A deployment procedure for wireless sensor networks
Abstract
Since the wireless signal is invisible and unpredictable, the deployment issue for a wireless sensor network (WSN) becomes a critical task. In this paper, a procedure of deployment for a wireless sensor network in an indoor environment is proposed. The objective of the procedure is to provide a solution guide for people who donrsquo;t have sufficient wireless communication knowledge and experience in how to correctly place the wireless sensor nodes or devices in the interesting indoor environment, especially in a large-scale deployment case, and then the desired communication performance of the wireless sensor network can be achieved. The addressed deployment procedure is divided into four sub-procedures and is discussed in detail in the following. A deployment plan for an office and the real deployment testing results are then proposed to demonstrate the efficiency of the proposed deployment procedure.
1. Introduction
In recent years, based on the maturity of low-power, low-cost and small-scale circuit design technology, a newly application area of wireless sensor networks formonitoring and sensing environment, detecting the events, tracking targets in thegiven regions and providing personal network services, is arisen very quickly. Most ofthe services in this newly application area need certain infrastructure to achieve thedata sensing, processing and communication tasks. That is why the deploymentprocedure is regarded as the most important issue in wireless sensor network [1].
The traditional way in the deployment of wireless sensor networks is mostlyplacing sensor nodes by random or ad hoc method which is convenient and suitablefor outdoor applications [2-4]. In such cases, the sensor nodes are capable ofself-configuration and self-discovery. To reduce power consumption, in [5], theyestablished a topology that act as a communication backbone. In [6], they establisheda virtual network whose topology of a mesh of stars which also provides communication functionality. It is represented in [5] and [6] that the backbonenetwork is essential to wireless sensor networks while it require more effort to be established.
Since our use of wireless sensor networks lies on indoor applications, we considerthat a reliable communication channel should be constructed before any application-oriented devices being put into action. When it comes to sensor network deployment, we put our attention on deploying the communication backbone of sensor network while fulfilling the connection quality and coverage constraints into target area. Furthermore, the deployment planning in the proposed method, a 3-D space and 3-D antenna radio pattern are employed to make the simulation results will be more approximated the real physical environment. After planning of deployment, we also suggest some efficient testing procedure to measure the communication performance of the established networks; these are the major differences between our method and others [6-8].
The rest of the paper is organized as follows: in Section 2, the proposed deployment procedure for wireless sensor networks is addressed. In Section 3, an office deployment demonstration is illustrated to show the efficiency of the proposed deployment method. Then, we make a conclusion in the last Section.
2. The deployment procedure for WSN
The proposed procedure includes four sub-procedures, which are (1) Planning Procedure; (2) Device Configuration Procedure; (3) Network Verification Procedure and (4) Requirement Completion Procedure. The whole procedure is shown in Figure 1 and the details of these procedures are described below.
2.1. Planning Procedure
In the construction of the backbone of a wireless sensor network, we take a few things into consideration: the network connectivity, the signal coverage in the area, and the number of devices used. The most important thing we care about is the network connectivity which stands for the ability whether the packets can be successfully sent to their destination through the established networks. It must be assured that each device in the backbone network is inter-connected, since it was essential to the whole network and the applications established above. After that, we take the signal coverage and the devices used into account in the next step. As a goal, we would like to expand the signal coverage of the backbone network to cover the whole area. Generally speaking, expanding the coverage usually increases number of devices used, raises the cost of the sensor network at the same time. The Planning Procedure is proposed to find the suitable position of each device by minimizing the number of devices used while expanding the network coverage to the whole desired region.
We have built an automated application program which helps the users finding the exact position where the devices should be located and fulfill the coverage constraint in the target area while limiting the amount of devices required in a reasonable number. The required inputs of the application, given by the users, are: a 3-D Space Model of target region, the Antenna Models (3-D radio patterns) of devices used and the Signal Quality Threshold (sensitivity of employed antenna) of the receiverrsquo;s antenna being considered to be connected. Some other constraints can be assigned to the application, including the redundancy of the devices, the density of the devices in certain area and the area should or should not be placed with sensor devices, etc.
