D0I:10.13374/j.issnl001-13.2007.7.0 第29卷第7期 北京科技大学学报 Vol.29 No.7 2007年7月 Journal of University of Science and Technology Beijing Ju.2007 种用于设备监测的高效无线传感器 网络多跳同步时分协议 樊勇)徐金梧)杨德斌)王沁) 1)北京科技大学信息工程学院，北京1000832)北京科技大学机械电子工程研究所，北京100083 摘要基于冶金企业设备监测的背景提出了一种无线传感器网络多跳同步时分协议·该协议采用自组织的层次拓扑控制 方式，以簇头构成系统的骨干网，通过可靠路由方式传输数据。簇内节点组成局部网络以较小的发射功率采用分时多跳的方 式将数据传输到距离较远的簇头，通过同步休眠机制降低功耗、满足传输时延要求：在治金企业实际设备监测系统中的应用 表明该协议具有扩展性强、传输可靠、倍号延迟小和功耗低等特点· 关键词无线传感器网络：层次拓扑；同步时分：设备监测：网络协议 分类号TP393.17:TN925.93 治金企业设备监测（如温度、湿度、位移等）系统 池，辅助节点不包含传感器，簇头和汇聚节点包含 需要铺设大量的电缆、网线、光纤以构成传输网络， 处理器、无线收发装置和持续电源，因此簇头与汇 其设备建设和维护成本很高，对于环境要求苛刻的 聚节点之间的通信采用X MESH路由协议，以 场合，如旋转部件、油库等，会限制布线、供电，往往 WMEWMA]作为评估算法，选择最佳链路质量和 难于监测数据，无线传感器网络技术是一种低功 最短路径的节点作为父节点，为传感器节点数据的 耗、自组织、短距离无线传输技术，实现监测、感知和 转发建立一个可靠的传输链路 采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的数 可步休眠 据，这些数据通过无线方式被发送，并以自组多跳的 网络方式传送到用户终端).本文针对设备监测 现场的实际情况，提出了一种无线传感器网络多跳 容汇聚节点 MESH路由 ☆簇头 同步时分协议，采用同步休眠机制克服了非同步休 △传感器节点 O辅助节点 眠机制所带来的时间延迟大的问题，同时实现比较 简单，可以满足工业监测场合对于扩展性、可靠性、 时延性、低功耗等方面的要求. 图】无线传感器网络拓扑结构 1系统拓扑结构 Fig-1 Topology in WSN 根据工业设备监测实际情况，考虑到在较大区 本文主要考虑通过加入辅助节点，实现传感器 域内可以为某些节点设备持续供电，本文提出了如 节点到簇头的基于多跳同步时分机制的通讯协议， 图1所示的无线传感器网络的系统拓扑结构， 2通讯协议的设计 系统由传感器节点、辅助节点、簇头和汇聚节点 传感器节点到簇头的通讯协议要考虑如下几个 组成，传感器节点采集到的数据通过辅助节点以多 因素， 跳方式传输到簇头，簇头构成骨干网，负责数据到 (1)为了延长整个网络的运行周期，要求各节 汇聚节点的转发，汇聚节点或与汇聚节点相连的诊 点节省能量，在传感器网络中，节点能量损失主要 断系统根据这些数据判断设备运行状态，传感器节 体现在以下几个方面闺：节点在没有事件发生时也 点包含多个传感器、微处理器、无线收发装置和电 必须时刻处于工作状态；节点之间由于争用无线信 收稿日期：2005-12-16修回日期：2006-03-21 道产生冲突，造成数据重传：由于节点发送消息采用 作者简介：樊勇(1977一)，男，博士：王沁(1961一)，女，教授， 广播方式，势必造成非目标相邻节点的被动接收，导 博士生导师
一种用于设备监测的高效无线传感器 网络多跳同步时分协议 樊 勇1） 徐金梧2） 杨德斌2） 王 沁1） 1） 北京科技大学信息工程学院北京100083 2） 北京科技大学机械电子工程研究所北京100083 摘 要 基于冶金企业设备监测的背景提出了一种无线传感器网络多跳同步时分协议．该协议采用自组织的层次拓扑控制 方式以簇头构成系统的骨干网通过可靠路由方式传输数据．簇内节点组成局部网络以较小的发射功率采用分时多跳的方 式将数据传输到距离较远的簇头通过同步休眠机制降低功耗、满足传输时延要求．在冶金企业实际设备监测系统中的应用 表明该协议具有扩展性强、传输可靠、信号延迟小和功耗低等特点． 关键词 无线传感器网络；层次拓扑；同步时分；设备监测；网络协议 分类号 TP393∙17；T N925∙93 收稿日期：2005-12-16 修回日期：2006-03-21 作者简介：樊 勇（1977—）男博士；王 沁（1961—）女教授 博士生导师 冶金企业设备监测（如温度、湿度、位移等）系统 需要铺设大量的电缆、网线、光纤以构成传输网络 其设备建设和维护成本很高．对于环境要求苛刻的 场合如旋转部件、油库等会限制布线、供电往往 难于监测数据．无线传感器网络技术是一种低功 耗、自组织、短距离无线传输技术实现监测、感知和 采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的数 据这些数据通过无线方式被发送并以自组多跳的 网络方式传送到用户终端［1—2］．本文针对设备监测 现场的实际情况提出了一种无线传感器网络多跳 同步时分协议采用同步休眠机制克服了非同步休 眠机制所带来的时间延迟大的问题同时实现比较 简单可以满足工业监测场合对于扩展性、可靠性、 时延性、低功耗等方面的要求． 1 系统拓扑结构 根据工业设备监测实际情况考虑到在较大区 域内可以为某些节点设备持续供电本文提出了如 图1所示的无线传感器网络的系统拓扑结构． 系统由传感器节点、辅助节点、簇头和汇聚节点 组成．