基于多級(jí)循環(huán)比較算法的低功耗快速報(bào)警系統(tǒng)

陳相南，李艷萍，王佩琦，龔杏雄

（太原理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，山西 太原030024）

0 引 言

傳統(tǒng)的液位檢測(cè)方式［1－5］主要是單通道現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，這些研究主要集中在傳感器的液位采集部分，而未考慮數(shù)據(jù)傳輸部分，需要人工定期檢查，不利于大范圍多儲(chǔ)水設(shè)施情況的集中監(jiān)管，浪費(fèi)人力。目前還存在一些采用有線通訊方式的多通道的液位監(jiān)測(cè)方法，雖能實(shí)現(xiàn)多通道集中管理，但其施工復(fù)雜，不易擴(kuò)展。盡管已有一些采用無(wú)線通信方式的液位檢測(cè)的研究［6，7］，但都未考慮直接向用戶及相關(guān)事故處理部門發(fā)送報(bào)警信息。針對(duì)工業(yè)和民用建筑物中大量的儲(chǔ)水設(shè)施，本文提出一種基于ZigBee無(wú)線傳感技術(shù)的多通道水位監(jiān)測(cè)及快速預(yù)警系統(tǒng)，將泄漏事故情況直接發(fā)給相應(yīng)用戶及相關(guān)事故處理部門。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

工業(yè)和民用建筑物中，存在一些通常情況下水位保持不變的儲(chǔ)水設(shè)施，具有數(shù)量大，分布不集中的特點(diǎn)。針對(duì)這些儲(chǔ)水設(shè)施的漏水事故問(wèn)題，本文提出一種基于ZigBee無(wú)線傳感技術(shù)的低功耗緊急漏水事故快速預(yù)警系統(tǒng)，將漏水事故情況直接發(fā)送給用戶及相關(guān)處理部門。為實(shí)現(xiàn)這一功能，系統(tǒng)中ZigBee網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)采用SIM（subscriber identity module）卡類型ZigBee模塊。當(dāng)事故發(fā)生時(shí)，啟動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警器終端的同時(shí)，還將中控主機(jī)的決策結(jié)果，通過(guò)SMS（short message service）服務(wù)器直接發(fā)給相關(guān)事故處理部門及相應(yīng)注冊(cè)用戶的手機(jī)上，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，本系統(tǒng)的工作流程為：傳感器節(jié)點(diǎn)將采集的水位信息通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到中心節(jié)點(diǎn)，中心節(jié)點(diǎn)將接收到的數(shù)據(jù)送至中控主機(jī)進(jìn)行分析與決策。當(dāng)泄漏事故發(fā)生時(shí)，中控主機(jī)將警報(bào)信息經(jīng)由中心節(jié)點(diǎn)發(fā)送至終端報(bào)警器，同時(shí)，將事故信息通過(guò)SMS服務(wù)器直接發(fā)送到相關(guān)事故處理部門及相應(yīng)注冊(cè)用戶的手機(jī)上。

1.1 傳感器節(jié)點(diǎn)

傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)水位信息的采集，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至中心節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)分為傳感器和數(shù)據(jù)管理兩部分，本系統(tǒng)中采用帶溫補(bǔ)超聲波測(cè)距模塊作為傳感器模塊。其具有測(cè)量精度高，體積小，使用便捷，控制靈活等特點(diǎn)；數(shù)據(jù)管理部分包括：數(shù)據(jù)調(diào)度模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)通信模塊。

1.2 中心節(jié)點(diǎn)

