劉丹，龍永紅，羅斌，黃曉峰，石偉

（1. 湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南株洲412007；2. 北京市農(nóng)林科學(xué)院國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心，北京100097）

針對建筑群監(jiān)控的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

劉丹1,2，龍永紅1，羅斌2，黃曉峰1，石偉1

（1. 湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南株洲412007；2. 北京市農(nóng)林科學(xué)院國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心，北京100097）

現(xiàn)代建筑群結(jié)構(gòu)復(fù)雜、樓層多，對其實現(xiàn)集中監(jiān)控的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)容量需求大，且在多障礙物的復(fù)雜環(huán)境下保障無線通信鏈路具有一定難度。通過分析對比現(xiàn)有主要無線通信技術(shù)的特點(diǎn)，設(shè)計了一種融合Zigbee技術(shù)與433 MHz射頻通訊技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型，其中Zigbee網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)采用TI公司的Z-STACK協(xié)議棧和CC2530 Zigbee模塊，433 MHz射頻通訊模塊選用RFM69H。試驗結(jié)果表明，該傳感器網(wǎng)絡(luò)能實現(xiàn)半徑約600 m的區(qū)域內(nèi)建筑群覆蓋，丟包率低于5%，能保障較好的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量（Qos），整個網(wǎng)絡(luò)通信在ISM頻段，成本低，具有一定應(yīng)用前景。

建筑群；監(jiān)控；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；Zigbee ；433 MHz

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，現(xiàn)代樓宇的建造不斷趨向于高層化、結(jié)構(gòu)復(fù)雜化、集群化（如各種大型商場、小區(qū)），這給樓宇環(huán)境的集中監(jiān)控帶來了新的難點(diǎn)。使用有線傳感器組成的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)布線量大、安裝和維護(hù)費(fèi)用高，并且在復(fù)雜建筑物中的某些地方無法布線，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor networks，WSN）[1]很好地解決了這些問題。然而要構(gòu)建一個現(xiàn)代建筑群環(huán)境的集中監(jiān)控?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)，首先需要有較大的網(wǎng)絡(luò)容量（一般超過10*3個傳感器節(jié)點(diǎn)），同時在建筑群中多障礙物的復(fù)雜環(huán)境下，需要保持通信鏈路較高的可靠性和一定的通訊距離。

目前，許多小型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)得到了成功部署和應(yīng)用[2-3]，然而這些應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模都比較小、覆蓋面不理想。文獻(xiàn)[4]提出了一種基于Zigbee規(guī)范構(gòu)建大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的“兩層”組網(wǎng)策略，理論上可支持16*65 536個節(jié)點(diǎn)，具有較大的網(wǎng)絡(luò)容量，然而在實際應(yīng)用中由于Zigbee網(wǎng)絡(luò)性能等問題，其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)大打折扣，覆蓋區(qū)域有限，無法適應(yīng)多樓宇建筑群集中監(jiān)控。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)代樓宇監(jiān)控中的應(yīng)用，已經(jīng)有許多學(xué)者開展了研究并取得了一定的成果，但大多是針對某一特定的單一建筑，針對多樓宇的建筑群集中監(jiān)控的大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還沒有成熟的實現(xiàn)方案。

針對上述問題，深入分析現(xiàn)有主要無線通信技術(shù)，構(gòu)建了一種針對建筑群環(huán)境集中監(jiān)控的大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)：根據(jù)Zigbee規(guī)范多信道（共16個信道）的特點(diǎn)并結(jié)合頻率復(fù)用實現(xiàn)底層數(shù)據(jù)采集Zigbee網(wǎng)絡(luò)大范圍覆蓋，以每個Zigbee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器為簇頭在433 MHz頻段組建高層數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)Zigbee個域網(wǎng)（personal area network，PAN）間的協(xié)作，構(gòu)建對建筑群環(huán)境的集中監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。

1 無線通信技術(shù)規(guī)范選擇及分析

為了構(gòu)建一個具有較大覆蓋面積的大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，必須選擇可行的技術(shù)平臺。圖1為現(xiàn)有可應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的典型無線技術(shù)規(guī)范，它們包括：802.11 a/b/g, Bluetooth, Zigbee等。

