一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)自組網(wǎng)協(xié)議的研究與實(shí)現(xiàn)

1 引言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由一些功耗低、體積小的傳感器節(jié)點(diǎn)，以無(wú)線通訊方式自組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。這些分散的節(jié)點(diǎn)能夠協(xié)作地實(shí)施監(jiān)測(cè)、感知和采集各種環(huán)境對(duì)象的信息，具有非常廣闊的應(yīng)用前景^[1]。近年來(lái)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究進(jìn)展十分迅速，取得了較為豐富的研究成果。自組織算法是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)之一，通過(guò)自組織算法自動(dòng)生成的良好的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能夠提高路由協(xié)議和MAC協(xié)議的效率，可為數(shù)據(jù)融合、時(shí)間同步和目標(biāo)定位等很多方面奠定基礎(chǔ)，也有利于節(jié)省節(jié)點(diǎn)的能量以延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存期。國(guó)內(nèi)外研究者們從ad hoc網(wǎng)絡(luò)借鑒了寶貴經(jīng)驗(yàn)，提出了形式多樣、側(cè)重點(diǎn)不同的自組織算法。

文獻(xiàn)[2]給出一種傳統(tǒng)的洪泛算法（Flooding），也是最早、最簡(jiǎn)單的路由協(xié)議。節(jié)點(diǎn)以廣播的形式發(fā)送消息，接收到消息的節(jié)點(diǎn)再以廣播形式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包給所有的鄰節(jié)點(diǎn)，這個(gè)過(guò)程重復(fù)執(zhí)行，直到數(shù)據(jù)包到達(dá)目的地或者達(dá)到預(yù)先設(shè)定的最大跳數(shù)。文獻(xiàn)[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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的低功耗自適應(yīng)聚類路由算法。主要通過(guò)隨機(jī)選擇聚類首領(lǐng)，平均分?jǐn)傊欣^通信業(yè)務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[4]給出以數(shù)據(jù)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(guò)高層的描述方式――元數(shù)據(jù)來(lái)命名傳感數(shù)據(jù)。在發(fā)送真實(shí)的數(shù)據(jù)之前，傳感器節(jié)點(diǎn)廣播采集數(shù)據(jù)的描述信息元數(shù)據(jù)，當(dāng)有相應(yīng)的請(qǐng)求時(shí)，才有目的地發(fā)送數(shù)據(jù)信息。這些研究均在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織算法上取得進(jìn)展，但是，Flooding存在消息“內(nèi)爆”和“重疊”的缺陷。LEACH的動(dòng)態(tài)分簇帶來(lái)了拓?fù)渥儞Q和大量廣播這樣的額外開(kāi)銷。SPIN中的元數(shù)據(jù)沒(méi)有統(tǒng)一的形式，SPIN的拓?fù)渥兓蔷植啃缘?，因此不適用于需要高可靠性的應(yīng)用。還有很多其它相關(guān)算法停留在理論研究階段。這些研究均在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織算法上取得進(jìn)展，但沒(méi)有考慮實(shí)際應(yīng)用的諸多因素，如不易實(shí)現(xiàn)，算法的收斂性，如何減小外界因素對(duì)通訊的干擾，以及節(jié)點(diǎn)失效后如何追加等。

針對(duì)目前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中自組織算法的研究現(xiàn)狀，本文首先提出一種簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)的自組織協(xié)議，選用MSP430F149單片機(jī)作為處理器，設(shè)計(jì)了微型傳感器節(jié)點(diǎn)，并實(shí)現(xiàn)了一種低功耗無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)使用提出的協(xié)議能自動(dòng)生成多級(jí)網(wǎng)狀網(wǎng)，同時(shí)按能量?jī)?yōu)先的原則確定數(shù)據(jù)的傳輸路徑并包含多條備用路徑。開(kāi)發(fā)的上位機(jī)處理軟件可自動(dòng)顯示網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，反映傳感器節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)突變，并實(shí)時(shí)顯示網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂?，還可遠(yuǎn)程控制網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化，上位機(jī)軟件也會(huì)及時(shí)反映出來(lái)。采用智能控制策略大大降低了系統(tǒng)功耗。

2 自組織協(xié)議

在協(xié)議中，通過(guò)定義數(shù)據(jù)包的格式和關(guān)鍵字來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的自組織。數(shù)據(jù)包中包含一個(gè)關(guān)鍵字和多個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，只要根據(jù)數(shù)據(jù)包的格式填入相應(yīng)信息，就可實(shí)現(xiàn)自組織功能。多個(gè)字節(jié)中包括了節(jié)點(diǎn)自身信息、數(shù)據(jù)包跳數(shù)、數(shù)據(jù)路由等信息；關(guān)鍵字表示不同性質(zhì)的包，區(qū)分各種情況的數(shù)據(jù)，提升網(wǎng)絡(luò)的通訊能力。只需要改變數(shù)據(jù)包中的標(biāo)志位，就可以對(duì)信息進(jìn)行加密。