中心節(jié)點(diǎn)是整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的通訊核心，所有傳感器節(jié)點(diǎn)均通過(guò)中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的中央監(jiān)測(cè)。中心節(jié)點(diǎn)接收來(lái)自傳感器節(jié)點(diǎn)的水位數(shù)據(jù)，將其傳送至中控主機(jī)。當(dāng)發(fā)生儲(chǔ)水設(shè)施泄漏事故時(shí)，中心節(jié)點(diǎn)接收并處理來(lái)自中控主機(jī)的警報(bào)信息，并發(fā)送至終端報(bào)警器，其功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)緊急事故的快速報(bào)警，中心節(jié)點(diǎn)采用SIM 卡類型ZigBee模塊，對(duì)每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行身份識(shí)別，與注冊(cè)用戶身份相關(guān)聯(lián)。這樣，當(dāng)某個(gè)儲(chǔ)水設(shè)施泄漏，系統(tǒng)將直接將泄漏信息發(fā)送到相應(yīng)注冊(cè)用戶的手機(jī)上，同時(shí)向相關(guān)事故處理部門報(bào)警。

圖2 中心節(jié)點(diǎn)

1.3 中控主機(jī)

中控主機(jī)分析來(lái)自中心節(jié)點(diǎn)的水位數(shù)據(jù)，然后對(duì)其進(jìn)行分析與決策。當(dāng)泄漏事故發(fā)生時(shí)，中控主機(jī)將決策結(jié)果發(fā)送給中心節(jié)點(diǎn)來(lái)啟動(dòng)終端報(bào)警器，同時(shí)，將事故信息通過(guò)SMS服務(wù)器發(fā)送到相應(yīng)注冊(cè)用戶的手機(jī)上，以及相關(guān)事故處理部門。其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 中控主機(jī)

中控主機(jī)通過(guò)分析每個(gè)節(jié)點(diǎn)的水位數(shù)據(jù)變化量是否大于預(yù)設(shè)門限值來(lái)判斷是否發(fā)生泄漏事故，當(dāng)儲(chǔ)水設(shè)施發(fā)生嚴(yán)重泄漏事故時(shí)很容易判斷。但當(dāng)儲(chǔ)水設(shè)施發(fā)生滲水或緩慢漏水時(shí)，受到傳感器精度的限制，可能無(wú)法識(shí)別連續(xù)兩次接收到的水位數(shù)據(jù)的變化。為解決這一問(wèn)題，提出一種多級(jí)循環(huán)比較算法，應(yīng)用于漏水決策環(huán)節(jié)。

多級(jí)循環(huán)比較算法的原理為，接收到的水位數(shù)據(jù)不僅與上一次接收到的水位數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，同時(shí)還與較長(zhǎng)一段時(shí)間以前采集的水位數(shù)據(jù)比較。算法數(shù)學(xué)描述如下：首先定義第j級(jí)循環(huán)比較中連續(xù)兩次比較樣本的差值Δj（i），其表達(dá)式如下

式中：i∈（0，1，2，…，n），D（i）——第i個(gè)樣本數(shù)據(jù)。gj——第j級(jí)的比較間隔，其滿足gj＋1＞gj，且g1＝1，即第一級(jí)比較為連續(xù)兩次采集樣本比較。判斷漏水的依據(jù)為Δj（i）是否滿足式（2）

式中：ξ——系統(tǒng)預(yù)設(shè)的門限值。式（2）的含義為：第j 級(jí)的連續(xù)兩次比較樣本的差值若大于預(yù)設(shè)的門限值ξ，則判斷為有漏水事故發(fā)生。若有儲(chǔ)水設(shè)備晃動(dòng)而引起水面波動(dòng)或傳感器錯(cuò)誤采集等突發(fā)狀況產(chǎn)生，那么按照式（2）進(jìn)行決策就很可能做出錯(cuò)誤決策。在實(shí)際情況中，若儲(chǔ)水設(shè)施發(fā)生泄漏，則水通常會(huì)以一定的流速勻速流失，即水面高度勻速下降。因此，依據(jù)這一特點(diǎn)將第j級(jí)的決策依據(jù)改為

式中：k∈（0，1，2，…，n）。這樣，極大程度地避免了突發(fā)情況對(duì)決策產(chǎn)生的干擾。

針對(duì)儲(chǔ)水設(shè)施緩慢漏水或滲水情況中水面高度變化極小，難以檢測(cè)的問(wèn)題，多級(jí)循環(huán)比較算法通過(guò)延長(zhǎng)比較時(shí)間來(lái)累積水面高度的變化值，在相同傳感器精度的條件下極大地增加了系統(tǒng)檢測(cè)精度。

