信阳师范学院学报：自然科学版 第２６卷第４期２０１３年ｌ０月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｘｉｎｙａｎｇ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ Ｖｏ１．２６ Ｎｏ．４ Ｏｅｔ．２０ｌ３ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３－０９７２．２０１３．０４．０３８ 基于智能家居环境的无线传感器网络结构研究 李 蕾 ，方明科 ，黄威 （１．信阳师范学院计算机与信息技术学院，河南信阳４６４０００； ２．上海大学计算机工程与科学学院，上海２０００７２） 摘的性能． 要：对星状网络、网状网络和星状网状混合网络的拓扑结构进行比较，并通过实验测试对３种拓扑结 构在采集温度、光强数据以及功耗等方面进行分析，结果表明混合拓扑结构的网络对于智能家居环境具有更好 关键词：智能家居；无线传感器网络；拓扑结构；功耗 中图分类号：ＴＰ３９３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００３－０９７２（２０１３）０４－０６１６－０４ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｓｅｎｓｏｒ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｓｍａｒｔ Ｈｏｍｅ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ Ｌｉ Ｌｅｉ ，Ｆａｎｇ Ｍｉｎｇｋｅ ，Ｈｕａｎｇ Ｗｅｉ （１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉｎｙａｎｇ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉｎｙａｎｇ ４６４０００，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００７２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｒｅｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ｔｏｐｏｌｏｇｉｅｓ ｏｆ ｓｔａｒ，ｍｅｓｈ ａｎｄ ｓｔａｒ—ｍｅｓｈ ｈｙｂｒｉｄ ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｗｅｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｅａｃｈ ｏｔｈｅｒ， ａｎｄ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｗｅｒｅ ｍａｄｅ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｇａｔｈｅｒｅｄ ｄａｔａ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｌｉｇｈｔ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｈｙｂｒｉｄ ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｎｅｔｗｏｒｋ ｈａｓ ａ ｂｅｔｔｅｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｍａｒｔ ｈｏｍｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｍａｒｔ ｈｏｍｅ；ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ；ｔｏｐｏｌｏｇｙ；ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ０引言 无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的微型传 感器结点通过无线电通信形成的一个多跳的自组织网络系 统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域里被监 要求，因此，选择一个合适的拓扑结构对于无线信号的传递 至关重要． １拓扑结构简介 １．１现有拓扑结构的缺陷 测对象的信息，并发送给观察者，从而实现对任意地点信息 在任意时间的采集、处理和分析．无线传感器网络涉及传感 器技术、计算机技术、通信技术等，是多学科高度交叉、新 兴、前沿的热点研究领域” Ｊ． 目前星状和网状结构被广泛使用在短距离的智能家居 环境中．星状结构是一个直接通信系统，每一个结点在基站 的通信范围之内，从源结点到终点采用广播方式．直接通信 的主要障碍是广播通信距离，广播信号会受到家庭电子设 备、墙体尤其是金属介质的阻碍，甚至传感器结点和基站之 随着人们对生活质量的要求逐渐提高，人们越来越希 望通过科技能使日常的行为变得更加方便和高效，因此家 居智能化成为一种主要的应用趋势 Ｊ．通过部署在家庭的 各个位置的大量的无线传感器结点，以自组织方式构成无 线网络，去感知、采集和处理家庭环境巾特定的如环境温 间临时放置的有些材质也会干扰无线电通信．所以星状结 构虽然能量消耗小，但抗干扰能力弱，可靠性差． 网状结构中，各个传感器之间具有多跳路径，是整个网 络的全连接．每一个结点作为一个中继，仅仅把收到的每一． 度、人体温度、照明度、煤气泄漏等信息，实现家庭的健康护 理、能量监测和安全防护等方面的应用．智能家居环境的无 个报文转发给各自的邻居或基站，避免了相互通信都需要 通过基站的缺陷，因此网状网络比星状网络具有更大的覆 盖范围．但网状网络拓扑结构变化复杂，在网状网中进行多 线传感器网络具有低成本、低功耗、布线简单、控制方便等 收稿日期：２０１３－０３￣７；修订日期：２０１３－０６—１３； ．通信联系人。Ｅ－ｍａｉｌ：ｈａｐｐｙｌ１９５＠１６３．ｅｏｍ 基金项目：河南省教育厅自然科学研究计划项目（２０１１Ａ５２００３６） 作者简介：李蕾（１９７８．），女，河南信阳人，副教授，硕士，研究方向：无线传感器网络． ・６ｌ６・ 李营，等：基于智能家居环境的无线传感器网络结构研究 ２．２路由方案 跳路由查找以及路由维护和修复是非常困难的，同时传感 器结点必须一直保持“监听”状态，随时监测网络状态变 混合拓扑基于定向扩散算法 ．定向扩散算法是一个 典型的以数据为中心的算法，用于保证有效的数据传输．二 层的终端结点开始发送数据给基站时，首先它将广播请求 化，以便有效地建立路由和传递数据，也会消耗更多的能 量．无线传感器网络的一个关键考虑就是电池电量，网络的 生命周期完全依赖于电池电量的生命期．因此在智能家庭 网络环境中，需要一个更有效的、具有低能耗和高可靠性的 网络结构系统去克服星状和网状结构的缺陷 ． １．２星状网状混合结构 信号给所有的邻居结点并查找到达基站的双亲结点．邻居 结点可以是终端结点或网状结点，它并不选择相同层的结 点以到达基站．通过这种方法能减少到基站的跳数，并将会 得到多个双亲结点并且从中选择出能耗小的最优路径． Ｂ 混合结构结合了星状结构低功耗、简单的特点和网状 结构可扩展和自愈的特性，网络的建立、维护和更新更加简 单和高效．网络中的基站和基站以网状结构连接，每个基站 又以星状方式连接传感器结点．网状结点将用于扩展网络 范围和提供网络的可靠性，如果有故障发生能自适应调整 路径．终端传感器结点可以和多个网状结点通信，如果一个 结点出现故障或无线链路受到干扰，网络可以重新配置 ． 