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隨著物聯網產業的不斷發展，作為物聯網核心技術的無線傳感器網絡(WirelessSensorNetwork，WSN)技術得到越來越多的研究和關注．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點密集布設在無人值守的監控區域，從而構成能夠根據環境自主完成指定任務的智能自治測控網絡系統［1］，其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域中感知對象的信息，并發送給觀察者．利用WSN進行數據收集可以應用在許多重要的領域，如國防軍事、國家安全、環境監測、交通管理、醫療衛生、制造業、反恐抗災等．本文從WSN的研究背景和發展趨勢入手，針對智能建筑物中監測系統的特點和實際需求，如環境監控和火災、跑冒滴漏情況下的報警，提出一種基于區分服務(Differen-tiatedService，Diffserv)機制的數據收集算法，滿足了用戶對突發事件的監測要求．仿真表明，所提算法比典型的數據收集協議有更長的網絡壽命和更好的網絡可擴充性．

1相關背景

智能建筑(IntelligentBuilding)是用通信技術、信息技術、控制技術，按照系統工程原理將建筑物有機地結合起來，通過對建筑設備系統的自動監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(BuildingAutomationSystem，BAS)、通信自動化系統(CommunicationAutomationSystem，CAS)和辦公自動化系統(OfficeAutomationSystem，OAS)，通常稱為3A系統(如圖1所示)．這三個子系統涵蓋了安全性、便捷性、舒適性三大服務領域:安全性方面如火災自動報警、自動噴淋滅火、防盜報警、電梯運行監控、應急照明、出入控制等功能;舒適性方面提供如空調控制、供熱控制、給排水控制、供配電監控、衛星電視、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、物業管理等功能．WSN具有耗資小、維護和更新費用低等優勢，適合監測智能建筑物內的環境，具有以下特點:(1)網絡的使用壽命要長、節點的能量可以補充．建筑物中的網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，如用于戰場信息收集的傳感器網絡的壽命只需幾天或更短的時間．(2)網絡可以人工維護．在智能建筑中不僅可以通過人工方法安裝傳感器節點，而且也可以人工更換傳感器節點的電池和對傳感器節點進行維修．(3)傳感器節點的數目多．為了提供舒適、方便、節能和安全的工作和生活環境，在現代建筑物中需要部署大量的傳感器節點來對周圍的環境進行監測．(4)由不同類型的傳感器節點構成異構網絡．傳感器網絡由不同種類的傳感器組成，包括不同廠商、不同監測目標、不同型號的傳感器．這些傳感器協同工作，對目標環境進行綜合監測．(5)網絡拓撲結構的不完全控制．雖然在現代建筑中的網絡系統是通過人工部署的，但是傳感器節點的位置通常要根據建筑物的物理環境來決定．本文借鑒網絡Diffserv的思想，提出一種應對緊急數據處理、具有Diffserv機制的數據收集算法(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絡監測功能，周期性對目標區域進行持續性監測，完成數據收集任務;當有緊急數據產生時，系統能快速向用戶報告事件的發生，確保緊急數據傳輸的及時性．算法具有一定的理論意義和實際意義．

2基于Diffserv機制的環境監測系統

2．1Diffserv機制目前，WSN廣泛應用于智能建筑中的環境監測等領域．例如，在建筑物火災監控系統中，當傳感器節點監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分服務并提供相應的服務質量(QualityofService，QoS)支持［3］．Diffserv機制［4］是IETF提出的一種能夠在IP網絡特別是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據流按照QoS要求來劃分等級，用戶通過設置每個數據包的DS字段的區分服務碼點域(DSCP)確定包的優先級，并打上相應的優先級標簽;然后對不同優先級的包進行流量調節，最后根據優先級對包進行緩存和調度輸出．核心路由器在調度轉發數據包時以流聚集為服務對象，按照DS的標記，對不同類型的數據提供不同QoS的數據包轉發服務．在WSN中，最基本、最重要的Diffserv的參數之一是數據包抵達數據匯聚節點(Sink)的時延，即具有更高優先級的數據包抵達Sink的時延應該少于低優先級數據包的時延．

