針對建筑群監控的無線傳感器網絡設計

劉丹，龍永紅，羅斌，黃曉峰，石偉

（1. 湖南工業大學電氣與信息工程學院，湖南株洲412007；2. 北京市農林科學院國家農業信息化工程技術研究中心，北京100097）

針對建筑群監控的無線傳感器網絡設計

劉丹1,2，龍永紅1，羅斌2，黃曉峰1，石偉1

（1. 湖南工業大學電氣與信息工程學院，湖南株洲412007；2. 北京市農林科學院國家農業信息化工程技術研究中心，北京100097）

現代建筑群結構復雜、樓層多，對其實現集中監控的無線傳感器網絡的網絡容量需求大，且在多障礙物的復雜環境下保障無線通信鏈路具有一定難度。通過分析對比現有主要無線通信技術的特點，設計了一種融合Zigbee技術與433 MHz射頻通訊技術的無線傳感器網絡模型，其中Zigbee網絡的實現采用TI公司的Z-STACK協議棧和CC2530 Zigbee模塊，433 MHz射頻通訊模塊選用RFM69H。試驗結果表明，該傳感器網絡能實現半徑約600 m的區域內建筑群覆蓋，丟包率低于5%，能保障較好的網絡服務質量（Qos），整個網絡通信在ISM頻段，成本低，具有一定應用前景。

建筑群；監控；無線傳感器網絡；Zigbee ；433 MHz

0 引言

隨著經濟的快速發展，現代樓宇的建造不斷趨向于高層化、結構復雜化、集群化（如各種大型商場、小區），這給樓宇環境的集中監控帶來了新的難點。使用有線傳感器組成的監測網絡布線量大、安裝和維護費用高，并且在復雜建筑物中的某些地方無法布線，而無線傳感器網絡（wireless sensor networks，WSN）[1]很好地解決了這些問題。然而要構建一個現代建筑群環境的集中監控無線傳感器網絡，首先需要有較大的網絡容量（一般超過10*3個傳感器節點），同時在建筑群中多障礙物的復雜環境下，需要保持通信鏈路較高的可靠性和一定的通訊距離。

目前，許多小型的無線傳感器網絡得到了成功部署和應用[2-3]，然而這些應用的網絡規模都比較小、覆蓋面不理想。文獻[4]提出了一種基于Zigbee規范構建大規模無線傳感器網絡的“兩層”組網策略，理論上可支持16*65 536個節點，具有較大的網絡容量，然而在實際應用中由于Zigbee網絡性能等問題，其網絡節點數大打折扣，覆蓋區域有限，無法適應多樓宇建筑群集中監控。無線傳感器網絡在現代樓宇監控中的應用，已經有許多學者開展了研究并取得了一定的成果，但大多是針對某一特定的單一建筑，針對多樓宇的建筑群集中監控的大規模無線傳感器網絡還沒有成熟的實現方案。

針對上述問題，深入分析現有主要無線通信技術，構建了一種針對建筑群環境集中監控的大規模無線傳感器網絡：根據Zigbee規范多信道（共16個信道）的特點并結合頻率復用實現底層數據采集Zigbee網絡大范圍覆蓋，以每個Zigbee網絡的協調器為簇頭在433 MHz頻段組建高層數據傳輸網絡，實現Zigbee個域網（personal area network，PAN）間的協作，構建對建筑群環境的集中監控網絡。

1 無線通信技術規范選擇及分析

為了構建一個具有較大覆蓋面積的大規模無線傳感器網絡，必須選擇可行的技術平臺。圖1為現有可應用于無線傳感器網絡的典型無線技術規范，它們包括：802.11 a/b/g, Bluetooth, Zigbee等。

圖1 幾種典型的無線通信技術比較Fig.1Comparison of several typical wireless communication technologies

經過深入分析對比，僅有基于802.15.4的Zigaee規范支持mesh拓撲結構，可以保證較大的網絡規模；另外它的能量開銷也較小；有保證可靠傳輸的機制（完全握手機制）；有保證安全通信的能力（支持AES-128加密算法）；低功耗、低復雜度和低成本的特點，也使得Zigbee規范非常適合WSN方面的應用，并且Zigbee技術通訊在2.4 GHz的ISM頻段，無需申請頻段使用執照。

