智慧路燈監測系統的無線傳感網絡及組網設計

周余玥，胡 妤

（南京理工大學 機械工程學院，南京210094）

路燈作為密集型的城市基礎設施，其智慧化可以給城市信息采集和發布提供便利。智慧路燈未來將會是物聯網重要的數據和信息收集來源，城市智慧路燈則會是我國建設智慧城市重要組成部分和重要入口，可以有效促進智慧市政和智慧城市在城市照明各個領域的應用和落實，加快推行智慧化城市的步伐。

關于智慧路燈監測系統，文獻[1]提出將遺傳算法運用到照明控制中，并開發了照明控制軟件，實現了遠程控制燈光的構想；文獻[2]提出一種隧道照明控制算法，可以根據外部光照度情況、車輛駛入狀態對路燈輸出功率進行簡單直觀的調節；文獻[3]提出了一種基于Brute-Force 搜索算法的照明控制系統，通過優化字程序、分段或中間控制器確定每個路燈切換、調度以及對應的調光級別，通過電力線載波通信將信息發送至本地路燈控制器；文獻[4]提出路燈亮度與色溫和道路環境狀態具有一定的聯系，設計了路燈亮度與色溫控制策略；文獻[5]利用孤立森林（iForest）算法建立調光算法，采集夜間車流量數據；文獻[6]利用有向無環圖支持向量機算法實現多分類原理，并建立調光模型。

上述文獻表明智慧路燈在照明控制算法上已經有了較為成熟的研究成果，但當前的成果仍鮮少能以完整、詳盡、高通用性的姿態應用于不同、復雜的路面情況上。無線傳感網絡技術與照明控制技術、現有的傳感器技術的有機結合能夠較好地改進這一問題。在無線分布式的前提下，需要高效、準確地感知路面情況，以實現數據傳輸。智慧路燈監測系統是由事件驅動的無線分布式系統，其核心是布置在智慧路燈監測區域內的多個底層節點。本文主要研究了智慧路燈系統的無線傳感網絡架構及節點組網方案，并根據所建立的道路監控檢測模型的具體需求，提出并設計了數據傳輸介質和網絡拓撲結構，目前處于仿真和試驗階段，應用單位為南京理工大學。

1 智慧路燈網絡拓撲結構設計

智慧路燈監測系統的網絡拓撲結構需要根據其實際特性來確定：①路燈本身由城市電力局對其提供供電，故在設計無線傳感器網絡時，不必考慮節點傳輸的能耗；②在感知監視路面的領域，無線傳感器網絡的節點部署和拓撲設計與結構健康監視、動物跟蹤和監視、環境監視等其他典型應用領域明顯不同。

由于城市街道的長度不同，每條街道的路燈位置是固定且數目巨大的，大量的網絡節點和采集數據可能會導致網絡擁塞和嚴重的數據包傳輸超時、錯亂現象。所以，在設計智慧路燈監控系統的網絡拓撲結構時，應將重點放在如何解決網絡訪問沖突，提高吞吐量，提高網絡穩定性以及傳輸數據效率上。

解決網絡訪問沖突、提高吞吐量是網絡拓撲設計的核心。吞吐量主要與工作節點的數量和發送數據所需的響應時間有關，在無線傳感器網絡中，吞吐量指在不丟失數據的情況下可以接受的最大速率。下面本文提出2 種提高網絡吞吐量的辦法。

（1）通過縮小各節點發送時間的間隔來實現信道時分復用。該方法主要使用時分多址（TDMA）算法[7]的思想，將信道中的絕對時間段劃分為在同一信道中具有不同地址的節點。節點只有享有時隙，才能使用信道通信資源。這樣，在規避競爭沖突同時亦提高了網絡傳輸效率。但是，智慧路燈監測系統實際投入使用時通常需要較大的數據量發送，并且為了避免復雜的錯誤，此方法適用于由采集節點和簇頭節點組成的子網。

（2）對于由簇頭節點和基站節點組成的子網間的數據通信，可以通過構造多個傳輸通道來實現。在無線傳感器網絡中，信道指發射機和接收機之間的路徑，別稱“頻段”。單通道基站只能同時接收單通道節點下載的數據。

所設計網絡拓撲分為兩層，底層由多個分簇組成，每個分簇是一個子網，該子網由簇頭節點和幾個采集節點組成；上層由簇頭節點和基站節點組成。鑒于有些道路路燈為單側分布，另一些道路路燈為兩側分布的實際情況，簇頭節點的位置應該在整個網絡中均勻分布。通過研究ZigBee 網絡，每個節點之間的通信距離約為100 m～400 m，而路燈之間的距離不一，通常為10 m～50 m，因將此所有簇頭節點都布置在路邊以進行數據傳輸，兩個簇頭節點被一個簇內節點分隔。除緊急情況外，上述網絡拓撲結構很少改動。

本文采用基于時間競爭的非均勻分簇路由算法（UCTC），建立了數據通信的頻帶拓撲結構模型，如圖1所示。該圖清晰地說明了基站節點、簇頭節點與采集節點之間的關系：基站節點位于安裝簇頭節點的某側道路的中心，用于下達控制命令、進行數據采集；簇頭節點和采集節點采用人工部署的方式安裝在路燈上。簇頭節點與采集節點在存儲、結構、計算等性能相同，均具有唯一的ID 號；節點在得到部署后不再移動，呈相對均勻分布。

圖1 多信道帶狀分簇網絡拓撲結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of multi-channel banded clustering network topology