圖1 幾種典型的無線通信技術(shù)比較Fig.1Comparison of several typical wireless communication technologies

經(jīng)過深入分析對比，僅有基于802.15.4的Zigaee規(guī)范支持mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以保證較大的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模；另外它的能量開銷也較小；有保證可靠傳輸?shù)臋C(jī)制（完全握手機(jī)制）；有保證安全通信的能力（支持AES-128加密算法）；低功耗、低復(fù)雜度和低成本的特點(diǎn)，也使得Zigbee規(guī)范非常適合WSN方面的應(yīng)用，并且Zigbee技術(shù)通訊在2.4 GHz的ISM頻段，無需申請頻段使用執(zhí)照。

Zigbee中定義了3種節(jié)點(diǎn)類型：協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備。其中協(xié)調(diào)器（Zigbee coordinator，ZC）負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組建和管理；路由器（Zigbee router，ZR）負(fù)責(zé)提供路由路徑；端設(shè)備（Zigbee end device，ZED）主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。Zigbee規(guī)范可以支持星型、樹型和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用64位IEEE地址和16位短地址空間，理論上可以最多支持65 536個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。然而，由于網(wǎng)絡(luò)性能等方面的需求，在實際組網(wǎng)中存在一些約束，很難達(dá)到這么高的網(wǎng)絡(luò)容量。

另外，由于Zigbee技術(shù)是通信在2.4 GHz頻段，根據(jù)波長的計算公式：=c/f（其中為波長，c為光速，f為頻率），2.4 GHz無線電波的波長約為 0.125 m，根據(jù)波的衍射特性，當(dāng)波長大于或相當(dāng)于障礙物的尺寸時，波才能明顯地繞到障礙物的后面，因而當(dāng)遇到尺寸大于0.125 m的障礙物時2.4 GHz頻段的無線信號傳播受到嚴(yán)重影響，而同樣處于I S M頻段的433 MHz射頻通訊則在穿越障礙物能力上要強(qiáng)于Zigbee技術(shù)，約為其5.5倍；同時，根據(jù)無線電信號空間自由空間傳輸損耗公式[5]為

式中：Lbf為自由空間損耗，dB；D為距離，km；F為頻率，MHz。在傳播相同的距離時，433 MHz無線電波的衰減要小于2.4 GHz。根據(jù)實際的測試結(jié)果，在同等條件下（收發(fā)天線增益大小相同、發(fā)射功率大小相同等，未加功放）在有一層混凝土墻阻礙時，Zigbee模塊收發(fā)距離僅在5 m左右，而433 MHz射頻模塊能達(dá)到700 m左右。

根據(jù)以上分析，Zigbee技術(shù)規(guī)范易于組建較大規(guī)模的無限傳感器網(wǎng)絡(luò)，且網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活，但是其在2.4 GHz的無線信號穿越障礙物能力差、通訊距離短；而433 MHz射頻通訊具有相對較強(qiáng)的障礙物能力和較好的通訊距離，卻不易于直接用來組建大型無線通信網(wǎng)絡(luò)。

2 融合多頻段通信的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

根據(jù)前面的分析知道，雖然Zigbee通信技術(shù)適合WSN方面的應(yīng)用，但是單一的Zigbee網(wǎng)絡(luò)無法滿足大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)容量的要求，而其2.4 GHz的通信頻段在障礙物多的樓宇復(fù)雜環(huán)境中不利于實現(xiàn)大面積的網(wǎng)絡(luò)覆蓋。為解決以上問題，結(jié)合Zigbee技術(shù)規(guī)范和433 MHz射頻通信的特點(diǎn)，設(shè)計了一種通訊在2個頻段的傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)策略和模型。