本文对此种混合型拓扑结构进行配置和测试． ２星状网状混合网络的工作原理 ２．１网络初始化 在星状网状混合拓扑结构中，传感器结点试图以星状 结构的方式直接向基站广播通信．基站根据各自广播信号 的强度来决定传感器结点的层次．基站收到请求信号如果 足够强可以通信，这个结点将被作为第一层结点，这就意味 着所有和基站直接连接的结点被定义为第一层结点．另一 方面，他们可以为其他邻居传感器结点担当路由器的功能． 而在网络中的由于较低的无线信号强度和受到无线链路的 干扰不能和基站直接通信的传感器结点被称为第二层结点 也被称为终端结点．第二层结点试图向所有的邻居结点再 次广播以检测可达的双亲结点或路由．终端结点能和多个 双亲结点通信，如果一个失败或一个无线链路受到干扰，网 络会围绕现存的网状结点重新配置．配置后的拓扑结构如 图１所示． 第 图１星状网状混合拓扑结构 Ｆｉｇ．１ Ｓｔａｒ－ｍｅｓｈ ｔｏｐｏｌｏｇｙ Ｃ 图２终端结点Ａ的路由 Ｆｉｇ．２ Ｒｏｕｔｉｎｇ ｏｆ ｅｎｄ ｎｏｄｅ Ａ 在图２中，结点Ａ试图选择一条到达基站的路径．从第 一层结点Ｂ和Ｃ均可以达到．Ａ将检测无线信号强度，距离 越短，无线信号越强．假设Ａ选择Ｂ作为通往基站的最好 的邻居结点．以后结点Ａ向基站发送信号均通过结点Ｂ进 行． ２．３自愈能力 在无线传感器网络中，网络的故障可能因为很多原因 发生．例如一个传感器结点发生故障或者无线链路受到干 扰都将影响源和接收端的通信．在图２中，假设在结点Ｂ和 基站之间的无线信号受到干扰，结点Ｂ不能到达基站，终端 结点Ａ将去发现另一条与基站通信的路径．结点Ａ将再次 围绕它的邻居发送请求，它发现了可以通过Ｃ与基站通信． 因此Ａ又选择Ｃ作为通往基站的邻居结点，以后结点Ａ向 基站发送信号均通过结点Ｃ进行．而结点Ｂ与基站断开了 连接，不能直接和基站通信后，它将自动地变为二层结点． 新的二层结点Ｂ试图向它的邻居发送请求去发现它自己与 基站的连接．通过这种方法，它能够以自己的路由与基站通 信． ２．４能量消耗 在新的混合网络拓扑算法中，传感器结点被分为两个 层次，网状结点可以直接和基站通信，它们将实现一跳到达 基站．而且它们将互相通信并能充当其他结点的路由器．这 种功能的实现要消耗较多的能量．二层星状结点将同邻居 结点连接以到达基站，它们没有路由功能，将减少能量消 耗． 结合一层网状结点和二层星状结点的混合网络，降低 了纯网状结构的能量的消耗，并能支持网络范围的扩展和 网状网络自愈的特性，实现起来更灵活，效率更高．下面将 ．６】７． 第２６卷第４期 信阳师范学院学报：自然科学版ｈｔｔｐ：／／ｊｏｕｒｎａ１．ｘｙｔｃ．ｅｄｕ．ｃｎ ２０１３年１０月 给出实验测试的结果 耗．但是如果在传感器网络中使用这个拓扑，远离基站的传 感器将无法正常工作．而且有时会有强大的无线干扰介质 将引起通信的数据丢失． ３．２．２网状拓扑的实验结果 ３实验测试 ３．１实验环境 使用基于ＪＡＶＡ开发平台的无线传感器网络设备Ｓｕｎ 在网状的拓扑结构中，所有的传感器结点互相连接．如 图４所示，结点Ｄ有多重路径与基站连接，传感器结点成为 ＳＰＯＴ．Ｓｕｎ ＳＰＯＴ采用了３２位的高效能处理器ＡＲＭ９２０Ｔ、基 于ＺｉｇＢｅｅ的ＣＣ２４２０无线通信芯片和创新的Ｓｑｕａｗｋ Ｊａｖａ 全功能的设备．它们具有完全的功能路由从其他传感器结 虚拟机．一个Ｓｕｎ ＳＰＯＴ结点内置有温度、光强、三轴加速度 传感器，采集到各种数据后通过２．４ Ｇ无线信号发送到连 接计算机的基站中，由基站存储并转发传感器数据，这些远 程的传感器数据可实时向Ｗｅｂ发布．利用Ｓｕｎ ＳＰＯＴ技术， 可以实现多结点传感器数据的无线远程采集、处理和传输 应用［６－７］． ３．２实验内容 在实验室里放置集成了温度和光传感器的Ｓｕｎ ＳＰＯＴ 传感器结点，使用３种不同的网络拓扑进行实验．收集温度 和光的数据，并比较其功耗． ３．２．１星状拓扑的实验 在两个相对的房间内使用星形拓扑设置了４个传感器 结点和１个基站．