導語：智能建筑環(huán)境監(jiān)察技術(shù)一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

隨著物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，作為物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(WirelessSensorNetwork，WSN)技術(shù)得到越來越多的研究和關(guān)注．WSNs是由大量無處不在的、具有通信與計算能力的微小傳感器節(jié)點密集布設在無人值守的監(jiān)控區(qū)域，從而構(gòu)成能夠根據(jù)環(huán)境自主完成指定任務的智能自治測控網(wǎng)絡系統(tǒng)［1］，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者．利用WSN進行數(shù)據(jù)收集可以應用在許多重要的領(lǐng)域，如國防軍事、國家安全、環(huán)境監(jiān)測、交通管理、醫(yī)療衛(wèi)生、制造業(yè)、反恐抗災等．本文從WSN的研究背景和發(fā)展趨勢入手，針對智能建筑物中監(jiān)測系統(tǒng)的特點和實際需求，如環(huán)境監(jiān)控和火災、跑冒滴漏情況下的報警，提出一種基于區(qū)分服務(Differen-tiatedService，Diffserv)機制的數(shù)據(jù)收集算法，滿足了用戶對突發(fā)事件的監(jiān)測要求．仿真表明，所提算法比典型的數(shù)據(jù)收集協(xié)議有更長的網(wǎng)絡壽命和更好的網(wǎng)絡可擴充性．

1相關(guān)背景

智能建筑(IntelligentBuilding)是用通信技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)，按照系統(tǒng)工程原理將建筑物有機地結(jié)合起來，通過對建筑設備系統(tǒng)的自動監(jiān)控和信息資源的有效管理，從而向使用者提供智能的綜合信息服務，以獲得舒適、高效和便利的建筑環(huán)境［2］．智能建筑通常包含三大基本組成要素:樓宇自動化系統(tǒng)(BuildingAutomationSystem，BAS)、通信自動化系統(tǒng)(CommunicationAutomationSystem，CAS)和辦公自動化系統(tǒng)(OfficeAutomationSystem，OAS)，通常稱為3A系統(tǒng)(如圖1所示)．這三個子系統(tǒng)涵蓋了安全性、便捷性、舒適性三大服務領(lǐng)域:安全性方面如火災自動報警、自動噴淋滅火、防盜報警、電梯運行監(jiān)控、應急照明、出入控制等功能;舒適性方面提供如空調(diào)控制、供熱控制、給排水控制、供配電監(jiān)控、衛(wèi)星電視、視頻點播等功能;便捷性方面提供如綜合布線、電話通信、辦公自動化、寬帶接入、物業(yè)管理等功能．WSN具有耗資小、維護和更新費用低等優(yōu)勢，適合監(jiān)測智能建筑物內(nèi)的環(huán)境，具有以下特點:(1)網(wǎng)絡的使用壽命要長、節(jié)點的能量可以補充．建筑物中的網(wǎng)絡使用壽命需要達到幾十年，而其它WSN應用中的使用壽命通常很短，如用于戰(zhàn)場信息收集的傳感器網(wǎng)絡的壽命只需幾天或更短的時間．(2)網(wǎng)絡可以人工維護．在智能建筑中不僅可以通過人工方法安裝傳感器節(jié)點，而且也可以人工更換傳感器節(jié)點的電池和對傳感器節(jié)點進行維修．(3)傳感器節(jié)點的數(shù)目多．為了提供舒適、方便、節(jié)能和安全的工作和生活環(huán)境，在現(xiàn)代建筑物中需要部署大量的傳感器節(jié)點來對周圍的環(huán)境進行監(jiān)測．(4)由不同類型的傳感器節(jié)點構(gòu)成異構(gòu)網(wǎng)絡．傳感器網(wǎng)絡由不同種類的傳感器組成，包括不同廠商、不同監(jiān)測目標、不同型號的傳感器．這些傳感器協(xié)同工作，對目標環(huán)境進行綜合監(jiān)測．(5)網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的不完全控制．雖然在現(xiàn)代建筑中的網(wǎng)絡系統(tǒng)是通過人工部署的，但是傳感器節(jié)點的位置通常要根據(jù)建筑物的物理環(huán)境來決定．本文借鑒網(wǎng)絡Diffserv的思想，提出一種應對緊急數(shù)據(jù)處理、具有Diffserv機制的數(shù)據(jù)收集算法(DSDG，Diffserv－DataGathering)．其核心思想是，在沒有緊急情況時，按用戶的指令啟動網(wǎng)絡監(jiān)測功能，周期性對目標區(qū)域進行持續(xù)性監(jiān)測，完成數(shù)據(jù)收集任務;當有緊急數(shù)據(jù)產(chǎn)生時，系統(tǒng)能快速向用戶報告事件的發(fā)生，確保緊急數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r性．算法具有一定的理論意義和實際意義．