传感器节点采集到的数据通过辅助节点以多 跳方式传输到簇头．簇头构成骨干网负责数据到 汇聚节点的转发汇聚节点或与汇聚节点相连的诊 断系统根据这些数据判断设备运行状态．传感器节 点包含多个传感器、微处理器、无线收发装置和电 池辅助节点不包含传感器．簇头和汇聚节点包含 处理器、无线收发装置和持续电源．因此簇头与汇 聚节 点 之 间 的 通 信 采 用 XMESH 路 由 协 议以 WMEWMA ［3］作为评估算法选择最佳链路质量和 最短路径的节点作为父节点为传感器节点数据的 转发建立一个可靠的传输链路． 图1 无线传感器网络拓扑结构 Fig．1 Topology in WSN 本文主要考虑通过加入辅助节点实现传感器 节点到簇头的基于多跳同步时分机制的通讯协议． 2 通讯协议的设计 传感器节点到簇头的通讯协议要考虑如下几个 因素． （1） 为了延长整个网络的运行周期要求各节 点节省能量．在传感器网络中节点能量损失主要 体现在以下几个方面［4］：节点在没有事件发生时也 必须时刻处于工作状态；节点之间由于争用无线信 道产生冲突造成数据重传；由于节点发送消息采用 广播方式势必造成非目标相邻节点的被动接收导 第29卷 第7期 2007年 7月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．7 Jul．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．07．022
第7期 樊勇等：一种用于设备监测的高效无线传感器网络多跳同步时分协议 .751. 致不必要的能源浪费 参数，下一级节点在向上一级节点发送数据时，上一 (2)确保各节点能量消耗均衡，否则能量消耗 级节点肯定已处于醒来状态，这样下一级节点直接 过快的节点失效会引起局部甚至整个网络的瘫痪， 发送数据而不必先发送握手信号，然后等待上一级 造成能量消耗不均的主要原因是网络中的有些节点 节点的接收到数据的确认信号，从而减少了握手信 承担了过多的转发任务，而射频电路消耗的能量占 号带来的能量消耗，数据逐级从传感器节点传给簇 据了节点工作时的大部分能量可].例如在树状结构 头，每次只有一个节点处于发送状态，只有一个发送 的网络中，根结点的能量消耗会高于叶节点，当根结 节点可及范围的节点处于接收状态，减少了被动接 点过早失效时，会降低网络的可靠性和通畅性， 收带来的能量损耗 (③)节点间传输延迟要小，网络中的延迟主要 由以下因素引起：信号在节点间的传输时延：信号从 传感器节点到簇头所经过的跳数：如果没有维护路 ☆筷头 径还要加上寻找父节点所花费的时间，要减小传输 △传感器节点 延迟就要尽可能减少发送的数据量，减少信号所经 O辅助节点 历的跳数，同时要维护路径，使寻找父节点花费的代 价最小 (4)保证数据可靠传输，需要考虑环境对射频 信号的干扰，节点失效后的处理，以及可靠的握手 图2传感器节点到簇头的路径建立 协议. Fig.2 Building route from sensor nodes to a cluster header 在以上需要考虑的因素中，节省能量是最重要 从整个网络来看，在每个活动周期，传感器节点 的，目前节能研究思路主要集中在如何使节点尽可 要发送数据和接收一个确认包，辅助节点除了接收、 能处于休眠状态，从而减少能量消耗一]，但是，在 转发数据还要发送一个确认包，所有的辅助节点的 文献[6]中所描述的机制下，源节点有可能在发送多 数据载荷相当，有助于实现节点的能量均衡，另外， 个RTS信号后才能收到目的节点的CTS回应，同 要通过适当的机制保证传感器节点以最短路径和簇 时这种机制没有考虑非目标节点被动接收造成的能 头相连，尽可能减少数据的传输延迟 量浪费.在文献[7]中所提出的基于TDMA的机 最后，在网络中要保持一定数量只包含辅助节 制，需要有一个AP(access point)定时收集其他节点 点的冗余链路，它们一方面为新加入的传感器节点 的拓扑信息，并安排每个节点的活动时槽，定期维护 提供数据通路；另外也为节点失效提供备用路径，提 节点拓扑，实现比较复杂，在文献[8]中提出了一种 高网络的可靠性 时间同步机制，该机制采用层次型网络结构，首先将 所有节点按照层次结构进行分级，然后每个节点与 3通讯协议的实现 上一级的一个节点进行时间同步，最终所有节点都 3.1簇头选择机制 与根节点时间同步， 如图3所示，所有的传感器节点、辅助节点在上 本文以节省能量为重点，以周期性采集设备参 电后，要随机选择加入一个簇头，每一个节点初始 数为应用背景，借鉴文献[8]中的时间同步机制，提 化路由表中包含所有簇头的节点号，它们以固定的 出了如下的设计思路：如图2所示，在传感器节点周 周期T发送带有本节点号的探询信号，然后转入监 围加入相当数量的辅助节点，它们有特殊的节点号 听状态，监听周围是否存在簇头，发送探询信号的 与传感器节点相区别，辅助节点负责对传感器节点 功率在0.3TXd0.5TXd(TXl表示节点的最大 所产生数据的转发，传感器节点和辅助节点都处于 发射功率)的范围内调节，发送功率如果太小，会需 周期休眠状态，它们以簇头为中心，呈辐射状自组织 要过多的辅助节点作为中继：如果发送功率过大，单 建立多条包含了传感器节点和辅助节点的链路，每 个节点消耗的功耗较多，不利于能量均衡，节点先 条链路之间处于不同的工作时槽，每条链路上的传 以低功率发送探询信号，如果超时没有收到簇头的 感器节点和它的父节点先醒来进行数据传输，靠近 响应，则增大发射功率，在某个发射功率下，所有收 簇头的节点延迟短暂时间后醒来进行后续的数据传 到节点i的探询信号的簇头随机退避一定时间 输，这样减少了没有数据传输任务节点的监听时间， t(D)后发送带有本节点号和i节点号的响应，节点 当链路上的节点处于活动状态时，设定适当的时间 i以最先收到的响应所属的簇头作为父节点而加入