2．2使用雙隊列方案實現Diffserv機制雙隊列方案的思想是:Diffserv機制由充當路由的簇頭節點(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而不需等待數據融合時延．實現策略:在Cluster的輸出路徑上定義兩個輸出隊列，分別用于:緊急業務分組和普通業務分組．當某分組到來時，根據它的業務數據類別加入相應的隊列．具體為:每個簇內的傳感器節點在監測到現場感應數據后，馬上與關鍵字段設定的閾值進行對比，根據對比的結果確定數據的服務類型，將此服務類型填充在數據分組的DSCP域中，然后將數據分組發送給所在的Cluster，Cluster根據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據不參加數據融合也無需等待數據傳輸時隙的到來，而是即刻沿匯集樹轉發到父節點;而在普通隊列中的數據要等待數據傳輸時隙的到來并參加數據融合操作后，才能將融合數據沿匯集樹轉發到父節點，并清空普通隊列等待下一輪數據收集，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路由后，傳感器網絡就進入了穩定的數據傳輸階段．TG表示本輪的數據收集時段(DataGatheringPhase)，事先規定持續時間長度為TG．簇成員節點將數據發送給各自的Cluster，Cluster將數據融合后，通過匯集樹上其它的中間Cluster將數據發送到Sink．基于Diffserv機制的數據收集算法描述如下:構建路由匯集樹并為網內所有的節點分配TD-MA(TimeDivisionMultipleAccess，時分多址)時隙(持續時間);簇內活動成員節點采集監測數據，將監測數據與關鍵字段設定的閾值進行比較，如果監測到的數據值沒有超過閾值范圍，則表示普通數據;反之，為緊急數據;節點根據之前計算的TDMA時隙按順序將數據分組發送給Cluster;Cluster接收到其簇內節點傳送來的數據分組后，首先查看分組的DS字段，判斷是否為緊急數據，如果是緊急數據，則不等待數據融合處理，直接將該數據分組廣播到它在樹上的父節點．如果是普通數據，則將其存儲在緩沖區內，等待融合時延時間到后，將緩沖區內所有數據進行數據融合，并把融合后的數據分組廣播到它在匯集樹上的父節點．

3仿真與結果

本節對具有Diffserv機制的數據收集算法DS-DG與TEEN［5］，APTEEN［6］協議的主要性能進行比較．TEEN(ThresholdSensitiveEnergyEfficientSen-sorNetwork)閾值敏感能效型傳感器網絡協議采用類似LEACH［7］的分簇算法，即在數據傳送階段使用不同的策略．根據數據傳輸模式的不同，把WSN分為主動型和被動型．主動型WSN持續監測周圍環境，并以恒定速率發送監測數據;而被動型WSN只是在被監測對象發生突變時才傳送監測數據．APTEEN(AdaptivePeriodic-TEEN)是針對實時性應用的分層型數據收集協議．能根據用戶的需要和應用類型改變周期或關鍵字段的閾值．WSN中衡量數據收集協議性能的一個主要指標是網絡的生命周期，網絡的生命周期用網絡生存節點數與網絡運行輪數的關系表述．本文采用與文獻［8］相同的無線傳感器網絡能量耗費模型．ETx=k*Eelec+k*εfs*d2，d＜d0k*Eelec+k*εmp*d4，d≥d{0(1)式(1)為發射k比特數據耗損的能量ETx的計算公式，由發射電路耗損和功率放大耗損兩部分構成．功率放大耗損則根據發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比特數據的能量耗損ERx的計算公式，僅由電路耗損引起．實驗中，監視區域要求100%被覆蓋(即簇內所有節點都為活動節點)．實驗中未考慮緊急數據的處理．實驗結果均為100次獨立實驗結果的均值，每次獨立實驗都采用不同的隨機拓撲．取上式中參數為:Eelec=50nJ/bit，εmp=0.0013pJ/bit/m4，εfs=13pJ/bit/m2，d=85m．此外，對數據信號進行融合等處理時也將耗損能量，由Efusion表示融合單個數據信號所耗損的能量．對于任一Cluster，假設其簇內成員節點數為q，則將q個成員節點的數據信號和自身的數據信號融合為一個有效信號耗費的能量為Ecomp=(q+1)*Efusion*k．具體參數設置見表1．仿真場景為:200個無線傳感器節點隨機分布在80×100m2的平面監測區域，Sink遠離監測區域，位于坐標(60，90)．

3．1節點死亡數量與時間的關系從圖3可以看出DSDG的節點生存時間相對TEEN和APTEEN都有顯著提高，雖然DSDG第一節點死亡的時間較TEEN稍有提早，但節點死亡的速率較慢，最后網絡生存期反而比TEEN、APTEEN延長．造成這種現象的主要原因是TEEN存在兩個缺陷:一是如果閾值不能達到，節點不會傳送任何數據．二是數據一旦符合閾值要求，節點立即傳送，容易造成信號干擾，如果采用TDMA，則會造成數據延遲．而APTEEN協議的主要缺點在于閾值函數增如了額外的復雜度．DSDG數據收集過程能耗較TEEN得到極大程度的降低，對APTEEN也有所降低，從而提高了整個網絡的生命周期．

3．2不同節點數目下的平均延遲圖4所示數據包的平均延遲與節點數目的關系．DSDG的延遲隨著節點數目的增大略有增大，但變化不明顯;而TEEN、APTEEN隨著節點數目的增大延時顯著增大，因為這兩個協議隨著節點數目的增多，簇內TDMA時隙顯著增多，增加了簇內數據收集的延時，所以整個網絡的延時也相應增加．

4總結

針對現代智能建筑中WSN監測技術的特點和實際需求，本文提出了一種基于Diffserv機制的數據收集算法DSDG，滿足了建筑物控制管理中心對突發事件的監測要求．仿真表明DSDG比TEEN、AP-TEEN有更長的網絡壽命、較穩定的延遲和更好的網絡可擴充性．此協議既可按用戶的指令啟動網絡系統的監測功能，周期性對目標區域進行持續監測，完成一般數據收集任務，當有緊急數據產生時，系統也能及時反應，快速向建筑物控制管理中心報告緊急事件的發生．