2基于Diffserv機制的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

2．1Diffserv機制目前，WSN廣泛應用于智能建筑中的環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域．例如，在建筑物火災監(jiān)控系統(tǒng)中，當傳感器節(jié)點監(jiān)測到周圍溫度超過常溫時，需要以可靠、及時的方式將溫度信息傳送到基站以便采取相應的措施．因此，WSN在應用中必須能夠進行區(qū)分服務并提供相應的服務質(zhì)量(QualityofService，QoS)支持［3］．Diffserv機制［4］是IETF提出的一種能夠在IP網(wǎng)絡特別是Intemet上提供良好的QoS保證的解決方案．Diffserv的基本思想是將用戶的數(shù)據(jù)流按照QoS要求來劃分等級，用戶通過設置每個數(shù)據(jù)包的DS字段的區(qū)分服務碼點域(DSCP)確定包的優(yōu)先級，并打上相應的優(yōu)先級標簽;然后對不同優(yōu)先級的包進行流量調(diào)節(jié)，最后根據(jù)優(yōu)先級對包進行緩存和調(diào)度輸出．核心路由器在調(diào)度轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時以流聚集為服務對象，按照DS的標記，對不同類型的數(shù)據(jù)提供不同QoS的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)服務．在WSN中，最基本、最重要的Diffserv的參數(shù)之一是數(shù)據(jù)包抵達數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(Sink)的時延，即具有更高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包抵達Sink的時延應該少于低優(yōu)先級數(shù)據(jù)包的時延．

2．2使用雙隊列方案實現(xiàn)Diffserv機制雙隊列方案的思想是:Diffserv機制由充當路由的簇頭節(jié)點(Cluster)提供，本文把服務類別分為兩種:普通的和緊急的．大多數(shù)通信流量屬于普通流量，但有一小部分分組屬于緊急類別，緊急類別的分組可以直接通過匯集樹到達Sink而不需等待數(shù)據(jù)融合時延．實現(xiàn)策略:在Cluster的輸出路徑上定義兩個輸出隊列，分別用于:緊急業(yè)務分組和普通業(yè)務分組．當某分組到來時，根據(jù)它的業(yè)務數(shù)據(jù)類別加入相應的隊列．具體為:每個簇內(nèi)的傳感器節(jié)點在監(jiān)測到現(xiàn)場感應數(shù)據(jù)后，馬上與關(guān)鍵字段設定的閾值進行對比，根據(jù)對比的結(jié)果確定數(shù)據(jù)的服務類型，將此服務類型填充在數(shù)據(jù)分組的DSCP域中，然后將數(shù)據(jù)分組發(fā)送給所在的Cluster，Cluster根據(jù)服務類型來為其選擇排入哪種服務隊列中．排在緊急隊列中的數(shù)據(jù)不參加數(shù)據(jù)融合也無需等待數(shù)據(jù)傳輸時隙的到來，而是即刻沿匯集樹轉(zhuǎn)發(fā)到父節(jié)點;而在普通隊列中的數(shù)據(jù)要等待數(shù)據(jù)傳輸時隙的到來并參加數(shù)據(jù)融合操作后，才能將融合數(shù)據(jù)沿匯集樹轉(zhuǎn)發(fā)到父節(jié)點，并清空普通隊列等待下一輪數(shù)據(jù)收集，如下圖2所示．