2 節(jié)點(diǎn)低功耗設(shè)計(jì)

由于網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)通常采用不能進(jìn)行能量補(bǔ)充的電池來(lái)提供能量，節(jié)點(diǎn)隨電池電量耗盡而失效，因此，功耗對(duì)于ZigBee網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)是一個(gè)非常重要的指標(biāo)。為減少節(jié)點(diǎn)能量消耗、延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)的壽命，進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的低功耗設(shè)計(jì)尤為重要。

在傳感器節(jié)點(diǎn)中，傳感器和處理器的功耗很小，傳感器節(jié)點(diǎn)的大部分能量被無(wú)線收發(fā)模塊消耗。因此，合理地減少節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)收發(fā)次數(shù)和降低天線的發(fā)射功率可以有效地降低傳感器節(jié)點(diǎn)的功耗。鑒于以上分析，本文采用以下兩種方法，以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的低功耗設(shè)計(jì)。

2.1 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)選擇發(fā)送機(jī)制

針對(duì)儲(chǔ)水設(shè)施水位報(bào)警系統(tǒng)，中控主機(jī)需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水位信息以達(dá)到快速預(yù)警的功能，這就要求傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送水位數(shù)據(jù)的頻率越高越好。而通常情況下水位均保持不變，系統(tǒng)不需要決策，這就產(chǎn)生了大量的重復(fù)冗余數(shù)據(jù)的傳輸，造成能量浪費(fèi)。

根據(jù)以上情況，本文采用一種節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)選擇發(fā)送機(jī)制［8］。傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集周期為Tsensor，數(shù)據(jù)發(fā)送周期為Tsen，二者滿足式（4）

式中：m∈（0，1，2，…，n），即每采集m 次數(shù)據(jù)發(fā)送一次。同時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)一個(gè)發(fā)送周期Tsen內(nèi)的m 個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，記

式中：l∈（0，1，2，…，n），X（l）——第l個(gè)采集數(shù)據(jù)。當(dāng)τl均小于或等于預(yù)設(shè)閾值ω時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)按周期Tsen正常發(fā)送數(shù)據(jù)，即只有數(shù)據(jù)X（m）被發(fā)送到中心節(jié)點(diǎn)，而X（1），X（2），…，X（m－1）均被舍棄。這樣，就減少了大量的重復(fù)冗余數(shù)據(jù)的傳輸。若τl大于預(yù)設(shè)閾值ω，表明水位信息有變化，發(fā)生漏水事故的可能性較大，所以從該時(shí)刻起，按采集周期Tsensor發(fā)送數(shù)據(jù)，等待中控主機(jī)的決策結(jié)果。

這樣，采用周期與非周期相結(jié)合的自適應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，在不犧牲系統(tǒng)預(yù)警的準(zhǔn)確性的情況下，可以有效地降低節(jié)點(diǎn)能耗。其中，閾值ω、采樣周期Tsensor和Tsen可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定。

2.2 節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率自適應(yīng)機(jī)制

本系統(tǒng)中傳感器節(jié)點(diǎn)分布在建筑物中，與中心節(jié)點(diǎn)間的距離各不相等，且相隔不同程度的障礙物，所以，其與中心節(jié)點(diǎn)通信所需要的發(fā)生功率也不完全相同。若所有傳感器節(jié)點(diǎn)以相同的發(fā)射功率與中心節(jié)點(diǎn)通信，則會(huì)造成不必要的能量浪費(fèi)。針對(duì)以上問(wèn)題，本文采用節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率自適應(yīng)機(jī)制［9］，其原理如圖4所示。

