基于物联网的室内监控系统节能研究

朱 凯，李杪瑾，徐 丹，刘恒信

（中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院，北京 100083）

基于物联网的室内监控系统节能研究

朱 凯，李杪瑾，徐 丹，刘恒信

（中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院，北京 100083）

针对无线传感器网络通信中能量消耗过高及电源极为有限、不可替换问题，设计了室内监控系统，布置ZigBee无线网络，重点解决延长网络生命周期问题。针对LEACH算法中所有节点轮流充当簇首消耗能量过多问题，提出每轮第一次充当簇首的节点全程有效，即FL方法。该算法减少节点竞争簇首时消耗的能量。依据监控系统实际使用环境，结合LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）算法分析通信过程中能量的消耗，设计验证实验，提出监控系统通信算法。实验证明，网络稳定，系统能耗低，通信性能良好，可用性强。

无线网络；传感器网络；节能

根据美国权威咨询机构Forrester预测，物联网的通信量在IP网络流量中的比重持续上升。无线传感器网络（Wire⁃less Sensor Network）是物联网的基本组成部分，属于物联网的底层感知网络，能够感知被监控环境中的微小变化，第一时间通知管理人员采取相应预防及处理措施。到目前为止，使无线传感器网络大规模投入使用面临着许多问题，节能是其中最受关心的问题之一，关键节点过早死亡会使整个系统无法正常运转。提高整个网络能量利用率，延长整个网络生命周期是研究重点。

传感器网络建成后，节点往往安装于固定位置，无人实时值守在节点旁边，因而被监控环境出现异常情况无法及时处理；有些放置于恶劣环境中的终端节点不能用交流电供电；有些不参与工作的节点仍然处于上电模式造成耗能过高……为保证系统长期稳定运行，无线传感器网络通信稳定是必要条件之一，而实现网络通信稳定需要保证各传感器有足够能量，能量是微型化传感器节点各个模块最宝贵的资源，降低能耗的研究自然成为重点。无线传感器网络的能耗受许多因素影响，如电源模块类型、收发模块中天线功率、网络节点分布密度、网络覆盖面积等。本文主要分析分簇阶段和数据通信过程中的能耗。

为实现降低能量消耗的目标及以后网络规模扩展，在保证网络覆盖范围情况下，采用LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）算法选取簇首节点，簇首节点作为骨干网节点，通信模块被打开，网络中非簇首节点的通信模块被关闭，由簇首节点负责数据的路由转发，节约系统能量开销。LEACH算法是传感器网络中常用的经典分簇路由算法。郭琳等人提出EABGC（Energy-saving Algorithm Based on Grid Clustering）算法，采用虚拟网络方法有效解决LEACH算法在分簇阶段产生的节点冗余问题[6]。

1 监控系统网络模型

监控系统网络将逻辑上的信息世界与客观的被监控区域融合在一起，采用分布式的无线传感器网络代替现有有线网络，提供传统有线网络拥有的所有功能，更透彻、全面、及时地反映被监控区域中的动态。网络模型包括3层结构，整合了ZigBee无线传感器网络、Internet网络。底层是感知层，包括多种廉价传感器感知设备，温湿度传感器、空调传感器、调光控制器、音量控制器、WiFi摄像头等，是系统网络的基本单位和基础平台，是研究的主要对象。温湿度传感器实时显示室内温湿度数据，光敏传感器监测室内光照强度，能够根据预设程序控制窗帘开关及光照强度。中间层是内部网络传输层，采用低功耗的ZigBee协议。最上层是应用层，该层连接Internet，接收终端包括智能手机、PC等设备，终端设备与服务器之间的通信使用TCP/IP协议。PC机用来对监测系统进行数据监测及处理。PC机终端连接服务器，显示界面可在任何时间监控传感器收集的数据信息，也可根据条件查询所需时间段的传感器数据信息。当传感器数据超过预先设定的阈值时，协调器会发送报警控制信息给手机端。手机端也可以阅览监测系统数据或远程控制传感器运行状态。服务器上带有MySQL数据库，服务器与网关数据同步，同时可进行数据管理、查询等作用。监控系统结构图见图1。

图1 室内监控系统

系统网络类型是ZigBee自组网，网络总体结构是分层的星形簇状结构，网络区域覆盖度是100%，具有较强的网络连通性。传感器节点具有相同的发射接收功率。子网共有4个，每个子网络设置1个簇首节点，负责收集所在子网内节点的数据，子网内的节点通过自组织方式完成无线通信，形成无线传感器网络。簇首节点将数据收集处理后发送给网关，网关负责接收及处理所有节点采集的数据，并将处理后的数据传给服务器。子网内采用平面对等结构，减少建立组织架构的网络开销，同时降低系统能耗，也可以提高网络管理的灵活性。

