智能建筑中IEEE 802.15.4 / ZigBee无线传感器和网络服务的干扰、衰减和到达方向的问题和解决方法外文翻译资料

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智能建筑中IEEE 802.15.4 / ZigBee无线传感器和网络服务的干扰、衰减和到达方向的问题和解决方法

H. Ghayvat uArr;, S.C. Mukhopadhyay, X. Gui


摘要

内部IEEE 802.15.4标准的性能指标使它只主导选择短程环境监测和控制应用程序。基于无线技术的多种传感器和执行器节点部署到智能建筑环境。无线技术部署在建筑环境遭受干扰不同通信协议的操作在同一无照ISM波段,除了衰减损失。设计师也不能忽视这些因素在智能建筑中,因为这些问题对系统性能的不利影响是相当大的。大多数研究人员报道,但没有智能建筑的各个方面。这个研究论文报告了详细的实验分析和缓解为不同类型的干扰,到来的方向和衰减损失与智能建筑条件有关。本研究也试图找到缓解无线电信号的到达方向。我们的研究旨在生成定制的方法,将一口——港口和协助智能建筑系统设计评估和衡量现场表现这些评估将精确、高效和准确。一个现实的,智能家居解决方案应用于建筑。

1. 介绍

在21世纪的科技进步, 由于安装方便和低成本无线传感器和网络(网络)已经获得了越来越多的自动化和监测的关注。到处都从庞大的结构建筑自动化智能家居,巨大的工业应用装配单位的卫生保健服务,太空火箭计划通过无线传感器和网络小电子产品,WSN产生了明显的和重要的在现代世界设计。通过引入无线技术的重大改进减少和简化了介质复杂性,利用传感系统进入有线传输,并提供便利的安装传感器,控制器和执行器。无线技术的创新在城市环境中安装大量的传感器而减少成本。

众多类型的无线标准被记载;任何标准是一个函数的实现应用程序的要求。在WSN各种无线通信技术的设计应用,如无线网络、无线个域网和蓝牙。国内城市环境的监测,短程,可靠的数据传输和低功率的主要需求。IEEE 802.15.4无线个域网提供服务标准是被广泛接受的智能家居解决方案。内部IEEE 802.15.4提供了较低的层提供服务(物理和数据链接)功能而无线个域网介绍,人为的上层功能。本标准使用许可,免费工业、科学、医疗(ISM)乐队,和全球无线个域网使用2.4 ghz频段,其中包含16通道编号11-26 250 kbps的数据速率。每个通道有2 MHz带宽和5 MHz信道分离。

IEEE 802.15.4无线个域网提供服务标准使无线技术在家里和建筑环境中安装多种传感器。在无线传感性能和设施正从研究级工业阶段作为智能建筑监测和自动化。在建筑环境中各种电台、通讯设备在ISM波段操作引起的降解性能和可靠性之间所需的无线电信号传感器节点和数据公司经文点。有三个现象干扰、衰减和多路径。不同的无线通信技术的主要问题在同一频带是他们中的大多数并不适当计划互相兼容。有一些频道重叠的问题。wi-fi和ZigBee的共生性行为一直记录在完全不同的研究。此外物理层的wi - fi和ZigBee共存曾考虑IEEE 802.15.4标准提供服务。在这之后,现实的建筑环境性能是完全不同于理想的IEEE标准的考虑。还有其他non-networking发射电磁波的应用程序,如在ISM波段微波扰乱个人区域网络(PAN)的无线通信。无线个域网协议是基于直接序列扩频(DSSS)技术。这些扩展频谱技术提供一定程度的免疫力。

wi - fi和ZigBee共处物理底层行为被认为是在不同的网络设计的研究。

现有的研究系统地考虑干扰的影响,但他们都是基于仿真的方法。这些研究在几个推崇,为无线通信环境中,拓扑结构和干扰来源。他们使用的实验假设最坏的场景等实验,这是完全不同于现实的,实际的建筑环境。

研究中他们发现,Clear Channel的交叉技术估计概率评估(CCA)之间的ZigBee和wi - fi是至关重要的。他们发现了wi - fi对无线个域网不敏感,但ZigBee对wi-fi过于敏感。共存的范围是25米的CCA范围自由空间路径损耗模型。在Tytgat等人的相似研究中，他们还提出,CCA的范围可以减少wi-fi和ZigBee的碰撞,但ZigBee的CCA机制有点缓慢,无法避免所有wi - fi频道流量。

