基于无线传感网的楼宇环境监测系统设计

陆欢佳，俞 立，董齐芬，潘 浩，叶灵洁

（浙江工业大学 信息工程学院，浙江 杭州 310023）

基于无线传感网的楼宇环境监测系统设计

陆欢佳，俞 立，董齐芬，潘 浩，叶灵洁

（浙江工业大学 信息工程学院，浙江 杭州 310023）

为满足楼宇环境监测系统低成本、部署方便等要求，设计了一种层次型结构的无线传感网实现对楼宇环境数据的收集工作.首先阐述系统中传感器节点与汇聚节点的硬件设计，然后，根据楼宇监测的应用背景，设计一种基于IEEE802.15.4／ZigBee协议模型的自组织、低功耗的无线传感网数据收集协议，不仅可以实现上行感知数据的传输，还可用于下行配置参数的传输.最后，实地部署和测试结果表明，系统在数据采集、在线监测和数据管理与分析等方面已达到了设计要求.

楼宇环境监测；无线传感网；数据收集

楼宇室内环境的监测，可以为楼宇自动化系统提供原始数据支持［1］，有助于在改善用户居住舒适度的同时提高楼宇能量利用率.传统的监测方法往往是部署大量有线传感器，这种方式存在安装成本高、影响室内美观等问题.而采用 WLAN、CDMA／GSM等无线数据传输方式也存在设备运行成本高、能耗大等局限.

无线传感网（Wireless Sensor Networks，WSNs）的出现为楼宇环境监测提供了新的有力技术手段［2－3］.WSNs能够实时采集网络分布区域内各个监测对象的信息［4］，在楼宇环境监测等应用中有着良好的应用前景.针对WSNs在楼宇环境监测中的应用，目前已存在较多可供参考的设计方案.文献［5］设计了监测室内电器设备能耗的WSNs，但其网络协议的设计与其所采用的硬件紧密相关，使其不能直接移植使用.文献［6］利用 WSNs监测室内光照强度及灯光的使用情况，为灯光节能控制系统提供数据支持，但其网络具有闭环控制功能，网络协议的实现过于复杂.文献［7］设计了基于 WSNs的历史建筑物结构监测系统，其采用中间件的方式实现数据收集及分发协议，使得网络运行效率较低.资源的有限性决定了WSNs的设计在满足楼宇环境监测应用需求的同时，应尽量简单和高效.然而上述方案不能简单、高效的实现，需要重新设计.

笔者针对楼宇监测应用，设计一种层次结构WSNs来实现楼宇环境数据的收集，主要内容包括：（1）用于环境数据采集的低功耗传感器节点硬件设计及充当网关的汇聚节点硬件设计；（2）面向楼宇环境监测应用的自组织、低功耗WSNs数据收集协议设计.所设计协议基于IEEE802.15.4／ZigBee协议模型，能完成上行感知数据及下行配置参数的传输.实地部署和测试结果表明，节点能动态形成WSNs，并能正确完成对楼宇环境信息的周期性收集任务.

1 节点硬件设计

传感器节点硬件体系架构如图1（a）所示.节点由传感模块（包括温湿度传感器SHT11和光照强度传感器TSL2550）、处理模块（Atmega128L）、无线通信模块（CC2420）和电源模块等组成.传感模块独立设计，并通过扩展接口与处理模块相连，便于在监测任务改变时进行更换.图1（b）所示为传感器节点实物图，在安装上传感模块后，节点尺寸为60 mm×40 mm×20 mm，满足节点的小型化要求.

汇聚节点是连接WSNs和互联网这两种异构网络的桥梁，它汇总处理所有传感器节点采集的数据.图1（c）所示为汇聚节点实物图，其采用Samsung公司的S3C2440 ARM处理器，并配有32 MB RAM和64 MB Flash存储器以提供足够的计算和存储能力，同时配置串口、以太网等通信接口方便与计算机网络的连接.

2 WSNs数据收集协议设计

针对楼宇监测应用需求，设计一个自组织、低功耗的WSNs数据收集协议是文章重点.楼宇环境变化往往是相对缓慢的，传感器节点可以以较低的频率采集环境参数，系统需传输的数据量较少，对网络带宽的要求不高.因此，所设计的系统建立在IEEE802.15.4／ZigBee协议模型上，并贴近应用特点，实现简单高效的数据收集协议.

2.1 网络的构建与维护

根据房间大小及监测精度要求，每个房间部署不同数量的传感器节点，所有节点自组织形成WSNs.

WSNs中节点资源的有限性决定了组网过程不应存在过多复杂控制信息的交互过程，同时在网络运行中应尽量保持各节点间的能耗均衡.所设计系统采用以下方法实现网络的构建及维护.

