ZigBee－WiFi協同無線傳感網絡的節能技術

董 哲，宋紅霞

（北方工業大學 現場總線與自動化技術北京市重點實驗室，北京100144）

0 引 言

監控環境的復雜性和不確定性等因素使無線傳感節點的能量補給 （如人工更換電池、充電等）較為不便，網絡壽命［1］是制約無線傳感網絡在工業應用中的最大障礙，因此探尋一套有效的低功耗能量管理策略成為不可忽視的關鍵問題。本文采用一種新的時間同步策略——ZigBee－WiFi協同方式，達到較高時鐘同步精度，大大減小通信開銷，降低系統功耗，取得了很好的節能效果。

1 系統結構

本文研究針對ZigBee－WiFi協同無線傳感網絡，信息感知層由ZigBee網絡節點實現，大量的無線傳感數據匯聚到無線網關，通過WiFi上傳至中央服務器進行處理。上述無線傳感網絡的典型結構如圖1所示，系統主要由ZigBee無線傳感網絡、無線網關和服務器3部分組成。ZigBee無線傳感節點分布在被測環境中，組成龐大的傳感器網絡，網絡拓撲一般采用多跳 （multi－hop）結構。網關用于信息匯聚和傳輸，具備ZigBee和WiFi兩種網絡接口，在ZigBee網絡中，網關是協調器；在WiFi網絡中，網關是終端節點，通過無線AP將底層數據上傳至服務器。在該系統中，大量的無線傳感器節點采用電池供電，無線網關及服務器采用電源供電。因此提高網絡壽命［1］的核心是針對ZigBee節點研究并設計有效的休眠機制。本文重點研究在WiFi覆蓋環境下的ZigBee網絡節能問題，由于圖1所示的網絡結構在無線監測領域廣泛應用，因此該研究具有普遍的應用價值。

圖1 系統結構

2 休眠節能策略分析

本文分析針對多跳無線傳感網絡，該類網絡中的節點根據其職能一般可分為：協調器 （中心節點），路由器 （中間節點），終端 （底層節點）。

休眠節能策略主要分為兩類：異步時鐘休眠和同步時鐘休眠。異步時鐘休眠機制：系統中每個節點都運行獨立的時鐘，執行獨立的休眠計劃。其詳細通信機制如圖2所示，協調器將命令或數據發送給指定終端設備的父節點，即路由器。因為時鐘不同步，若終端節點處于睡眠狀態，命令或數據由路由器保存。待終端節點睡醒后，首先向其父節點發送一個數據請求Request，查看是否有發給自身的數據［2］。父節點若保存有下發給子節點的數據，則在收到子節點的數據請求之后，立即下發數據，父節點若沒有保存數據，則回一個無數據的應答信息Ack。終端節點在一次通信完成之后，或者收到父節點的Ack后，再次進入休眠。異步時鐘休眠機制的優點是無線網絡中的所有節點維持獨立時鐘，不用采用復雜的時鐘同步算法，易于實現。缺點是：①由于時鐘不同步，不論父節點有無數據，終端節點每次喚醒都要發送查詢命令，產生無效通信開銷。②由于父節點 （即路由節點）在終端節點喚醒前要保存數據。但是節點的存儲資源有限，當子節點較多且通信量較大時容易造成數據溢出。③異步時鐘通信機制中路由節點不能休眠，在復雜的大型網絡中，路由節點越多能耗越大。④傳感器無法實現主動上傳數據，每次通信必須先由終端節點請求數據，再等待數據，產生不必要的通信開銷。

圖2 異步時鐘休眠與通信機制

同步時鐘休眠機制：系統中所有節點時鐘同步，可以實現同時休眠，同時喚醒，喚醒后可以直接進行數據通信。主要優點：①在每次喚醒后，無需向父節點發送數據請求；②路由器可以實現休眠；缺點：傳統時鐘同步方法的實現難度較大，增加了通信開銷，在較大的網絡規模下精度不高。不同的時鐘同步算法，能量消耗也不盡相同。