致不必要的能源浪费． （2） 确保各节点能量消耗均衡否则能量消耗 过快的节点失效会引起局部甚至整个网络的瘫痪． 造成能量消耗不均的主要原因是网络中的有些节点 承担了过多的转发任务而射频电路消耗的能量占 据了节点工作时的大部分能量［5］．例如在树状结构 的网络中根结点的能量消耗会高于叶节点当根结 点过早失效时会降低网络的可靠性和通畅性． （3） 节点间传输延迟要小．网络中的延迟主要 由以下因素引起：信号在节点间的传输时延；信号从 传感器节点到簇头所经过的跳数；如果没有维护路 径还要加上寻找父节点所花费的时间．要减小传输 延迟就要尽可能减少发送的数据量减少信号所经 历的跳数同时要维护路径使寻找父节点花费的代 价最小． （4） 保证数据可靠传输．需要考虑环境对射频 信号的干扰节点失效后的处理以及可靠的握手 协议． 在以上需要考虑的因素中节省能量是最重要 的．目前节能研究思路主要集中在如何使节点尽可 能处于休眠状态从而减少能量消耗［6—7］．但是在 文献［6］中所描述的机制下源节点有可能在发送多 个 RTS 信号后才能收到目的节点的 CTS 回应同 时这种机制没有考虑非目标节点被动接收造成的能 量浪费．在文献 ［7］ 中所提出的基于 TDMA 的机 制需要有一个 AP（access point）定时收集其他节点 的拓扑信息并安排每个节点的活动时槽定期维护 节点拓扑实现比较复杂．在文献［8］中提出了一种 时间同步机制该机制采用层次型网络结构首先将 所有节点按照层次结构进行分级然后每个节点与 上一级的一个节点进行时间同步最终所有节点都 与根节点时间同步． 本文以节省能量为重点以周期性采集设备参 数为应用背景借鉴文献［8］中的时间同步机制提 出了如下的设计思路：如图2所示在传感器节点周 围加入相当数量的辅助节点它们有特殊的节点号 与传感器节点相区别辅助节点负责对传感器节点 所产生数据的转发．传感器节点和辅助节点都处于 周期休眠状态它们以簇头为中心呈辐射状自组织 建立多条包含了传感器节点和辅助节点的链路每 条链路之间处于不同的工作时槽每条链路上的传 感器节点和它的父节点先醒来进行数据传输靠近 簇头的节点延迟短暂时间后醒来进行后续的数据传 输这样减少了没有数据传输任务节点的监听时间． 当链路上的节点处于活动状态时设定适当的时间 参数下一级节点在向上一级节点发送数据时上一 级节点肯定已处于醒来状态这样下一级节点直接 发送数据而不必先发送握手信号然后等待上一级 节点的接收到数据的确认信号从而减少了握手信 号带来的能量消耗．数据逐级从传感器节点传给簇 头每次只有一个节点处于发送状态只有一个发送 节点可及范围的节点处于接收状态减少了被动接 收带来的能量损耗． 图2 传感器节点到簇头的路径建立 Fig．2 Building route from sensor nodes to a cluster header 从整个网络来看在每个活动周期传感器节点 要发送数据和接收一个确认包辅助节点除了接收、 转发数据还要发送一个确认包所有的辅助节点的 数据载荷相当有助于实现节点的能量均衡．另外 要通过适当的机制保证传感器节点以最短路径和簇 头相连尽可能减少数据的传输延迟． 最后在网络中要保持一定数量只包含辅助节 点的冗余链路．它们一方面为新加入的传感器节点 提供数据通路；另外也为节点失效提供备用路径提 高网络的可靠性． 3 通讯协议的实现 3∙1 簇头选择机制 如图3所示所有的传感器节点、辅助节点在上 电后要随机选择加入一个簇头．每一个节点初始 化路由表中包含所有簇头的节点号．它们以固定的 周期 T 发送带有本节点号的探询信号然后转入监 听状态监听周围是否存在簇头．发送探询信号的 功率在0∙3TXfull～0∙5TXfull（TXfull表示节点的最大 发射功率）的范围内调节．发送功率如果太小会需 要过多的辅助节点作为中继；如果发送功率过大单 个节点消耗的功耗较多不利于能量均衡．节点先 以低功率发送探询信号如果超时没有收到簇头的 响应则增大发射功率．在某个发射功率下所有收 到节点 i 的探询信号的簇头随机退避一定时间 t（ID）后发送带有本节点号和 i 节点号的响应节点 i 以最先收到的响应所属的簇头作为父节点而加入 第7期 樊 勇等： 一种用于设备监测的高效无线传感器网络多跳同步时分协议 ·751·
,752 北京科技大学学报 第29卷 该簇，同时给簇头发一个确认信号 数是有限的，n<(T+Ta)/(Ta十Tm)·这样能和 节点 簇头 簇头直接通讯的节点会按不同的时隙以同样的休眠 探询信号 周期来工作. 这里需要指出的是，如果节点发送的探询簇头 回应信号 的信号被多个簇头接收到，则每个簇头都会为这个 确认信号 节点分配一个工作时隙，而节点只采用最先收到的 响应包含的时隙调整休眠时间，未被采用的其他簇 头的时隙对于该簇头来讲则被浪费了， 图3簇头选择 3.3创建休眠同步机制 Fig.3 Schedule of selecting a cluster header 本文所描述的同步机制是一种近似的同步机 制，传感器节点及其父节点会先醒来进行数据的传 3.2创建分时机制 输，同一条链路上的其他节点依次延迟短暂时间后 如图4所示，假设节点1发送的探询信号是某 醒来进行后续的数据传输，这样减少没有传输任务 个簇头收到的第一个探询信号，在簇头给节点1发 的节点的监听时间，节省能耗 送响应时，启动一个计时器，计每次收到节点的探询 被分配工作时隙的节点如果是传感器节点，醒 信号后发送响应信号的时刻，该计时器每隔T十 来后采集数据并向簇头发送，收到簇头的确认后转 T时间自动清零.