由于802.11 b争用他们记录下ZigBee数据包损失率85% 。Sikora经验数据研究中,扩展,初步了解内部IEEE 802.15.4无线个域网提供服务共存的表现。已记录的通道抵消美元10 MHz包错误率(/)的内部IEEE 802.15.4无线个域网提供服务从92%减少到30%,在无线干扰。设置有2 m WPAN间距和无线发射器。在类似的研究中,佩特洛娃等人简要介绍了共存与IEEE 802.11 b / g。他们进行实验之间的固定间距3.5米wi - fi和WLAN和指出,满意的内部IEEE 802.15.4偏移提供服务的性能至少7兆赫频率。为了更好的同频道拒绝,小尺寸的包应该。他们记录下更好的系统性能相比20字节的数据包的最大数据包大小127字节。Wanqi等人在研究2.4 ghz频率的影响ISM波段干扰在建筑环境内部IEEE 802.15.4网络提供服务可靠性指出,每(无源干扰)从2%到25%(干扰来源)。其它占主导地位的影响、微波、运行在2.45 GHz,和大量的电磁辐射信号。尽管封装在一个法拉第笼,仍然可以对一些泄漏发生在门和开放。这种恶化随着时间的推移机械滥用或简单的“磨损”导致门海豹变得不那么有效。由于这些原因,微波是WPANs干扰的一个潜在来源。在收到每12%的传感器节点协调员间隔6米和微波接收机距离0.5米。这种影响变得更果断,因为现有的应用程序的数量主要基于ZigBee无线传感器网络在2.4 GHz乐队在室内场景快速增长(如。、家庭自动化和监测、能源管理、健康监测和照明)。高通最近,移动技术公司计划建造方法利用不受监管和无证2.4 GHz乐队为移动。除了这些影响蓝牙和凸轮无线电一些更多的设备也在ISM波段操作,影响相当。

在现实条件下,无线电信号传播通常遇到一些家居用品的努力和经验进一步衰减吸收特征的对象。建筑环境中的电磁信号传播经历了三个主要的物理模式,引入衰减:反射、衍射和散射。有许多不同的对象,包括移动、静止和瞬态室内环境中的对象导致射频能量的损失。比低频率更高频率衰减更快,类似于自由空间传播损耗。路径损耗,以及衰减无线电信号的损失,发生在距离,衰减量随射频信号的频率和障碍材料类型和密度。

此外,直接与另一个参数是多路径衰减或到达方向(DOA)。当一个天线辐射的无线电信号同时向四面八方,信号通常需要许多路径到达接收机。每条路径的信号交互通信环境含糊不清地与一些延迟和可能到达接收机相位和频率的变化。如果在接收机接收到的信号在阶段,然后他们产生相长干涉。如果信号相位差的信号,他们导致信号强度损失产生相消干涉。这种延迟被称为延迟的传播扩散,和它被称为多径衰落造成的衰减。多路径衰落主要是分为两个部分。首先,当障碍大,静态的,然后它被称为大规模的衰落,慢衰落、阴影。第二,当障碍小,瞬态,那么它被称为规模小,快衰落和散射。频率的变化被称为多普勒扩散。他们提出了数学模型与主参数间隔,RSSI和天线方向的室内环境。张成泽等人提出了无线传感器网络性能指标来构建应用程序,在他们的研究中他们记录包交货率(PDR)95%的间距小于10米通过标记墙在0 dBm和同样的设置链路质量指示(LQI)不到80%。

到来的方向测量提供最好的网络定位方法至少多路径损失。理想情况下,我们知道,无线通讯设备使用各向同性低功率芯片以及线拉杆天线,辐射无线电信号在所有方向同样均匀。一个实际的天线并不像。到来的方向有一个重要的角色在一个室内环境系统发现不同类型的障碍,降低性能。天线的方向起着重要的作用。所有的分析和表征的无线电通信已经由测量来收集数据。这些数据揭示了电磁波的性质,与应用程序的统计评估这些数据生成一个数学模型。准确估算的数学模型是设计良好定义的实验室环境中,但是他们不能在现实环境中执行。尽管这个模型不是纯粹的理论,他们不包括真实世界效应的精确数学模型。

尽管有一些最近的研究可用于识别和智能建筑的缓解问题,但这些不足和不可靠的方法。支持所需的实验方法的发展,本研究提出了方法和科学的方法,帮助描述必须考虑的主要方面。

我们的目标是完成实验和建立的数学模型,包括现实世界影响和参数。

研究提出了一个现实的方法从智能建筑监测系统获得最优性能。我们可以定义智能大厦监控应用程序的自动化与积分系统的住宿设施,提高居住者的日常寿命和进展。在这个研究中,我们设计了一个XBee series-2运行的智能大厦监控系统基于ZigBee协议。我们的想法是生成一个系统级的设计方法来制定设计问题和可能的解决方案。

本文的其余部分组织如下。在第2部分中,我们开始与ZigBee-based智能建筑环境描述。在第四节,我们提出基于干扰和衰减损失的实验问题。第5部分描述了一些缓解和可能的建议来处理问题。最后,我们在第六节总结与未来工作的可能性。

