分級有序路由無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的研究與測試

　　引言

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是將大量傳感器節點(diǎn)采用規則或隨機方式部署在監測區域，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信自組織方式所構成的網(wǎng)絡(luò )。傳感器網(wǎng)絡(luò )在軍事偵察、環(huán)境信息檢測、農業(yè)生產(chǎn)、醫療健康監護、建筑與家居、工業(yè)生產(chǎn)控制以及商業(yè)等領(lǐng)域有著(zhù)廣闊的應用前景。

　　研究發(fā)現，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )與傳統無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的設計目標和標準具有明顯不同的要求，后者注重在移動(dòng)的環(huán)境中通過(guò)優(yōu)化路由和充分利用帶寬為用戶(hù)提供質(zhì)量較高的服務(wù)，而前者常常工作在人無(wú)法接近的惡劣環(huán)境中，無(wú)法更換能源和重復利用網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，因此高效能、低成本、自組織等問(wèn)題是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )首先要解決的。

　　本文研究并設計實(shí)現了一種無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)數據傳輸模塊設計了無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)。

　　網(wǎng)絡(luò )構架

　　本文提出的傳感器網(wǎng)絡(luò )架構如圖1所示，節點(diǎn)任意散落在監測區域中，通過(guò)飛行器散播、人工埋置和火箭彈射等方式完成。因此，節點(diǎn)必須以自組織的方式構成網(wǎng)絡(luò )，通過(guò)多跳中繼的方式將監測的數據傳輸到sink節點(diǎn)，然后借助尢線(xiàn)廣域網(wǎng)和Intcrnet傳輸到監控中心集中處理。圖1中的傳感器節點(diǎn)以sink節點(diǎn)為中心，采用了分級規劃的方法，網(wǎng)絡(luò )中所有能與sink節點(diǎn)直接通信的節點(diǎn)屬于0級區域。顯然，0級區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級區域節點(diǎn)無(wú)中繼通信的節點(diǎn)屬于1級區域。以此類(lèi)推，可以對整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行分級。一個(gè)n級網(wǎng)絡(luò )最大的監控半徑為(n+1)×dr。

　　sink節點(diǎn)具有網(wǎng)關(guān)的功能，需要將所有接收的數據轉發(fā)到監控中心，這要求它有強大處理能力。因此，本文采用具有ARM9內核的S3C2410處理器，外接nRF905和GPRS通信模塊，通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò )將數據通過(guò)Internet傳輸到監控中心；傳感器節點(diǎn)主要負責采集、處理、壓縮、發(fā)送和中繼轉發(fā)數據。

　　節點(diǎn)硬件電路

　　節點(diǎn)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(jiǎn)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內從低功耗模式喚醒；片內集成有2KB數據存儲器、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(gè)ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫學(xué))頻段，每一個(gè)頻段有29個(gè)頻道可以使用，頻道之間的轉換時(shí)間小于650μs，可實(shí)現快速跳頻。本網(wǎng)絡(luò )使用433MHz載頻，通過(guò)SPI接口與主控制器連接，使用了增益天線(xiàn)，在開(kāi)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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議分為4層。由于傳感器節點(diǎn)自身硬件的限制，它們只實(shí)現低3層功能，完整的4層協(xié)議在傳感器網(wǎng)絡(luò )邊緣的sink節點(diǎn)實(shí)現，由它負責與外網(wǎng)的通信。物理層的功能由nRF905硬件模塊實(shí)現。鏈路層的CRC校驗在nRF905內部硬件電路實(shí)現，而媒體訪(fǎng)問(wèn)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(shí)觀(guān)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行詳細的討論。

　　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(lèi)，即控制信道和數據信道?？刂菩诺烙糜趥鞲衅鞴濣c(diǎn)間交換協(xié)商信息、應答信息等非數據信息，整個(gè)網(wǎng)絡(luò )使用單一的控制頻道，節點(diǎn)間通過(guò)控制信道協(xié)商確定專(zhuān)用的數據頻道，以傳輸數據信息。節點(diǎn)在空閑時(shí)低功耗監聽(tīng)控制頻道，數據通信接收后釋放占用的數據頻道。

　　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(jiǎn)單說(shuō)就是發(fā)送前監聽(tīng)載波直到信道空閑，再用"二進(jìn)制指數退避算法"隨機延遲一段時(shí)間后，再發(fā)送數據，這樣就有效避免了同頻道下的數據沖突。

