向凤红， 孔庆平， 毛剑琳， 付丽霞

(昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明 650500)

基于ZigBee的低功耗无线传感器网络改进协议*

向凤红， 孔庆平， 毛剑琳， 付丽霞

(昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明 650500)

如何降低无线传感器网络(WSNs)节点的能耗来延长网络寿命是非常重要的，无线网路的性能主要取决于MAC协议，若要降低节点能耗，合理的设计与改进MAC协议就成为一个关键性问题。主要介绍了无线传感器网络中的ZigBee技术发展与应用，针对相关能耗问题，将延迟测量时间同步(DMTS)算法融入到ZigBee网络中,同时引入了基于S-MAC协议机制的周期性侦听/睡眠、碰撞避免等措施对协议进行改进，通过仿真与基本协议进行比较。仿真结果表明：改进的协议能够有效降低网络节点能耗。

无线传感器网络； ZigBee协议栈； 低功耗； 延迟测量时间同步

0 引 言

无线传感器网络(WSNs)作为新型无线网络，是当前国际上非常关注的、一种多学科交叉技术，具有相当广泛的应用前景[1,2]。无线传感器网络的节点能够采集环境数据信息、实时地监控被控对象的动态信息，并且经过嵌入式处理操作对采集的信息处理，通过无线通信将相关信息传递给观测者[3]。2011年，美国商业周刊和MIT技术对未来影响世界的技术进行了评选，无线传感器网络技术被评选为21世纪最有影响的21世纪21项技术和改变世界的10大技术之一[4]，该项技术是继因特网之后的又一项伟大的技术。

本文通过分析基础IEEE 802.15.4协议存在的能耗问题，引入了基于S-MAC协议机制的周期性侦听/睡眠措施，同时结合时间同步算法中能耗较低的DMTS算法来进行时间同步，进一步减少能量消耗。

1 协议改进

在无线传感器网络中，网络传输协议体系中的MAC协议是无线传感器网络系统的底层协议，该协议主要负责管理信道的使用方式，为节点分配有限的频谱资源，并且它直接控制着传感器网络中的发射模块，对传感器节点的能耗有很大的影响，是保证无线传感器网络低功耗性能的关键协议之一[5,6]。传统无线网络的MAC协议重点考虑节点使用带宽的公平性，增加网络的实时性以及提高带宽的利用率[7]。

ZigBee 协议校的MAC层协议采用采用IEEE 802.15.4标准，该标准是建立在节点的固定功率基础上，那么会降低传感器节点的电池寿命。那么合理的设计MAC协议也能有效的降低功耗，对提高ZigBee 网络的整体性能有很重要的作用。本节将重点介绍MAC层协议的节能研究，以及如何对其进行改进，以用于本文所研究的无线传感网络系统。

ZigBee传感器网络中，能量消耗主要在于处理器和无线通信模块折两个部分[7]，传感器节点各个模块消耗能量分布图如图1所示。

图1 传感器节点各个模块消耗能量分布图

由图1所知，传感器、处理器模块的能耗是由硬件所决定，且占据整个传感器网络功耗的比重比较小，而无线通信模块的能耗占据整个传感器网络功耗的比重很大，所以有效管理无线通信模块能耗，才能使整个网络的功耗得以降低。由上分析可知，若传感器节点在没有发送和接收数据状态下，让节点尽量处于睡眠状态进行休眠操作。而S-MAC协议就是基于此种思想的一种协议，该协议采用的周期性侦听/睡眠机制就是让节点在无数据传输时进入睡眠状态，避免了不必要的侦听，以达到节能的效果。

S-MAC协议采用周期性侦听/睡眠机制，使节点定期地进入睡眠状态，从而减少节点空闲侦听的时间降低能量消耗。在协议校中将时间分成很多的时隙，再将每个时隙分成侦听和睡眠两个状态，其时间帧格式如图2所示。

图2 周期性侦听/睡眠帧格式

在S-MAC协议中一个完整的侦听和睡眠是一个时间帧，其中Tframe是一个帧周期，侦听时间Tlisten占一个帧周期号Tframe的比值称作占空比，它的公式为

(1)