2.1 基于Zigbee規(guī)范的2.4 GHz頻段組網(wǎng)策略設(shè)計

Zigbee網(wǎng)絡(luò)的組建采用符合Zigbee通信規(guī)范的TI公司的Z-STACK協(xié)議棧，其在物理層是采用直接序列擴(kuò)頻(direct-sequence spread-spectrum，DSSS)技術(shù)，將2.4 GHz頻段劃分成了16個不同的信道，各個信道編號依次為11～26。不同信道間不能進(jìn)行通信，這樣，就可以在每個信道上部署1個個域網(wǎng)（ PAN），既使它們都是符合Zigbee規(guī)范的同構(gòu)Zigbee網(wǎng)絡(luò)，也不會對彼此的通信造成干擾，因而在同一個區(qū)域就可以存在多個PAN?？梢栽谕粭潣怯顑?nèi)采用多個通信在不同信道的Zigbee網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)樓宇的覆蓋，這樣避免了在一個網(wǎng)絡(luò)中擁有過多的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，從而大大提高網(wǎng)絡(luò)性能，如全網(wǎng)組建時間、數(shù)據(jù)時延、誤碼率降低等。

另外，頻率復(fù)用理論指出：頻率復(fù)用就是重復(fù)使用頻率，使同一頻率覆蓋不同的區(qū)域（一個基站或該基站的一部分（扇形天線）所覆蓋的區(qū)域），這些使用同一頻率的區(qū)域彼此需要相隔一定的距離（稱為同頻復(fù)用距離），以滿足將同頻干擾抑制到允許的指標(biāo)以內(nèi)。前面提到了一般的Zigbee模塊的通信距離在有一層混凝土墻阻礙時收發(fā)距離僅5 m左右，因此根據(jù)頻率復(fù)用理論，可以在建筑群內(nèi)每間隔一定的距離重復(fù)使用同一個某信道的Zigbee PAN而互不影響，這樣可以大大增加網(wǎng)絡(luò)的容量和頻段的利用效率。

然而上述的各個PAN間不能完成直接的通信，為了構(gòu)建一個集中的無線傳感器監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，可以引進(jìn)一個數(shù)據(jù)集中器/網(wǎng)關(guān)（gateway）設(shè)備，實現(xiàn)PAN間的協(xié)作，將區(qū)域內(nèi)的所有PAN整合在一起。

2.2 融合多頻段無線通信的組網(wǎng)模型

根據(jù)前面的分析以及組網(wǎng)策略，本文設(shè)計了一種通訊在兩頻段的組網(wǎng)模型，如圖2所示。圖3是對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

該模型首先是采用通信在2.4GHz的Zigbee技術(shù)規(guī)范完成大規(guī)模數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)的搭建，它由多個Zigbee數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)組成；各個Zigbee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器作為網(wǎng)關(guān)的子節(jié)點(diǎn)在433 MHz頻段完成數(shù)據(jù)匯集層的網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)，從而組建成一個適合建筑群環(huán)境集中監(jiān)控的大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。理論上，每個Zigbee網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)可以達(dá)到65 536個，因而本文設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)模型容量理論上可以達(dá)到65 536的若干倍。

圖2 融合多頻段通信的網(wǎng)絡(luò)模型Fig.2Fusion of multi band communication network model

圖3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.3The topology of the network

3 網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)

在Zigbee網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計中，Zigbee芯片選用TI公司的CC2530，該芯片是專門IEEE802.15.4協(xié)議和Zigbee應(yīng)用的單片機(jī)芯片解決方案，整合了全集成的增強(qiáng)型8051微控制器，8 kB的RAM和5通道DMA，32 kHz睡眠定時器等功能和外設(shè)。 它可以直接用來采集一些基本傳感器數(shù)據(jù)（如CO、溫濕度、煙霧傳感器等），還可以驅(qū)動射頻模塊而不需增加專門的微控制器，降低了硬件復(fù)雜度和設(shè)計成本。Zigbee組網(wǎng)的軟件設(shè)計在TI公司的符合Zigbee規(guī)范的協(xié)議棧Z-STACK基礎(chǔ)上進(jìn)行，該協(xié)議棧支持星型、樹狀、網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以通過軟件設(shè)置相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，如在本設(shè)計中通過定義NWK_MODE_MESH 組建網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)；為防止意外掉電丟失網(wǎng)絡(luò)信息，可以使能NV_RESTORE等。