　　在數據通信中，為了保證數據傳輸的可靠性以及頻道表和路由表的及時(shí)更新，系統采用了DATA+ACK的機制，即發(fā)方和收方通過(guò)專(zhuān)用數據頻道收發(fā)n幀數據后(通信時(shí)間為td)，跳頻到控制頻道交互數據應答幀，同時(shí)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幀數據的通信過(guò)程中不錯過(guò)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(shí)刻發(fā)送兩次。

　　分級有序分配路由策略

　　網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)自組織路由的建立和路由及時(shí)更新是整個(gè)網(wǎng)絡(luò )通信的基礎。所謂分級有序分配路由策略是指，整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的路由采用分級樹(shù)的結構，如圖3所示，每個(gè)節點(diǎn)只記錄可與之直接通信的上級節點(diǎn)地址，這樣可以最大限度減小每個(gè)節點(diǎn)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(guò)節點(diǎn)16位地址的低4位管理的，初始狀念sink節點(diǎn)地址低4位為0000B，所有傳感器節點(diǎn)地址低4位為1111B，在網(wǎng)絡(luò )路由建立后，sink節點(diǎn)地址低4位為0000B，0級區域節點(diǎn)地址低4位為0001B，其它區域節點(diǎn)地址低4位依次增1。

　　圖3中，節點(diǎn)上電后，首先由sink節點(diǎn)通過(guò)控制頻道廣播路南請求，a、b節點(diǎn)收到廣播，將本節點(diǎn)地址低4位(ada)與廣播源地址低4位(ads)進(jìn)行比較。如果ada≤ads，則拋棄廣播數據幀；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)出應答，若不在路由表中，記錄此地址并將ada設置為ads+1后，發(fā)出應答。a、b節點(diǎn)發(fā)出應答后，各自廣播路由請求，d、e、f節點(diǎn)按照a、b節點(diǎn)對路由請求的處理方法，建立與它們上級節點(diǎn)a、b的鏈路。以此類(lèi)推，可以建立起如圖3所示的網(wǎng)絡(luò )連接。在2級區域中，i節點(diǎn)與上級節點(diǎn)e、f同時(shí)建立鏈接，在數據通信中，只要根據路由表任選1個(gè)通信即可。

　　協(xié)議定義

　　為了實(shí)現網(wǎng)絡(luò )控制和數據傳輸，網(wǎng)絡(luò )中定義了數據協(xié)議和控制協(xié)議，其中數據協(xié)議依據不同數據類(lèi)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，數據長(cháng)度為標識數據區的字節數。協(xié)議+類(lèi)型為各種協(xié)議+類(lèi)型的定義，如表3所示。目的地址為數據要到達的最終地址，其中OFFFFH定義為廣播地址。數據中繼地址為當前發(fā)出數據的節點(diǎn)地址，它可能是源數據節點(diǎn)或中繼節點(diǎn)的地址。源地址為數據源節點(diǎn)的地址。數據為不同協(xié)議類(lèi)型對應的數據，協(xié)議類(lèi)型不同，對應的數據區內容也不同，具體內容如表3所示。

　　在這種策略中，路由表只需記錄每個(gè)節點(diǎn)上級節點(diǎn)的地址，路由表的數據結構定義如下： 

　　網(wǎng)絡(luò )測試

　　測試網(wǎng)絡(luò )使用上文介紹的方法設計，50個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)隨機分布，長(cháng)時(shí)間監測網(wǎng)絡(luò )，改變各個(gè)節點(diǎn)發(fā)送監測數據的時(shí)間間隔tn，在監控中心的上位機中得到接收到的有效數據包的統計值。測試結果如圖4所示，可見(jiàn)，網(wǎng)絡(luò )在tn=5s以上時(shí)，網(wǎng)絡(luò )可長(cháng)時(shí)間穩定工作。

　　結語(yǔ)

　　本文在理論上詳細討論了分級路由無(wú)線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò )實(shí)現的關(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。應用上開(kāi)發(fā)了測試網(wǎng)絡(luò )。網(wǎng)絡(luò )測試說(shuō)明分級路由無(wú)線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò )設計具有可行性、穩定性、高效性。