低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　為了支持低功耗應(yīng)用，CC1110芯片除正常的Active模式外還支持四種省電模式，即PM0、PM1、PM2和PM3。在本網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中，傳感采集節(jié)點(diǎn)存在以下三種工作狀態(tài)：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸及睡眠狀態(tài)。其中，數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸均對應(yīng)于CC1110的Active模式，在這兩種狀態(tài)下，節(jié)點(diǎn)工作于13 MHz內(nèi)部時(shí)鐘或外部高頻時(shí)鐘。不同的是，在數(shù)據(jù)采集狀態(tài)下，節(jié)點(diǎn)將使能傳感器電源從而讀取傳感器數(shù)據(jù)；而在數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)下，節(jié)點(diǎn)打開射頻接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，此時(shí)可關(guān)閉傳感器電源以節(jié)約能源；睡眠狀態(tài)對應(yīng)于芯片的PM2省電模式，CPU將停止工作而僅有內(nèi)部睡眠定時(shí)器仍然處于工作狀態(tài)，睡眠時(shí)鐘可選擇內(nèi)部34 kHz低頻時(shí)鐘或外部32.768 kHz輸入，芯片可借助內(nèi)部睡眠時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)喚醒，在該狀態(tài)下，由于所有外部接口均處于關(guān)閉狀態(tài)，因此，系統(tǒng)電流可維持在10 μA以內(nèi)。借助于Sensor-Push傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，節(jié)點(diǎn)將在大部分時(shí)間內(nèi)保持在睡眠狀態(tài)，從而保證了網(wǎng)絡(luò)的低功耗。
網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)可采取與傳感采集節(jié)點(diǎn)相類似的硬件設(shè)計(jì)，但有以下同之處：
　(1)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)除了與傳感采集節(jié)點(diǎn)相通信外，還需要裝備相應(yīng)的無線或有線主干網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備，本設(shè)計(jì)采用串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊連接無線網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程通信；
　(2)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)一般沒有嚴(yán)格的體積限制，因此可裝備大容量鋰電池、蓄電池或者直接連接外部電源；
　(3)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)一般不需要裝備傳感器模塊；
　(4)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)一般對內(nèi)存空間有一定要求，需要能夠緩存一定時(shí)間的節(jié)點(diǎn)傳感信息。
2 低功耗Sensor-Push傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議
　一個(gè)健壯、低功耗的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵，本系統(tǒng)采取了自主研發(fā)的低功耗Sensor-Push傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。該協(xié)議針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的典型周期性數(shù)據(jù)采集應(yīng)用進(jìn)行深度優(yōu)化，具有實(shí)現(xiàn)簡單、自組織、低功耗、高可靠性、可擴(kuò)展等特點(diǎn)。
2.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)周期性數(shù)據(jù)采集應(yīng)用的特點(diǎn)
　在眾多無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，周期性的數(shù)據(jù)采集最為典型。該類型的應(yīng)用一般要求網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的傳感采集節(jié)點(diǎn)以一定的采樣周期對感興趣的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，并在指定時(shí)間內(nèi)將該采樣數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程終端。一般情況下，其對數(shù)據(jù)延時(shí)并不敏感，節(jié)點(diǎn)只要能保證在下一個(gè)采樣來臨前將數(shù)據(jù)成功上傳即可。傳感采集節(jié)點(diǎn)通常只需和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通信，而無需相互通信，如圖1所示。
　可根據(jù)該應(yīng)用的數(shù)據(jù)特征對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行充分優(yōu)化，從而更好地達(dá)到低功耗、高可靠性的設(shè)計(jì)要求。本文的Sensor-Push協(xié)議即在此背景下研究而成，協(xié)議中采集節(jié)點(diǎn)將主動向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)推入采樣數(shù)據(jù)而無需網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制或輪詢，大大簡化了上層應(yīng)用的編寫，提升了用戶體驗(yàn)。
