自組織無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方案設(shè)計(jì)

引言

　　傳感測試技術(shù)正朝著多功能化、微型化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、無線化的方向發(fā)展。自組織無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（SelfOrganizingWirelessSensorNetworks）作為新興技術(shù)，是目前國外研究的熱點(diǎn)，其在軍事、環(huán)境、健康、家庭、商業(yè)、空間探索和災(zāi)難拯救等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。早在2003年美國自然科學(xué)基金委員會已經(jīng)斥巨資來支持這方面的研究，并且出現(xiàn)了一些致力于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的公司，其中Crossbow公司已推出了Mica系列傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品。國內(nèi)很多大學(xué)現(xiàn)已經(jīng)開展相關(guān)領(lǐng)域的研究，但大部分工作仍處在自組織無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議性能仿真和硬件節(jié)點(diǎn)小規(guī)模實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段。本文就國防科技大學(xué)傳感器教研室開展可應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測方面無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行介紹。

　　1　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計(jì)

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型（如圖1所示）是不同于傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的無基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)，通過在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)隨意布撒大量傳感器節(jié)點(diǎn)（簡稱節(jié)點(diǎn)），由各節(jié)點(diǎn)自行協(xié)調(diào)并迅速組建通信網(wǎng)絡(luò)，在能量利用率優(yōu)先考慮原則下進(jìn)行工作任務(wù)劃分以獲取監(jiān)視區(qū)域信息。網(wǎng)絡(luò)的自組織特性體現(xiàn)在當(dāng)節(jié)點(diǎn)失效或新節(jié)點(diǎn)加入時網(wǎng)絡(luò)能夠自適應(yīng)重新組建，以調(diào)整全局的探測精度，充分發(fā)揮資源優(yōu)勢，即網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)除具備數(shù)據(jù)采集功能外兼有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)多跳的路由功能。

圖1　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型

　　1.1　節(jié)點(diǎn)組成

　　典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸和電源4個主要部分組成。傳感探測單元由傳感器進(jìn)行監(jiān)測區(qū)域內(nèi)待測對象的信息采集；微控制單元實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析、處理和存儲等功能；無線傳輸單元負(fù)責(zé)低功耗短距離節(jié)點(diǎn)間通信；供電單元選取小型化、高容量的電池，以確保節(jié)點(diǎn)的長壽命和微型化。具體節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)如圖2和圖3所示。

圖2　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

　?。?）無線傳輸單元

　　無線收發(fā)模塊選用挪威Nordic公司推出的nRF401芯片。nRF401是工作在ISM頻段433.92MHz/434.33MHz的單片無線收/發(fā)一體芯片，是包括了高頻發(fā)射/接收、PLL合成、FSK調(diào)制/解調(diào)和雙頻道切換等單元的高集成度無線數(shù)傳產(chǎn)品。其最高傳輸速率可達(dá)20Kb/s,接收靈敏度為-105dBm,最大發(fā)射功率為10dBm,較其他類別射頻收發(fā)芯片外圍電路設(shè)計(jì)簡單。設(shè)計(jì)中工作頻率在434.33MHz,微控制單元僅須提供四根口線：收發(fā)狀態(tài)切換TXEN、待機(jī)與工作狀態(tài)切換PWRUP和數(shù)據(jù)通信接口線DIN/DOUT。射頻信號輸出設(shè)計(jì)采用環(huán)形差分輸出天線。

　　（2）微控制單元

　　TI公司MSP430系列單片機(jī)是一種具有集成度高、功能豐富、功耗極低等技術(shù)特點(diǎn)的16位單片機(jī)。超低功耗的混合信號控制器、豐富的片內(nèi)外設(shè)、節(jié)能考慮的多種工作模式和對C語言程序設(shè)計(jì)的支持，使得MSP430系列單片機(jī)非常適合于應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)中。設(shè)計(jì)中選用帶有Flash存儲器可進(jìn)行在線編程的MSP430x13x、MSP430x14x系列單片機(jī)；外圍模塊有看門狗、定時器A/B、同步/異步串行通信接口、10/12位A/D以及6個8位并行端口等多種組合形式。其實(shí)現(xiàn)功能如下：

　　◇操作無線收發(fā)芯片，為nRF401提供工作狀態(tài)控制線和兩條單向串行傳輸數(shù)據(jù)線；

　　◇實(shí)現(xiàn)傳感器的數(shù)據(jù)采集———加速度、溫度、聲音和感光強(qiáng)度探測；

　　◇本地?cái)?shù)據(jù)處理———剔除冗余數(shù)據(jù)，以減少網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)呢?fù)載和對無線傳輸數(shù)據(jù)的封裝與驗(yàn)證；