為實現(xiàn)433 MHz頻段的網(wǎng)絡(luò)層，需要給每個Zigbee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器配置一個射頻通信模塊和一個帶有微控制器、射頻模塊的數(shù)據(jù)集中器/網(wǎng)關(guān)設(shè)備。通過選型對比，射頻通信模塊選用深圳惠怡華普電子的RFM69H無線射頻收發(fā)模塊。該模塊最大發(fā)射功率為20 dBm，最大接收靈敏度可達(dá)-120 dBm，支持315/433/868/915 MHz 4個頻段，接口簡單，MCU可通過SPI接口進(jìn)行編程配置，通過實際測量，RFM69H的室外通信的可視距離能穩(wěn)定地達(dá)到700 m以上，可繞過一般的混泥土墻14堵；數(shù)據(jù)集中器/網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)433 MHz頻段的組網(wǎng)，完成對各個采集網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)處理，需要有較高性能的微控制器，本文采用ARM公司的STM32系列32 bit閃存微控制器，它具有Cortex-M3內(nèi)核，工作頻率最高可達(dá)85 MHz。STM32系列微控制器豐富的增強(qiáng)I/O端口和連接到2條APB總線的外設(shè)方便數(shù)據(jù)集中器。另外，要完成各個PAN在 433 MHz頻段的數(shù)據(jù)匯集層網(wǎng)絡(luò)的組建，必須有自己的通信協(xié)議。本文所設(shè)計的數(shù)據(jù)幀格式如表1所示。數(shù)據(jù)幀由同步碼、頭碼、源地址、目標(biāo)地址、控制碼、功能碼、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)、和校驗組成，各個協(xié)調(diào)器加入數(shù)據(jù)集中器組建的網(wǎng)絡(luò)時需要進(jìn)行對碼操作，對碼成功后各個Zigbee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器就可以周期性地向數(shù)據(jù)集中器匯報其所在網(wǎng)絡(luò)中的各個采集節(jié)點(diǎn)信息，包括各個傳感器節(jié)點(diǎn)的位置信息和采集的數(shù)據(jù)信息。

表1433 MHZ頻段的數(shù)據(jù)幀格式Table 1Data frame format of 433 MHz band

4 實驗測試與分析

以深圳飛比公司的Zigbee開發(fā)套件為基礎(chǔ)，對其進(jìn)行改造后，完成了對本文設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)模型驗證。

具體測試過程如下。如圖4，在湖南工業(yè)大學(xué)電氣與計算機(jī)樓中的兩層分別布置通訊在第11信道和第12信道的Zigbee網(wǎng)絡(luò)一和Zigbee網(wǎng)絡(luò)二；在間隔約20米的隔壁土木機(jī)械樓的兩層同樣布置了通訊，在第11信道和第12信道的Zigbee網(wǎng)絡(luò)一和Zigbee網(wǎng)絡(luò)二；數(shù)據(jù)集中器擺放在電氣計算機(jī)樓的一樓門衛(wèi)室；其中4個Zigbee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器均接有RFM69H射頻模塊，每個Zigbee網(wǎng)絡(luò)均有6個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)集中器可以周期性地收到各個Zigbee數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，為方便觀察，數(shù)據(jù)集中器收到數(shù)據(jù)后通過串口發(fā)送到計算機(jī)上顯示。實驗測試收到的數(shù)據(jù)情況如圖5所示。

圖4 實驗網(wǎng)絡(luò)布局示意圖Fig.4Schematic diagram of the experimental network layout

圖5 串口助手顯示傳感器數(shù)據(jù)采集情況Fig.5Assistant serial display of sensor data acquisition