圖4 功率校正原理

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)建立時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)以最大發(fā)射功率與中心節(jié)點(diǎn)通信，向其發(fā)射功率校驗(yàn)命令。然后，中心節(jié)點(diǎn)向傳感器節(jié)點(diǎn)返回一個(gè)接收信號(hào)強(qiáng)度指示信號(hào)（receiving signal strength indication，RSSI），傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)返回的RSSI值對(duì)其發(fā)射功率進(jìn)行調(diào)整，然后再次向中心節(jié)點(diǎn)發(fā)送功率校驗(yàn)命令，直到傳感器節(jié)點(diǎn)與中心節(jié)點(diǎn)以相對(duì)最小發(fā)射功率建立可靠的通信鏈路為止。

通過(guò)應(yīng)用節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率自適應(yīng)機(jī)制，傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)實(shí)際的通信信道質(zhì)量調(diào)整其發(fā)射功率，避免了所有節(jié)點(diǎn)按照統(tǒng)一發(fā)射功率傳輸數(shù)據(jù)所造成的能量浪費(fèi)。

3 實(shí)驗(yàn)與仿真分析

3.1 多級(jí)循環(huán)比較算法實(shí)驗(yàn)分析

為測(cè)試多級(jí)循環(huán)比較算法的性能，我們對(duì)3個(gè)尺寸相同的水箱（分別記為Tank 1，Tank 2，Tank 3）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。分別對(duì)3個(gè)水箱進(jìn)行兩組實(shí)驗(yàn)，第一組實(shí)驗(yàn)采用多級(jí)循環(huán)比較算法對(duì)其進(jìn)行漏水決策；第二組實(shí)驗(yàn)采用傳統(tǒng)決策方法對(duì)其進(jìn)行漏水決策。根據(jù)式（3），第一組多級(jí)循環(huán)比較算法的參數(shù)設(shè)置如下：j＝2，k＝3，g1＝1，g2＝10，ξ ＝5mm；第二組實(shí)驗(yàn)中的報(bào)警門限值也設(shè)為5mm。兩組實(shí)驗(yàn)的采樣間隔Tsensor均設(shè)為5s。

兩組實(shí)驗(yàn)分別對(duì)3個(gè)水箱進(jìn)行相同的試驗(yàn)，初始水位均為200mm，然后在水箱底部開(kāi)不同大小的孔或使水箱產(chǎn)生晃動(dòng)，使Tank 1的水位以1.2mm／s的速度下降，Tank 2的水位以0.6mm／s的速度下降，而未對(duì)Tank 3水箱進(jìn)行破壞，只是輕微晃動(dòng)水箱，使其水面發(fā)生波動(dòng)，水位變化情況如圖5所示。

圖5 水位變化

第一組實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)對(duì)Tank 1 和Tank 2 產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)；第二實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)對(duì)Tank 1和Tank 3產(chǎn)出報(bào)警信號(hào)?；诙嗉?jí)循環(huán)比較算法的決策系統(tǒng)對(duì)3個(gè)水箱的漏水情況判斷完全正確，而第二組基于傳統(tǒng)判斷方法的實(shí)驗(yàn)中，僅對(duì)Tank 1做出正確判斷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，多級(jí)循環(huán)比較算法能夠有效地提高系統(tǒng)的報(bào)警靈敏度，并降低誤警率。

3.2 節(jié)點(diǎn)低功耗仿真分析

這里對(duì)本文所設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)的低功耗性能進(jìn)行分析，首先建立節(jié)點(diǎn)能耗模型。本文引用基于通信和計(jì)算特征分析的能耗模型［10］，其數(shù)學(xué)模型表示如下：

（1）面向應(yīng)用的節(jié)點(diǎn)能耗

（2）節(jié)點(diǎn)通信能耗

（3）節(jié)點(diǎn)計(jì)算能耗

（4）傳感器采樣能耗

式中：psen——RF發(fā)送的平均功率，tsen——RF發(fā)送的每幀平均用時(shí)，Tsen——數(shù)據(jù)發(fā)送周期。類似地，式（7）中其它參數(shù)分別為通信模塊接收、空閑及睡眠時(shí)的功率、時(shí)間和周期。patom為原子計(jì)算的平均功率，tatom為原子計(jì)算的平均用時(shí)，Tatom為原子計(jì)算周期。psensor為傳感器采樣平均功率，tsensor為傳感器采樣平均用時(shí)，Nsensor為傳感器采樣周期。