初始化时，各节点是独立的.汇聚节点发起网络建立，未入网节点按照图2所示的入网步骤加入网络.节点多次广播入网请求帧以获得多个已入网邻居节点或汇聚节点反馈的入网响应，并利用入网响应帧中包含的信息选择预选父节点.预选父节点应该是所有反馈了入网响应节点中最优的节点，其应具有较少的网络深度及较多的剩余能量.较少的网络深度意味着数据的传输路径较短，这样就降低了数据在网络上传输时的总能量消耗；较多的剩余能量可以保证传输路径的可靠性，同时也是节点间能耗均衡的需要（具有较多子节点的父节点在数据转发过程中需要消耗更多的能量）.综上，预选父节点Ppreselect的选择依据为

图2 节点入网过程Fig.2 Join network process

式中：N表示回复入网响应帧的节点个数；Ei为第i个回复节点的剩余能量；Di表示第i个回复节点的网络深度（数据帧从该节点传输至汇聚节点所需的最小路由跳数）；α1和α2为相应非负权重系数，应根据实际系统中网络深度及剩余能量对预选父节点选择的不同重要程度进行量化.

如果请求入网节点在定时器设定的时间内未能接收到任何入网响应帧，则节点将随机延时一段时间后再次广播入网请求.需要特别说明的是，请求入网节点选定的预选父节点在接收到关联请求后，若发现不能对该子节点进行关联，就会回复关联拒绝帧，请求入网节点在接收到该信息后将根据式（1）重新选择次优预选父节点进行关联.

按照这种方法，最终将建立起以汇聚节点为根的树形结构网络.但因每个节点拥有的子节点数不同，导致其能耗也不相同，这种节点间能量消耗的不均衡会减短WSNs的生命周期.因此，节点提供解关联操作来维护该网络.每个父节点设置一个周期能量消耗阈值，同时记录上次解关联操作以来消耗的总能量，并在检测到该能量消耗超过阈值后执行新的解关联操作.子节点接收到父节点的解关联信息后将重新入网，动态更新其父节点，从而达到能耗均衡的目的.

2.2 节点地址分配及数据转发机制

每个节点须拥有唯一的网络地址用于数据转发时的寻址操作.父节点在关联子节点时采用式（2）所示的分布式节点地址分配机制实现子节点的地址分配：

An＝AParent＋CSkip（d）×（n－1）＋1，1≤n≤Cm（2）式中：AParent为父节点的网络地址；An为隶属于该父节点的第n个子节点的网络地址；Cm为节点所能拥有的最大子节点数；CSkip（d）表示处于d网络深度的父节点所拥有的地址数，计算如下：

式中：Dm为最大允许网络深度；Cm与Dm为常数，在系统部署时设定.

特别的，作为组网发起者的汇聚节点拥有唯一的固定地址：

基于上述地址分配方式，节点所拥有子节点的地址均将处于［AParent＋1，AParent＋CSkip（d）×（Cm－1）＋1］区间内，使网络数据转发过程无需额外的辅助路由信息，以降低协议的复杂度.协议采用图3方法实现数据帧转发.

2.3 网络数据流

所设计的路由树不仅可以实现上行感知数据的传输，还可用于下行配置参数信息的传输.针对楼宇监测应用，网络数据链路还提供合适的数据传输服务质量以在满足不同类型数据对传输质量需求的同时最小化传输所需能量消耗，具体如下：

图3 节点数据帧转发流程图Fig.3 Data frame forwarding flowchart

（1）周期性环境参数.如周期性采集的室内环境温度值等数据是WSNs数据链路上主要的流通对象，其对传输质量的要求较低，允许较大传输时延和丢包的发生.数据链路在传输这类数据时，不提供重发机制，以减少网络通信量，延长网络生存周期.

（2）配置参数.采集周期与异常阈值设置值及网络运行信息，如节点当前电池电压值等数据要求可靠传输，但允许较大时延.数据链路在传输这类数据时，提供重发机制以保证信息的可靠传输.

（3）异常数据.如采集到的超出阈值的环境温度值等信息一旦产生就需要正确及时地反映给用户，所以其不仅要求可靠传输，还要求传输具有较低时延.这类数据在数据链路上具有优先传输权（不用经过各中转节点的MAC层发送等待队列而直接发送），并采用重发机制来保证传输的可靠和低时延.

3 系统测试

3.1 节点能耗测试

实际运行过程中，在两节1.5 V普通AA电池（南孚LR6）供电情况下，节点工作在不同状态时消耗的电流如表1所示，具有较低的运行功耗.

表1 节点工作电流Table 1 Node operating current consumption m A

3.2 网络连通性测试

在楼宇环境监测应用中，节点的部署需要由监测规划确定，而不是随机的.这种较为固定的节点部署方式使节点间的连通性成为节点部署中最重要的约束条件.采用在实际楼宇环境中测试节点间的无线通信距离来衡量网络的连通性，测试结果如表2所示.可以看到，针对一般楼宇环境，部署在同一房间及相邻房间的节点间连通性是可以保证的.