该过程基本的调度思想如下:在侦听状态时，节点的无线收发器是正常工作的，与其它节点进行数据传输。而节点在睡眠状态时，关闭无线收发器，不参与任何数据传输，然后通过定时器唤醒节点，查看是否有数据发送给自己。在周期侦听/睡眠前，每一个节点都要选择一个调度表，与邻居节点交换调度信息，而且每个节点都存储着所有邻居调度信息的调度表。为了使节点被唤醒后能够收到邻居节点的消息，则相邻节点要维护彼此邻居节点的时间调度表，还有节点睡眠和醒来的时间，以便于确保相邻节点间能及时通信降低因睡眠造成的时延。

在时间调度表中，节点的睡眠和监听的比不是固定的，而是根据节点接收和发送的多少进行设定的，具体的比例根据网络需求来调节，为了方便实际的应用，本文只选择睡眠和监听的时间比为1∶1 进行研究，即节点在一个时间帧内，50 %的时间处于休眠状态，这样会有效减少不必要的侦听，以达到网络的节能。

本文主要在传感器终端节点的设计上引入工作/睡眠调度机制，该协议校中的MAC层协议是基于IEEE 802.15.4的标准的，由于其MAC层总是处于工作或监听状态，没有加入睡眠机制，则本文在MAC层的任务运行函数MACTASKs中，加入监听/睡眠机制功能函数部分，为了能正常运行协议，本文选择在无原语的状态下，实现监听/睡眠机制。

但在实际应用中，要使改进的协议很好运行，就要使整个网络的时间进行时间同步，但由于ZigBee协议节点加入网络时间点不同，那么会使整个网络的时间不能够同步，为了更好实现协议枝，需要整个网络同步，延迟测量时间同步(delay measurement time synchronization,DMTS)算法[8,9]，是基于发送者—接收者的单向时间同步算法，该算法结构简单，功耗较低，具有广泛的运用，其算法原理图如图3所示。当发送节点在检测到通道空闲时，给广播分组加上时间戳t0，从而排除了发送节点的处理延迟与MAC层的访问延迟，并假设发送报文的长度为N个bit(包括前导码与同步字)，报文发送速率为t/bit，而接收者在接收完同步字后，记录下此时的本地时间为t1，而调整自身本地时间记录前的时间为t2，这时接收节点为实现与基准节点时间的同步，调整接收节点的本地时间改为t0+t*N+(t2-t1)。

图3 DMTS算法示意图

由图3可知，DMTS算法简单，能耗低，能够满足部分的无线传感器网络要求。

2 实验仿真

2.1 NS2模拟仿真

通过以上分析，用NS2网络仿真软件[10]来模拟仿真IEEE 802.15.4 MAC层协议和采用S-MAC协议思想机制的改进协议能耗分析。模拟仿真中设定16个节点，设定网络拓扑为星型拓扑结构，节点以相同速度产生数据流，节点之间随机选择连续比特率(continuous bit rate,CBR)数据传输链路，节点的场景参数配置:占空比为50 %，节点通信距离为200 m，信道带宽为10 kbps，数据包长度为100 bytes，MAC帧头长度为10 bytes，控制包长度为10 bytes，时隙长度为2 ms，初始能量为1 000 J，传单器几点个数为16。

通过编写tcl程序设置好节点参数后，然后进行数据发送分组间隔分别为1，2，3,…，10 s的仿真，每分组间隔进行仿真15次，每个源节点发送50个数据分组，每节点长度为100字节，每个节点通过仿真后的trace文件记录数据传送过程和能量的变化情况。数据传输过程仿真图如图4所示。

图4 数据传送过程仿真图

2.2 Matlab能耗仿真

经过NS2仿真后，仿真的结果数据都保留在trace文件即out.tr下，进行数据处理后得到所需要数据，然后通过Matlab软件模拟出能耗曲线如图4所示。

图5 改进协议与原MAC协议能耗对比图

从图5所示，在不同的发送数据间隔，改进后的MAC层协议整体功耗的变化不大，其能量消耗低于原MAC协议即IEEE 802.15.4协议，特别在随着分组时间间隔的变大，其更具有优势。

2.3 Matlab死亡节点与数据传输仿真

通过收集的能耗对比数据来利用Matlab进行无线传感器网络的死亡节点数量与数据传输对比仿真，仿真结果图6和图7所示。

图6 改进协议与原MAC的死亡节点数对比图

从图6中可以看出，随着时间的不断增长，由于改进后的MAC层协议整体功耗的变化不大，其能量消耗低于原MAC协议即IEEE 802.15.4协议，所以整个无线传感器网络的节点死亡速度有显著降低，能够有效延长节点的存活时间，从而延长整个网络的使用寿命，提高效率。