隨著無線通信成本的日益降低，WiFi覆蓋越來越廣泛，由于WIFI（802.11）和ZigBee（802.15）都采用ISM頻段［3］，研究發現，802.15.4射頻模塊可以接收到802.11網絡中的周期性Beacon信號。利用此特性，一些學者研究了基于ZigBee－WiFi網絡協同的能耗管理、時鐘同步等問題［4］。本文基于上述研究提出了一種新穎的無線傳感網絡同步休眠策略。該策略采用ZigBee－WIFI協同時鐘同步機制，其原理為：802.15.4無線傳感器可以檢測工作在同一頻段下的WiFi廣播的信標幀，并采用它們作為參考時鐘信號校正本地時鐘。這種方法有幾個關鍵優勢：①不需要對802.11的AP 做任何改動，因此可以利用無處不在的WiFi。②覆蓋范圍大。測量結果顯示，許多的WiFi AP 產品即使在一個很復雜的環境中，仍然有100 m 左右的通信范圍。③802.15.4無線傳感設備的分布比AP 密集，因此同一個無線傳感網絡的許多節點可以用同一個信標信號作為參考時鐘。相對于常規的時鐘同步算法［5］，該方法可以不通過信息的交換而達到節點時間的同步。對于較大范圍的網絡，通過節點間并不頻繁的信息交換達到整個網絡的時間同步。這種時間同步算法在能耗和時鐘同步準確性方面較其它同步協議有較大提升。下面就此方法做詳細論述。

3 ZigBee－WiFi協同時鐘同步算法

3.1 算法概述

本系統研究對象為ZigBee無線傳感網絡，網絡中包含協調器、路由器、終端3類節點。ZigBee網絡節點采用同步時鐘休眠機制。網內節點采用統一的喚醒周期T，每個周期喚醒Tw時間，休眠Ts時間。若Tw 內無通信需求，節點喚醒后保持Tw 時間，再進入休眠狀態。若有通信需求，則通信完成后進入休眠狀態。若數據量較大，通信時間超過T，則節點保持喚醒狀態多個周期，直到通信完畢再休眠。由于時鐘同步存在誤差，因此要求節點喚醒時間Tw必須大于最大誤差，才能實現同步。Tw的選取跟時鐘同步精度有關，設網內共有n個節點，ei表示節點i與其父節點的時鐘誤差，則

以保證所有節點在喚醒時間內都能收到來自子節點和父節點的通信請求。喚醒時間Tw與校正周期的關系將在第5部分詳細介紹。

時鐘同步精度由兩個因素決定：授時精度和走時精度［6］。節點在首次入網后由其父節點對其進行授時，由于溫度等因素的影響，晶振會產生偏差［7］，因此每隔TC（校時周期）進行一次校時。本文采用了一種基于WiFi AP 信標 （beacon）周期的校時方法，其原理如下：

整個系統都在WiFi的覆蓋范圍之內，802.11標準為了網絡管理，要求WiFi通過接入點 （AP）周期性的廣播信標幀。802.11和802.15.4 都工作在無需身份認證的2.4 GHz的頻段，它們定義的信道大多數是重疊的。工作在重疊的信道上，會相互干擾［8］。雖然802.15.4無線傳感節點不能解碼WiFi信號，但是可以通過接收信號強度指示器（RSSI）檢測AP 廣播的信標［9］，RSS采樣值如圖3 所示。系統的RSS采樣值經過采樣、濾波、折疊放大處理，得到穩定的周期性WiFi信標幀，采用它們作為參考時鐘信號校正802.15.4設備的本地時鐘［4］。

圖3 RSS采樣值

假設t0為初始時間，t0以后流逝的時間記為Δt?；诒镜貢r鐘的測量，當前的本地時間可以表示如下

式中：nticks——t0之后走過的時鐘滴答數，fnative——本 地時鐘頻率。由于授時誤差及晶振誤差，本地時鐘與標準時鐘會 逐 漸 偏 離。例 如，802.15.4 射 頻 芯 片CC2530 裝 有32.768KHz的晶體振蕩器。該晶體振蕩器的誤差為－40～＋40ppm，因此需對本地時鐘頻率進行校正。系統采用WiFi網絡中AP周期性廣播的信標幀作為參考時鐘，頻率定義為fbeacon，因此可通過采樣得到fbeacon來校正fnative。WiFi默認的信標周期是100 ms，其相應的時鐘頻率是9.766Hz。本地標準時鐘頻率記為f＊native，本地實際時鐘頻率記為fnative，它們的比值記為α

