智能建筑环境监察技术

随着物联网产业的不断发展，作为物联网核心技术的无线传感器网络(WirelessSensorNetwork，WSN)技术得到越来越多的研究和关注．WSNs是由大量无处不在的、具有通信与计算能力的微小传感器节点密集布设在无人值守的监控区域，从而构成能够根据环境自主完成指定任务的智能自治测控网络系统［1］，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者．利用WSN进行数据收集可以应用在许多重要的领域，如国防军事、国家安全、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、反恐抗灾等．本文从WSN的研究背景和发展趋势入手，针对智能建筑物中监测系统的特点和实际需求，如环境监控和火灾、跑冒滴漏情况下的报警，提出一种基于区分服务(Differen-tiatedService，Diffserv)机制的数据收集算法，满足了用户对突发事件的监测要求．仿真表明，所提算法比典型的数据收集协议有更长的网络寿命和更好的网络可扩充性．

1相关背景

智能建筑(IntelligentBuilding)是用通信技术、信息技术、控制技术，按照系统工程原理将建筑物有机地结合起来，通过对建筑设备系统的自动监控和信息资源的有效管理，从而向使用者提供智能的综合信息服务，以获得舒适、高效和便利的建筑环境［2］．智能建筑通常包含三大基本组成要素:楼宇自动化系统(BuildingAutomationSystem，BAS)、通信自动化系统(CommunicationAutomationSystem，CAS)和办公自动化系统(OfficeAutomationSystem，OAS)，通常称为3A系统(如图1所示)．这三个子系统涵盖了安全性、便捷性、舒适性三大服务领域:安全性方面如火灾自动报警、自动喷淋灭火、防盗报警、电梯运行监控、应急照明、出入控制等功能;舒适性方面提供如空调控制、供热控制、给排水控制、供配电监控、卫星电视、视频点播等功能;便捷性方面提供如综合布线、电话通信、办公自动化、宽带接入、物业管理等功能．WSN具有耗资小、维护和更新费用低等优势，适合监测智能建筑物内的环境，具有以下特点:(1)网络的使用寿命要长、节点的能量可以补充．建筑物中的网络使用寿命需要达到几十年，而其它WSN应用中的使用寿命通常很短，如用于战场信息收集的传感器网络的寿命只需几天或更短的时间．(2)网络可以人工维护．在智能建筑中不仅可以通过人工方法安装传感器节点，而且也可以人工更换传感器节点的电池和对传感器节点进行维修．(3)传感器节点的数目多．为了提供舒适、方便、节能和安全的工作和生活环境，在现代建筑物中需要部署大量的传感器节点来对周围的环境进行监测．(4)由不同类型的传感器节点构成异构网络．传感器网络由不同种类的传感器组成，包括不同厂商、不同监测目标、不同型号的传感器．这些传感器协同工作，对目标环境进行综合监测．(5)网络拓扑结构的不完全控制．虽然在现代建筑中的网络系统是通过人工部署的，但是传感器节点的位置通常要根据建筑物的物理环境来决定．本文借鉴网络Diffserv的思想，提出一种应对紧急数据处理、具有Diffserv机制的数据收集算法(DSDG，Diffserv－DataGathering)．其核心思想是，在没有紧急情况时，按用户的指令启动网络监测功能，周期性对目标区域进行持续性监测，完成数据收集任务;当有紧急数据产生时，系统能快速向用户报告事件的发生，确保紧急数据传输的及时性．算法具有一定的理论意义和实际意义．

2基于Diffserv机制的环境监测系统

2．1Diffserv机制目前，WSN广泛应用于智能建筑中的环境监测等领域．例如，在建筑物火灾监控系统中，当传感器节点监测到周围温度超过常温时，需要以可靠、及时的方式将温度信息传送到基站以便采取相应的措施．因此，WSN在应用中必须能够进行区分服务并提供相应的服务质量(QualityofService，QoS)支持［3］．Diffserv机制［4］是IETF提出的一种能够在IP网络特别是Intemet上提供良好的QoS保证的解决方案．Diffserv的基本思想是将用户的数据流按照QoS要求来划分等级，用户通过设置每个数据包的DS字段的区分服务码点域(DSCP)确定包的优先级，并打上相应的优先级标签;然后对不同优先级的包进行流量调节，最后根据优先级对包进行缓存和调度输出．核心路由器在调度转发数据包时以流聚集为服务对象，按照DS的标记，对不同类型的数据提供不同QoS的数据包转发服务．在WSN中，最基本、最重要的Diffserv的参数之一是数据包抵达数据汇聚节点(Sink)的时延，即具有更高优先级的数据包抵达Sink的时延应该少于低优先级数据包的时延．

2．2使用双队列方案实现Diffserv机制双队列方案的思想是:Diffserv机制由充当路由的簇头节点(Cluster)提供，本文把服务类别分为两种:普通的和紧急的．大多数通信流量属于普通流量，但有一小部分分组属于紧急类别，紧急类别的分组可以直接通过汇集树到达Sink而不需等待数据融合时延．实现策略:在Cluster的输出路径上定义两个输出队列，分别用于:紧急业务分组和普通业务分组．当某分组到来时，根据它的业务数据类别加入相应的队列．具体为:每个簇内的传感器节点在监测到现场感应数据后，马上与关键字段设定的阈值进行对比，根据对比的结果确定数据的服务类型，将此服务类型填充在数据分组的DSCP域中，然后将数据分组发送给所在的Cluster，Cluster根据服务类型来为其选择排入哪种服务队列中．排在紧急队列中的数据不参加数据融合也无需等待数据传输时隙的到来，而是即刻沿汇集树转发到父节点;而在普通队列中的数据要等待数据传输时隙的到来并参加数据融合操作后，才能将融合数据沿汇集树转发到父节点，并清空普通队列等待下一轮数据收集，如下图2所示．

