智能建筑室内无线传感器网络部署与优化研究

倪晓东

(中铁建设集团有限公司 北京 100041)

1 引言

伴随着信息化与智能化在各行各业的深入推进发展，传感器正在发挥着越来越重要的作用，在这其中，环境监测是其较早期的应用。本世纪初，来自加州大学伯克利分校的一个研究小组利用无线传感器观察岛上的鸟类，并借助卫星通信基站进行远程连接。这种无人值守的监测可以最大程度地减少现场收集数据的观察者对研究对象的干扰。近年来，由于其易于部署且几乎没有基础设施需求的特点，传感器在军事、太空、生物医学、制造业和交通领域中越来越受到欢迎[1]。

而智能建筑室内环境的监测与控制，现如今也是传感器应用的热门方向[2]。进一步地，工程师们将位于一栋建筑物内的大量传感器统一接入一个网络，每台传感器设备都被定义为网络中的一个节点，这些节点通过无线通信相互传输数据[3]。借助传感器环境中的不同物理量进行实时测量，如温度、场强、湿度、压力、重量等[4]。由于这些设备体积小且价格低廉，可以大量生产和部署使用，近年来吸引了各国学者的广泛研究。一方面，利用传感器网络可以减少环控能耗，合理分配照明控制[5]。若没有可靠的传感器网络来驱动控制器进行控制，将会额外消耗大量的能源和资金[6]。另一方面，通过传感器网络，可以监测楼体结构的健康状况。无论是纵火等人为蓄意损毁[7]，还是地震、台风等不可抗的自然灾害，都可能会对建筑物造成破坏。通过传感器的实时监测，可以有效减少这类危害的影响[8]。因此，建筑环境的监测和自动控制都是无线传感器网络的重要应用。

在当前实际工程应用中，信号冲突、人为干扰以及建筑物中的混凝土墙或其他障碍物会对传感器网络产生多重干扰，无线信道环境非常复杂[9]，无线传感器网络的性能往往会严重下降。上述问题制约了无线传感器网络在智能建筑中的应用，也是传感器网络的实际应用难以简单地在计算机仿真软件上准确呈现的主要原因[10]。在先前的研究中，已有研究学者建立了建筑物传感器网络模型[11]，并进行了一些实验。但是这些相关研究没有采用数据来评估网络[12]，亦或是没有根据测试结果提出优化方案。与现有的研究工作相比，本文不仅着眼于在智能建筑中实现传感器网络，还提出了一些优化建议，以提高智能建筑中无线传感器网络的性能。

本研究基于某项目，测试验证了建筑物中已部署的传感器网络可靠性。从通信协议入手提出了两种改进方法并进行验证实验，结果表明该系统能够满足智能建筑应用的要求。研究成果为今后智能建筑的传感器网络部署提供了一个可行的方案。

2 实验平台的建立

2.1 网络基础结构

典型的网络结构如图1所示。

图1 无线传感器网络结构

目前，应用最广泛的无线传感器网络通信标准是IEEE802.15.4。该标准涵盖了使传感器节点相互通信的物理层和介质访问控制层。为了保证网络体系结构的可行性，协议还引入了自适应层。在这之上是提供各种服务的网络层和应用层。该平台使用的网络协议是IPv6低功耗无线个人区域网络(6LoWPAN)，所有功能的实现都依赖于网络中有限节点上的传感器。

2.2 协议分析

网络中每个节点的执行标准是802.15.4 MAC协议。802.15.4的参数和默认设置如表1所示。

表1 IEEE802.15.4 MAC协议参数

基于微传感器路由协议(MSRP)搭建的无线传感器网络是智能建筑传感器网络的一种常见结构，该协议具有随需应变的特点，有效降低路由过程的能耗，满足节能要求。MSRP协议是一种专门为基于IEEE 802.15.4的传感器网络而设计的协议。在这个协议框架下，如果某节点需要传输数据时，才会启动路由搜索过程来查找路由。协议会首先搜索路由列表。如果不存在接收路由，节点将缓存当前的数据，随后产生路由请求(RREQ)数据包并对其进行广播。当中间节点收到请求时，它将自动检查其是否为目标节点；如果是则将数据单播至下一节点，否则协议仍将继续广播数据包。需要指出的是，只有目标节点才能回复路由应答(RREP)报文。MSRP协议搭建的网络使用确认帧(ACK)来确定相邻节点的可靠性。如果源节点在发送数据后的一段时间内没有收到确认帧，这意味着相邻节点已过期，协议会将当前数据保存在缓冲区中，同时再次启动请求进程。

3 实验和评估

3.1 环境测试

为了评估无线传感器网络的性能，本文依托某项目进行实验测试平台搭建与优化。项目已有的智能建筑监测与控制系统选用了低功耗Atmega128的8位MPU传感器节点和iDwaRF-168射频芯片，利用2.4 GHz的通信信道来实现无线传输。如图2所示。本文在此基础上开展实验与优化研究。