The 3-D Space Model we are using includes information about location and material of walls and doors in target area, along with the coverage requirements. We did some experiments for measuring the transmission attenuation of the received signal strength when the signal passes through
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一种无线传感网络的部署程序
摘要
因为无线信号是不可见且不可预知的，所以部署一个无线传感网络成为一个复杂的任务。在这篇文章中，提出了一个室内环境下的无线传感网络的部署程序。这个方法的目的是为那些没有足够无线通信知识和经验去在室内环境感兴趣的地方正确部署无线传感节点的人提供一种解决方案，特别是在大范围的部署项目中，通过这种方法可以达到理想的无线传感网络的通信效果。这个部署程序分为四个子程序，将会在下面详细介绍。我将会通过一个在办公室的部署计划和真实环境的测试结果来证明这个部署程序的有效性。
1.绪论
近年来，随着低功耗、低价格和小规模电路设计技术的成熟，新的无线传感网络的应用领域，如监测和感知环境，探测事件，在给定区域内跟踪目标和提供个人网络服务等快速兴起。大多数这些新应用领域的服务是需要特定的底层硬件来完成数据的采集，处理和通信任务。这就是为什么部署程序被认为是无线传感网络中最重要的一环[1]。
传统的部署无线传感网络节点的方法大多数是随机的安置传感器节点或者使用Ad hoc，后者主要适合于户外应用[2-4]。在这样的应用中，传感器节点要求能够自我配置和自我发现。为了减少能量消耗，在[5]中，他们制定了一个拓扑作为通信的告诉链路。在[6]中，他们制定了一个虚拟的网络，这个网络拓扑是星型的并且提供通信功能。在[5]和[6]中，都共同指出当它需要更好的效果时，高速链路网络对无线传感网络是必要的。
因为我们的无线传感网络是应用于室内的，所以我们认为在任何应用被实施之前应该建立一个可靠的通信信道。当提到无线传感网络部署，在要完成连接质量和进入目标区域的覆盖限制时，我们把注意力放在无线传感网络的通信链路的间部署上。而且，在我们提出的部署方法中，利用3-D 空间和3-D 无线模式来使仿真结果更加接近于真实的物理环境。在这个部署计划之后，我们也提出一些有效的测试方法来评估已制定网络的通信性能；这是我们的程序和其他人之间主要的不同之处[6-8]。
本文剩余的组织结构如下：第2 章节，讲解提到的无线传感网络的部署方法。第3 章节，用一个带插图的办公室部署案例来说明提出的部署程序的有效性。然后我们在最后做一个结论。
2.无线传感网络的部署方法
提出的部署程序包含四个子程序，它们是(1)计划编制程序；(2)设备配置程序； (3)网络确认程序；(4)需求完成程序。整个部署如图1 所示，这些程序的细节描 (3)网络确认程序；(4)需求完成程序。整个部署如图1 所示，这些程序的细节描述如下。
2.1 计划编制程序
在无线传感网络的链路构造过程中，我们考虑了一些事件：网络连通性，信号覆盖范围和有用的设备的数目。我们担心的最重要的事情是网络连通性，这代表了数据包能否通过网络被成功地发送到它们的目的地。必须确保在网络中的每一个装置是相互连接的，因为对整个网络和已制定的上层应用来讲这个是必要的。在这之后，我们下一步将说明信号覆盖范围和有用的设备的数目作为一个目标，我们愿意扩展网络的信号覆盖范围至整个区域。一般而言，扩展覆盖范围通常会增加使用设备的数目，同时增加传感网络的消耗。计划编制程序被用来在扩展网络的信号覆盖范围至整个区域的时候，通过使用最小数目的设备来寻找每个设备合适的位置。
