分級有序路由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究與測試

　　引言

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是將大量傳感器節(jié)點采用規(guī)則或隨機方式部署在監(jiān)測區(qū)域，通過無線通信自組織方式所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事偵察、環(huán)境信息檢測、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療健康監(jiān)護、建筑與家居、工業(yè)生產(chǎn)控制以及商業(yè)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

　　研究發(fā)現(xiàn)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計目標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)具有明顯不同的要求，后者注重在移動的環(huán)境中通過優(yōu)化路由和充分利用帶寬為用戶提供質(zhì)量較高的服務(wù)，而前者常常工作在人無法接近的惡劣環(huán)境中，無法更換能源和重復(fù)利用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，因此高效能、低成本、自組織等問題是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)首先要解決的。

　　本文研究并設(shè)計實現(xiàn)了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，采用低功耗的MSP430F149作為主控芯片和nRF905作為無線數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計了無線節(jié)點。

　　網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

　　本文提出的傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示，節(jié)點任意散落在監(jiān)測區(qū)域中，通過飛行器散播、人工埋置和火箭彈射等方式完成。因此，節(jié)點必須以自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，通過多跳中繼的方式將監(jiān)測的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絪ink節(jié)點，然后借助尢線廣域網(wǎng)和Intcrnet傳輸?shù)奖O(jiān)控中心集中處理。圖1中的傳感器節(jié)點以sink節(jié)點為中心，采用了分級規(guī)劃的方法，網(wǎng)絡(luò)中所有能與sink節(jié)點直接通信的節(jié)點屬于0級區(qū)域。顯然，0級區(qū)域范圍是以通信模塊的可靠通信距離dr為半徑的圓，能與0級區(qū)域節(jié)點無中繼通信的節(jié)點屬于1級區(qū)域。以此類推，可以對整個通信網(wǎng)絡(luò)進行分級。一個n級網(wǎng)絡(luò)最大的監(jiān)控半徑為(n+1)×dr。

　　sink節(jié)點具有網(wǎng)關(guān)的功能，需要將所有接收的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到監(jiān)控中心，這要求它有強大處理能力。因此，本文采用具有ARM9內(nèi)核的S3C2410處理器，外接nRF905和GPRS通信模塊，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)通過Internet傳輸?shù)奖O(jiān)控中心；傳感器節(jié)點主要負(fù)責(zé)采集、處理、壓縮、發(fā)送和中繼轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。

　　節(jié)點硬件電路

　　節(jié)點硬件電路如圖2所示。由于該網(wǎng)絡(luò)的主要要求是低功耗、通信協(xié)議簡單可靠，因此，主控制器選抒MSP430F149。它是超低功耗控制器，使用3.3V電壓供電；端口高電平最高輸出電壓為3.6V，提供SPI接口，方便與nRF905直接連接；可在6μs內(nèi)從低功耗模式喚醒；片內(nèi)集成有2KB數(shù)據(jù)存儲器、ADC、硬件乘法器和比較器。

　　nRF905是單片射頻收發(fā)器，工作電壓為1.9V～3.6V；可工作在433／868／915MHz 3個ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué))頻段，每一個頻段有29個頻道可以使用，頻道之間的轉(zhuǎn)換時間小于650μs，可實現(xiàn)快速跳頻。本網(wǎng)絡(luò)使用433MHz載頻，通過SPI接口與主控制器連接，使用了增益天線，在開闊地帶傳輸距離可達1000m以上。

　　網(wǎng)絡(luò)通信模型及關(guān)鍵技術(shù)

　　通信模型

　　如表1所示，自組織的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議分為4層。由于傳感器節(jié)點自身硬件的限制，它們只實現(xiàn)低3層功能，完整的4層協(xié)議在傳感器網(wǎng)絡(luò)邊緣的sink節(jié)點實現(xiàn)，由它負(fù)責(zé)與外網(wǎng)的通信。物理層的功能由nRF905硬件模塊實現(xiàn)。鏈路層的CRC校驗在nRF905內(nèi)部硬件電路實現(xiàn)，而媒體訪問控制(MAC)采用雙信道跳頻鏈路控制。網(wǎng)絡(luò)層的路由協(xié)議采用在有序分配路由策略(SAR)基礎(chǔ)上提出的分級有序分配路由策略，這種路由機制綜合了平面路由和分層路由的優(yōu)勢。下面對鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層實觀的關(guān)鍵技術(shù)進行詳細(xì)的討論。

　　雙信道跳頻鏈路控制

　　雙信道跳頻鏈路控制是指將網(wǎng)絡(luò)的信道分為兩類，即控制信道和數(shù)據(jù)信道?？刂菩诺烙糜趥鞲衅鞴?jié)點間交換協(xié)商信息、應(yīng)答信息等非數(shù)據(jù)信息，整個網(wǎng)絡(luò)使用單一的控制頻道，節(jié)點間通過控制信道協(xié)商確定專用的數(shù)據(jù)頻道，以傳輸數(shù)據(jù)信息。節(jié)點在空閑時低功耗監(jiān)聽控制頻道，數(shù)據(jù)通信接收后釋放占用的數(shù)據(jù)頻道。