Zigbee中定義了3種節點類型：協調器、路由器和終端設備。其中協調器（Zigbee coordinator，ZC）負責網絡的組建和管理；路由器（Zigbee router，ZR）負責提供路由路徑；端設備（Zigbee end device，ZED）主要實現數據的采集。Zigbee規范可以支持星型、樹型和網狀網絡拓撲結構，采用64位IEEE地址和16位短地址空間，理論上可以最多支持65 536個網絡節點。然而，由于網絡性能等方面的需求，在實際組網中存在一些約束，很難達到這么高的網絡容量。

另外，由于Zigbee技術是通信在2.4 GHz頻段，根據波長的計算公式：=c/f（其中為波長，c為光速，f為頻率），2.4 GHz無線電波的波長約為 0.125 m，根據波的衍射特性，當波長大于或相當于障礙物的尺寸時，波才能明顯地繞到障礙物的后面，因而當遇到尺寸大于0.125 m的障礙物時2.4 GHz頻段的無線信號傳播受到嚴重影響，而同樣處于I S M頻段的433 MHz射頻通訊則在穿越障礙物能力上要強于Zigbee技術，約為其5.5倍；同時，根據無線電信號空間自由空間傳輸損耗公式[5]為

式中：Lbf為自由空間損耗，dB；D為距離，km；F為頻率，MHz。在傳播相同的距離時，433 MHz無線電波的衰減要小于2.4 GHz。根據實際的測試結果，在同等條件下（收發天線增益大小相同、發射功率大小相同等，未加功放）在有一層混凝土墻阻礙時，Zigbee模塊收發距離僅在5 m左右，而433 MHz射頻模塊能達到700 m左右。

根據以上分析，Zigbee技術規范易于組建較大規模的無限傳感器網絡，且網絡拓撲結構靈活，但是其在2.4 GHz的無線信號穿越障礙物能力差、通訊距離短；而433 MHz射頻通訊具有相對較強的障礙物能力和較好的通訊距離，卻不易于直接用來組建大型無線通信網絡。

2 融合多頻段通信的無線傳感器網絡構建

根據前面的分析知道，雖然Zigbee通信技術適合WSN方面的應用，但是單一的Zigbee網絡無法滿足大規模傳感器網絡容量的要求，而其2.4 GHz的通信頻段在障礙物多的樓宇復雜環境中不利于實現大面積的網絡覆蓋。為解決以上問題，結合Zigbee技術規范和433 MHz射頻通信的特點，設計了一種通訊在2個頻段的傳感器網絡組網策略和模型。

2.1 基于Zigbee規范的2.4 GHz頻段組網策略設計

Zigbee網絡的組建采用符合Zigbee通信規范的TI公司的Z-STACK協議棧，其在物理層是采用直接序列擴頻(direct-sequence spread-spectrum，DSSS)技術，將2.4 GHz頻段劃分成了16個不同的信道，各個信道編號依次為11～26。不同信道間不能進行通信，這樣，就可以在每個信道上部署1個個域網（ PAN），既使它們都是符合Zigbee規范的同構Zigbee網絡，也不會對彼此的通信造成干擾，因而在同一個區域就可以存在多個PAN。可以在同一棟樓宇內采用多個通信在不同信道的Zigbee網絡實現樓宇的覆蓋，這樣避免了在一個網絡中擁有過多的網絡節點，從而大大提高網絡性能，如全網組建時間、數據時延、誤碼率降低等。

另外，頻率復用理論指出：頻率復用就是重復使用頻率，使同一頻率覆蓋不同的區域（一個基站或該基站的一部分（扇形天線）所覆蓋的區域），這些使用同一頻率的區域彼此需要相隔一定的距離（稱為同頻復用距離），以滿足將同頻干擾抑制到允許的指標以內。前面提到了一般的Zigbee模塊的通信距離在有一層混凝土墻阻礙時收發距離僅5 m左右，因此根據頻率復用理論，可以在建筑群內每間隔一定的距離重復使用同一個某信道的Zigbee PAN而互不影響，這樣可以大大增加網絡的容量和頻段的利用效率。

然而上述的各個PAN間不能完成直接的通信，為了構建一個集中的無線傳感器監控網絡，可以引進一個數據集中器/網關（gateway）設備，實現PAN間的協作，將區域內的所有PAN整合在一起。