2．3理論分析分簇完畢并且解決了簇間路由和簇內(nèi)路由后，傳感器網(wǎng)絡就進入了穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸階段．TG表示本輪的數(shù)據(jù)收集時段(DataGatheringPhase)，事先規(guī)定持續(xù)時間長度為TG．簇成員節(jié)點將數(shù)據(jù)發(fā)送給各自的Cluster，Cluster將數(shù)據(jù)融合后，通過匯集樹上其它的中間Cluster將數(shù)據(jù)發(fā)送到Sink．基于Diffserv機制的數(shù)據(jù)收集算法描述如下:構(gòu)建路由匯集樹并為網(wǎng)內(nèi)所有的節(jié)點分配TD-MA(TimeDivisionMultipleAccess，時分多址)時隙(持續(xù)時間);簇內(nèi)活動成員節(jié)點采集監(jiān)測數(shù)據(jù)，將監(jiān)測數(shù)據(jù)與關(guān)鍵字段設定的閾值進行比較，如果監(jiān)測到的數(shù)據(jù)值沒有超過閾值范圍，則表示普通數(shù)據(jù);反之，為緊急數(shù)據(jù);節(jié)點根據(jù)之前計算的TDMA時隙按順序?qū)?shù)據(jù)分組發(fā)送給Cluster;Cluster接收到其簇內(nèi)節(jié)點傳送來的數(shù)據(jù)分組后，首先查看分組的DS字段，判斷是否為緊急數(shù)據(jù)，如果是緊急數(shù)據(jù)，則不等待數(shù)據(jù)融合處理，直接將該數(shù)據(jù)分組廣播到它在樹上的父節(jié)點．如果是普通數(shù)據(jù)，則將其存儲在緩沖區(qū)內(nèi)，等待融合時延時間到后，將緩沖區(qū)內(nèi)所有數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合，并把融合后的數(shù)據(jù)分組廣播到它在匯集樹上的父節(jié)點．

3仿真與結(jié)果

本節(jié)對具有Diffserv機制的數(shù)據(jù)收集算法DS-DG與TEEN［5］，APTEEN［6］協(xié)議的主要性能進行比較．TEEN(ThresholdSensitiveEnergyEfficientSen-sorNetwork)閾值敏感能效型傳感器網(wǎng)絡協(xié)議采用類似LEACH［7］的分簇算法，即在數(shù)據(jù)傳送階段使用不同的策略．根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸模式的不同，把WSN分為主動型和被動型．主動型WSN持續(xù)監(jiān)測周圍環(huán)境，并以恒定速率發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù);而被動型WSN只是在被監(jiān)測對象發(fā)生突變時才傳送監(jiān)測數(shù)據(jù)．APTEEN(AdaptivePeriodic-TEEN)是針對實時性應用的分層型數(shù)據(jù)收集協(xié)議．能根據(jù)用戶的需要和應用類型改變周期或關(guān)鍵字段的閾值．WSN中衡量數(shù)據(jù)收集協(xié)議性能的一個主要指標是網(wǎng)絡的生命周期，網(wǎng)絡的生命周期用網(wǎng)絡生存節(jié)點數(shù)與網(wǎng)絡運行輪數(shù)的關(guān)系表述．本文采用與文獻［8］相同的無線傳感器網(wǎng)絡能量耗費模型．ETx=k*Eelec+k*εfs*d2，d＜d0k*Eelec+k*εmp*d4，d≥d{0(1)式(1)為發(fā)射k比特數(shù)據(jù)耗損的能量ETx的計算公式，由發(fā)射電路耗損和功率放大耗損兩部分構(gòu)成．功率放大耗損則根據(jù)發(fā)送者和接收者之間的距離分別采用自由空間模型和多路徑衰減模型，Eelec為發(fā)射電路的耗損能量，εfs為自由空間信道模型下功率放大所需能量、εmp為多路徑衰減信道模型下功率放大所需能量．ERx=k*Eelec(2)式(2)為接收k比特數(shù)據(jù)的能量耗損ERx的計算公式，僅由電路耗損引起．實驗中，監(jiān)視區(qū)域要求100%被覆蓋(即簇內(nèi)所有節(jié)點都為活動節(jié)點)．實驗中未考慮緊急數(shù)據(jù)的處理．實驗結(jié)果均為100次獨立實驗結(jié)果的均值，每次獨立實驗都采用不同的隨機拓撲．取上式中參數(shù)為:Eelec=50nJ/bit，εmp=0.0013pJ/bit/m4，εfs=13pJ/bit/m2，d=85m．此外，對數(shù)據(jù)信號進行融合等處理時也將耗損能量，由Efusion表示融合單個數(shù)據(jù)信號所耗損的能量．對于任一Cluster，假設其簇內(nèi)成員節(jié)點數(shù)為q，則將q個成員節(jié)點的數(shù)據(jù)信號和自身的數(shù)據(jù)信號融合為一個有效信號耗費的能量為Ecomp=(q+1)*Efusion*k．具體參數(shù)設置見表1．仿真場景為:200個無線傳感器節(jié)點隨機分布在80×100m2的平面監(jiān)測區(qū)域，Sink遠離監(jiān)測區(qū)域，位于坐標(60，90)．

