單片機的自組織網(wǎng)絡(luò)互同步節(jié)點設(shè)計

摘要：針對自組織網(wǎng)絡(luò)中的互同步算法進行了研究，基于單片機設(shè)計了一種便于驗證學(xué)習(xí)的實體節(jié)點，彌補了單純軟件仿真的不足。該設(shè)計具有簡單直觀、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴展靈活的特點，對于掌握無線傳感網(wǎng)或多智能體等進行同步和協(xié)調(diào)的自組織組網(wǎng)技術(shù)有一定的借鑒意義。
關(guān)鍵詞：單片機； 自組織網(wǎng)絡(luò)； 互同步

引言
隨著無線網(wǎng)絡(luò)與電子技術(shù)的發(fā)展和普及，各類專業(yè)設(shè)備甚至民用產(chǎn)品之間的數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)不滿足于簡單的點對點形式，對組網(wǎng)的需求日益突出。為了應(yīng)對這一需求，自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)運而生。
自組織網(wǎng)絡(luò)的突出特點是，沒有傳統(tǒng)的中心控制節(jié)點來協(xié)調(diào)組網(wǎng)過程，分布的節(jié)點之間的組織主要靠“臨時性的自治”實現(xiàn)。實現(xiàn)無線自組織網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)之一是網(wǎng)絡(luò)互同步技術(shù)。該技術(shù)通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間時間基準的相互交換和相互控制，實現(xiàn)節(jié)點之間的相互同步。
由于無線節(jié)點硬件成本偏高，相關(guān)軟件使用也較為復(fù)雜，在進行相關(guān)技術(shù)的研究和學(xué)習(xí)時，大多通過計算機軟件仿真。這種純粹軟件仿真實驗的形式更適用于已有一定的實踐經(jīng)驗和算法基礎(chǔ)的人員，對于其進行更專業(yè)的算法學(xué)習(xí)和研究有較大幫助。但由于缺乏具體的實物，初學(xué)者難以建立起直觀的感性認識。
為此，本設(shè)計首先選擇低成本的單片機作為核心，利用簡單的光電信號替代WiFi、藍牙等無線通信形式，最大程度地降低了硬件制作成本。其次，剔除了復(fù)雜的通信協(xié)議棧，僅關(guān)注于自組織網(wǎng)絡(luò)中互同步技術(shù)的核心算法實現(xiàn)，最大程度地簡化了學(xué)習(xí)的難度。所設(shè)計的節(jié)點組成的學(xué)習(xí)平臺不僅簡單直觀，而且可以根據(jù)需要驗證各類不同算法，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模也可靈活調(diào)整，不受節(jié)點數(shù)量增加的限制。

1 節(jié)點硬件設(shè)計
綜合考慮成本、供電和算法更新等方面，選擇ATtiny13A-10pu作為仿真節(jié)點的核心。該芯片是一款低功耗的8位微處理器，可以工作在0～4 MHz@1．8～5．5 V狀態(tài)，用一粒普通的CR2032紐扣電池就可以為其提供3 V供電，內(nèi)部有1 KB Flash RAM，64字節(jié)RAM和64字節(jié)EEPROM，空間雖然不大，但做基本算法驗證已經(jīng)夠用。除此之外它還有4路10位ADC可作為光電信號檢測之用。在光電檢測元件方面采用的是常見的光敏電阻5516，當然也可以選擇性能更穩(wěn)定、一致性更好的環(huán)保光敏電阻。
除了上面所述的單片機、光敏電阻以外，節(jié)點還需要有一個發(fā)光二極管用于顯示各節(jié)點間的同步狀態(tài)。當初始亮滅不一致的節(jié)點經(jīng)過一段時間后，以相同時間點、頻率進行閃爍，這時表示網(wǎng)絡(luò)同步成功。對發(fā)光二極管只要求電壓電流適當即可，設(shè)計中選擇的是1．7 V、2 mA的低電流發(fā)光二極管，低電流更有利于延長節(jié)點電池的工作時長。
整個電路力求簡潔，因而沒有設(shè)計復(fù)位電路。另外，由于片內(nèi)振蕩器已經(jīng)進行了9．6 MHz的標定，經(jīng)8分頻后可以實現(xiàn)1．2 MHz的系統(tǒng)時鐘，已經(jīng)可以滿足本設(shè)計的需要，所有也無需外接晶振。電路原理圖如圖1所示。