2.2 融合多頻段無線通信的組網模型

根據前面的分析以及組網策略，本文設計了一種通訊在兩頻段的組網模型，如圖2所示。圖3是對應的網絡拓撲結構。

該模型首先是采用通信在2.4GHz的Zigbee技術規范完成大規模數據采集網絡的搭建，它由多個Zigbee數據采集網絡組成；各個Zigbee網絡的協調器作為網關的子節點在433 MHz頻段完成數據匯集層的網絡實現，從而組建成一個適合建筑群環境集中監控的大規模無線傳感器網絡。理論上，每個Zigbee網絡的節點數可以達到65 536個，因而本文設計的網絡模型容量理論上可以達到65 536的若干倍。

圖2 融合多頻段通信的網絡模型Fig.2Fusion of multi band communication network model

圖3 網絡拓撲結構Fig.3The topology of the network

3 網絡的實現

在Zigbee網絡的設計中，Zigbee芯片選用TI公司的CC2530，該芯片是專門IEEE802.15.4協議和Zigbee應用的單片機芯片解決方案，整合了全集成的增強型8051微控制器，8 kB的RAM和5通道DMA，32 kHz睡眠定時器等功能和外設。 它可以直接用來采集一些基本傳感器數據（如CO、溫濕度、煙霧傳感器等），還可以驅動射頻模塊而不需增加專門的微控制器，降低了硬件復雜度和設計成本。Zigbee組網的軟件設計在TI公司的符合Zigbee規范的協議棧Z-STACK基礎上進行，該協議棧支持星型、樹狀、網狀拓撲結構，可以通過軟件設置相關的網絡參數，如在本設計中通過定義NWK_MODE_MESH 組建網狀網絡；為防止意外掉電丟失網絡信息，可以使能NV_RESTORE等。

為實現433 MHz頻段的網絡層，需要給每個Zigbee網絡的協調器配置一個射頻通信模塊和一個帶有微控制器、射頻模塊的數據集中器/網關設備。通過選型對比，射頻通信模塊選用深圳惠怡華普電子的RFM69H無線射頻收發模塊。該模塊最大發射功率為20 dBm，最大接收靈敏度可達-120 dBm，支持315/433/868/915 MHz 4個頻段，接口簡單，MCU可通過SPI接口進行編程配置，通過實際測量，RFM69H的室外通信的可視距離能穩定地達到700 m以上，可繞過一般的混泥土墻14堵；數據集中器/網關實現433 MHz頻段的組網，完成對各個采集網絡的數據處理，需要有較高性能的微控制器，本文采用ARM公司的STM32系列32 bit閃存微控制器，它具有Cortex-M3內核，工作頻率最高可達85 MHz。STM32系列微控制器豐富的增強I/O端口和連接到2條APB總線的外設方便數據集中器。另外，要完成各個PAN在 433 MHz頻段的數據匯集層網絡的組建，必須有自己的通信協議。本文所設計的數據幀格式如表1所示。數據幀由同步碼、頭碼、源地址、目標地址、控制碼、功能碼、數據長度、數據、和校驗組成，各個協調器加入數據集中器組建的網絡時需要進行對碼操作，對碼成功后各個Zigbee網絡的協調器就可以周期性地向數據集中器匯報其所在網絡中的各個采集節點信息，包括各個傳感器節點的位置信息和采集的數據信息。

表1433 MHZ頻段的數據幀格式Table 1Data frame format of 433 MHz band

4 實驗測試與分析

以深圳飛比公司的Zigbee開發套件為基礎，對其進行改造后，完成了對本文設計的網絡模型驗證。

具體測試過程如下。如圖4，在湖南工業大學電氣與計算機樓中的兩層分別布置通訊在第11信道和第12信道的Zigbee網絡一和Zigbee網絡二；在間隔約20米的隔壁土木機械樓的兩層同樣布置了通訊，在第11信道和第12信道的Zigbee網絡一和Zigbee網絡二；數據集中器擺放在電氣計算機樓的一樓門衛室；其中4個Zigbee網絡的協調器均接有RFM69H射頻模塊，每個Zigbee網絡均有6個網絡節點。數據集中器可以周期性地收到各個Zigbee數據采集網絡的數據，為方便觀察，數據集中器收到數據后通過串口發送到計算機上顯示。實驗測試收到的數據情況如圖5所示。