2.2 Sensor-Push協(xié)議詳述
　Sensor-Push協(xié)議是一個(gè)融合了傳統(tǒng)意義上的媒體訪問接入層及應(yīng)用層的綜合協(xié)議。該協(xié)議的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)了低復(fù)雜度的時(shí)分媒體訪問，并與推入方式為主的應(yīng)用相結(jié)合，從而達(dá)到了系統(tǒng)層面的優(yōu)化。該協(xié)議對物理層除要求使用無線射頻技術(shù)外不做特殊要求，但推薦使用頻移鍵控(FSK)或高斯頻移鍵控（GFSK）方式的射頻模塊，并最好能夠支持多個(gè)頻點(diǎn)，以便在不同子網(wǎng)內(nèi)配置不同的頻點(diǎn)，在最大程度上防止子網(wǎng)間沖突，但這并非強(qiáng)制要求。
　與其他協(xié)議一樣，Sensor-Push協(xié)議同樣要求網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)擁有唯一的節(jié)點(diǎn)地址。協(xié)議中的節(jié)點(diǎn)地址由子網(wǎng)ID與網(wǎng)內(nèi)ID拼接組成，其具體位長由網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)要求決定。例如，假定網(wǎng)絡(luò)所要求支持的最大子網(wǎng)數(shù)目為4，每個(gè)子網(wǎng)內(nèi)支持的節(jié)點(diǎn)數(shù)目為64，那么節(jié)點(diǎn)地址可選擇為1 B，其中高2 bit表示節(jié)點(diǎn)所處的子網(wǎng)編號，而低6 bit則表示了節(jié)點(diǎn)在相應(yīng)子網(wǎng)內(nèi)的序列號。在具體實(shí)現(xiàn)中，節(jié)點(diǎn)地址可事先燒錄或通過焊接不同上下拉電阻改變外部IO管腳電平的方式為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配唯一的地址，當(dāng)然實(shí)現(xiàn)方法也并不局限于此。為區(qū)別傳感采集節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)限定網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)內(nèi)ID為全0。
　Sensor-Push協(xié)議從媒體介入角度上看，屬于時(shí)分接入?yún)f(xié)議，與常用的CSMA協(xié)議相比，時(shí)分協(xié)議能更加有效地防止沖突且具有更高的能源利用率，這在節(jié)點(diǎn)密度較高的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中尤為突出。根據(jù)周期性數(shù)據(jù)采集的特點(diǎn)，協(xié)議將時(shí)間分為長度以Tp為采樣間隔的各個(gè)傳輸周期，在每個(gè)傳輸周期內(nèi)再分割為以Tl為間隔的n個(gè)時(shí)隙，如圖4所示。

　時(shí)鐘同步及時(shí)隙分配是時(shí)分協(xié)議的兩個(gè)研究重點(diǎn)，在這里，為敘述方便，假定時(shí)鐘同步已經(jīng)完成，首先對時(shí)隙分配進(jìn)行介紹：Sensor-Push協(xié)議規(guī)定傳感采集節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身的網(wǎng)內(nèi)ID確定其所擁有的時(shí)隙，并在該時(shí)隙內(nèi)進(jìn)行采樣數(shù)據(jù)傳輸。例如，網(wǎng)內(nèi)ID為2的節(jié)點(diǎn)將在時(shí)隙2內(nèi)發(fā)送采樣數(shù)據(jù)。需要說明的是，為保證節(jié)點(diǎn)分配的時(shí)隙不重疊，實(shí)現(xiàn)中應(yīng)設(shè)定單周期內(nèi)時(shí)隙數(shù)目n≥子網(wǎng)內(nèi)的所允許的最大節(jié)點(diǎn)數(shù)目。
　由于數(shù)據(jù)流主要從傳感采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，因此協(xié)議中并未給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)分配時(shí)隙。由于網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)供電狀態(tài)較好且對能源利用率要求相對較低，為簡化實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將一直處于接收狀態(tài)以接收任何可能的數(shù)據(jù)包。與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)不同，傳感采集節(jié)點(diǎn)將僅在其所擁有的時(shí)隙內(nèi)向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送包含傳感信息的數(shù)據(jù)包。為提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，傳感采集?jié)點(diǎn)在發(fā)送完數(shù)據(jù)包后還將等待網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)回的應(yīng)答包（ACK數(shù)據(jù)包）以確定數(shù)據(jù)的正確接收。在此過程中，傳感節(jié)點(diǎn)可設(shè)置一定的超時(shí)時(shí)間Tack，如在該時(shí)間內(nèi)仍然未接收到應(yīng)答包，傳感節(jié)點(diǎn)可選擇進(jìn)行重發(fā)直至到達(dá)最大重發(fā)上限Nretry。應(yīng)答包是網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)向傳感采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送的主要數(shù)據(jù)包，它除了進(jìn)行數(shù)據(jù)包確認(rèn)外，另一個(gè)重要功能就是嵌入網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送給傳感采集節(jié)點(diǎn)的信息。