在给节点发送的响应中包含这 入休眠状态，如果节点是辅助节点，则设置该节点 个计时器值，节点在收到响应后根据该计时器值计 的级别为1级（见图5中的1级节点），同时发送寻 算下次醒来的时间，然后立即转入休眠状态，节点1 找子节点的信号，该信号带有该辅助节点号和级别 是第一个加入某个簇头的节点，因此它收到的计时 号，发送后转入监听状态直到休眠时间到，转入休眠 器值是0，时间参数t=T,表明节点1在收到响应 状态 后立即转入休眠状态，隔时间t后醒来，以后的休眠 周期为T,假设节点2是第二个加入某簇头的节 1级节点 TTT-T 节点/ 点，该簇头在给节点2发布响应时，计时器的值是 2 t1,则时间参数t=(T一t1)十Ta十Tm(Ta是一个 2级节点 固定的延时时间，表示加入同一簇头的各节点的工 节点+1 作时隙；To是节点醒来后持续的时间)，表明节点2 3级节点 节点+2 在收到响应后立即转入休眠状态，隔t时间后醒来， 以后的休眠周期为T.同理，如果节点3是第三个 图5同步机制 加入簇头的节点，则收到的时间参数T=(T一tz) Fig.5 Synchronous scheme +(2Ta十2Tm),以此类推，第n个加入簇头的节 当节点（可能是传感器节点或辅助节点，见图5 点收到的时间参数是： 中的2级节点)在额定的发射功率下没有收到来自 t=(T-t)+[(n-1)Ta+(n-1)Ton](1) 簇头的响应，则转入监听状态，监听上一级节点发出 的寻找子节点的信号，如果收到寻找子节点信号的 是传感器节点，则立即发送包含了本节点号的应答， 节点1 然后转入监听状态，这样保证上一级节点最先收到 的应答来自于传感器节点，实现传感器节点到簇头 节点2.4→ 建立最短传输路径， 如果收到寻找子节点信号的是辅助节点，设定 节点3 2Ta+T 本节点的级别是2级，随机回退一定的时间t(ID) 图4分时机制 后，发送包含了本节点号的应答，然后转入监听状 Fig.4 Schedule of dispatching time slot 态，1级节点以最先收到的应答所属的节点作为自 己的子节点，再广播一个包含了自己子节点号和本 需要注意在周期T内所能分配的时隙是有限 节点号的确认信号，同时包含了从1级节点醒来到 的，这就意味着通过单跳加入某个簇头的节点的个 发送确认信号的时间间隔T。·子节点在收到确认
该簇同时给簇头发一个确认信号． 图3 簇头选择 Fig．3 Schedule of selecting a cluster header 3∙2 创建分时机制 如图4所示假设节点1发送的探询信号是某 个簇头收到的第一个探询信号在簇头给节点1发 送响应时启动一个计时器计每次收到节点的探询 信号后发送响应信号的时刻该计时器每隔 T ＋ Ton时间自动清零．在给节点发送的响应中包含这 个计时器值节点在收到响应后根据该计时器值计 算下次醒来的时间然后立即转入休眠状态．节点1 是第一个加入某个簇头的节点因此它收到的计时 器值是0时间参数 t＝ T表明节点1在收到响应 后立即转入休眠状态隔时间 t 后醒来以后的休眠 周期为 T．假设节点2是第二个加入某簇头的节 点该簇头在给节点2发布响应时计时器的值是 t1则时间参数 t＝（ T — t1）＋ Td＋ Ton（ Td 是一个 固定的延时时间表示加入同一簇头的各节点的工 作时隙；Ton是节点醒来后持续的时间）表明节点2 在收到响应后立即转入休眠状态隔 t 时间后醒来 以后的休眠周期为 T．同理如果节点3是第三个 加入簇头的节点则收到的时间参数 T ＝（ T — t2） ＋（2Td＋2Ton）．以此类推第 n 个加入簇头的节 点收到的时间参数是： t＝（ T—t n）＋［（ n—1） Td＋（ n—1） Ton ］ （1） 图4 分时机制 Fig．4 Schedule of dispatching time slot 需要注意在周期 T 内所能分配的时隙是有限 的这就意味着通过单跳加入某个簇头的节点的个 数是有限的n＜（ T ＋ Td）／（ Td＋ Ton）．这样能和 簇头直接通讯的节点会按不同的时隙以同样的休眠 周期来工作． 这里需要指出的是如果节点发送的探询簇头 的信号被多个簇头接收到则每个簇头都会为这个 节点分配一个工作时隙而节点只采用最先收到的 响应包含的时隙调整休眠时间未被采用的其他簇 头的时隙对于该簇头来讲则被浪费了． 3∙3 创建休眠同步机制 本文所描述的同步机制是一种近似的同步机 制传感器节点及其父节点会先醒来进行数据的传 输同一条链路上的其他节点依次延迟短暂时间后 醒来进行后续的数据传输这样减少没有传输任务 的节点的监听时间节省能耗． 被分配工作时隙的节点如果是传感器节点醒 来后采集数据并向簇头发送收到簇头的确认后转 入休眠状态．如果节点是辅助节点则设置该节点 的级别为1级（见图5中的1级节点）同时发送寻 找子节点的信号该信号带有该辅助节点号和级别 号发送后转入监听状态直到休眠时间到转入休眠 状态． 图5 同步机制 Fig．5 Synchronous scheme 当节点（可能是传感器节点或辅助节点见图5 中的2级节点）在额定的发射功率下没有收到来自 簇头的响应则转入监听状态监听上一级节点发出 的寻找子节点的信号．如果收到寻找子节点信号的 是传感器节点则立即发送包含了本节点号的应答 然后转入监听状态这样保证上一级节点最先收到 的应答来自于传感器节点实现传感器节点到簇头 建立最短传输路径． 如果收到寻找子节点信号的是辅助节点设定 本节点的级别是2级随机回退一定的时间 t （ID） 后发送包含了本节点号的应答然后转入监听状 态．1级节点以最先收到的应答所属的节点作为自 己的子节点再广播一个包含了自己子节点号和本 节点号的确认信号同时包含了从1级节点醒来到 发送确认信号的时间间隔 Tc．子节点在收到确认 ·752· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷
第7期 樊勇等：一种用于设备监测的高效无线传感器网络多跳同步时分协议 .753. 信号后，确认了自己的父节点，以后将不再对其他辅 送故障传感器节点号，以便及时维护，故障传感器 助节点发出的寻找子节点的信号作响应.1级节点 节点的父节点在个周期仍没有收到有效数据则 发出确认信号后直到休眠时间到，转入休眠状态，2 会周期发送寻找子节点的信号， 级节点收到确认信号后推迟(Tm一T。一2T)转入 如果发生故障的是辅助节点，该故障辅助节点 休眠状态，隔T时间后醒来，如图5所示，Tm表示 的子节点在n个周期发出数据后的预定时间均没 节点处于活动状态的时间，T,表示1级节点所发送 有收到父节点的应答，则判断父节点发生故障，该子 的确认信号到2级节点的传输延迟（可通过测量得 节点会向它的下一级节点发布这个消息，所有该子 到，见图6)，T:表示预估的时间(T<T:<2T) 节点以下级别的节点在收到消息后转入监听状态， 这样在以后的周期，2级节点比1级节点早醒 监听辅助节点寻找子节点的信号，重新加入其他链 (2T-T) 路.故障辅助节点的父节点在个周期后没有收到 30 有效数据，判断它的子节点发生故障，因此在醒来的 N 25 发送 时候发送寻找子节点的信息 每次故障的判断需要经过n个周期.这是由于 20 在实际环境中，节点会由于暂时被阻挡不能正常传 15 监听 输数据，如果立即断定节点有故障，会发生误判断 器10 5 性女Y 4性能分析 CPU唤醒 从上面的分析可以看出，每一个传感器节点都 CPU空闲 有一条专用路径为其传输数据，路径上的各辅助节 -5 0 5 1015202530 点有相同的休眠周期，数据载荷量也是相当的，这样 时间ms 能量的消耗在各辅助节点的分布也是均衡的，下面 图6最大功率发送数据的电流消耗情况 以某大型冶金企业实际温度监测为背景，从能量消 Fig.6 Measured current consumption for transmitting a single ra" 耗和传输时延对上文提出的协议做分析， dio message at the maximum transmit power 4.1硬件功耗测试 图6中所示的是节点在最大发射功率下，发送 由此推理得出，下一级的节点比上一级节点早 1字节净荷所消耗的电流情况，节点开始的状态是 醒来(2T一T:)·需要注意的是，如果最后一级节点 Power-save(消耗的电流大概1O0A),然后CPU醒 是传感器节点，在收到上一级节点的确认信号后推 来，打开发射电路，使之处于监听状态，再发送数据. 迟(Tm一T。一T)转入休眠状态，这样传感器节点 4.2能耗分析 会比上一级节点晚醒来(T,一T)·这是由于传感器 对于每个节点来说，它的能耗由发送、接收、监 节点在醒来后要发送数据，它的上一级节点要先醒 听、空闲部分组成，每个周期T的平均功耗可以表 来接收数据， 示为： 至此，可以得出第i级节点比第1级节点早醒 Pg=rx ITX十△Rx+△MN IMN+ALlL(3) 来(i-1)(2Tx-T:),但是(i-1)(2T:-T:)< 其中，△x、△x、△MN和AL表示节点在每种状态所 T(Ta的含义见图4)如果要求在一个时隙内将 持续的时间，IrX、IRx、IMN和Im表示节点在每种状 传感器节点的数据传到簇头，得出一条链路最多可 态下所消耗的电流，如果电池所提供的总电量是 以加入的节点数是： Ptotal,则每个节点能工作的最长时间是t=TPtotal imax=[Ta/(2Tr-T)]+1 (2) Pwg对于辅助节点，△x包含两部分，即发送数据 3.4节点失效的考虑 信号和发送确认信号的时间：对于传感器节点则只 在数据的传输过程中，有可能链路上的某个节 包含发送数据信号，以辅助节点为例，假设这两种 点发生故障.如果发生故障的是传感器节点，它的 信号的净荷相同，都是1字节，如图6所示，发送时 父节点在预定的时间没有收到有效数据，会向上一 间△rx=20ms,△x=10ms,△Mv=(Tm-30ms) 级节点发送包含该传感器节点号的故障特征数据， (实际情况是节点转发完数据后会处于休眠状态，而 特征数据最终汇聚到簇头，如果簇头连续收到个 不会一直处于监听状态)，△L=T一Tm·Ix= 同一传感器节点的故障特征数据，则向汇聚节点发 30mA,IRx=16mA,IMN=16mA,IIL=0.1mA
