基于物聯網的室內監控系統節能研究

朱 凱，李杪瑾，徐 丹，劉恒信

（中國礦業大學（北京）機電與信息工程學院，北京 100083）

基于物聯網的室內監控系統節能研究

朱 凱，李杪瑾，徐 丹，劉恒信

（中國礦業大學（北京）機電與信息工程學院，北京 100083）

針對無線傳感器網絡通信中能量消耗過高及電源極為有限、不可替換問題，設計了室內監控系統，布置ZigBee無線網絡，重點解決延長網絡生命周期問題。針對LEACH算法中所有節點輪流充當簇首消耗能量過多問題，提出每輪第一次充當簇首的節點全程有效，即FL方法。該算法減少節點競爭簇首時消耗的能量。依據監控系統實際使用環境，結合LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）算法分析通信過程中能量的消耗，設計驗證實驗，提出監控系統通信算法。實驗證明，網絡穩定，系統能耗低，通信性能良好，可用性強。

無線網絡；傳感器網絡；節能

根據美國權威咨詢機構Forrester預測，物聯網的通信量在IP網絡流量中的比重持續上升。無線傳感器網絡（Wire?less Sensor Network）是物聯網的基本組成部分，屬于物聯網的底層感知網絡，能夠感知被監控環境中的微小變化，第一時間通知管理人員采取相應預防及處理措施。到目前為止，使無線傳感器網絡大規模投入使用面臨著許多問題，節能是其中最受關心的問題之一，關鍵節點過早死亡會使整個系統無法正常運轉。提高整個網絡能量利用率，延長整個網絡生命周期是研究重點。

傳感器網絡建成后，節點往往安裝于固定位置，無人實時值守在節點旁邊，因而被監控環境出現異常情況無法及時處理；有些放置于惡劣環境中的終端節點不能用交流電供電；有些不參與工作的節點仍然處于上電模式造成耗能過高……為保證系統長期穩定運行，無線傳感器網絡通信穩定是必要條件之一，而實現網絡通信穩定需要保證各傳感器有足夠能量，能量是微型化傳感器節點各個模塊最寶貴的資源，降低能耗的研究自然成為重點。無線傳感器網絡的能耗受許多因素影響，如電源模塊類型、收發模塊中天線功率、網絡節點分布密度、網絡覆蓋面積等。本文主要分析分簇階段和數據通信過程中的能耗。

為實現降低能量消耗的目標及以后網絡規模擴展，在保證網絡覆蓋范圍情況下，采用LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）算法選取簇首節點，簇首節點作為骨干網節點，通信模塊被打開，網絡中非簇首節點的通信模塊被關閉，由簇首節點負責數據的路由轉發，節約系統能量開銷。LEACH算法是傳感器網絡中常用的經典分簇路由算法。郭琳等人提出EABGC（Energy-saving Algorithm Based on Grid Clustering）算法，采用虛擬網絡方法有效解決LEACH算法在分簇階段產生的節點冗余問題[6]。

1 監控系統網絡模型

監控系統網絡將邏輯上的信息世界與客觀的被監控區域融合在一起，采用分布式的無線傳感器網絡代替現有有線網絡，提供傳統有線網絡擁有的所有功能，更透徹、全面、及時地反映被監控區域中的動態。網絡模型包括3層結構，整合了ZigBee無線傳感器網絡、Internet網絡。底層是感知層，包括多種廉價傳感器感知設備，溫濕度傳感器、空調傳感器、調光控制器、音量控制器、WiFi攝像頭等，是系統網絡的基本單位和基礎平臺，是研究的主要對象。溫濕度傳感器實時顯示室內溫濕度數據，光敏傳感器監測室內光照強度，能夠根據預設程序控制窗簾開關及光照強度。中間層是內部網絡傳輸層，采用低功耗的ZigBee協議。最上層是應用層，該層連接Internet，接收終端包括智能手機、PC等設備，終端設備與服務器之間的通信使用TCP/IP協議。PC機用來對監測系統進行數據監測及處理。PC機終端連接服務器，顯示界面可在任何時間監控傳感器收集的數據信息，也可根據條件查詢所需時間段的傳感器數據信息。當傳感器數據超過預先設定的閾值時，協調器會發送報警控制信息給手機端。手機端也可以閱覽監測系統數據或遠程控制傳感器運行狀態。服務器上帶有MySQL數據庫，服務器與網關數據同步，同時可進行數據管理、查詢等作用。監控系統結構圖見圖1。