2.1 協(xié)議格式

自組織協(xié)議格式如下表示。

其中Pre表示前導(dǎo)碼，這些字符雜波不容易產(chǎn)生，通過(guò)測(cè)試和試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，噪聲中不容易產(chǎn)生像0x55和0xAA非常有規(guī)律的信號(hào)；Key表示關(guān)鍵字，來(lái)區(qū)分各種情況下的數(shù)據(jù)，接收節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)這些關(guān)鍵字分別進(jìn)入不同的數(shù)據(jù)處理單元；From表示源地址，是發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)自身信息；Final表示數(shù)據(jù)的目標(biāo)地址；Data表示有效數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)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(yàn)位，可避免接收錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)包；Flag表示數(shù)據(jù)包的結(jié)束標(biāo)志位。

根據(jù)協(xié)議格式中的Key可以將節(jié)點(diǎn)通訊時(shí)捎帶的數(shù)據(jù)包分為自組網(wǎng)信息、環(huán)境突變信息、上位機(jī)的控制命令、廣播信息等。例如下給出了節(jié)點(diǎn)在發(fā)送狀態(tài)突變時(shí)的數(shù)據(jù)包格式。

其中0x55和0xAA為數(shù)據(jù)前導(dǎo)碼，0xFF為傳感器節(jié)點(diǎn)在感測(cè)到其狀態(tài)突變時(shí)向外發(fā)送數(shù)據(jù)的關(guān)鍵字，0x11表示發(fā)送節(jié)點(diǎn)的地址，0x00為數(shù)據(jù)包要到達(dá)的目標(biāo)地址，0x01表示數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)傳輸中的跳數(shù)，接著的0x01表示節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中的級(jí)別，0x15表示節(jié)點(diǎn)當(dāng)時(shí)采集的溫度，0x20表示節(jié)點(diǎn)當(dāng)時(shí)采集的電源電壓值，0x03表示節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)量, 0x00…0x00為11個(gè)字節(jié)的有效數(shù)據(jù)，可記錄數(shù)據(jù)包經(jīng)過(guò)節(jié)點(diǎn)的地址，0x3A為前面核心數(shù)據(jù)和的低8位，作為數(shù)據(jù)包的檢驗(yàn)碼，0xBB為數(shù)據(jù)包的結(jié)束標(biāo)志。

接收節(jié)點(diǎn)需要向發(fā)送節(jié)點(diǎn)做出應(yīng)答，下表為應(yīng)答狀態(tài)突變時(shí)的數(shù)據(jù)包格式。

其中0xFE就表示應(yīng)答狀態(tài)突變的關(guān)鍵字符，后面分別是發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)的地址。

2.2 自組網(wǎng)過(guò)程

網(wǎng)絡(luò)包含一個(gè)與上位機(jī)相連接的基站節(jié)點(diǎn)和若干傳感器節(jié)點(diǎn)?；竟?jié)點(diǎn)上電初始化后就進(jìn)入低功耗模式。傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)布放，傳感器節(jié)點(diǎn)上電初始化后，首先會(huì)向基站節(jié)點(diǎn)發(fā)出請(qǐng)求分配級(jí)別的命令，然后進(jìn)入低功耗狀態(tài)并打開(kāi)定時(shí)器。在設(shè)定時(shí)間內(nèi)收到基站節(jié)點(diǎn)分配的級(jí)別，該傳感器節(jié)點(diǎn)就會(huì)向基站節(jié)點(diǎn)發(fā)送自組織信息的數(shù)據(jù)包。如果在設(shè)定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到基站節(jié)點(diǎn)分配的級(jí)別，該節(jié)點(diǎn)會(huì)從低功耗狀態(tài)喚醒，再次發(fā)送請(qǐng)求分配級(jí)別的命令，如此循環(huán)。當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)出請(qǐng)求基站分配級(jí)別的命令達(dá)到設(shè)定上限后，仍然沒(méi)有確定自己在網(wǎng)絡(luò)中的級(jí)別。該節(jié)點(diǎn)就會(huì)向全網(wǎng)發(fā)出廣播命令，然后進(jìn)入低功耗狀態(tài)并打開(kāi)定時(shí)器。定時(shí)時(shí)間到，節(jié)點(diǎn)重新回到發(fā)射廣播命令狀態(tài)。當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)射廣播的次數(shù)達(dá)到設(shè)定值，該節(jié)點(diǎn)就會(huì)將接收到的應(yīng)答信息進(jìn)行整理，確定自己在網(wǎng)絡(luò)中的級(jí)別，并確定上級(jí)、同級(jí)和下級(jí)節(jié)點(diǎn)的相關(guān)信息。該節(jié)點(diǎn)再向上級(jí)節(jié)點(diǎn)發(fā)送包含這些信息的數(shù)據(jù)包，直到數(shù)據(jù)包傳送到基站節(jié)點(diǎn)，這樣可確定整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。節(jié)點(diǎn)的自組織流程如圖1所示。