图2 无线传感器网络部署

系统布置在一个50 m×20 m的建筑空间内，周围环境包含了人类活动以及其他障碍物(墙、金属门)干扰无线信号。由于建筑物的干扰，无线传感器网络的可靠性会受到严重的影响。因此，在改进传输协议之前，需要对传感器网络部署的可靠性进行测试。表2显示了数据传输的可靠性，通过将节点预期读取的数据量与实际收到的数据量进行对比，并进行数据处理以确定重复数据包。结果表明，距离中心15 m以内的节点数据传输速率均达到90%以上，表现良好；位于15～30 m之间的节点一般有效，数据传输速率超过60%；距离超过40 m的节点无法提供可靠的数据通信。

表2 试验测试结果

传感器网络的覆盖区域受建筑材料及其厚度或其他障碍的影响很大。此外，无线电波往往会被建筑物中的导电物体反射或衍射，只有很少一部分能够穿透它们。由于内部环境中存在的过渡区域，混凝土、砖墙、隔墙、办公家具和其他物品等障碍，甚至建筑物内的人类活动，也是网络性能损失的重要原因。

3.2 改进部署

参照3.1节的测试结果，对智能建筑中无线传感器网络的部署方案进行了改进。在单层实验楼内部署了数十个传感器节点，为了保证数据传输的可靠性，新的部署方案减少了节点之间的传输距离，尽量避免布置在过渡区域，并将中心节点布置在楼层中心，实现最小化楼体结构对通信干扰的目标。同时在布置时，每一层都设有一个独立的子网，避免不同楼层的网络通信受到楼体混凝土的干扰。

3.3 问题分析

虽然在部署无线传感器网络的过程中，先前的分析已经考虑了大部分的问题，但实验结果表明，无线网络仍不够稳定，部分通信链路的可靠性仍处于较低水平。从网络通信过程入手分析，可能是由以下原因造成的:

(1)现有的路由不够稳定。当一个节点收到数据包时，可能会建立一条不考虑路由质量的路由通道。

(2)原有路由协议使用确认帧来判断相邻节点的可靠性。如果源节点在发送数据后的一段时间内没有收到回复的确认帧，将会自动广播请求来搜索路由。接收到请求报文的中间节点会重新广播请求报文，这可能会在网络中引起广播风暴。

这两个问题可能影响了智能建筑传感器网络的性能，因此可以针对路由协议进行相应的改进。

4 网络优化

在分析存在问题的基础上，本章提出了改进措施。但由于缺乏统一的行业标准，因此在目前的研究中，很难从单一某项指标来确定网络优化效果，可行的做法是采用多项参数进行综合考察。在优化传感器网络时选用了以下几个参数，分别为丢包率(PLR)、链路质量指标(LQI)和往返时间(RTT)，用以分析网络的改善情况以及评估是否满足应用程序的要求。

首先，为保证所建立路由的鲁棒性，对可能的链路设置质量阈值，不允许链路质量低于阈值的请求报文建立路由。

如图3所示，平台中任意两个相邻节点的链路质量值超过了实验设定的50阈值，使得路由更加稳定。

图3 链路质量评估

其次，在路由协议中引入了改进的路由修复过程。当源节点发送数据后，在一定时间内没有收到确认报文时，源节点不是简单地创建请求报文并将其重新广播，而是在较短时间内启动路由修复过程。

改进后的网络协议重定义了两种路由包，分别是RREQ_Repair包和RREP_Repair包。

当传感器节点开始路由修复过程时，会广播只有一跳有效传输距离的RREQ_Repair报文。相邻节点收到后，会从路由列表中搜索目标节点的路由。一旦出现可用路由，则相邻节点将回复RREP_Repair报文，从而快速重新构建路由。如果路由修复过程失败，源节点将启动请求过程。路由修复过程可有效地降低无线传感器网络中广播风暴的可能性。

优化后的路由协议评估如图4所示。由图4a可知，任意两个节点之间的往返时间随跳数的增加而增加。但在采用优化后的协议后，往返时间上升的速度显著下降，传感器网络的性能更为稳定。如图4b所示，丢包率是性能评价的另一个重要指标。显然，跳数越多丢包的概率就越大。在优化后的路由协议中，虽然丢包率的值与原路由协议有相似的趋势，但节点的丢包率概率明显降低。评估结果表明，无线传感器网络在智能建筑中的性能得到了提高。

图4 优化路由协议的评估

综上，可认为网络优化方案是有效且可行的，能够在不改变原有硬件设施的基础上，通过对内在协议的优化，相当大程度提升网络的性能，满足当前智能建筑应用的要求。

5 结论

本文对智能建筑无线传感器网络进行了部署与优化研究。基于现有的单层建筑传感器网络系统进行了可靠性测试，实验结果表明节点距离以及环境复杂的过渡区域将对网络可靠性产生显著的影响，当节点距离超过40 m之后将无法保证传输数据的可靠性。因此在实际部署中应当尽量避免传感器网络节点的距离过远，且应需注意不要放置在金属门，较厚混凝土墙，人员密集区等过渡区域。每层应设置单独的通信子网，以增强传感器网络的性能。在分析测试数据的基础上，本文优化了传感器的部署和改进了路由协议，并进行了性能评估。结果表明该系统有能力在复杂环境下高效地工作。未来的工作将主要集中于其他部署条件下更通用的方案和适当的协议。