頻率的比符合本地時鐘的偏斜，所以α 代表本地時鐘的偏斜。從式 （1）和式 （2）可知，邏輯時間t可以表示為

由于本地時鐘頻率會發生漂移，時鐘偏斜α 是一個基于時間的變量，因此為了獲得理想的計時準確性，系統需要動態的更新時鐘偏斜α進行修正。

3.2 算法總體結構

圖4是系統的算法結構。節點在校正周期到來后，首先通過RSS采樣和濾波、RSS信號折疊、異常值處理等步驟提取WiFi的信標信號，用它們作為參考時鐘校正本地時鐘。

具體來說，節點喚醒后，到達校正時刻，首先讀取ZigBee無線節點內置的接收信號強度指示器 （RSSI），然后經過濾波處理來減輕噪聲的影響。在RSS折疊部分，RSS樣本輸入一種數字信號處理算法，稱為折疊［10］，它可以放大在RSS樣本中周期性的信標信號。為了進一步減少信標退避和傳輸競爭對信號的影響，系統在折疊后檢測信標值時丟棄異常值。剩余的信標具有很強的周期性，用作參考時鐘。使用參考時鐘輸入時鐘校正部分，測量當前的時鐘偏斜 （在式 （2）中定義）。下面就各部分做詳細論述。

圖4 算法結構

3.3 WiFi信標信號的提取

3.3.1 RSS采樣和濾波

采樣：ZigBee射頻喚醒后，RSS模塊周期性自動采樣。本文采用的射頻芯片為TI CC2530，其時鐘頻率為32.768 kHz，每4個時鐘周期采樣一次，因此RSS采樣周期為122 μs。由于WiFi信標的周期一般為100ms，為保證信標提取成功一般需采樣5～10個信標周期，因此采樣持續時間為500～1000ms。

濾波：原則1，由于Beacon信號強度較大，因此可設置合理的閾值，當采樣信號強度大于閾值時，輸出1，當信號強度小于閾值時為噪聲，輸出0；原則2：根據WiFi標準，信標信號的持續時間至少為2個RSS采樣周期，因此如果某個RSS樣本的前一個和后一個樣本值均為零，則該樣本值為0。經過采樣和濾波后，將生成一個0，1 序列，下面通過信號折疊算法提取WiFi信標信號。

3.3.2 信號折疊

系統應用了一種數字信號處理技術稱為折疊［10］，它可以從RSS的時間序列中識別出WiFi的周期信標信號。折疊的目的是為了尋找周期為P的信號 （P為信標周期）。折疊過程如圖5所示，假設R 代表的是RSS采樣樣本N 的時間序列，R ［i］（i∈ ［1，N］）指的是第i次采樣時刻RSS樣本的大小。在做信號折疊時，首先把時間序列分成長度為P幾個子序列，用Fp表示，它的每個元素是N／P個初始元素之和。Fp的第i個元素由公式給出

Fp的最大元素指的是周期P的折疊峰值。如果折疊峰值明顯高于其它元素，這表明在時間序列中存在一個周期為P的信號。折疊峰值在折疊結果Fp中出現時刻稱為它的相位。

圖5 信號折疊算法

在折疊過程中用到的RSS樣本N 的數量會影響系統的表現。因為當使用較少的RSS樣本時，折疊操作很容易出現錯誤的峰值，這個峰值由周期數據幀、信標延遲或者噪音產生。當RSS樣本數量增加的時候，這種錯誤的影響會顯著減少，折疊次數越多結果表現越好。然而較多的折疊次數需要更多的折疊樣本，因此會消耗更多能量。綜合考慮系統表現和能量消耗兩個方面，經多次實驗測得折疊次數為8時，系統表現最好。

3.3.3 異常值檢測

3.4 時鐘校正

3.4.1 方法一：補償校正本地時鐘偏差

（1）測量時鐘偏斜

系統基于從折疊結果中檢測到的周期信標信號來測量本地時鐘偏斜。如3.3.2所述，假設系統執行第i次時鐘校正，節點從采樣窗口中找到折疊峰值，然后基于折疊峰值發生的相位計算本地時間

pi指的是第i次折疊峰值出現的時刻，si是采樣窗口開始的時刻。Pi是第i次峰值出現的相位，它指的是從采樣窗口開始到折疊峰值出現的時鐘滴答數。pi，si和Pi的單位是本地時鐘的滴答。

n＊AP表示一個信標周期內本地標準時鐘走過的時鐘滴答，由式（6）知，由于信標周期是常量，所以n＊AP也為常量

如果本地時鐘是準確的，當兩個采樣窗口的間隔是信標周期的倍數時，折疊相位的峰值是不變的。于是，兩個折疊結果峰值出現的時刻之間的間隔應該是信標周期的倍數。假設第i次和第 （i＋1）次采樣窗口之間的時間間隔是Ni個信標周期，finative指的是這段時間間隔中本地時鐘的平均頻率，兩次校正時間的時間間隔為