本試驗(yàn)中，節(jié)點(diǎn)ZigBee 模塊采用TEXAS INSTRUMENTS公司的CC2530SoC［11］，傳感器采用DYP－ME007超聲波模塊［12］，以下為其公司提供的節(jié)點(diǎn)物理特性參考值

psen＝u＊isen＝3.3V×29mA＝95.7mW

prec＝u＊irec＝3.3V×24mA＝79.2mW

pidle＝u＊iidle＝3.3V×0.2mA＝0.66mW

psleep＝u＊isleep＝3.3V×1μA＝3.3×10－3mW

psensor＝u＊isensor＝5V×15mA＝75mW

patom＝5／4＝1.25mW

tsensor＝1ms

根據(jù)以上能耗模型及物理參數(shù)，分別對(duì)采用節(jié)點(diǎn)低功耗設(shè)計(jì)與未采用低功耗設(shè)計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)功耗進(jìn)行仿真分析。實(shí)驗(yàn)中，為便于分析，網(wǎng)絡(luò)僅由一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)和3 個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)（分別記為節(jié)點(diǎn)A，B，C）組成，采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。表1給出本實(shí)驗(yàn)中兩種機(jī)制下3個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的部分參數(shù)設(shè)置。

表1 傳感器節(jié)點(diǎn)部分參數(shù)

此外，在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)通信周期內(nèi)，節(jié)點(diǎn)的各個(gè)狀態(tài)平均用時(shí)［10］為

tsen＝3.291ms

trec＝0.842ms

t

atom＝1.033ms

tidle＝T1－tsen－trec－tsleep＝45.867ms

結(jié)合以上參數(shù)與功耗模型，對(duì)采用低功耗設(shè)計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)與未采用低功耗設(shè)計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)的功耗進(jìn)行仿真。其中，又對(duì)采用低功耗設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行兩種情況下的功耗仿真：一種是節(jié)點(diǎn)采集的水位數(shù)據(jù)一直保持平穩(wěn)的狀態(tài)；另一種是節(jié)點(diǎn)采集的水位數(shù)據(jù)在某段時(shí)間內(nèi)發(fā)生突變情況。仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 低功耗與非低功耗節(jié)點(diǎn)能耗

從仿真結(jié)果可以看出，采用低功耗設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)功耗明顯低于未采用低功耗設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)功耗。由于節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)選擇發(fā)送機(jī)制，當(dāng)水位數(shù)據(jù)發(fā)生突變時(shí)，低功耗節(jié)點(diǎn)的功耗突然增大。根據(jù)仿真數(shù)據(jù)得出，采用低功耗設(shè)計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)的功耗相比于未采用低功耗設(shè)計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)降低76.37%。本文低功耗設(shè)計(jì)的節(jié)能效果顯著，適用于本系統(tǒng)傳感器節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，有效延長(zhǎng)系統(tǒng)壽命。

4 結(jié)束語(yǔ)

為解決民用及工業(yè)建筑物內(nèi)大量?jī)?chǔ)水設(shè)施監(jiān)管問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種漏水監(jiān)測(cè)及快速報(bào)警系統(tǒng)，將緊急事故情況信息直接發(fā)送給相關(guān)緊急事故處理部門及相應(yīng)注冊(cè)用戶。并提出一種多級(jí)循環(huán)比較算法，應(yīng)用于中控主機(jī)決策環(huán)節(jié)。同時(shí)，對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了低功耗設(shè)計(jì)，通過(guò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)選擇發(fā)送機(jī)制與發(fā)射功率自適應(yīng)機(jī)制，降低節(jié)點(diǎn)功耗。相對(duì)于現(xiàn)有的水位監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)具有報(bào)警速度快、靈敏度高、誤警率低和功耗低的特點(diǎn)。

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