障礙物會(huì)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生多重干擾，無(wú)線信道環(huán)境非常復(fù)雜[9]，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能往往會(huì)嚴(yán)重下降。上述問(wèn)題制約了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能建筑中的應(yīng)用，也是傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用難以簡(jiǎn)單地在計(jì)算機(jī)仿真軟件上準(zhǔn)確呈現(xiàn)的主要原因[10]。在先前的研究中，已有研究學(xué)者建立了建筑物傳感器網(wǎng)絡(luò)模型[11]，并進(jìn)行了一些實(shí)驗(yàn)。但是這些相關(guān)研究沒(méi)有采用數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)估網(wǎng)絡(luò)[12]，亦或是沒(méi)有根據(jù)測(cè)試結(jié)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(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，還提出了一些優(yōu)化建議，以提高智能建筑中無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能。

本研究基于某項(xiàng)目，測(cè)試驗(yàn)證了建筑物中已部署的傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性。從通信協(xié)議入手提出了兩種改進(jìn)方法并進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠滿足智能建筑應(yīng)用的要求。研究成果為今后智能建筑的傳感器網(wǎng)絡(luò)部署提供了一個(gè)可行的方案。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建立

2.1 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

典型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

目前，應(yīng)用最廣泛的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)是IEEE802.15.4。該標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了使傳感器節(jié)點(diǎn)相互通信的物理層和介質(zhì)訪問(wèn)控制層。為了保證網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的可行性，協(xié)議還引入了自適應(yīng)層。在這之上是提供各種服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。該平臺(tái)使用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是IPv6低功耗無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(6LoWPAN)，所有功能的實(shí)現(xiàn)都依賴于網(wǎng)絡(luò)中有限節(jié)點(diǎn)上的傳感器。

2.2 協(xié)議分析

網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)是802.15.4 MAC協(xié)議。802.15.4的參數(shù)和默認(rèn)設(shè)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是智能建筑傳感器網(wǎng)絡(luò)的一種常見(jiàn)結(jié)構(gòu)，該協(xié)議具有隨需應(yīng)變的特點(diǎn)，有效降低路由過(guò)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(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)的協(xié)議。在這個(gè)協(xié)議框架下，如果某節(jié)點(diǎn)需要傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，才會(huì)啟動(dòng)路由搜索過(guò)程來(lái)查找路由。協(xié)議會(huì)首先搜索路由列表。如果不存在接收路由，節(jié)點(diǎn)將緩存當(dāng)前的數(shù)據(jù)，隨后產(chǎn)生路由請(qǐng)求(RREQ)數(shù)據(jù)包并對(duì)其進(jìn)行廣播。當(dāng)中間節(jié)點(diǎn)收到請(qǐng)求時(shí)，它將自動(dòng)檢查其是否為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)；如果是則將數(shù)據(jù)單播至下一節(jié)點(diǎn)，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(biāo)節(jié)點(diǎn)才能回復(fù)路由應(yīng)答(RREP)報(bào)文。MSRP協(xié)議搭建的網(wǎng)絡(luò)使用確認(rèn)幀(ACK)來(lái)確定相鄰節(jié)點(diǎn)的可靠性。如果源節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)后的一段時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到確認(rèn)幀，這意味著相鄰節(jié)點(diǎn)已過(guò)期，協(xié)議會(huì)將當(dāng)前數(shù)據(jù)保存在緩沖區(qū)中，同時(shí)再次啟動(dòng)請(qǐng)求進(jìn)程。

3 實(shí)驗(yàn)和評(píng)估

3.1 環(huán)境測(cè)試

為了評(píng)估無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能，本文依托某項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)搭建與優(yōu)化。項(xiàng)目已有的智能建筑監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)選用了低功耗Atmega128的8位MPU傳感器節(jié)點(diǎn)和iDwaRF-168射頻芯片，利用2.4 GHz的通信信道來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸。如圖2所示。本文在此基礎(chǔ)上開(kāi)展實(shí)驗(yàn)與優(yōu)化研究。

圖2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署

系統(tǒng)布置在一個(gè)50 m×20 m的建筑空間內(nèi)，周圍環(huán)境包含了人類活動(dòng)以及其他障礙物(墻、金屬門)干擾無(wú)線信號(hào)。由于建筑物的干擾，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可靠性會(huì)受到嚴(yán)重的影響。因此，在改進(jìn)傳輸協(xié)議之前，需要對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)部署的可靠性進(jìn)行測(cè)試。表2顯示了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕ㄟ^(guò)將節(jié)點(diǎn)預(yù)期讀取的數(shù)據(jù)量與實(shí)際收到的數(shù)據(jù)量進(jìn)行對(duì)比，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以確定重復(fù)數(shù)據(jù)包。結(jié)果表明，距離中心15 m以內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸速率均達(dá)到90%以上，表現(xiàn)良好；位于15～30 m之間的節(jié)點(diǎn)一般有效，數(shù)據(jù)傳輸速率超過(guò)60%；距離超過(guò)40 m的節(jié)點(diǎn)無(wú)法提供可靠的數(shù)據(jù)通信。

表2 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

傳感器網(wǎng)絡(luò)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(wú)線電波往往會(huì)被建筑物中的導(dǎo)電物體反射或衍射，只有很少一部分能夠穿透它們。由于內(nèi)部環(huán)境中存在的過(guò)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(nèi)的人類活動(dòng)，也是網(wǎng)絡(luò)性能損失的重要原因。