传感器结点标识为Ａ到Ｄ，如图３所示， 这４个传感器结点放置在不同的位置，结点Ａ和Ｄ放置在 房间２内，结点Ｂ放置在房间外，结点Ｃ在两个房间中间的 走廊上．房间内还有一些干扰无线信号的计算机和电子设 备． 房间１ 房间２ ＼ 走廊／ 且 — Ａ 基站＼ Ｃ Ｄ 图３星状拓扑 Ｆｉｇ．３ Ｓｔａｒ ｔｏｐｏｌｏｇｙ 实验选择了一个晴朗并且光线很强的天气，共经历７ ｈ，从早上４：５５开始到１１：４０结束．每５ ｍｉｎ收集一次数据． 实验结果显示，结点Ａ、Ｃ、Ｄ因为放置在房间内，所以采集 到的温度相似，并在７ ｈ内变化不大，而传感器结点Ｂ放置 在房间外，从ｌ０：００到１１：４０这个时问内温度有较大的变 化．在实验过程中采集到的光线强度数据表示，由于房间２ 在整个实验过程中是关闭的，也没有照明设备，所以整个实 验中只有结点Ｂ和结点Ｃ采集到了光强的数据，其中结点 Ｂ采集的光数据变化很大．同时，在实验中还采集到了各个 结点的功耗，将在后面的实验中一同进行比较分析． 另外需要注意的是，在这个实验中，没有从结点Ｄ收集 数据．因为结点Ｄ距离基站较远，超出了实验设备通信的范 围，所以它不能直接同基站通信． 总之，星状拓扑和其他拓扑结构相比，具有更低的功 ・６】８・ 点过来的数据，所以网状拓扑结构的可靠性比星状结构高 很多．本次实验从晚上１１：００到早上６：００进行．因此房间 内的结点温度和光强数据没有大的变化，只有房间外的结 点Ｂ温度数据和光强数据均有变化 房间１ 房ｆＲ］２ ＼ 走 — ／ ’ ’ 基站 ＼ ＼ ＝ Ｃ Ｄ 图４网状拓扑 Ｆｉｇ．４ Ｍｅｓｈ ｔｏｐｏｌｏｇｙ 根据数据的分析，网状拓扑比星形拓扑丢失的数据少． 但是它的能量损耗比星形拓扑高的多．所有的结点作为全 功能结点运行，因此具有更高的能量消耗． ３．２．３星状一网状混合拓扑实验 如图５，结点Ａ、Ｂ和Ｃ作为第一层网状结点直接与基 站相连，结点Ｄ因与基站距离较远，不能直接连接基站就成 为了二层结点．结点Ｄ与基站通信有多条路径，但是在通信 过程中将尽力寻找一个通信的最佳的邻居结点．采集的温 度、光强数据和星状网络以及网状网络相近 房间】 房间２ ＼ — 廊 ／ ＼ ’ ＼ ／ ’ 基站、 ／ ＼斤 ｚ Ｃ Ｄ 图５星状网状混合拓扑 Ｆｉｇ．５ Ｓｔａｒ－Ｍｅｓｈ Ｈｙｂｒｉｄ ｔｏｐｏｌｏｇｙ 下面将着重比较一下３种拓扑的功耗数据．从图６中 数据可以看出，在３种结构中，星状网络总的能量消耗是最 低的．在网状和混合结构中，结点Ａ、Ｂ和Ｃ作为全功能的 设备并充当了路由器的功能，所以功耗相近．但是，对于结 点Ｄ来说，混合拓扑中结点Ｄ作为二层星状结构的结点， 既保持了和基站的连接，又比其他结点具有更低的功耗．并 李蕾，等：基于智能家居环境的无线传感器网络结构研究 且从实验数据分析，混合结构的网络的数据丢失率和网状 只有４次数据丢失发生 结构接近但比星形结构要低．在８．５ ｈ的数据采集过程中， 槲 －＿一 一－＿－一 ∞∽∞ 甘曲 §§三ｊ三 璺ｊ囱 时间 ……一一 时问 时间 星状网络的功耗 网状网络的功耗 混合网络的功耗 图６三种网络结构的功耗 Ｆｉｇ．６ Ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ｔｏｐｏｌｏｇｙ ４结论 结构是一个可靠的数据网络但是能量消耗高．由于实验环 境所限，实验仅在小范围网络中进行．因此本文可以验证， 本文分析了３种不同的网络拓扑结构，并通过实验进 对于基于智能家居环境的短距离的无线传感器网络而言， 行了测试．星状拓扑结构总的能量损耗最低，但是连通性较 星状一网状混合结构比星状结构和网状结构具有更好的性 差，抗干扰能力不强，不是一种可靠的拓扑结构．网状拓扑 能． 参考文献： ［１］任丰原，黄海宁，林闯．无线传感器网络［Ｊ］．软件学报，２００３，１４（７）：１２８２－１２９１． 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