需要注意的是，圖中電阻R1、R2阻值的具體選擇和電源電壓、發(fā)光二極管及光敏電阻的參數(shù)有關(guān)。電阻R1的作用主要是限流，其阻值可參考公式R1=(Up-U1)／I1選擇，其中Up為供電電壓，U1為發(fā)光二極管壓降，I1為發(fā)光二極管的電流。電阻R2的阻值主要受到光敏電阻R3工作效果的影響，選定的原則主要由保證光敏電阻在日光下可以對光線變化作出反應(yīng)的靈敏程度來決定，在最初確定時可以用電位計來替換固定電阻R2，通過試驗，1 kΩ阻值的電阻已經(jīng)可以保證節(jié)點正常工作。
另外，如果不采用節(jié)點間相互分離的獨立電路設(shè)計，而采用多個節(jié)點固定在同一塊底板上的布線，也可以不采用獨立的紐扣電池供電方式，統(tǒng)一為所有的節(jié)點提供5 V電源供電。

2 算法設(shè)計與實現(xiàn)
2．1 互同步算法原理
為了更好地對算法進行解釋，首先簡單介紹自組織網(wǎng)絡(luò)的生物原型。在自然界中有很多自組織的生物系統(tǒng)，在這些系統(tǒng)中，個體一般不具備高智商，對信息的獲取和處理能力也十分有限，盡管如此，整個系統(tǒng)卻可以在群體行為上呈現(xiàn)出令人吃驚的統(tǒng)一性和協(xié)同性。比如魚群、鳥群等生物群體在集體活動時，雖然沒有一個中心指揮，系統(tǒng)整體狀態(tài)仍然可以依賴構(gòu)成系統(tǒng)的個體間的相互作用，形成一個有機整體。
在這里只研究這一行為實現(xiàn)的基礎(chǔ)，互同步的相關(guān)算法。算法的實現(xiàn)非常類似于螢火蟲同步閃爍，本設(shè)計最終呈現(xiàn)的效果也是模擬一個有眾多“螢火蟲”(節(jié)點)的網(wǎng)絡(luò)同步。
開始的時候，眾多獨立節(jié)點發(fā)光二極管的閃爍是隨機的。但是，隨著時間的推移，它們能夠慢慢地與最近的鄰居同步，隨著時間的推移，最后所有的節(jié)點都同步閃爍。
本設(shè)計采用了一種最簡單的算法來實現(xiàn)這一過程。首先假設(shè)所有節(jié)點的閃爍頻率是相同的，這就類似于同一種群的螢火蟲具有相同的閃爍頻率一樣，它們最初呈現(xiàn)的不同步其實只是各自閃爍的時間點不一樣。這樣在簡化算法實現(xiàn)的同時，并不失其普遍意義。
算法中設(shè)定了一個變量，閃爍能力(Power)，用于表示節(jié)點閃爍的能力，這個值隨著時間會慢慢增加，當其增加到一個臨界閾值(Pth)時，節(jié)點的發(fā)光二極管開始閃爍，隨之這種能力開始逐漸“消耗”，即閃爍能力減小。閃爍能力的變化過程默認對于所有的節(jié)點都是一樣的，也就是說所有節(jié)點閃爍的固有頻率是一樣的。
通過光敏電阻，每個節(jié)點都可以感受到鄰近節(jié)點的存在，這個過程是通過單片機的ADC實現(xiàn)的。這些節(jié)點都依據(jù)相同的原則進行同步。如果某個節(jié)點發(fā)現(xiàn)它比鄰近節(jié)點閃爍得晚，那么下次它將稍稍提前閃爍，經(jīng)過節(jié)點間的相互作用，所有的節(jié)點最終會在同一時刻按照相同的頻率閃爍。這個方法雖然簡單，但卻十分有效，基于它的進一步研究已經(jīng)在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的互同步中得到應(yīng)用。相關(guān)算法如圖2所示。