信号后确认了自己的父节点以后将不再对其他辅 助节点发出的寻找子节点的信号作响应．1级节点 发出确认信号后直到休眠时间到转入休眠状态2 级节点收到确认信号后推迟（ Ton— Tc—2Tf）转入 休眠状态隔 T 时间后醒来．如图5所示Ton表示 节点处于活动状态的时间Tt表示1级节点所发送 的确认信号到2级节点的传输延迟（可通过测量得 到见图6）Tf 表示预估的时间（ Tf ＜ Tt ＜2Tf）． 这样在以后的周期2 级节点比 1 级节点早醒 （2Tf— Tt）． 图6 最大功率发送数据的电流消耗情况 Fig．6 Measured current consumption for transmitting a single radio message at the maximum transmit power 由此推理得出下一级的节点比上一级节点早 醒来（2Tf— Tt）．需要注意的是如果最后一级节点 是传感器节点在收到上一级节点的确认信号后推 迟（ Ton— Tc— Tf）转入休眠状态这样传感器节点 会比上一级节点晚醒来（ Tt— Tf）．这是由于传感器 节点在醒来后要发送数据它的上一级节点要先醒 来接收数据． 至此可以得出第 i 级节点比第1级节点早醒 来（ i—1） （2Tf — Tt ）但是（ i —1） （2Tf — Tt ）＜ Td（ Td 的含义见图4）．如果要求在一个时隙内将 传感器节点的数据传到簇头得出一条链路最多可 以加入的节点数是： imax＝［ Td／（2Tf— Tt）］＋1 （2） 3∙4 节点失效的考虑 在数据的传输过程中有可能链路上的某个节 点发生故障．如果发生故障的是传感器节点它的 父节点在预定的时间没有收到有效数据会向上一 级节点发送包含该传感器节点号的故障特征数据． 特征数据最终汇聚到簇头如果簇头连续收到 n 个 同一传感器节点的故障特征数据则向汇聚节点发 送故障传感器节点号以便及时维护．故障传感器 节点的父节点在 n 个周期仍没有收到有效数据则 会周期发送寻找子节点的信号． 如果发生故障的是辅助节点该故障辅助节点 的子节点在 n 个周期发出数据后的预定时间均没 有收到父节点的应答则判断父节点发生故障该子 节点会向它的下一级节点发布这个消息所有该子 节点以下级别的节点在收到消息后转入监听状态 监听辅助节点寻找子节点的信号重新加入其他链 路．故障辅助节点的父节点在 n 个周期后没有收到 有效数据判断它的子节点发生故障因此在醒来的 时候发送寻找子节点的信息． 每次故障的判断需要经过 n 个周期．这是由于 在实际环境中节点会由于暂时被阻挡不能正常传 输数据如果立即断定节点有故障会发生误判断． 4 性能分析 从上面的分析可以看出每一个传感器节点都 有一条专用路径为其传输数据路径上的各辅助节 点有相同的休眠周期数据载荷量也是相当的这样 能量的消耗在各辅助节点的分布也是均衡的．下面 以某大型冶金企业实际温度监测为背景从能量消 耗和传输时延对上文提出的协议做分析． 4∙1 硬件功耗测试 图6中所示的是节点在最大发射功率下发送 1字节净荷所消耗的电流情况．节点开始的状态是 Power-save（消耗的电流大概100μA）然后 CPU 醒 来打开发射电路使之处于监听状态再发送数据． 4∙2 能耗分析 对于每个节点来说它的能耗由发送、接收、监 听、空闲部分组成每个周期 T 的平均功耗可以表 示为： Pavg＝ΔTX ITX＋ΔRX＋ΔMN IMN＋ΔIL IIL （3） 其中ΔTX、ΔRX、ΔMN和 ΔIL表示节点在每种状态所 持续的时间ITX、IRX、IMN和 IIL表示节点在每种状 态下所消耗的电流．如果电池所提供的总电量是 Ptotal则每个节点能工作的最长时间是 t＝ TPtota／l Pavg．对于辅助节点ΔTX包含两部分即发送数据 信号和发送确认信号的时间；对于传感器节点则只 包含发送数据信号．以辅助节点为例假设这两种 信号的净荷相同都是1字节如图6所示发送时 间 ΔTX＝20msΔRX＝10msΔMN＝（ Ton—30ms） （实际情况是节点转发完数据后会处于休眠状态而 不会一直处于监听状态）ΔIL ＝ T — Ton．ITX ＝ 30mAIRX＝16mAIMN＝16mAIIL＝0∙1mA． 第7期 樊 勇等： 一种用于设备监测的高效无线传感器网络多跳同步时分协议 ·753·
,754 北京科技大学学报 第29卷 在实际监测场合，选择节点每2min活动时间 等特点，该方案在实际现场测试中表现出了较好的 为2s,则辅助节点持续工作的时间可以达到200d, 性能，满足了冶金等企业对设备监测的要求， 满足了实际使用过程中对节点维护频率的要求 4.3传输时延 参考文献 如图7所示，在正常情况下，数据从一个节点传 [1】崔莉，鞠海玲，苗勇，等无线传感器网络研究进展.计算机研究 与发展，2005,42(1)：163 输到另一个节点的时间包括数据的传输时延6a和 [2]Gay D,Levis P.von Behren R.The nesC language:a holistic ap- 响应的传输时延6ACK,数据从传感器节点经过m proach to networked embedded systems//ACM SIGPLAN Con- 跳到达簇头消耗的时间是： ference on Programming Language Design and Implementation. tal=mdaa十(m-1)dAcK (4) San Diego.USA.2003 [3]Woo A.Tong T.Culler D.Taming the underlying challenges of ☆ 簇头 reliable multihop routing in sensor networks//Proceedings of the 传感器节点 First International Conference on Embedded Networked Sensor 辅助节点 Systems of the ACM.New York,2003:14 [4]Wei Y.Heidemann J,Estrin D.An energy-efficient MAC proto 图7传输时延 col for wireless sensor networks//Proceedings of IEEE INFO- Fig.7 Transmission delay