實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步的核心在于確保網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)能夠周期性地向傳感采集節(jié)點(diǎn)廣播參考時(shí)鐘。在Sensor-Push協(xié)議中，將時(shí)間戳嵌入應(yīng)答包中，傳感節(jié)點(diǎn)在確定傳感數(shù)據(jù)被正確接收的同時(shí)，能夠獲得網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)來的參考時(shí)鐘信息。在獲得參考時(shí)鐘后，傳感節(jié)點(diǎn)可采用一定的同步算法[2-4]進(jìn)行時(shí)鐘調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)與參考時(shí)鐘的同步。同步算法的選擇可根據(jù)應(yīng)用所要求的同步精度以及節(jié)點(diǎn)處理能力而定。若傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用本身對采樣時(shí)間精度沒有特殊要求，那么協(xié)議的時(shí)鐘同步的精度無需太高，僅需保證能夠正常運(yùn)行該時(shí)分協(xié)議即可，因而建議采用最簡單的延時(shí)估計(jì)TTP算法[2]以降低實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。
　應(yīng)答包除了嵌入時(shí)鐘信息外，甚至還可以嵌入用戶發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)的控制命令及動態(tài)參數(shù)等，如網(wǎng)絡(luò)的采樣周期Tp、時(shí)隙寬度Tl等。因此，用戶可以在遠(yuǎn)程直接對網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，從而具有更強(qiáng)的靈活度和可擴(kuò)展性。時(shí)隙寬度Tl的最小值受到時(shí)鐘精度、采樣數(shù)據(jù)包和應(yīng)答包的傳輸時(shí)間的限制，一般要求Tl大于正常情況下的時(shí)鐘最大誤差與Nretry個(gè)采樣數(shù)據(jù)包以及應(yīng)答包的傳輸時(shí)間之和。
Sensor-Push的時(shí)分機(jī)制有效地防止了節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臎_突，消除了由于沖撞而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失或重發(fā)，因此通常情況下，傳感采集節(jié)點(diǎn)僅需在每個(gè)采樣周期進(jìn)行一次傳感數(shù)據(jù)采集、一次傳感數(shù)據(jù)包發(fā)送以及一次應(yīng)答包的接收即可，而在其余時(shí)間內(nèi)均可處于能耗極低的睡眠模式，具有低功耗的特性。為進(jìn)一步消除由于信道環(huán)境變化所導(dǎo)致的少量丟包，Sensor-Push協(xié)議使用了重發(fā)機(jī)制，因而能夠具有更高的可靠性。
3 應(yīng)用實(shí)例的設(shè)計(jì)參數(shù)及實(shí)現(xiàn)
　本系統(tǒng)的實(shí)例應(yīng)用環(huán)境為某林園內(nèi)1 000 m2范圍內(nèi)的溫濕度監(jiān)測，采樣間隔為30 min，最大支持的傳感采集節(jié)點(diǎn)數(shù)目為32，采樣數(shù)據(jù)需傳輸至位于1 km外的遠(yuǎn)端服務(wù)器。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，使用了TI公司的CC1110芯片，將傳輸頻點(diǎn)定為433 MHz，采用1.2 Kb/s Machester編碼及GFSK調(diào)制以獲得最遠(yuǎn)的傳輸距離及最低的誤碼率。在本應(yīng)用中，由于監(jiān)測范圍不大，所有節(jié)點(diǎn)均可與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)直接通信，因而網(wǎng)絡(luò)中僅存在一個(gè)子網(wǎng)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊連接無線網(wǎng)橋與１ km外的另一個(gè)無線網(wǎng)橋進(jìn)行直接通信。在Sensor-Push協(xié)議實(shí)現(xiàn)上，將采樣周期Tp設(shè)定為30 min、時(shí)隙寬度Tl設(shè)定為５ s、超時(shí)時(shí)間為500 ms、最大重傳次數(shù)Nretry為3、傳感信息的數(shù)據(jù)包為15 B、應(yīng)答包亦為15 B。應(yīng)用中采樣的溫濕度傳感器需要開啟１ s后才能獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，因而數(shù)據(jù)采集將持續(xù)１ s時(shí)間。
　在上述條件下，傳感采集節(jié)點(diǎn)的平均消耗電流Iavg約為15 μA，其計(jì)算如下：
　Iavg=(5 mA×1 s+33 mA×0.1 s+20 mA×0.1 s)/30×60 s+10 μA=15 μA
其中，5 mA為數(shù)據(jù)采集狀態(tài)下的系統(tǒng)所消耗的電流；1 s為節(jié)點(diǎn)處于數(shù)據(jù)采集狀態(tài)下的時(shí)間；33 mA為節(jié)點(diǎn)發(fā)送傳感數(shù)據(jù)包時(shí)的工作電流；0.1 s為數(shù)據(jù)包的發(fā)送時(shí)間或應(yīng)答包的接收時(shí)間；20 mA為節(jié)點(diǎn)接收應(yīng)答包時(shí)的工作電流；10 μA為傳感節(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)下系統(tǒng)消耗電流。根據(jù)以上計(jì)算，在配備400 mAh鋰電池的情況下，傳感采集節(jié)點(diǎn)可持續(xù)工作3年。
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