　　◇應(yīng)答遠(yuǎn)控中心查詢，完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)與存儲；

　　◇區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)的路由維護(hù)功能；

　　◇節(jié)點(diǎn)電源管理，合理地設(shè)置待機(jī)狀態(tài)，以節(jié)省能量消耗，延長節(jié)點(diǎn)使用壽命。

（

圖5　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)工作流程圖

　　上位PC機(jī)作為控制中心必須具備網(wǎng)絡(luò)喚醒、數(shù)據(jù)處理、路由維護(hù)功能，C++Builder、Delphi和微軟的VisualBasic都是可選的快速開發(fā)工具。上層軟件功能由Delphi實(shí)現(xiàn)，圖6為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)探測系統(tǒng)框圖。

　　考慮到點(diǎn)對點(diǎn)通信的可靠性，數(shù)據(jù)在底層無線傳輸中需要增加必要的協(xié)議規(guī)范。設(shè)計(jì)中對有效數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，格式為：前導(dǎo)碼、地址、有效數(shù)據(jù)載荷、校驗(yàn)碼。針對nRF40x系列芯片，按廠家建議在支持UART方式下使用0x55FF（十六進(jìn)制）作為“前導(dǎo)碼”；“地址”作為不同應(yīng)答點(diǎn)的標(biāo)識；“有效數(shù)據(jù)載荷”則包含滿足上層設(shè)計(jì)協(xié)議格式的數(shù)據(jù)包，該部分需根據(jù)應(yīng)用要求盡量減小數(shù)據(jù)包長，以縮短該數(shù)據(jù)包在傳輸鏈路的生存期，數(shù)據(jù)包末尾增加“校驗(yàn)碼”

　　可以驗(yàn)證數(shù)據(jù)的有效性，CRC（循環(huán)冗余碼）是一種簡單易行的處理方法，數(shù)據(jù)封裝與處理全部由微控制單元實(shí)現(xiàn)。

圖6　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)探測系統(tǒng)框圖

　　3　組網(wǎng)技術(shù)研究

　　對應(yīng)nRF401使用的434.33MHz頻點(diǎn)，在組網(wǎng)設(shè)計(jì)中通信方式采用TDMA（時分復(fù)用）方式：sink點(diǎn)分時段對網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)進(jìn)行查詢，若節(jié)點(diǎn)有突發(fā)事件探測，則隨機(jī)選擇空閑時隙將數(shù)據(jù)上傳。當(dāng)信道處于阻塞狀態(tài)則采用隨機(jī)退避機(jī)制，等待信道處于空閑狀態(tài)再進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此各節(jié)點(diǎn)在通信過程中必須避免長時間對信道的占用。

　　網(wǎng)絡(luò)的可靠性和高效性關(guān)鍵是合理的通信協(xié)議設(shè)計(jì)，SPIN（SensorProtocolforInformationviaNegotiation）是以數(shù)據(jù)為中心的自適應(yīng)路由協(xié)議，通過協(xié)商機(jī)制來避免數(shù)據(jù)傳輸過程中的“內(nèi)爆”和“重疊”問題，傳感器各節(jié)點(diǎn)只有在相應(yīng)的請求時，才有目的地發(fā)送數(shù)據(jù)信息。SPIN協(xié)議中有3種類型的消息：ADV廣播數(shù)據(jù)發(fā)送、REQ請求數(shù)據(jù)接收和DATA數(shù)據(jù)封裝。

　　自組織無線傳感器網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇煞譃?種：

　?、倩诖兀–luster）的分層結(jié)構(gòu)。簇頭就是分布式處理中心，收集簇成員數(shù)據(jù)并完成數(shù)據(jù)處理和融合，最后將數(shù)據(jù)由其他簇頭多跳轉(zhuǎn)發(fā)或直接傳回sink點(diǎn)。

　?、诨诰W(wǎng)（Mesh）的平面結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)下傳感器網(wǎng)絡(luò)連成一張網(wǎng)，臨近節(jié)點(diǎn)直接通信；在個別鏈路和傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)生失效時不會引起網(wǎng)絡(luò)分立。

　?、刍阪湥–hain）的線結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)下傳感器節(jié)點(diǎn)被串聯(lián)在一條或多條鏈上，鏈尾與用戶節(jié)點(diǎn)相連。由于鏈型結(jié)構(gòu)更易于在網(wǎng)絡(luò)初始化中實(shí)現(xiàn)，因此設(shè)計(jì)中采用該種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/font>