無線傳感器網絡自組網協(xié)議的實現(xiàn)方法

引言

　　無線傳感器網絡具有非常廣闊的應用前景[1]。文獻[2]給出一種傳統(tǒng)的洪泛算法（Flooding），也是最早、最簡單的路由協(xié)議。節(jié)點以廣播的形式發(fā)送消息，接收到消息的節(jié)點再以廣播形式轉發(fā)數(shù)據包給所有的鄰節(jié)點，這個過程重復執(zhí)行，直到數(shù)據包到達目的地或者達到預先設定的最大跳數(shù)。文獻 [3]提出了最具代表性的層次型自組織算法（LEACH，Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)。LEACH是MIT的Heinzelman等人為無線傳感器網絡設計的低功耗自適應聚類路由算法，主要通過隨機選擇聚類首領、平均分攤中繼通信業(yè)務來實現(xiàn)。文獻[4]給出以數(shù)據為中心的自組織算法SPIN（Sensor Protocols for Information Via Negotiation）。它的主要思想是通過高層的描述方式——元數(shù)據來命名傳感數(shù)據。在發(fā)送真實的數(shù)據之前，傳感器節(jié)點廣播采集數(shù)據的描述信息元數(shù)據，當有相應的請求時，才有目的地發(fā)送數(shù)據信息。這些研究均在無線傳感器網絡的自組織算法上取得進展，但是，F(xiàn)looding存在消息“內爆”和“重疊” 的缺陷；LEACH的動態(tài)分簇帶來了拓撲變換和大量廣播這樣的額外開銷；SPIN中的元數(shù)據沒有統(tǒng)一的形式，且其拓撲變化是局部性的，因此不適用于需要高可靠性的應用。還有很多其他相關算法停留在理論研究階段。

　　針對這種研究現(xiàn)狀，本文提出一種簡單易實現(xiàn)的自組織協(xié)議，選用MSP430F149單片機設計了微型傳感器節(jié)點，并實現(xiàn)了一種低功耗無線網絡。

1 自組織協(xié)議

　　在協(xié)議中，通過定義數(shù)據包的格式和關鍵字來實現(xiàn)節(jié)點的自組織。

1.1 協(xié)議格式

　　自組織協(xié)議格式如下：

　　其中，Pre表示前導碼，這些字符雜波不容易產生，通過測試和試驗發(fā)現(xiàn)，噪聲中不容易產生0x55和0xAA等非常有規(guī)律的信號；Key表示關鍵字，用來區(qū)分各種情況下的數(shù)據，接收節(jié)點會根據這些關鍵字分別進入不同的數(shù)據處理單元；From表示源地址，是發(fā)送數(shù)據的節(jié)點自身信息；Final表示數(shù)據的目標地址；Data表示有效數(shù)據，這些數(shù)據隨著字符Key的不同采用不同的格式，可攜帶不同的信息；Check表示檢驗位，可避免接收錯誤的數(shù)據包；Flag表示數(shù)據包的結束標志位。

　　根據協(xié)議格式中的Key，可以將節(jié)點通信時捎帶的數(shù)據包分為自組網信息、環(huán)境突變信息、上位機的控制命令、廣播信息等。節(jié)點在發(fā)送狀態(tài)突變時的數(shù)據包格式如下：

　　其中，0x55和0xAA為數(shù)據前導碼，0xFF為傳感器節(jié)點在感測到其狀態(tài)突變時向外發(fā)送數(shù)據的關鍵字，0x11表示發(fā)送節(jié)點的地址， 0x00為數(shù)據包要到達的目標地址，0x01表示數(shù)據包在網絡傳輸中的跳數(shù)，接著的0x01表示節(jié)點在當前網絡中的級別，0x15表示節(jié)點當時采集的溫度，0x20表示節(jié)點當時采集的電源電壓值，0x03表示節(jié)點的狀態(tài)量, 0x00…0x00為11個字節(jié)的有效數(shù)據，可記錄數(shù)據包經過節(jié)點的地址，0x3A為前面核心數(shù)據和的低8位，作為數(shù)據包的檢驗碼，0xBB為數(shù)據包的結束標志。

　　接收節(jié)點需要向發(fā)送節(jié)點做出應答，應答狀態(tài)突變時的數(shù)據包格式如下：

　　其中，0xFF就表示應答狀態(tài)突變的關鍵字，后面分別是發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點的地址。

1.2 自組網過程

　　網絡包含一個與上位機相連接的基站節(jié)點和若干傳感器節(jié)點。基站節(jié)點上電初始化后就進入低功耗模式。傳感器節(jié)點隨機布放，上電初始化后，傳感器節(jié)點首先會向基站節(jié)點發(fā)出請求分配級別的命令，然后進入低功耗狀態(tài)并打開定時器。若在設定時間內收到基站節(jié)點分配的級別，該傳感器節(jié)點就會向基站節(jié)點發(fā)送自組織信息的數(shù)據包。如果在設定時間內沒有收到基站節(jié)點分配的級別，該節(jié)點會從低功耗狀態(tài)喚醒，再次發(fā)送請求分配級別的命令，如此循環(huán)。當傳感器節(jié)點發(fā)出請求基站分配級別的命令達到設定上限后，但仍然沒有確定自己在網絡中的級別時，該節(jié)點就會向全網發(fā)出廣播命令，然后進入低功耗狀態(tài)并打開定時器。定時時間到，節(jié)點重新回到發(fā)射廣播命令狀態(tài)。當傳感器節(jié)點發(fā)射廣播的次數(shù)達到設定值時，該節(jié)點就會將接收到的應答信息進行整理，確定自己在網絡中的級別，并確定上級、同級和下級節(jié)點的相關信息。該節(jié)點再向上級節(jié)點發(fā)送包含這些信息的數(shù)據包，直到數(shù)據包傳送到基站節(jié)點，從而確定整個網絡的拓撲結構。節(jié)點的自組織流程如圖1所示。

圖1 節(jié)點的自組織流程

2 硬件研制

　　為了驗證提出的自組織協(xié)議，本文選用了片上資源豐富的MSP430F149單片機作為處理器，研制了一種微型傳感器節(jié)點[5]。