圖1 室內監控系統

系統網絡類型是ZigBee自組網，網絡總體結構是分層的星形簇狀結構，網絡區域覆蓋度是100%，具有較強的網絡連通性。傳感器節點具有相同的發射接收功率。子網共有4個，每個子網絡設置1個簇首節點，負責收集所在子網內節點的數據，子網內的節點通過自組織方式完成無線通信，形成無線傳感器網絡。簇首節點將數據收集處理后發送給網關，網關負責接收及處理所有節點采集的數據，并將處理后的數據傳給服務器。子網內采用平面對等結構，減少建立組織架構的網絡開銷，同時降低系統能耗，也可以提高網絡管理的靈活性。

根據監控系統實際應用，網絡結構采用靜態、不可控部署[3]，傳感器節點在網絡運行期間位置不發生改變，各設備之間的距離值亦不變。傳感器節點分為終端節點（End De?vice）、路由器節點（Router）和網關節點（Coordinator），每個終端節點具有相同的微型化低功率硬件結構（見圖2）及休眠模式。終端節點主要負責采集數據，具有簡單的數據存儲與收發能力[3]。網關節點只有一個，網關節點負責將網關所在的局域網中的數據匯集后與服務器通信，節點能量和通信距離比終端節點稍強。系統運行中，各節點互相協作，實現高效的信息采集與數據傳輸，完成傳感器網絡與Internet之間的相互通信。網絡中有基于事件的數據收集模式，當傳感器數據超出閾值，或RTC時鐘檢測到數據傳輸超時，系統網關能夠偵測到異常情況，發送控制信息激活蜂鳴器報警，并顯示節點網絡位置信息。在無須額外設備情況下，網絡節點位置信息可根據RSSI值確定。

圖2 終端節點硬件結構

2 數據傳輸時能耗分析

2.1 分簇階段能耗

系統中的網絡節點數量大，如果沒有合理的組織，系統就會處于無序狀態。根據網絡結構，采用分簇網絡協議，分簇是睡眠調度的關鍵技術。利用分簇技術實現對網絡結構分區域管理，好比中國教育要由好多個大學共同完成一樣。每個大學需要一個校長對其進行領導，校長類似于系統網絡中的簇頭結點。校長有更換、調任、退休等情況，一旦卸任，該大學就要推選出新的校長。網絡中的簇頭也一樣，當有些簇頭出現故障或者因能源耗盡而失效時，就要在本簇內選擇一個新的節點作為簇頭。監控系統被分為4個簇，每個簇有一個簇頭節點。分簇方法使用LEACH算法，這是形成網絡結構的關鍵問題。傳感器網絡經典分簇協議之一是LEACH路由協議。LEACH算法在無線傳感器網絡中的參數如表1所示[3]。

表1 LEACH算法參數

簇內層級結構的數學模型如下

式中：s的變化狀態代表簇狀態變化的更新；V（s）是簇狀態更新之前簇內成員的集合；CH（s）是簇狀態更新之前的簇頭；vi，代表傳感器節點。式（1）描述了網絡狀態更新過程，節點{v，…，v}退出網絡，{v，…，v}節點加入網絡。式（2）表明簇頭選舉的過程，m（vi）代表節點vi競選指標向量，w代表競選指標權重向量，兩者乘積最大的節點當選簇頭。式（3）表明網絡狀態更新后的節點集合。

LEACH算法讓網絡內所有節點輪流作為簇首節點，系統中網絡總節點數較少，所有節點輪流做簇首節點會使選擇簇首節點過程中控制和計算開銷很大，增加網絡整體能耗。根據實際情況，為降低系統運行期間節點競爭簇頭產生的能量開銷，使用系統初始化時第一次選擇的簇首節點作為本次各子網絡的簇首節點，直到協調器再次初始化后變換簇首節點。本文稱這種確定簇頭的方法為FL方法。系統啟動后，LEACH算法周期性地按輪進行簇的建立和數據傳輸，在簇的建立階段，系統中每個子網絡為一簇，每簇只有一個簇首節點。簇首節點確定后，簇首使用載波偵聽多路訪問（Carrier Sense Multiple Access，CSMA）MAC協議廣播所在子網絡，子網絡中節點根據接收到的廣播信息決定屬于哪個簇首節點管理的簇，反饋地址信息給簇首節點，確定自己處于簇中。簇首節點將收集的網絡信息發送至網關協調器，并給簇內各節點分配一個TDMA時隙。系統初始化后，簇首節點固定不變。網絡分簇階段完成后即開始數據通信。