第i次和第 （i＋1）次采樣窗口之間的時間間隔由頻率比αi－1計算得出，所以推出

由式 （5）～式 （8），我們推導出αi如下

802.11信標的頻率和本地時鐘的準確頻率分別為9.766Hz和32KHz，本地時鐘的實際頻率的初始值可以由時鐘漂移率估算出。在式 （9）中，Pi＋1－Pi可以用本地時鐘測量，其它的量都是已知。

（2）校正本地時鐘偏差

因此，系統邏輯時間Ti可以表示為

假設 每 隔100s 校 正 一 次，則nticks＝335531，α1＝0.99994，仿真結果如圖6所示。

圖6為1000次校正的結果，由于校正只根據本次測量的偏差，未考慮歷史值，因此系統校正結果有一定波動并不能呈現穩定的收斂與良好跟蹤特性。為此，利用dlqr和Kalman算法對系統進行最優化跟蹤校正。

3.4.2 方法二：本地時鐘偏差的最優化跟蹤校正

ZigBee設備的本地時鐘用tnative表示，本地頻率用fnative表示。Tnative表示本地時鐘的實際周期，T＊native表示本地時鐘的標準周期，n 表示n 個周期。T 表示本地時鐘的實際測量時間，T＊表示本地時鐘的標準測量時間。由式 （2）得出

圖6 方法一：真實時間與校正時間之差

由式 （3）推出，它的邏輯時間tnative＝t0＋Δt＝t0＋T·α＋u，其中T 是本地時鐘測得的在t0時刻后的流逝時間，α是本地時鐘偏斜，u為輸入的時鐘校正值。

WiFi AP的標準時間用tAP表示，AP的標準頻率用fAP表示。同上得，AP的邏輯時間tAP＝t0＋T·αAP，其中T是AP的時鐘在t0在時刻后流逝時間。αAP是AP時鐘偏差的校正值，因為從AP中提取到穩定的周期信號，因此tAP無需校正，αAP＝1。

輸入高斯白噪聲為測量誤差，白噪聲的協方差Rv＝E ［v（k），v′（k）］。

ZigBee的本地時鐘與AP 標準時間、頻率的差，建立模型3

對該系統應用線性二次型最優控制 （dlqr）算法，求出最優化的反饋控制器K，K＝dlqr（A，B，Q，R）；其中加權陣Q，R 取單位陣

對模型1應用Kalman濾波算法，具體算法如下：

系統預測狀態為：X（k｜k－1）＝A·X（k－1｜k－1）；

系統的測量值：Y（k｜k－1）＝CX（k｜k－1）＋V（k｜k－1）；

系 統 的 狀 態 估 計：＾X（k ｜k）＝＾X（k ｜k－1）＋Kg（k）［z（k）－C·＾X（k｜k－1）］。

Kalman增益：Kg（k）＝＾P（k｜k－1）C′［C＾P（k｜k－1）C′＋Rv］－1，其中Rv是測量誤差的方差。

預測狀態的方差：＾P（k｜k－1）＝A＾P（k－1｜k－1）A′，其中＾P（k－1｜k－1）是k－1時刻狀態誤差的方差。

更新狀態方差：＾P（k｜k）＝＾P（k｜k－1）－Kg（k）C＾P（k｜k－1）。

由Kalman濾波算法求出＾X（k）代入式 （16）求出差值，再代入式 （18），求出校正輸入u（k），再代入式 （15），如此迭代下去。

用matlab進行仿真，假設每隔100s校正一次，賦初值如 下：x （0） ＝ ［0.05；1］；y （0） ＝ ［0.0518；0.99999941229］；xn（0）＝ ［0.03；0.99996］；yn（0）＝［0.03；0.99996］；u （0）＝ ［0；0］；＾X（0）＝ ［0；0］；＾P（0）＝1＊eye（2）。

仿真結果如圖7所示。

圖7 方法二時間仿真

圖7 （a）顯示了節點經過100次校時后對標準時間的跟蹤，圖中曲線對比了測量值、估計值與真實值的差值，可以看出系統對噪聲有很強的抑制能力；圖7 （b）為節點時鐘經過校正后與標準時鐘的偏差。通過以上2幅圖可以看到，系統經過Kalman濾波后，減小了噪聲信號的影響，很好地跟蹤了標準時鐘，且通過最優化校正，使本地時鐘收斂于標準時鐘。