根据监控系统实际应用，网络结构采用静态、不可控部署[3]，传感器节点在网络运行期间位置不发生改变，各设备之间的距离值亦不变。传感器节点分为终端节点（End De⁃vice）、路由器节点（Router）和网关节点（Coordinator），每个终端节点具有相同的微型化低功率硬件结构（见图2）及休眠模式。终端节点主要负责采集数据，具有简单的数据存储与收发能力[3]。网关节点只有一个，网关节点负责将网关所在的局域网中的数据汇集后与服务器通信，节点能量和通信距离比终端节点稍强。系统运行中，各节点互相协作，实现高效的信息采集与数据传输，完成传感器网络与Internet之间的相互通信。网络中有基于事件的数据收集模式，当传感器数据超出阈值，或RTC时钟检测到数据传输超时，系统网关能够侦测到异常情况，发送控制信息激活蜂鸣器报警，并显示节点网络位置信息。在无须额外设备情况下，网络节点位置信息可根据RSSI值确定。

图2 终端节点硬件结构

2 数据传输时能耗分析

2.1 分簇阶段能耗

系统中的网络节点数量大，如果没有合理的组织，系统就会处于无序状态。根据网络结构，采用分簇网络协议，分簇是睡眠调度的关键技术。利用分簇技术实现对网络结构分区域管理，好比中国教育要由好多个大学共同完成一样。每个大学需要一个校长对其进行领导，校长类似于系统网络中的簇头结点。校长有更换、调任、退休等情况，一旦卸任，该大学就要推选出新的校长。网络中的簇头也一样，当有些簇头出现故障或者因能源耗尽而失效时，就要在本簇内选择一个新的节点作为簇头。监控系统被分为4个簇，每个簇有一个簇头节点。分簇方法使用LEACH算法，这是形成网络结构的关键问题。传感器网络经典分簇协议之一是LEACH路由协议。LEACH算法在无线传感器网络中的参数如表1所示[3]。

表1 LEACH算法参数

簇内层级结构的数学模型如下

式中：s的变化状态代表簇状态变化的更新；V（s）是簇状态更新之前簇内成员的集合；CH（s）是簇状态更新之前的簇头；vi，代表传感器节点。式（1）描述了网络状态更新过程，节点{v，…，v}退出网络，{v，…，v}节点加入网络。式（2）表明簇头选举的过程，m（vi）代表节点vi竞选指标向量，w代表竞选指标权重向量，两者乘积最大的节点当选簇头。式（3）表明网络状态更新后的节点集合。

LEACH算法让网络内所有节点轮流作为簇首节点，系统中网络总节点数较少，所有节点轮流做簇首节点会使选择簇首节点过程中控制和计算开销很大，增加网络整体能耗。根据实际情况，为降低系统运行期间节点竞争簇头产生的能量开销，使用系统初始化时第一次选择的簇首节点作为本次各子网络的簇首节点，直到协调器再次初始化后变换簇首节点。本文称这种确定簇头的方法为FL方法。系统启动后，LEACH算法周期性地按轮进行簇的建立和数据传输，在簇的建立阶段，系统中每个子网络为一簇，每簇只有一个簇首节点。簇首节点确定后，簇首使用载波侦听多路访问（Carrier Sense Multiple Access，CSMA）MAC协议广播所在子网络，子网络中节点根据接收到的广播信息决定属于哪个簇首节点管理的簇，反馈地址信息给簇首节点，确定自己处于簇中。簇首节点将收集的网络信息发送至网关协调器，并给簇内各节点分配一个TDMA时隙。系统初始化后，簇首节点固定不变。网络分簇阶段完成后即开始数据通信。

2.2 数据通信阶段能耗

无线传感器网络是无线通信中的一个新兴领域，系统总能耗的大部分来自于通信阶段，一般情况下，1 bit数据传输100 m消耗的能量相当于执行3 000条计算指令消耗的能量。通信模块的能耗是系统最主要能耗，为节省通信过程中能量消耗，节点之间的通信采取工作与睡眠切换模式，节点不工作时处于睡眠状态，减少节点工作时间及网络中工作节点的数量，降低阻抗耗散I2R进而降低电压、频率乘积V2f，以利于节省能量消耗。节点各单元功耗如图3所示，从图3可以看出，功耗最大的单元是发送模块和接收模块。降低收发模块的功率也可以降低系统能耗，降低功率主要是调节发射范围。电源模块的能耗监测包括电源能耗变化、电源能量耗尽以及电源能量达到预先设定的阈值。监控系统中使用多跳、对等的广播式通信，传输介质是无线电波，节点数据通信距离在10 m以内，通信信道属于近地面单信道，网络中各节点有相同的权利访问信道。数据传输是基于事件的传输。通信标准为在保证通信质量前提下，节点能耗最小，数据传输距离最短，传输过程中跳数最少。根据LEACH算法，数据通信满足自由空间模型（与距离的平方呈正比）。通信过程包括终端节点与簇头节点及簇头节点与基站之间的通信。

图3 节点各单元功耗对比

通信协议采用低成本的ZigBee协议，具有低功耗、低成本等优良特性，适合无线传感器网络，降低系统开发成本。ZigBee短距离通信协议解决与互联网连接的最后一公里问题，ZigBee以IEEE802.15.4为基础，使用全球无须注册的ISM 2.4 GHz公用超高频频段，极大降低开发成本。监控系统节点间传输距离小于10 m，适合使用ZigBee协议。