2．3理论分析分簇完毕并且解决了簇间路由和簇内路由后，传感器网络就进入了稳定的数据传输阶段．TG表示本轮的数据收集时段(DataGatheringPhase)，事先规定持续时间长度为TG．簇成员节点将数据发送给各自的Cluster，Cluster将数据融合后，通过汇集树上其它的中间Cluster将数据发送到Sink．基于Diffserv机制的数据收集算法描述如下:构建路由汇集树并为网内所有的节点分配TD-MA(TimeDivisionMultipleAccess，时分多址)时隙(持续时间);簇内活动成员节点采集监测数据，将监测数据与关键字段设定的阈值进行比较，如果监测到的数据值没有超过阈值范围，则表示普通数据;反之，为紧急数据;节点根据之前计算的TDMA时隙按顺序将数据分组发送给Cluster;Cluster接收到其簇内节点传送来的数据分组后，首先查看分组的DS字段，判断是否为紧急数据，如果是紧急数据，则不等待数据融合处理，直接将该数据分组广播到它在树上的父节点．如果是普通数据，则将其存储在缓冲区内，等待融合时延时间到后，将缓冲区内所有数据进行数据融合，并把融合后的数据分组广播到它在汇集树上的父节点．

3仿真与结果

本节对具有Diffserv机制的数据收集算法DS-DG与TEEN［5］，APTEEN［6］协议的主要性能进行比较．TEEN(ThresholdSensitiveEnergyEfficientSen-sorNetwork)阈值敏感能效型传感器网络协议采用类似LEACH［7］的分簇算法，即在数据传送阶段使用不同的策略．根据数据传输模式的不同，把WSN分为主动型和被动型．主动型WSN持续监测周围环境，并以恒定速率发送监测数据;而被动型WSN只是在被监测对象发生突变时才传送监测数据．APTEEN(AdaptivePeriodic-TEEN)是针对实时性应用的分层型数据收集协议．能根据用户的需要和应用类型改变周期或关键字段的阈值．WSN中衡量数据收集协议性能的一个主要指标是网络的生命周期，网络的生命周期用网络生存节点数与网络运行轮数的关系表述．本文采用与文献［8］相同的无线传感器网络能量耗费模型．ETx=k*Eelec+k*εfs*d2，d＜d0k*Eelec+k*εmp*d4，d≥d{0(1)式(1)为发射k比特数据耗损的能量ETx的计算公式，由发射电路耗损和功率放大耗损两部分构成．功率放大耗损则根据发送者和接收者之间的距离分别采用自由空间模型和多路径衰减模型，Eelec为发射电路的耗损能量，εfs为自由空间信道模型下功率放大所需能量、εmp为多路径衰减信道模型下功率放大所需能量．ERx=k*Eelec(2)式(2)为接收k比特数据的能量耗损ERx的计算公式，仅由电路耗损引起．实验中，监视区域要求100%被覆盖(即簇内所有节点都为活动节点)．实验中未考虑紧急数据的处理．实验结果均为100次独立实验结果的均值，每次独立实验都采用不同的随机拓扑．取上式中参数为:Eelec=50nJ/bit，εmp=0.0013pJ/bit/m4，εfs=13pJ/bit/m2，d=85m．此外，对数据信号进行融合等处理时也将耗损能量，由Efusion表示融合单个数据信号所耗损的能量．对于任一Cluster，假设其簇内成员节点数为q，则将q个成员节点的数据信号和自身的数据信号融合为一个有效信号耗费的能量为Ecomp=(q+1)*Efusion*k．具体参数设置见表1．仿真场景为:200个无线传感器节点随机分布在80×100m2的平面监测区域，Sink远离监测区域，位于坐标(60，90)．

3．1节点死亡数量与时间的关系从图3可以看出DSDG的节点生存时间相对TEEN和APTEEN都有显著提高，虽然DSDG第一节点死亡的时间较TEEN稍有提早，但节点死亡的速率较慢，最后网络生存期反而比TEEN、APTEEN延长．造成这种现象的主要原因是TEEN存在两个缺陷:一是如果阈值不能达到，节点不会传送任何数据．二是数据一旦符合阈值要求，节点立即传送，容易造成信号干扰，如果采用TDMA，则会造成数据延迟．而APTEEN协议的主要缺点在于阈值函数增如了额外的复杂度．DSDG数据收集过程能耗较TEEN得到极大程度的降低，对APTEEN也有所降低，从而提高了整个网络的生命周期．

3．2不同节点数目下的平均延迟图4所示数据包的平均延迟与节点数目的关系．DSDG的延迟随着节点数目的增大略有增大，但变化不明显;而TEEN、APTEEN随着节点数目的增大延时显著增大，因为这两个协议随着节点数目的增多，簇内TDMA时隙显著增多，增加了簇内数据收集的延时，所以整个网络的延时也相应增加．

4总结

针对现代智能建筑中WSN监测技术的特点和实际需求，本文提出了一种基于Diffserv机制的数据收集算法DSDG，满足了建筑物控制管理中心对突发事件的监测要求．仿真表明DSDG比TEEN、AP-TEEN有更长的网络寿命、较稳定的延迟和更好的网络可扩充性．此协议既可按用户的指令启动网络系统的监测功能，周期性对目标区域进行持续监测，完成一般数据收集任务，当有紧急数据产生时，系统也能及时反应，快速向建筑物控制管理中心报告紧急事件的发生．