圖8 （a）顯示了時鐘偏斜α 的測量值、估計值與標準值的情況，濾波后的估計值能很好地抑制噪聲，跟蹤標準值。圖8 （b）顯示了α的校正值隨著校正次數的增多越來越逼近標準值，達到很好的跟蹤效果。由以上仿真結果可以看出，方法二的校正效果明顯優于方法一。

圖8 方法二時鐘偏斜α的仿真

4 同步時鐘與異步時鐘能耗對比

實驗一：準備兩組節點，每組3 個終端節點，沒有路由器。甲組采用同步時鐘機制，乙組采用異步時鐘機制，每個節點每5s中發一次數據，一次發送20字節。異步時鐘機制中，假設節點每次喚醒后向父節點詢問數據的命令為10個字節。為了便于觀察，兩組所有節點采用PM2 休眠方式。

簡單網絡中同步時鐘與異步時鐘能耗對比，見表1。

表1 簡單網絡中同步時鐘與異步時鐘能耗對比

實驗二：準備兩組節點，每組2個路由節點，3個終端節點，甲組采用同步時鐘機制，乙組采用異步時鐘機制，每個節點每10min中發一次數據，一次發送20字節。異步時鐘機制中，假設節點每次喚醒后向父節點詢問數據的命令為10個字節。乙組若路由器休眠，則會造成信息的長時間延遲，沒有實際應用價值，所以令乙組路由器不休眠。但是甲組路由器可以休眠，甲組所有節點同時休眠，同時喚醒，不會帶來數據的延遲，這也是時鐘同步機制的優勢所在。為了便于觀察，兩組所有節點采用PM1 休眠方式。1小時之后，兩組系統能耗如圖9所示。

圖9 同步時鐘與異步時鐘能耗對比

復雜網絡中同步時鐘與異步時鐘能耗對比，見表2。

兩個實驗對比得出，在簡單的網絡結構中 （也就是沒有路由器的時候），同步時鐘與異步時鐘的能耗非常接近。鑒于異步時鐘機制簡潔，而同步時鐘的算法復雜而且需要一定的計算和通信開銷。因為基于WiFi的時鐘同步算法可以每隔20min校正一次，實驗一時間較短沒有考慮同步算法開銷。WiFi的時鐘同步算法一次校正能耗約為0.05904 J，遠大于實驗一的測量數據，所以簡單網絡中異步時鐘較同步時鐘更有優勢。在復雜的大型網絡中，數據融合匯聚到一點會經過多級路由，異步時鐘機制中路由器不能休眠，此時系統的總能耗急劇上升。因此大型網絡中同步時鐘機制具有明顯優勢。

表2 復雜網絡中同步時鐘與異步時鐘能耗對比

5 同步誤差與校正周期的權衡

同步時鐘機制要求節點喚醒時間必須大于系統時鐘最大誤差，才能實現同步。測得各節點誤差的最大值為Tw，校正周期記為c ，c 越大，系統耗能越少，但是同步誤差會增大，即Tw會增大，喚醒時間延長。假設沒有數據傳輸的前提下，一定時間內，系統總能量為A，Ac代表時鐘校正的能耗，Ad代表由時鐘誤差引起的喚醒持續時間的能耗，As代表休眠能耗。C代表總時間，這里設置為1小時。Pr代表接收功率，同時也代表喚醒后CPU 空閑的功率，S代表喚醒周期。假設S等于0.5＊Tc，則：

As＝Ps·Ts，Ts是休眠時間，給定總時間是C，則Ts＝C－Tc·nc－Tw·nw。

Tw、Pc、Pd、Ps均可以由實驗測得，仿真結果如圖10所示。

由圖10可以得出校正周期為11min時，系統總能耗最低，同步誤差與校正周期達到最好的權衡。

6 結束語

利用周期性的WiFi信標作為參考時鐘校正節點的本地時鐘，平均校正周期在20分鐘以上，校正過程中沒有任何收發信息的開銷，節能效果顯著。全局時鐘可以4小時校正一次，周期很長，其耗能可以忽略。異步時鐘機制因為路由器不能休眠，在復雜網絡中比簡單網絡能耗急速增加。若路由器休眠，則會帶來很大的信息延遲，這在實際應用中是不允許的。因此采用WiFi信號使本地時鐘同步，在時鐘準確性，低功耗等方面都有很好表現，有較大推廣利用價值。

圖10 同步誤差與校正周期的權衡

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