圖4 實驗網絡布局示意圖Fig.4Schematic diagram of the experimental network layout

圖5 串口助手顯示傳感器數據采集情況Fig.5Assistant serial display of sensor data acquisition

根據圖5中顯示的接收數據表明，數據集中器會周期性收到數據，選取第一幀數據（2D D4 55 00 00 03 FF 01 10 04 AA BF D9 93 7E）分析其結構：其中2D D4為同步碼，AA 55為頭碼 00 00 03是指傳感器節點的地址，FF為數據集中器地址，01 10分表代表控制碼和功能碼，04為指采集數據長度是4個字節，AA BF A9 93為節點采集的數據內容，7E為數據幀結束碼。從以上分析知道傳感器網絡按照既定的通信協議進行了通信，表明分布于兩棟樓內的網絡節點均會定期地通過協調器向數據集中器匯報采集數據，證明了該無線傳感器網絡方案的可行性。另外，當把位于土木機械樓的2個Zigbee網絡布置到約600 m外的公共教學樓時，發現數據集中器的數據收集正常，丟包率能保持在小于等于5%的水平，然而當把網絡布置到稍遠的位置時，發現集中器數據收集出現嚴重的丟包現象（高于70%）。因此表明，該無線傳感器網絡能穩定地實現區域半徑約600 m范圍的覆蓋。

5 結語

基于Zigbee技術規范和433 MHz射頻通信，構建了一種通信在2個頻段的無線傳感器網絡模型，該傳感器網絡模型結合了Zigbee技術組網靈活、網絡容量大和433 MHz射頻通信穿越障礙物能力較強的特點，試驗結果表明該傳感器網絡能實現半徑約600 m的區域內建筑群覆蓋，丟包率低于5%，能保障較好的網絡服務質量（Qos），適合現代生活小區、大型企業或商場建筑群環境的集中監控，且整個網絡通信在ISM頻段，成本低，具有一定應用前景。但是該網絡模型仍然需要進行進一步地改進研究，如433 MHz頻段通信協議的完善、網絡內節點定位問題的研究等。

[1]張少軍. 無線傳感器網絡技術及應用[M]. 北京：中國電力出版社, 2010：3-15．Zhang Shaojun. Wireless Sensor Network Technology and Application[M]. Beijing：Chinese Power Press, 2010：3-15.

[2]司海飛，楊終，王珺. 無線傳感器網絡研究現狀與應用[J]. 電機工程，2011，28(1)：16-28. Si Haifei，Yang Zhong，Wang Jun. Review on Research Status and Application of Wireless Sensor Networks[J]. Journal of Mechanical & Electrical Engineering，2011，28 (1)：16-28.

[3]Martinez K，Hart J K，Ong R. Environmental Sensor Networks[J]. IEEE Computer，2004，37(8)：50-56．

[4]成小良，鄧志東. 基于Zigbee規范構建大規模無線傳感網絡[J]. 通信學報，2008，29(11)：158-164. Cheng Xiaoliang，Deng Zhidong. Construction of Large Scale Wireless Sensor Network Using ZigBee Specification [J]. Journal of Communication，2008，29(11)：158-164.

[5]Rappaport T S. 無線通信原理與應用[M].北京：電子工業出版社，2012：48-70. Rappaport T S.Wireless Communication Principle and Application[M]. Beijing：Publishing House of Eelectronics Industry，2012：48-70.

（責任編輯：申劍）

Design of Wireless Sensor Network for Buildings Monitoring

Liu Dan1，2，Long Yonghong1，Luo Bin2，Huang Xiaofeng1，Shi Wei1
（1.School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China；2.National Engineering Research Center for Information Technology in Agriculture, Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Beijing 100097, China）

The structure of modern buildings is complex and high-rise, and the wireless sensor network(WSN) for centralized monitoring of the buildings must have a large network capacity, and there is certain difficulty in wireless communication link security under the complex multi obstacles environment. Designed a wireless sensor network model integrating Zigbee technology and 433 MHz radio communication technology, in which Zigbee network using the ZSTACK protocol and CC2530 Zigbee module of TI company and the 433 MHz radio communication module using RFM69H. The test results show that this WSN can cover a building area of a radius of 600 m, the packet loss rate is less than 5% and promises a good network service quality(Qos). The network communication is at ISM band with low cost, and the WSN has a good application prospect.

buildings；monitoring；WSN；Zigbee；433 MHz

TN98

A

1673-9833(2014)04-0081-05

10.3969/j.issn.1673-9833.2014.04.018

2014-03-24

湖南省教育廳科研基金資助項目（13C057）

劉丹（1988-），男，湖南益陽人，湖南工業大學碩士生，主要研究方向為無線傳感器網絡，數據采集系統應用，E-mail：541411392@qq.com