1. 智能建筑系统的描述

智能监控方法首次实现在老房子里,后来它被带到一幢公寓。智能和智能监测系统连续运行过去18个月没有任何重大问题,在现实条件的居民。在无线电通信中,我们发现不同类型的无线个域网射频模块。对于我们的研究应用程序,我们选择第吉尔XBee Series-2射频。智能建筑系统的简短描述和部署传感器节点由以下部分组成。

2.1拓扑和设备配置

无线个域网可以通过编程的四种可能的方式驱动程序以及软件。它通常在两种操作模式功能;第一个是一个应用程序编程接口(API),和其他应用程序是透明的(AT)。无线个域网网格拓扑结构是最首选的城市环境的拓扑。表1描述了可能的设备选择和功能。

表1

无线个域网设备模式及其功能。

ZigBee设备类型 功能

ZigBee协调器（ZC） 正是有一个协调员每一个网络,这是设备,网络建立的责任网络。这个协调收发器,射频模块不

仅从各个传感器节点接收数据连接了到它,但看起来也为远程配置和故障检测的其他相关网

络中传感器节点。

ZigBee路由器（ZRs） ZigBee路由器应用于延长无线通信网络覆盖区域。他们邻居的路由器传输包指定的路径。

ZigBee终端（ZED） 其他节点的终端不能通信数据;它们网络的末端。他们只有通过他们的数据向接收者。他们是

数据的源点。

ZigBee终端路由器 终端路由器节点可以传达它的数据和其他邻居的网络中的数据。

有一些细微的安全措施和维护要求与物理伤害和传感器节点的电源。

电流传感器的设计部署在智能建筑图1所示。这种布局描述了传感器位置在真实和真诚的,智能建筑、居民居住的地方,和研究旨在安排传感器节点对健康数据接收和预测。这些异构传感器包括PIR、温度、力、电子和电器监控单元,传感器和食品指示按钮。一个快速概述在表2中展示了这些传感单元。

Figs 2 - 5给的照片传感器单元放置在智能建筑监测活动和提供辅助生活健康。这些异构传感单元传输数据通过无线个域网终端设备协调员。本地MySQL服务器的数据是原始数据信息提取软件。软件设计和编程根据个人数据提取要求。图形用户界面设计的帮助下visual studio c#上传原始数据到MySQL服务器。从本地服务器,数据分析与数据挖掘和机器学习算法的帮助下,通过互联网和上传一个设计网站。当地的家庭网关服务器是图6所示。

1. 测量干扰和衰减损失的方法

本文提出的研究方法和实施是一个现实的环境下使用简单和紧凑的组件。从用户的角度来看,可靠性优化服务交付,这在服务是唯一可能的最优性能最好的可靠性。所以可靠性是至关重要的和期望的用户数据应该传播,接收和分析在可接受并定义时间近乎实时的最佳精度值和最小误差。

在WSN-based智能家居系统性能的可靠性,解释视角并不容易,因为派,因为无线电通信系统发现了一些可变矿区严重影响可靠性。最常见的解释可靠性数据可靠性;数据传输,接收,测量误差和延迟。数据传输和接收传感器节点之间的通信媒介的功能。这个无线电通信链接的质量提高了可靠的数据传递的机会。然而,考虑传感器节点的设计也决定性能,因为它们是源的数据,如果数据从源损坏,那么系统不能达到一个合理的准确性。大部分时间甚至有良好的射频链路和最好的传感器节点设计考虑系统得到更少的准确性。这是不当的原因在建筑环境路由选择和阻塞。城市环境的障碍,所以会导致数据丢失。路由和拓扑不当增加这个数据丢失有时更像是一个终端设备节点没有发现附近的路由器节点和数据通常会丢失。信号传输发生与光速,所以延迟很小或微不足道的,尽管设计师需要考虑这延迟,因为在目前智能建筑设计系统是专注于实时情报。合并后的延迟在水槽将大到足以影响到近乎实时的流媒体。

我们可以更好的理解这个包的网络可靠性ZigBee-based方面。包交货率(PDR),包成功率(PSR),丢包率(PLR),包错误率(每),接收信号强度,信号噪声比和接收封包延迟的一些参数,定义系统的可靠性和性能。评估这些参数在IEEE 802.14.4 ZigBee-based无线传感器网络,智能建筑设置开发和实现实时应用程序。结果表明,距离,部署环境和传感器节点的定位是关键参数决定无线传感器和网络的可靠性。为更好地理解和系统性能评估,这些参数必须制定与现实世界影响。

• 1. 延迟

无线系统的实时性能是高度受交通条件、拥挤和碰撞。如果从传感节点发送的信息在一个预定义的采样率,人们猜测接收器接收到相同的利率。这包是通过不同的通信路由路径,所以他们采取不同的时间,其中一些可能会丢失的努力目标。有时间出去,即。最后

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