圖1 節(jié)點(diǎn)的自組織流程

2 硬件研制

　　為了驗(yàn)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(jī)作為處理器，研制了一種微型傳感器節(jié)點(diǎn)[5]。

2.1 總體方案

　　系統(tǒng)由基站節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)組成。節(jié)點(diǎn)硬件選擇了支持低功耗工作模式的MSP430F149單片機(jī)和nRF905射頻模塊，使用32 768 Hz的低頻晶振，采用2節(jié)5號(hào)電池供電。在設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)的過(guò)程中，撥碼開(kāi)關(guān)、蜂鳴器、LCD指示燈的設(shè)計(jì)極大方便了實(shí)驗(yàn)的調(diào)試。

2.2 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

　　圖2為傳感器節(jié)點(diǎn)的框圖，該節(jié)點(diǎn)使用電池供電，體積小巧，只有打火機(jī)般大小。

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)框圖

　　MSP430系列單片機(jī)是TI公司生產(chǎn)的一種混合信號(hào)控制器，其突出優(yōu)點(diǎn)是低電源電壓、超低功耗，可采用電池工作，有很長(zhǎng)的使用時(shí)間[6]。

　　nRF905是挪威Nordic VLSI公司推出的單片射頻收發(fā)器，低電壓工作，功耗非常低，工作于433/868/915 MHz三個(gè)ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué))頻道，頻道之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間小于650 μs[7]。ShockBurstTM工作模式，能自動(dòng)處理字頭和CRC(循環(huán)冗余碼校驗(yàn))。通過(guò)SPI串口與微控制器通信，使用非常方便；內(nèi)建空閑模式 與關(guān)機(jī)模式，易于實(shí)現(xiàn)節(jié)能。nRF905適用于無(wú)線數(shù)據(jù)通信、無(wú)線開(kāi)鎖等諸多領(lǐng)域。

　　天線的設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。系統(tǒng)功耗的高低以及網(wǎng)絡(luò)性能的好壞與天線的設(shè)計(jì)都有密切關(guān)系。天線部分的設(shè)計(jì)采用整體PCB環(huán)行差分天線。與傳統(tǒng)的鞭狀天線相比，不僅節(jié)省空間，降低生產(chǎn)成本，機(jī)構(gòu)上也更穩(wěn)固可靠。

　　因?yàn)楸疚闹饕芯繜o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組網(wǎng)和低功耗技術(shù)，所以只選擇了MSP430系列單片機(jī)的內(nèi)部集成熱敏二極管來(lái)測(cè)量節(jié)點(diǎn)的工作溫度，但預(yù)留了大量外接傳感器接口，外接傳感器的信號(hào)能以中斷方式喚醒節(jié)點(diǎn)。

2.3 系統(tǒng)功耗

　　傳感器節(jié)點(diǎn)采用電池供電，功耗的高低直接影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命期。系統(tǒng)的功耗不僅與選擇的元器件有關(guān)，還與整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的控制策略有關(guān)。采用不同的控 制策略，系統(tǒng)的工作時(shí)間就會(huì)不同。若希望節(jié)點(diǎn)工作一年的時(shí)間（36524=8 760小時(shí)），則理論上要求平均工作電流約為263 μA（2 3008 760）。發(fā)射數(shù)據(jù)到接收應(yīng)答的工作時(shí)間約為50 ms，這樣可推算出每次工作前的平均休眠時(shí)間為2.3 s[8]。實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的反應(yīng)速度和信息的采樣率來(lái)選擇系統(tǒng)工作和休眠的時(shí)間。

3 軟件開(kāi)發(fā)

　　低功耗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一種綜合硬件和軟件為一體的技術(shù)，必須在使用低功耗芯片的同時(shí)，采用智能的控制策略。例如,讓系統(tǒng)在需要工作時(shí)全速運(yùn)行；而當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)處理完事件就進(jìn)入低功耗模式，等待外部事件的喚醒。

　　系統(tǒng)軟件包括基站節(jié)點(diǎn)軟件、傳感器節(jié)點(diǎn)軟件和上位機(jī)處理軟件。

3.1 基站節(jié)點(diǎn)軟件

　　基站節(jié)點(diǎn)的主程序比較簡(jiǎn)單，初始化后就進(jìn)入低功耗模式，等待外部事件喚醒。外部事件包括串口中斷事件、接收到數(shù)據(jù)事件和定時(shí)器的中斷事件。