根據(jù)圖5中顯示的接收數(shù)據(jù)表明，數(shù)據(jù)集中器會周期性收到數(shù)據(jù)，選取第一幀數(shù)據(jù)（2D D4 55 00 00 03 FF 01 10 04 AA BF D9 93 7E）分析其結(jié)構(gòu)：其中2D D4為同步碼，AA 55為頭碼 00 00 03是指傳感器節(jié)點(diǎn)的地址，F(xiàn)F為數(shù)據(jù)集中器地址，01 10分表代表控制碼和功能碼，04為指采集數(shù)據(jù)長度是4個字節(jié)，AA BF A9 93為節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)內(nèi)容，7E為數(shù)據(jù)幀結(jié)束碼。從以上分析知道傳感器網(wǎng)絡(luò)按照既定的通信協(xié)議進(jìn)行了通信，表明分布于兩棟樓內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)均會定期地通過協(xié)調(diào)器向數(shù)據(jù)集中器匯報采集數(shù)據(jù)，證明了該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方案的可行性。另外，當(dāng)把位于土木機(jī)械樓的2個Zigbee網(wǎng)絡(luò)布置到約600 m外的公共教學(xué)樓時，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)集中器的數(shù)據(jù)收集正常，丟包率能保持在小于等于5%的水平，然而當(dāng)把網(wǎng)絡(luò)布置到稍遠(yuǎn)的位置時，發(fā)現(xiàn)集中器數(shù)據(jù)收集出現(xiàn)嚴(yán)重的丟包現(xiàn)象（高于70%）。因此表明，該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能穩(wěn)定地實現(xiàn)區(qū)域半徑約600 m范圍的覆蓋。

5 結(jié)語

基于Zigbee技術(shù)規(guī)范和433 MHz射頻通信，構(gòu)建了一種通信在2個頻段的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型，該傳感器網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)合了Zigbee技術(shù)組網(wǎng)靈活、網(wǎng)絡(luò)容量大和433 MHz射頻通信穿越障礙物能力較強(qiáng)的特點(diǎn)，試驗結(jié)果表明該傳感器網(wǎng)絡(luò)能實現(xiàn)半徑約600 m的區(qū)域內(nèi)建筑群覆蓋，丟包率低于5%，能保障較好的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量（Qos），適合現(xiàn)代生活小區(qū)、大型企業(yè)或商場建筑群環(huán)境的集中監(jiān)控，且整個網(wǎng)絡(luò)通信在ISM頻段，成本低，具有一定應(yīng)用前景。但是該網(wǎng)絡(luò)模型仍然需要進(jìn)行進(jìn)一步地改進(jìn)研究，如433 MHz頻段通信協(xié)議的完善、網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)定位問題的研究等。

[1]張少軍. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京：中國電力出版社, 2010：3-15．Zhang Shaojun. Wireless Sensor Network Technology and Application[M]. Beijing：Chinese Power Press, 2010：3-15.

[2]司海飛，楊終，王珺. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究現(xiàn)狀與應(yīng)用[J]. 電機(jī)工程，2011，28(1)：16-28. Si Haifei，Yang Zhong，Wang Jun. Review on Research Status and Application of Wireless Sensor Networks[J]. Journal of Mechanical & Electrical Engineering，2011，28 (1)：16-28.

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（責(zé)任編輯：申劍）

Design of Wireless Sensor Network for Buildings Monitoring

Liu Dan1，2，Long Yonghong1，Luo Bin2，Huang Xiaofeng1，Shi Wei1
（1.School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China；2.National Engineering Research Center for Information Technology in Agriculture, Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Beijing 100097, China）

The structure of modern buildings is complex and high-rise, and the wireless sensor network(WSN) for centralized monitoring of the buildings must have a large network capacity, and there is certain difficulty in wireless communication link security under the complex multi obstacles environment. Designed a wireless sensor network model integrating Zigbee technology and 433 MHz radio communication technology, in which Zigbee network using the ZSTACK protocol and CC2530 Zigbee module of TI company and the 433 MHz radio communication module using RFM69H. The test results show that this WSN can cover a building area of a radius of 600 m, the packet loss rate is less than 5% and promises a good network service quality(Qos). The network communication is at ISM band with low cost, and the WSN has a good application prospect.

buildings；monitoring；WSN；Zigbee；433 MHz

TN98

A

1673-9833(2014)04-0081-05

10.3969/j.issn.1673-9833.2014.04.018

2014-03-24

湖南省教育廳科研基金資助項目（13C057）

劉丹（1988-），男，湖南益陽人，湖南工業(yè)大學(xué)碩士生，主要研究方向為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用，E-mail：541411392@qq.com