图7 改进协议与原MAC的数据传输对比图

从图7中所示，随着时间增长，原MAC协议即IEEE 802.15.4协议的节点会接连死亡，而改进后的MAC层协议由于能耗降低，节点存活时间增长，存活的节点数量也更多，所以能在相同时间内工作更长时间，传输的数据量也比原协议要多。

利用改进的MAC协议与DMTS算法来实现无线传感器网络的时间同步，虽说精度上没有TPSN，参考广播同步(reference broadcast synchronization,RBS)算法精度高，不过通过实验表明，本文的算法大大降低了无线传感器网络的能量消耗，增加了节点的存货时间与相同时间内的存活数量，大大提高了无线传感器网络的使用寿命与工作效率。

3 结 论

实验仿真测试证明：当数据量较小时，改进的协议能够使节点的能耗在理论上大幅度降低，延长了节点存活时间，从而延长了无线传感器网络的使用寿命，但在时间同步的精度上有一定误差，需要后续工作继续改进。本文的研究在降低能耗方面具有一定的应用价值，在实际的工程应用中具有一定的参考价值。

[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.

[2] 原 峰.ZigBee技术在港口货运仓库安全监控系统中的应用[J].自动化技术与应用,2015,34(2):57-59.

[3] 刘海燕,刘 云.无线传感器网络中基于距离的簇头选择优化研究[J].云南大学学报：自然科学版,2014(4):490-496.

[4] 王 殊.无线传感器网络的理论及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社,2007.

[5] 曾 东,熊 飞.面向能耗控制的无线传感器网络节点协议优化[J].无线电通信技术,2014,40(1):28-31.

[6] Shakshuki E,Malik H.Agent-based approach to minimize energy consumption for border nodes in wireless sensor networks[C]∥Proceedings of the 21st International Conference on Advanced Networking and Applications,IEEE Computer Society,2007:134-141.

[7] Xian Y,Liu L.The adaptive scheme and relationship between traffic load and optimal duty cycle based on best traffic efficiency in S-MAC[C]∥2008 The 4th International Conference on Wireless Communications,Networking and Mobile Computing，WiCOM’08,IEEE,2008:1-4.

[8] 何秀春,张金榜,刘 军,等.基于TPSN和DMTS的低能耗时间同步算法[J].电子设计工程,2014(3):21-22.

[9] 陈 英,舒 坚,刘琳岚,等.无线传感器网络时间同步与成簇算法[J].传感器与微系统,2008,27(1):44-48.

[10] 黄化吉,冯穗力,秦丽姣,等.NS网络模拟和协议仿真[M].北京：人民邮电出版社,2010.

Improved low-power consumption protocol for wireless sensor networks based on ZigBee*

XIANG Feng-hong, KONG Qing-ping, MAO Jian-lin, FU Li-xia

(Faculty of Information Engineering and Automation,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China)

How to reduce the energy consumption of nodes in wireless sensor networks(WSNs),extend the life cycle of the network is very important.The performance of WSNs mainly depend on MAC protocol.To reduce energy consumption of nodes,reasonable design and improvement of MAC protocol has become a critical issue.Development and application of ZigBee technology in WSNs mainly introduced.To solve these related issues,delay measurement time synchronization(DMTS)algorithm is fused into ZigBee networks while mechanism cyclical interception/ sleep,collision avoid other measures based on S-MAC protocol is introduced.To improve the protocol,compare with basic protocol by simulation.The simulation results show that energy consumption of node is reduced efficiently by the improved protocol.

wireless sensor networks(WSNs); ZigBee protocol stack; low energy consumption; delay measurement time synchronization(DMTS)

10.13873/J.1000—9787(2017)03—0033—03

2016—03—30

国家自然科学基金资助项目(61163051);云南省教育厅科学研究基金资助项目(2015Y071)

TP 272

A

1000—9787(2017)03—0033—03

向凤红(1964-)，男，博士，教授，博士生导师，中国自动化学会第九届理事会理事,主要从事自动化控制方向研究工作。

孔庆平(1991-)，男，通讯作者，硕士研究生，研究方向为无线传感技术,E-mail：1104317402@qq.com。