COM.New York.USA,2002,1567 [5]Doherty L,Warneke B A,Boser B E.et al.Energy and perfor- 可以看出，当daa、⊙AcK一定的时候，数据的传 mance considerations for smart dust.Int J Parallel Distrib Syst 输延迟由跳数m来决定，控制传感器节点到簇头以 Networks,2001,4(3):121 [6]Lin E Y,Rabaey J,Wolisz A.Power-efficient Rendez vous 最短路径传输，就可以得到较小的延迟， schemes for dense wireless sensor networks//Proe.of ICC 2004 5结论 Paris.Paris.2004 [7]Shu J.Variaya P.PEDAMACS:Power efficient and delay aware 针对目前冶金等企业设备监测采用的传统有线 medium access protocol for sensor networks.Inform Res Fron- 和无线监测系统的缺点，提出了一种基于无线传感 ties,2003,5.29 器网络的新解决方案.该方案具有成本低、组网方 [8]Ganeriwal S.Kumar R.Srivastava M B.Timing syne protocol for sensor networks//ACM Conference on Embedded Networked 便简单、持续工作时间长、传输延迟小以及高可靠性 Sensor Systems.Los Angeles,2003 A high performance multi-hop and synchronous time-division protocol for wireless sensor networks of equipment monitoring FAN Yong),XU Jinwu2),YANG Debin2),WANG Qin) 1)Information Engineering School.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China 2)Mechatronie Engineering Research Institute.University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083.China ABSTRACT A kind of multi-hop and synchronous time-division protocol for wireless sensor networks based on equipment monitoring of metallurgy industry was proposed.The protocol employs self-organized and hierarchical topology.Cluster headers structure backbone network to forward sensor data to the sink node.Nodes in cluster transmit data in a lower radio power to the cluster header by multi-hop and time-division,they reduce power loss and transmission delay by synchronous sleeping scheme.Application in an equipment monitoring system of met- allurgy industry indicates that this protocol has the characteristic of strong extension,reliable transmission, small signal delay,and low power loss. KEY WORDS wireless sensor networks;hierarchical topology;synchronous time-division:equipment moni- toring;network protocol
在实际监测场合选择节点每2min 活动时间 为2s则辅助节点持续工作的时间可以达到200d 满足了实际使用过程中对节点维护频率的要求． 4∙3 传输时延 如图7所示在正常情况下数据从一个节点传 输到另一个节点的时间包括数据的传输时延 δdata和 响应的传输时延 δACK．数据从传感器节点经过 m 跳到达簇头消耗的时间是： δtotal＝ mδdata＋（ m—1）δACK （4） 图7 传输时延 Fig．7 Transmission delay 可以看出当 δdata、δACK一定的时候数据的传 输延迟由跳数 m 来决定控制传感器节点到簇头以 最短路径传输就可以得到较小的延迟． 5 结论 针对目前冶金等企业设备监测采用的传统有线 和无线监测系统的缺点提出了一种基于无线传感 器网络的新解决方案．该方案具有成本低、组网方 便简单、持续工作时间长、传输延迟小以及高可靠性 等特点．该方案在实际现场测试中表现出了较好的 性能满足了冶金等企业对设备监测的要求． 