2.2 數據通信階段能耗

無線傳感器網絡是無線通信中的一個新興領域，系統總能耗的大部分來自于通信階段，一般情況下，1 bit數據傳輸100 m消耗的能量相當于執行3 000條計算指令消耗的能量。通信模塊的能耗是系統最主要能耗，為節省通信過程中能量消耗，節點之間的通信采取工作與睡眠切換模式，節點不工作時處于睡眠狀態，減少節點工作時間及網絡中工作節點的數量，降低阻抗耗散I2R進而降低電壓、頻率乘積V2f，以利于節省能量消耗。節點各單元功耗如圖3所示，從圖3可以看出，功耗最大的單元是發送模塊和接收模塊。降低收發模塊的功率也可以降低系統能耗，降低功率主要是調節發射范圍。電源模塊的能耗監測包括電源能耗變化、電源能量耗盡以及電源能量達到預先設定的閾值。監控系統中使用多跳、對等的廣播式通信，傳輸介質是無線電波，節點數據通信距離在10 m以內，通信信道屬于近地面單信道，網絡中各節點有相同的權利訪問信道。數據傳輸是基于事件的傳輸。通信標準為在保證通信質量前提下，節點能耗最小，數據傳輸距離最短，傳輸過程中跳數最少。根據LEACH算法，數據通信滿足自由空間模型（與距離的平方呈正比）。通信過程包括終端節點與簇頭節點及簇頭節點與基站之間的通信。

圖3 節點各單元功耗對比

通信協議采用低成本的ZigBee協議，具有低功耗、低成本等優良特性，適合無線傳感器網絡，降低系統開發成本。ZigBee短距離通信協議解決與互聯網連接的最后一公里問題，ZigBee以IEEE802.15.4為基礎，使用全球無須注冊的ISM 2.4 GHz公用超高頻頻段，極大降低開發成本。監控系統節點間傳輸距離小于10 m，適合使用ZigBee協議。

傳輸過程中能量消耗模型采用多篇論文提到的LEACH協議的傳輸模型（見圖4），分為發送端能量消耗和接收端能量消耗。發送端發送數據長度為k bit，傳輸距離為d的能量消耗ETx（k，d）公式為

式中：ETx-elec指發射電路元件；ETx-elec（k）指發送數據長度為k時的電路能量消耗；ETx-amp（k，d）指發送長度為k、傳輸距離為d的數據時放大器能耗；ETx-elec（k）、ETx-amp（k，d）的值都為50 nJ/bit；收發模塊能耗圖如圖4所示。

監控系統中，負責采集數據的非簇首節點在屬于自己時隙期間以最小的能耗發送數據給所屬簇首節點，其他時隙期間轉入睡眠狀態，以此節省能耗。

以系統報警功能為例顯示結果，報警功能實現流程圖如圖5所示。

圖5中，網絡節點的分配在初始化過程中完成。當節點在規定延時內未收到數據時報警。count記錄傳遞次數，sum記錄RSSI值（RSSI值的確定過程見實驗結果部分），當傳遞次數是2的冪次方時，sum與預先設置的RSSI閾值比較，若大于閾值時報警。

圖4 收發模塊能耗模型

圖5 報警功能協調器流程圖

3 實驗結果及分析

3.1 實驗結果

系統布置于10 m×10 m的室內，溫度傳感器使用具有單總線接口方式的DS18B20，各傳感器節點采用確定性部署，事先根據節點功能被人工安置于被監控對象上，如光敏傳感器安裝在日光燈上，節點上天線距地面3 m以內，攝像頭安裝在實驗室入口處門框上方墻壁等，室內覆蓋率達90%以上，節點覆蓋控制為線覆蓋[9]，如圖6所示。

系統中相關參數如表2所示。室內監控系統設置有較高安全性，共有4個子網絡，1個網關，1個服務器（基站），1臺PC機，實驗環境中無障礙物遮擋。服務器的位置設于實驗室入口處，每個節點與網關之間的距離不相等，系統中所有節點的初始能量相等。網絡布置完成后各設備位置固定不變。假設數據長度是5 bit，數據發送間隔為0.2 s。通信數據為傳感器實際采集數據。