我们建立了一个自动化的应用程序，当限制设备数量在一合理范围内时，这个程序可以用来帮助用户在目标区域寻找设备应该放置的准确的位置和覆盖的范围。应用程序需要用户输入目标区域的3-D 空间模型，使用设备的天线模型（3-D 无线参数）和接收天线的信号质量门限值（使用天线的灵敏度）。也可以给应用程序指定其他一些限制，这包括多于的设备，在确定区域的设备的密度和在这区域中是否应该放置传感器装置等等。
我们使用的 3-D 空间模型连同覆盖需求还包括目标区域的墙和门的位置和材质信息。我们做了一些实验来测量当信号通过像水泥，玻璃和木头等等这些材料时接收信号强度的传输衰减。事实上，我们努力使我们提出的计划编制程序尽可能的接近实际情形；然而肯定会有一些在这个程序中不可测量或者没有考虑到的因素，它们是由于天线之间的差异，无线参数测量的错误，来自环境的冲突等原因而产生。至少，这个计划编制程序可以为那些在怎样部署无线设备到感兴趣区域方面没有经验的人提供一个有用的工具。
根据自动化应用程序的仿真结果，我们能够获得目标区域网络的每一个传感器装置的位置和天线方向。通过软件产生的装置信息包括位置，天线方向，灵敏度和传输能量。
2.2 设备配置程序
每一个设备上运行的程序配置是相同的，当有一些个别配置需要在放置他们到计划编制程序中确定的位置之前应用到每一个设备上。这些必需的配置是：每个设备的天线使用的能量，网络运行的信道和默认的网络拓扑结构。由于无线传感器网络的拓扑结构是一种树形结构，我们可以在每个设备中保持默认的双亲身份来配置默认的网络拓扑。因此，一个设备的双亲身份应该在配置之前被公认。我们使用64bit MAC 地址，这个作为唯一识别号被预先配置到每一个设备中。在指定了设备的双亲后，网络的拓扑很容易确定。我们制作了另一个工具帮助用户方便的使用这个程序。计划编制程序的结果将会通过设备配置工具被取得，用户可以通过其中包含的信息描绘出网络的拓扑结构。和默认的拓扑不同，网络运行的信道是通过用户来指定的。至于每一个设备的能量，已经在计划编制程序中定义好了，计划编制程序的结果中同样包含这个信息。在获得必要的数据之后，这个工具将转换到配置模式。
为了确保配置下的设备的双亲身份已经存在，设备按照配置工具产生的顺序被一个接一个的配置。在所有的设备被配置之后，用户可以把设备放置到目标区域。
2.3 网络确认程序
我们已经为用户提供另外的程序来检验部署的无线传感器网络的性能。用户可以使用一个命令进入每一个设备。在把一个手持式移动设备放置在网络中时，用户可以通过一些预先确定的测试来检查网络。我们已经定义了如下测试来检查网络的有效性：双亲连通性，网络覆盖和设备覆盖。
对于一个无线链路，我们首先关心的事就是设备间互连的状态。如上所述，网络拓扑形成一个树，所以通过确保树的每一边连接是有效的，我们可以确定网络连通是有效的。这就意味着如果所有的设备都连接到它们的双亲节点，那么它们就连到了网络中的所有设备。双亲连接测试的目的是重新得到一个设备和它的双亲之间的连接状态。当一个设备收到一个手持移动设备发来的双亲连接测试命令，它将发送一些数据包给它的双亲，根据丢包率来计算平均连接质量，并为用户的进一步评估提供测试结果。用户将会一个接一个的测试设备。在所有的设备提供双亲连接测试后，用户可以得到树形网络中每条路径的全部连通状态。
网络覆盖测试通常用来检查目标区域的网络覆盖。网络覆盖测试的目的是为了确保来自目标区域的所有数据包都能够成功的发送到目的地。因此，在网络链路形成后，用户可以任意的增加、改变和移除任何超过放置节点的终端装置或者可以在目标区域自由使用移动装置。用户能够知道哪一个网络装置正在被察觉，连同链路质量参考值而且可能在一个特殊的位置被连接。下面的操作就是定期地扫描正在使用的信道并返回结果给用户。为了检查整个网络的信号覆盖，用户需要跨越整个区域来确保所有感兴趣的位置被网络覆盖。