　　圖3給出了基站節(jié)點(diǎn)的串口中斷流程。

圖3 基站節(jié)點(diǎn)串口中斷流程

　　為了防止串口通信過(guò)程中丟失數(shù)據(jù)，軟件設(shè)計(jì)上加了握手協(xié)議。當(dāng)基站節(jié)點(diǎn)每發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包給上位機(jī)時(shí)，上位機(jī)都會(huì)向基站節(jié)點(diǎn)發(fā)送應(yīng)答信號(hào)，直到數(shù)據(jù)包發(fā)送給上位機(jī)。接收到數(shù)據(jù)包后，節(jié)點(diǎn)會(huì)從低功耗模式中喚醒,根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)中標(biāo)志位的不同字符分別進(jìn)入不同的處理單元。

　　當(dāng)多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)同時(shí)與某個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)通信時(shí)，存在掙搶信道的現(xiàn)象。為了避免多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)同時(shí)與某個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)通信造成數(shù)據(jù)丟失，軟件上采用 一定的退避機(jī)制。一方面，利用射頻芯片nRF905的CD（載波偵聽(tīng)）信號(hào)來(lái)產(chǎn)生隨機(jī)延時(shí)，以避免同時(shí)發(fā)送信號(hào)；另一方面，當(dāng)一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)與某個(gè)傳感器 節(jié)點(diǎn)建立了通信通道時(shí)，其他發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)會(huì)增加發(fā)射數(shù)據(jù)的次數(shù)。

3.2 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件

　　傳感器節(jié)點(diǎn)初始化后，首先發(fā)送請(qǐng)求基站節(jié)點(diǎn)分配級(jí)別的命令，同時(shí)打開(kāi)一個(gè)定時(shí)喚醒的定時(shí)器；然后進(jìn)入低功耗模式，等待外部事件的喚醒。若傳感器 發(fā)送請(qǐng)求基站節(jié)點(diǎn)分配級(jí)別的次數(shù)達(dá)到設(shè)定上限，仍未確定節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的級(jí)別，則該節(jié)點(diǎn)就會(huì)向周圍傳感器節(jié)點(diǎn)廣播信息。當(dāng)廣播次數(shù)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn) 就根據(jù)收到的信息確定自己的級(jí)別以及與該節(jié)點(diǎn)有直接聯(lián)系的節(jié)點(diǎn)的信息，并把這些信息發(fā)送給基站節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)的外部中斷事件包括接收到數(shù)據(jù)事件、定時(shí)器 中斷事件、狀態(tài)突變事件。

　　當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到狀態(tài)突變后，會(huì)從低功耗狀態(tài)喚醒，并及時(shí)采集此時(shí)的環(huán)境參數(shù)（包括狀態(tài)量、溫度值及節(jié)點(diǎn)電壓值），將這些數(shù)據(jù)發(fā)送出去。該數(shù)據(jù)包通過(guò)單跳或多跳到達(dá)基站節(jié)點(diǎn)并在上位機(jī)軟件上顯示。

3.3 上位機(jī)處理軟件

　　為了監(jiān)測(cè)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)情況，需要在主機(jī)上建立良好的人機(jī)交互界面。采用Visual Basic(VB)來(lái)設(shè)計(jì)人機(jī)界面。利用VB的MSComm控件實(shí)現(xiàn)上、下位機(jī)的串口通信，利用其他控件實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分析、顯示和操作。

　　上位機(jī)主程序主要完成一些變量和控件初始化，然后等待串口數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送都是由中斷程序完成的，其流程如圖4所示。

圖4 上位機(jī)的串口中斷流程

　　上位機(jī)接收到完整的數(shù)據(jù)包后，會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)包中的關(guān)鍵字進(jìn)行不同的處理。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)保存的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)計(jì)算中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)的路徑。為節(jié)約基站節(jié)點(diǎn)的能量，網(wǎng)絡(luò)中有很多的數(shù)據(jù)處理是在上位機(jī)中進(jìn)行的。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　系統(tǒng)研制完成后，需要設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)考核自組網(wǎng)效果及網(wǎng)絡(luò)性能。實(shí)驗(yàn)中，首先關(guān)注的問(wèn)題是隨機(jī)分布的傳感器節(jié)點(diǎn)在自定義的組織協(xié)議下的組網(wǎng)情況。為 了考核自組織效果， 首先讓基站節(jié)點(diǎn)通過(guò)串口與上位機(jī)相連并打開(kāi)上位機(jī)處理軟件；然后打開(kāi)傳感器節(jié)點(diǎn)的電源，并通過(guò)人工安放或者隨機(jī)撒播方式布置好傳感器節(jié)點(diǎn)。