表2 节点通信距离Table 2 Node communication distance m

3.3 系统测试

所测试的楼宇环境监测系统由9个部署在同一楼层相邻房间节点及监测软件平台构成.所设计监测软件平台以Sqlite作为数据库，采用C＋＋基于Qt开源图形库平台开发完成，主要实现整个监测系统管理、环境感知数据在线显示存储、历史数据分析和用户交互等功能.

在节点部署前，需要配置节点的类型、房间号、监测项目及采集周期等信息，如图4（a）所示.为了测试传感器的采集精度和数据链路的可靠性，设置所有节点数据采集周期为5 s（实际应用中，节点将会以更低的采集频率运行，以节约能量）.

节点实际部署的分布情况如图4（b）所示，整个系统部署有一个汇聚节点、和八个传感器节点，并设置网络运行参数Cm＝3及Dm＝4.

图4 监测软件配置Fig.4 Software configuration

传感器节点采集到的环境数据将以协作方式传输至汇聚节点，进而传送给监控软件平台进行存储、可视化分析与统计.图5（a）所示为321房间10 min内所采集温湿度及光照强度数据的实时曲线.图5（b）所示是该房间一周内每日平均温度统计图.

图5 监测软件数据显示和分析Fig.5 Data visualization and analysis

上述测试结果表明，设计的节点能以较低的功耗实现环境数据的采集及处理，节点间的连通性也保证了WSNs的稳定运行及传感数据的可靠汇集.整个楼宇监测系统在数据收集及数据管理分析等方面已达到应用要求.

4 结 论

笔者设计一种基于WSNs的楼宇监测系统，并对系统节点硬件设计及数据收集协议等进行了阐述.系统测试结果表明，所设计的系统已能基本满足应用需求，实现了环境参数数据的实时采集、传输与存储，并提供数据的可视化分析.作为WSNs的一个有效应用，该楼宇环境监测系统可以为楼宇自动化及智能化提供更直接的参考价值，具有较好的应用前景.

下一步工作主要集中在系统的测试及监测软件平台功能的完善上，同时研究并实现节点间的休眠调度机制，以进一步降低节点的功耗，最大化网络生存周期.

［1］TESS D，ELENA G，JAMES B.Wireless sensor networks to enable the passive house-deployment experiences［C］／／Smart Sensing and Context.Berlin：Springer，2009：177-192.

［2］WU Shao-min，DEREK C.Understanding the indoor environment through mining sensory data-A case study［J］.Energy and Buildings，2007，39（11）：1183-1191.

［3］WON-SUK J，WILLIAM M，MIROSLAW J.Wireless sensor networks as part of a web-based building environmental monitoring system［J］.Automation in Construction，2008，17（3）：29-736.

［4］王太杰，许家栋，徐建成.基于蚁群优化算法的无线传感器网络路由协议［J］.系统仿真学报，2008，20（18）：4849-4901.

［5］KAPPLER C，RIEGEL G.A real-world，simple wireless sensor network for monitoring electrical energy consumption［C］／／Proceedings of 1st European Workshop on Wireless Sensor Networks.Berlin：Springer-Verla，2004：339-352.

［6］VIPUL S，ANDREAS K，CARLOS G.Intelligent light control using sensor networks［C］／／Proceedings of the 3rd International Conference on Embedded Networked Sensor Systems.San Diego：ACM，2005：218-229.

［7］MATTEO C，LUCA M，GIAN P，et al.Monitoring heritage buildings with wireless sensor networks：The torre aquila deployment［C］／／Proceedings of the 2009 International Conference on Information Processing in Sensor Networks.San Francisco：IEEE Computer Society，2009：277-288.

Design of building environment monitoring systems based on wireless sensor network

LU Huan-jia，YU Li，DONG Qi-fen，PAN Hao，YE Ling－jie
（College of Information Engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310023，China）

To meet the requirements of low cost and convenient deployment from the building environment monitoring systems，a hierarchical wireless sensor network is designed to gather building environment data.Firstly，the hardware designs of sensor node and cluster node are explained.Then，a self-organization and low-power data collection protocol in wireless sensor networks specified for building monitoring is proposed，which is based on the IEEE802.15.4／ZigBee protocol stacks.The proposed network could deliver both uplink sense data and configuration parameters with downlink data.Finally，the in-situ deployment and testing results show that the system achieves the application requirements well in the aspects of data collection，on-line monitoring，data management and analysis.

building environment monitoring；wireless sensor networks；data gathering

TP212.9

A

1006-4303（2011）06-0683-05

2010-09-14

浙江省教育厅重大科技攻关项目（ZD2007003）

陆欢佳（1986—），男，浙江海宁人，硕士研究生，研究方向为无线传感器网络研究与应用，E-mail：luhuanjia1020＠126.com.

（

陈石平）