传输过程中能量消耗模型采用多篇论文提到的LEACH协议的传输模型（见图4），分为发送端能量消耗和接收端能量消耗。发送端发送数据长度为k bit，传输距离为d的能量消耗ETx（k，d）公式为

式中：ETx-elec指发射电路元件；ETx-elec（k）指发送数据长度为k时的电路能量消耗；ETx-amp（k，d）指发送长度为k、传输距离为d的数据时放大器能耗；ETx-elec（k）、ETx-amp（k，d）的值都为50 nJ/bit；收发模块能耗图如图4所示。

监控系统中，负责采集数据的非簇首节点在属于自己时隙期间以最小的能耗发送数据给所属簇首节点，其他时隙期间转入睡眠状态，以此节省能耗。

以系统报警功能为例显示结果，报警功能实现流程图如图5所示。

图5中，网络节点的分配在初始化过程中完成。当节点在规定延时内未收到数据时报警。count记录传递次数，sum记录RSSI值（RSSI值的确定过程见实验结果部分），当传递次数是2的幂次方时，sum与预先设置的RSSI阈值比较，若大于阈值时报警。

图4 收发模块能耗模型

图5 报警功能协调器流程图

3 实验结果及分析

3.1 实验结果

系统布置于10 m×10 m的室内，温度传感器使用具有单总线接口方式的DS18B20，各传感器节点采用确定性部署，事先根据节点功能被人工安置于被监控对象上，如光敏传感器安装在日光灯上，节点上天线距地面3 m以内，摄像头安装在实验室入口处门框上方墙壁等，室内覆盖率达90%以上，节点覆盖控制为线覆盖[9]，如图6所示。

系统中相关参数如表2所示。室内监控系统设置有较高安全性，共有4个子网络，1个网关，1个服务器（基站），1台PC机，实验环境中无障碍物遮挡。服务器的位置设于实验室入口处，每个节点与网关之间的距离不相等，系统中所有节点的初始能量相等。网络布置完成后各设备位置固定不变。假设数据长度是5 bit，数据发送间隔为0.2 s。通信数据为传感器实际采集数据。

图6 线覆盖示意图

表2 实验参数表

结合表2参数，计算网络吞吐能力为

式中：A为目标区域的面积100 m2；W是节点的最高传输速率2.5×105bit/s；Δ是大于0的常数；L是源节点到目的节点的平均距离2 m；n是节点数20；r是传输模块的发射半径10 m。

3.2 结果分析

图7中，RSSI是一个记录功率的绝对值。确定RSSI值的测试环境为室外空旷地，测试过程中收发功率保持不变，总测试长度20 m，改变协调器位置，在7 m、17 m处设置人员干扰，分pcb天线和胶棒天线两种情况。测试值如图7所示，最终确定RSSI值为170 dBm。

图7 通信中RSSI值

实验给出了FL方法使用前后的系统能量消耗对比，如图8所示。

从图8可以看出，FL方法确定簇头消耗的能量明显小于LEACH算法所有节点轮流充当簇头消耗的能量。

图8 功耗对比

4 结束语

文章设计了室内监控系统，根据LEACH算法提出系统通信模型，实验验证算法效果及系统的稳定性，能够使用液晶显示屏查看。节点数量设置合理，能够覆盖预期监测区域，节点采集数据值准确，通信干扰小。下一步结合发射功率及LQI值进一步降低能量消耗，实现基于加州大学伯克利分校开发的TinyOS操作系统的TOSSIM仿真。

[1] 钱志鸿，朱爽，王雪.基于分簇机制的ZigBee混合路由能量优化算法[J].计算机学报，2013，36（3）：485-493.

[2]钱志鸿，王义君.面向物联网的无线传感器网络综述[J].电子与信息学报，2013，35（1）：215-227.

[3] 张学，陆桑璐，陈贵海，等.无线传感器网络的拓扑控制[J].软件学报，2007，18（4）：943-954.

[4] 王玉秀，黄剑，石欣，等.基于分簇的低功耗多跳无线传感器网络层次时间同步算法[J].计算机应用，2013，33（2）：369-373.

[5]李文仲，段朝玉.ZigBee2007/PRO协议栈实验与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009.

[6] 郭琳，冯秀芳.基于网络分簇的无线传感器网络节能算法[J].电视技术，2013，37（11）：118-121.

[7] 李长庚，阳瑞琦，黄玉兰.基于能量优先的无线传感器网络多跳分簇算法[J].计算机仿真，2013，30（11）：276-280.

[8]姚锡凡，于淼，陈勇，等.制造物联的内涵、体系结构和关键技术[J].计算机集成制造系统，2014，20（1）：1-10.

[9] 刘伟荣，何云.物联网与无线传感器网络[M].北京：电子工业出版社，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 凯（1984—），女，博士生，主研物联网理论及应用技术。

2014-07-23

【本文献信息】朱凯，李杪瑾，徐丹，等.基于物联网的室内监控系统节能研究[J].电视技术，2015，39（4）.

十二五国家科技支撑计划项目（2011BAK06B01-06）；国家重大科学仪器设备开发专项（2012YQ030126）

责任编辑：时 雯