在此拓撲結構中，3 個采集節點和1 個簇頭節點組成1 個小型子網。關于子網中的數據流，采集節點采用TDMA 機制劃分時隙并將數據發送到簇頭節點，每個簇頭節點都有一個專用通道，可以有效避免數據沖突并將數據發送到基站節點。由于基站節點有一定的距離限制和信道限制，如果道路過長，可以建立多個基站來滿足數據通信的需求。

2 數據傳輸機制

基于上文設計的智慧路燈監測無線傳感器網絡拓撲結構以及各類型節點之間的通信機制，本文在采集節點和簇頭節點組成的子網中，以吞吐量作為依據，進一步選用TDMA 時分多址算法，并通過分配間隙來實現信道訪問。其工作原理是：將時間資源在傳輸過程中分為若干間隙，當任務以隊列形式發布時，每個節點獨享預約好的時隙進行發送。若當前時隙已被占用，就將其他節點置位空閑狀態，分別等待自身預約時隙的到來。時隙以固定順序分配，未保留的節點不會發送數據包來參與信道資源競爭，也不會引起網絡擁塞，如圖2所示。

圖2 時分多址傳輸策略Fig.2 Time division multiple access transport policy

在網絡建立后的穩定執行階段，簇頭節點根據需要將監測周期內的執行時隙分配給3 個采集節點。當網絡完成最后一個任務時隙，即可確認數據是否已經到達。如果在監測周期內成功上傳任務數據組，則會向所有工作節點發送ACK 確認消息，并終止該輪任務。

數據在簇頭節點和基站節點之間傳輸時，簇頭節點通過專用信道的方式有效避免數據沖突。多信道同時傳輸的策略很大程度上滿足了對智能路燈監測數據有效傳輸的需求，同時提高了整體系統的吞吐量。但是，在復雜的道路檢測環境中，網絡可能會由于各種干擾導致任務超時，從而阻止一個或多個通道執行正常的數據傳輸。因此，網絡的健壯性和可靠性是數據傳輸機制必須考慮的問題。針對任務超時問題和在意外情況下數據逃生的策略問題，可以利用IEEE 802.15.4 中定義的載波偵聽/沖突避免（CSMA/CA）協議加以解決，執行過程如圖3所示。

圖3 退避過程Fig.3 Retreat flow chart

3 時間同步算法

前文研究的數據傳輸機制中，智慧路燈監測網絡中簇頭節點依據TDMA 機制，給3 個采集節點分配時隙，故要求此網絡中各個節點以同一時域作為參考系，在時間歷程上保持一致。在所建立的組網里需要設計適用的時間同步算法機制。

常見的時間同步機制通常可以概括為3 類：①TPSN 等基于發送─接收的雙向同步機制；②RBS等基于接收─接收的同步機制；③FTSP 等基于發送─接收的單向同步機制。這3 種時間同步機制可以應用于不同的場景，并且在不同的性能指標上也有差異。上述3 種同步機制常用算法類型的性能指標對比如表1所示。

表1 典型同步算法的性能指標對比Tab.1 Comparison of performance indexes of typical synchronization algorithms

從表中我們可以看到TPSN 算法是最精確的，并且該算法的實現是基于分層思想，智慧路燈監測系統的的網絡拓撲也采用分層結構。鑒于前文對該系統組網無需考慮能耗問題的原因做出過說明，雖然TPSN 算法存在網絡開銷較高的缺點，綜合來看，仍使用TPSN 算法來同步網絡中節點的時間。

4 實驗與分析

為了驗證無線傳感網絡及其組網相比于前人研究的優越性，按照上文對無線傳感網絡的架構和設計搭建硬件平臺，單個的基站節點如圖4所示，單個的采集節點如圖5所示。

圖4 基站節點實物圖Fig.4 Physical diagram of base station nodes

圖5 采集節點實物圖Fig.5 Physical diagram of acquisition nodes

基于此，分別組件多信道帶狀分簇網絡和單信道網絡。其中，開啟多個基站節點所構成的多信道帶狀分簇網絡如圖6所示，開啟單個基站節點的單信道網絡如圖7所示。

圖6 多信道帶狀分簇網絡搭建Fig.6 Construction of multi-channel banded clustering network

圖7 單信道網絡搭建Fig.7 Single channel network construction

從租賃的服務器中選取兩次接收到的數據包的網絡吞吐量，傳輸時間、數據丟包率和平均信號強度作為網絡傳輸測試的性能指標，其測試結果如表2所示。

表2 網絡傳輸性能Tab.2 Network transmission performance

通過實驗可以看出，兩次實驗中選用了不同的組網方式，均完成了路面環境數據的監測。從表2中可以發現，多信道帶狀分簇網絡的網絡整體性能要好于單信道模式，其丟包率僅為0.20%；轉換為單信道后，不僅網絡吞吐量降低，數據丟包率增加，還存在著網絡傳輸的延時問題。

5 結語

本文對智慧路燈監測網絡相關的關鍵技術進行了深入探討，在介紹了系統的整體架構和節點網絡方案的基礎上，提出一種面向智慧路燈監測系統的無線傳感網絡及其組網設計，即：設計了一種適用于路燈的多信道帶狀分簇網絡拓撲結構，確定了不同節點之間的通信機制。

與已有智慧路燈控制算法相比，本文提出的方案與設計可以有效保證系統的穩定性和綜合性，在無線組網的自組織階段，提高了數據傳輸效率和網絡穩定性，為智慧路燈監測系統的進一步研究提供了一定的參考價值。