圖6 線覆蓋示意圖

表2 實驗參數表

結合表2參數，計算網絡吞吐能力為

式中：A為目標區域的面積100 m2；W是節點的最高傳輸速率2.5×105bit/s；Δ是大于0的常數；L是源節點到目的節點的平均距離2 m；n是節點數20；r是傳輸模塊的發射半徑10 m。

3.2 結果分析

圖7中，RSSI是一個記錄功率的絕對值。確定RSSI值的測試環境為室外空曠地，測試過程中收發功率保持不變，總測試長度20 m，改變協調器位置，在7 m、17 m處設置人員干擾，分pcb天線和膠棒天線兩種情況。測試值如圖7所示，最終確定RSSI值為170 dBm。

圖7 通信中RSSI值

實驗給出了FL方法使用前后的系統能量消耗對比，如圖8所示。

從圖8可以看出，FL方法確定簇頭消耗的能量明顯小于LEACH算法所有節點輪流充當簇頭消耗的能量。

圖8 功耗對比

4 結束語

文章設計了室內監控系統，根據LEACH算法提出系統通信模型，實驗驗證算法效果及系統的穩定性，能夠使用液晶顯示屏查看。節點數量設置合理，能夠覆蓋預期監測區域，節點采集數據值準確，通信干擾小。下一步結合發射功率及LQI值進一步降低能量消耗，實現基于加州大學伯克利分校開發的TinyOS操作系統的TOSSIM仿真。

[1] 錢志鴻，朱爽，王雪.基于分簇機制的ZigBee混合路由能量優化算法[J].計算機學報，2013，36（3）：485-493.

[2]錢志鴻，王義君.面向物聯網的無線傳感器網絡綜述[J].電子與信息學報，2013，35（1）：215-227.

[3] 張學，陸桑璐，陳貴海，等.無線傳感器網絡的拓撲控制[J].軟件學報，2007，18（4）：943-954.

[4] 王玉秀，黃劍，石欣，等.基于分簇的低功耗多跳無線傳感器網絡層次時間同步算法[J].計算機應用，2013，33（2）：369-373.

[5]李文仲，段朝玉.ZigBee2007/PRO協議棧實驗與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009.

[6] 郭琳，馮秀芳.基于網絡分簇的無線傳感器網絡節能算法[J].電視技術，2013，37（11）：118-121.

[7] 李長庚，陽瑞琦，黃玉蘭.基于能量優先的無線傳感器網絡多跳分簇算法[J].計算機仿真，2013，30（11）：276-280.

[8]姚錫凡，于淼，陳勇，等.制造物聯的內涵、體系結構和關鍵技術[J].計算機集成制造系統，2014，20（1）：1-10.

[9] 劉偉榮，何云.物聯網與無線傳感器網絡[M].北京：電子工業出版社，2013.

Energy Saving Research of Interior Monitoring System Based on Internet of Things

ZHU Kai，LI Miaojin，XU Dan，LIU Hengxin
（School of Mechanical Electronic&Information Engineering，China University of Mining&Technology，Beijing 100083，China）

Aiming at the problems of high energy consumption，limiting power supply and not replace in the process of the wireless sensor network（WSN）communication，the interior monitoring system is designed.ZigBee wireless network is organized.The key issue is to extend network life cycle.According to the actual use environment，the cluster head is effective in the entire which is projected in the first round because it consumes too much energy that all the nodes act as the cluster head in turn according to the LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）

algorithm.The method is named as FL.According to the practical using environment，energy consumption is analyzed about the communication combining with LEACH algorithm.Experiments has shown that networks are stable，the system energy consumption is low，and network telecommunication has excellent performance.The usability of the system is strong.

wireless network；sensor network；energy-saving

TP393

A

10.16280/j.videoe.2015.04.028

朱 凱（1984—），女，博士生，主研物聯網理論及應用技術。

2014-07-23

【本文獻信息】朱凱，李杪瑾，徐丹，等.基于物聯網的室內監控系統節能研究[J].電視技術，2015，39（4）.

十二五國家科技支撐計劃項目（2011BAK06B01-06）；國家重大科學儀器設備開發專項（2012YQ030126）

責任編輯：時 雯