　　控制信道使用共用頻道，它采用了IEEE 802.11b的CSMA／CA避免沖突機制，簡單說就是發(fā)送前監(jiān)聽載波直到信道空閑，再用"二進制指數(shù)退避算法"隨機延遲一段時間后，再發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣就有效避免了同頻道下的數(shù)據(jù)沖突。

　　在數(shù)據(jù)通信中，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸约邦l道表和路由表的及時更新，系統(tǒng)采用了DATA+ACK的機制，即發(fā)方和收方通過專用數(shù)據(jù)頻道收發(fā)n幀數(shù)據(jù)后(通信時間為td)，跳頻到控制頻道交互數(shù)據(jù)應(yīng)答幀，同時雙方可以接收其它控制信息完成更新頻道表等操作，為了避免在n幀數(shù)據(jù)的通信過程中不錯過更新路由和頻道表的控制幀，要求這些控制幀在t0和t0+td時刻發(fā)送兩次。

　　分級有序分配路由策略

　　網(wǎng)絡(luò)節(jié)點自組織路由的建立和路由及時更新是整個網(wǎng)絡(luò)通信的基礎(chǔ)。所謂分級有序分配路由策略是指，整個網(wǎng)絡(luò)的路由采用分級樹的結(jié)構(gòu)，如圖3所示，每個節(jié)點只記錄可與之直接通信的上級節(jié)點地址，這樣可以最大限度減小每個節(jié)點的路由表，加快網(wǎng)絡(luò)的收斂速度。

　　網(wǎng)絡(luò)的分級是通過節(jié)點16位地址的低4位管理的，初始狀念sink節(jié)點地址低4位為0000B，所有傳感器節(jié)點地址低4位為1111B，在網(wǎng)絡(luò)路由建立后，sink節(jié)點地址低4位為0000B，0級區(qū)域節(jié)點地址低4位為0001B，其它區(qū)域節(jié)點地址低4位依次增1。

　　圖3中，節(jié)點上電后，首先由sink節(jié)點通過控制頻道廣播路南請求，a、b節(jié)點收到廣播，將本節(jié)點地址低4位(ada)與廣播源地址低4位(ads)進行比較。如果ada≤ads，則拋棄廣播數(shù)據(jù)幀；如果ada>ads，則檢查此地址是否已記錄在路由表中，若已在路由表中，直接發(fā)出應(yīng)答，若不在路由表中，記錄此地址并將ada設(shè)置為ads+1后，發(fā)出應(yīng)答。a、b節(jié)點發(fā)出應(yīng)答后，各自廣播路由請求，d、e、f節(jié)點按照a、b節(jié)點對路由請求的處理方法，建立與它們上級節(jié)點a、b的鏈路。以此類推，可以建立起如圖3所示的網(wǎng)絡(luò)連接。在2級區(qū)域中，i節(jié)點與上級節(jié)點e、f同時建立鏈接，在數(shù)據(jù)通信中，只要根據(jù)路由表任選1個通信即可。

　　協(xié)議定義

　　為了實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制和數(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)絡(luò)中定義了數(shù)據(jù)協(xié)議和控制協(xié)議，其中數(shù)據(jù)協(xié)議依據(jù)不同數(shù)據(jù)類型具體定義。網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議格式的定義如表2所示。

　　其中，數(shù)據(jù)長度為標(biāo)識數(shù)據(jù)區(qū)的字節(jié)數(shù)。協(xié)議+類型為各種協(xié)議+類型的定義，如表3所示。目的地址為數(shù)據(jù)要到達的最終地址，其中OFFFFH定義為廣播地址。數(shù)據(jù)中繼地址為當(dāng)前發(fā)出數(shù)據(jù)的節(jié)點地址，它可能是源數(shù)據(jù)節(jié)點或中繼節(jié)點的地址。源地址為數(shù)據(jù)源節(jié)點的地址。數(shù)據(jù)為不同協(xié)議類型對應(yīng)的數(shù)據(jù)，協(xié)議類型不同，對應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)容也不同，具體內(nèi)容如表3所示。

　　在這種策略中，路由表只需記錄每個節(jié)點上級節(jié)點的地址，路由表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義如下： 

　　網(wǎng)絡(luò)測試

　　測試網(wǎng)絡(luò)使用上文介紹的方法設(shè)計，50個無線傳感器節(jié)點隨機分布，長時間監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，改變各個節(jié)點發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)的時間間隔tn，在監(jiān)控中心的上位機中得到接收到的有效數(shù)據(jù)包的統(tǒng)計值。測試結(jié)果如圖4所示，可見，網(wǎng)絡(luò)在tn=5s以上時，網(wǎng)絡(luò)可長時間穩(wěn)定工作。

　　結(jié)語

　　本文在理論上詳細(xì)討論了分級路由無線傳輸網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，提出了雙信道跳頻鏈路控制和分級有序分配路由策略。應(yīng)用上開發(fā)了測試網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)測試說明分級路由無線傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計具有可行性、穩(wěn)定性、高效性。