参 考 文 献 ［1］ 崔莉鞠海玲苗勇等．无线传感器网络研究进展．计算机研究 与发展200542（1）：163 ［2］ Gay DLevis Pvon Behren R．The nesC language：a holistic approach to networked embedded systems∥ACM SIGPLAN Conference on Programming Language Design and Implementation． San DiegoUSA2003 ［3］ Woo ATong TCuller D．Taming the underlying challenges of reliable multihop routing in sensor networks∥Proceedings of the First International Conference on Embedded Networked Sensor Systems of the ACM．New York2003：14 ［4］ Wei YHeidemann JEstrin D．An energy-efficient MAC protocol for wireless sensor networks∥Proceedings of IEEE INFOCOM．New YorkUSA2002：1567 ［5］ Doherty LWarneke B ABoser B Eet al．Energy and performance considerations for smart dust．Int J Parallel Distrib Syst Networks20014（3）：121 ［6］ Lin E YRabaey JWolisz A．Power-efficient Rendez-vous schemes for dense wireless sensor networks∥Proc．of ICC 2004 Paris．Paris2004 ［7］ Shu JVariaya P．PEDAMACS：Power efficient and delay aware medium access protocol for sensor networks．Inform Res Frontiers20035：29 ［8］ Ganeriwal SKumar RSrivastava M B．Timing-sync protocol for sensor networks∥ACM Conference on Embedded Networked Sensor Systems．Los Angeles2003 A high-performance mult-i hop and synchronous time-division protocol for wireless sensor networks of equipment monitoring FA N Yong 1）XU Jinw u 2）Y A NG Debin 2）WA NG Qin 1） 1） Information Engineering SchoolUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） Mechatronic Engineering Research InstituteUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China ABSTRACT A kind of mult-i hop and synchronous time-division protocol for wireless sensor networks based on equipment monitoring of metallurgy industry was proposed．The protocol employs self-organized and hierarchical topology．Cluster headers structure backbone network to forward sensor data to the sink node．Nodes in cluster transmit data in a lower radio power to the cluster header by mult-i hop and time-divisionthey reduce power loss and transmission delay by synchronous sleeping-scheme．Application in an equipment monitoring system of metallurgy industry indicates that this protocol has the characteristic of strong extensionreliable transmission small signal delayand low power loss． KEY WORDS wireless sensor networks；hierarchical topology；synchronous time-division；equipment monitoring；network protocol ·754· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