3．1節(jié)點死亡數(shù)量與時間的關(guān)系從圖3可以看出DSDG的節(jié)點生存時間相對TEEN和APTEEN都有顯著提高，雖然DSDG第一節(jié)點死亡的時間較TEEN稍有提早，但節(jié)點死亡的速率較慢，最后網(wǎng)絡生存期反而比TEEN、APTEEN延長．造成這種現(xiàn)象的主要原因是TEEN存在兩個缺陷:一是如果閾值不能達到，節(jié)點不會傳送任何數(shù)據(jù)．二是數(shù)據(jù)一旦符合閾值要求，節(jié)點立即傳送，容易造成信號干擾，如果采用TDMA，則會造成數(shù)據(jù)延遲．而APTEEN協(xié)議的主要缺點在于閾值函數(shù)增如了額外的復雜度．DSDG數(shù)據(jù)收集過程能耗較TEEN得到極大程度的降低，對APTEEN也有所降低，從而提高了整個網(wǎng)絡的生命周期．

3．2不同節(jié)點數(shù)目下的平均延遲圖4所示數(shù)據(jù)包的平均延遲與節(jié)點數(shù)目的關(guān)系．DSDG的延遲隨著節(jié)點數(shù)目的增大略有增大，但變化不明顯;而TEEN、APTEEN隨著節(jié)點數(shù)目的增大延時顯著增大，因為這兩個協(xié)議隨著節(jié)點數(shù)目的增多，簇內(nèi)TDMA時隙顯著增多，增加了簇內(nèi)數(shù)據(jù)收集的延時，所以整個網(wǎng)絡的延時也相應增加．

4總結(jié)

針對現(xiàn)代智能建筑中WSN監(jiān)測技術(shù)的特點和實際需求，本文提出了一種基于Diffserv機制的數(shù)據(jù)收集算法DSDG，滿足了建筑物控制管理中心對突發(fā)事件的監(jiān)測要求．仿真表明DSDG比TEEN、AP-TEEN有更長的網(wǎng)絡壽命、較穩(wěn)定的延遲和更好的網(wǎng)絡可擴充性．此協(xié)議既可按用戶的指令啟動網(wǎng)絡系統(tǒng)的監(jiān)測功能，周期性對目標區(qū)域進行持續(xù)監(jiān)測，完成一般數(shù)據(jù)收集任務，當有緊急數(shù)據(jù)產(chǎn)生時，系統(tǒng)也能及時反應，快速向建筑物控制管理中心報告緊急事件的發(fā)生．