我们为用户提供覆盖测试来检查从特殊网络装置到一些感兴趣位置的连接质量。在收到一个装置的呼叫命令后，它将会每秒发送十个数据包给用户移动装置，直到收到一个沉默指令或者一分钟内没有收到应答包。用户可以使用这个测试函数去分析在手持设备位置处的丢包率和网络装置与特殊位置之间的连接质量。
2.4 需求完成程序
基于计划编制结果的无线传感网络的部署不一定能满足需要。这就意味着对于网络连通性或者网络覆盖对网络结构方面的应用来说是无效的。造成这种缺陷的原因很多，像无能的空间模型、无效的天线模型、理论和实际的差距、错误的设备位置等等。为了确定问题，我们提供需求完成程序来帮助用户解决网络问题。
提供的方法是插入额外的装置到网络中去。用户可以从网络确认程序提供的结果来识别有问题的网络连接。在确认无效连接后，下一步是选择一个位置放置新的额外的装置。用户使用网络覆盖测试来寻找能够连接有连接问题的两个终端节点的位置。这个位置放上新的装置可以改善最初网络的不足。覆盖问题也可以通过在最近的网络装置和感兴趣的位置之间插入一个装置来解决。
如果从网络确认程序获得的测验结果显示网络离基本能力太远，用户应该退回到计划编制程序，修正一些限制或者空间模型，而且要把最初三个程序再做一边。
3.办公室部署案例
我们在办公室的无线传感器网络部署上应用了提出的程序。我们在下面列出了一些我们的测试环境。我们使用的无线传感器网络协议是以IEEE 802.15.4 标准为基础。测试平台使用的是一个Chipcon CC2420 射频发射器和AtmelATmega128 微控制器。在计划编制程序中利用一个像搜索算法一样的仿真程序来定位所有的无线传感器网络节点。装置额射频设定为：发射器力量是0 dBm，接收器天线的灵敏度是-94 dBm。
办公室的平面图如图 3 所示。这花了我们大约30 分钟来描绘平面图和确定室内材料。在描绘平面图之后，我们掩饰区域不需要被网络覆盖，如图4 所示。计划编制工具只需要很少的信息，如上面提到的天线模型和信号质量门限等。计划编制工具为找一个配置计划在我们的Pentium4 3.2GHz 个人计算机上花了40秒。结果如图5 所示，这些点指示了装置应该放置的位置。图6 显示了用计划编制工具仿真的网络信号覆盖情况。
我们使用装置配置工具使我们的网络形成一棵树，如图7 所示。数字指示出被配置的装置的次序。整个装置配置程序花了我们大约6 分钟来描绘拓扑图和配置装置。在配置之后，装置被放在各自的位置。
装置安置后的程序是网络确认程序。我们利用提供的工具来检查网络有效性，每个装置大约花了20 秒，整个网络大约5 分钟。
我们选择了应用程序指定的十二个位置，装置将会被放置在这些感兴趣的位置。在每个位置，我们扫描可用的网络装置，并且选择它们其中之一作为网络附着。我们利用装置覆盖测试，可以得到每一个感兴趣位置的数据包丢包率和链路质量分析结果。测试位置和他们各自的结果如图8 所示。对于所有的十二个位置的测试程序花了我们大约10 分钟完成。依照测试的结果，网络的运转如我们期望的一样，而且不需要需求完成程序。
4. 结论
最近随着无线传感网络的应用的兴起，急需一种快速且有效的传感器节点部署工具或者解决方案。在这篇文章中，无线传感网络的部署程序指导用户系统地完成部署任务。这个程序设计大多数是依据博物馆的3 层展示厅（8000 平方米面积）的无线传感网络部署任务来实现的。我们假定的应用是无线传感应用和移动通信服务，因此，在感兴趣的区域内的装置连通性和信号覆盖是非常重要的，这被认为是部署程序中无线通信的性能指标。此外，无线传感器网络的其他必要性能指标可以包括在依赖于应用程序需求的确定网络效率评估中。然而，提出的程序的主要目的是帮助用户完成部署工作。根据以上结果，工具和程序可以真正的帮助我们实现一开始在无线传感器网络应用中确立的目标。
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