3.2 改進(jìn)部署

參照3.1節(jié)的測(cè)試結(jié)果，對(duì)智能建筑中無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署方案進(jìn)行了改進(jìn)。在單層實(shí)驗(yàn)樓內(nèi)部署了數(shù)十個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，新的部署方案減少了節(jié)點(diǎn)之間的傳輸距離，盡量避免布置在過(guò)渡區(qū)域，并將中心節(jié)點(diǎn)布置在樓層中心，實(shí)現(xiàn)最小化樓體結(jié)構(gòu)對(duì)通信干擾的目標(biāo)。同時(shí)在布置時(shí)，每一層都設(shè)有一個(gè)獨(dú)立的子網(wǎng)，避免不同樓層的網(wǎng)絡(luò)通信受到樓體混凝土的干擾。

3.3 問(wèn)題分析

雖然在部署無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程中，先前的分析已經(jīng)考慮了大部分的問(wèn)題，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)通信過(guò)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(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)包時(shí)，可能會(huì)建立一條不考慮路由質(zhì)量的路由通道。

(2)原有路由協(xié)議使用確認(rèn)幀來(lái)判斷相鄰節(jié)點(diǎn)的可靠性。如果源節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)后的一段時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到回復(fù)的確認(rèn)幀，將會(huì)自動(dòng)廣播請(qǐng)求來(lái)搜索路由。接收到請(qǐng)求報(bào)文的中間節(jié)點(diǎn)會(huì)重新廣播請(qǐng)求報(bào)文，這可能會(huì)在網(wǎng)絡(luò)中引起廣播風(fēng)暴。

這兩個(gè)問(wèn)題可能影響了智能建筑傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能，因此可以針對(duì)路由協(xié)議進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。

4 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

在分析存在問(wèn)題的基礎(chǔ)上，本章提出了改進(jìn)措施。但由于缺乏統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，因此在目前的研究中，很難從單一某項(xiàng)指標(biāo)來(lái)確定網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化效果，可行的做法是采用多項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行綜合考察。在優(yōu)化傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)選用了以下幾個(gè)參數(shù)，分別為丟包率(PLR)、鏈路質(zhì)量指標(biāo)(LQI)和往返時(shí)間(RTT)，用以分析網(wǎng)絡(luò)的改善情況以及評(píng)估是否滿足應(yīng)用程序的要求。

首先，為保證所建立路由的魯棒性，對(duì)可能的鏈路設(shè)置質(zhì)量閾值，不允許鏈路質(zhì)量低于閾值的請(qǐng)求報(bào)文建立路由。

如圖3所示，平臺(tái)中任意兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)的鏈路質(zhì)量值超過(guò)了實(shí)驗(yàn)設(shè)定的50閾值，使得路由更加穩(wěn)定。

圖3 鏈路質(zhì)量評(píng)估

其次，在路由協(xié)議中引入了改進(jìn)的路由修復(fù)過(guò)程。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)后，在一定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到確認(rèn)報(bào)文時(shí)，源節(jié)點(diǎn)不是簡(jiǎn)單地創(chuàng)建請(qǐng)求報(bào)文并將其重新廣播，而是在較短時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)路由修復(fù)過(guò)程。

改進(jìn)后的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議重定義了兩種路由包，分別是RREQ_Repair包和RREP_Repair包。

當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)開(kāi)始路由修復(fù)過(guò)程時(shí)，會(huì)廣播只有一跳有效傳輸距離的RREQ_Repair報(bào)文。相鄰節(jié)點(diǎn)收到后，會(huì)從路由列表中搜索目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路由。一旦出現(xiàn)可用路由，則相鄰節(jié)點(diǎn)將回復(fù)RREP_Repair報(bào)文，從而快速重新構(gòu)建路由。如果路由修復(fù)過(guò)程失敗，源節(jié)點(diǎn)將啟動(dòng)請(qǐng)求過(guò)程。路由修復(fù)過(guò)程可有效地降低無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中廣播風(fēng)暴的可能性。

優(yōu)化后的路由協(xié)議評(píng)估如圖4所示。由圖4a可知，任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的往返時(shí)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(shí)間上升的速度顯著下降，傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能更為穩(wěn)定。如圖4b所示，丟包率是性能評(píng)價(jià)的另一個(gè)重要指標(biāo)。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(shì)，但節(jié)點(diǎn)的丟包率概率明顯降低。評(píng)估結(jié)果表明，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(píng)估

綜上，可認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案是有效且可行的，能夠在不改變?cè)杏布O(shè)施的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)內(nèi)在協(xié)議的優(yōu)化，相當(dāng)大程度提升網(wǎng)絡(luò)的性能，滿足當(dāng)前智能建筑應(yīng)用的要求。

5 結(jié)論

本文對(duì)智能建筑無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了部署與優(yōu)化研究?；诂F(xiàn)有的單層建筑傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行了可靠性測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明節(jié)點(diǎn)距離以及環(huán)境復(fù)雜的過(guò)渡區(qū)域?qū)?duì)網(wǎng)絡(luò)可靠性產(chǎn)生顯著的影響，當(dāng)節(jié)點(diǎn)距離超過(guò)40 m之后將無(wú)法保證傳輸數(shù)據(jù)的可靠性。因此在實(shí)際部署中應(yīng)當(dāng)盡量避免傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的距離過(guò)遠(yuǎn)，且應(yīng)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(guò)渡區(qū)域。每層應(yīng)設(shè)置單獨(dú)的通信子網(wǎng)，以增強(qiáng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能。在分析測(cè)試數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，本文優(yōu)化了傳感器的部署和改進(jìn)了路由協(xié)議，并進(jìn)行了性能評(píng)估。結(jié)果表明該系統(tǒng)有能力在復(fù)雜環(huán)境下高效地工作。未來(lái)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(dāng)?shù)膮f(xié)議。