單片機(jī)的自組織網(wǎng)絡(luò)互同步節(jié)點(diǎn)設(shè)計

摘要：針對自組織網(wǎng)絡(luò)中的互同步算法進(jìn)行了研究，基于單片機(jī)設(shè)計了一種便于驗(yàn)證學(xué)習(xí)的實(shí)體節(jié)點(diǎn)，彌補(bǔ)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(kuò)展靈活的特點(diǎn)，對于掌握無線傳感網(wǎng)或多智能體等進(jìn)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(jī)； 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(diǎn)對點(diǎn)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(yùn)而生。
    自組織網(wǎng)絡(luò)的突出特點(diǎn)是，沒有傳統(tǒng)的中心控制節(jié)點(diǎn)來協(xié)調(diào)組網(wǎng)過程，分布的節(jié)點(diǎn)之間的組織主要靠“臨時性的自治”實(shí)現(xiàn)。實(shí)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(diǎn)之間時間基準(zhǔn)的相互交換和相互控制，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間的相互同步。
    由于無線節(jié)點(diǎn)硬件成本偏高，相關(guān)軟件使用也較為復(fù)雜，在進(jìn)行相關(guān)技術(shù)的研究和學(xué)習(xí)時，大多通過計算機(jī)軟件仿真。這種純粹軟件仿真實(shí)驗(yàn)的形式更適用于已有一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和算法基礎(chǔ)的人員，對于其進(jìn)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(shí)物，初學(xué)者難以建立起直觀的感性認(rèn)識。
    為此，本設(shè)計首先選擇低成本的單片機(jī)作為核心，利用簡單的光電信號替代WiFi、藍(lán)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(shí)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(diǎn)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(yàn)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(diǎn)數(shù)量增加的限制。

1 節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(yàn)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(dāng)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(jī)、光敏電阻以外，節(jié)點(diǎn)還需要有一個發(fā)光二極管用于顯示各節(jié)點(diǎn)間的同步狀態(tài)。當(dāng)初始亮滅不一致的節(jié)點(diǎn)經(jīng)過一段時間后，以相同時間點(diǎn)、頻率進(jìn)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(dāng)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(diǎn)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(jìn)行了9．6 MHz的標(biāo)定，經(jīng)8分頻后可以實(shí)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(yàn)，1 kΩ阻值的電阻已經(jīng)可以保證節(jié)點(diǎn)正常工作。
    另外，如果不采用節(jié)點(diǎn)間相互分離的獨(dú)立電路設(shè)計，而采用多個節(jié)點(diǎn)固定在同一塊底板上的布線，也可以不采用獨(dú)立的紐扣電池供電方式，統(tǒng)一為所有的節(jié)點(diǎn)提供5 V電源供電。

2 算法設(shè)計與實(shí)現(xiàn)
2．1 互同步算法原理
    為了更好地對算法進(jìn)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(jī)整體。
    在這里只研究這一行為實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，互同步的相關(guān)算法。算法的實(shí)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(diǎn))的網(wǎng)絡(luò)同步。
    開始的時候，眾多獨(dú)立節(jié)點(diǎn)發(fā)光二極管的閃爍是隨機(jī)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(diǎn)都同步閃爍。
    本設(shè)計采用了一種最簡單的算法來實(shí)現(xiàn)這一過程。首先假設(shè)所有節(jié)點(diǎn)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(shí)只是各自閃爍的時間點(diǎn)不一樣。這樣在簡化算法實(shí)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(diǎn)閃爍的能力，這個值隨著時間會慢慢增加，當(dāng)其增加到一個臨界閾值(Pth)時，節(jié)點(diǎn)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(rèn)對于所有的節(jié)點(diǎn)都是一樣的，也就是說所有節(jié)點(diǎn)閃爍的固有頻率是一樣的。
    通過光敏電阻，每個節(jié)點(diǎn)都可以感受到鄰近節(jié)點(diǎn)的存在，這個過程是通過單片機(jī)的ADC實(shí)現(xiàn)的。這些節(jié)點(diǎn)都依據(jù)相同的原則進(jìn)行同步。如果某個節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)它比鄰近節(jié)點(diǎn)閃爍得晚，那么下次它將稍稍提前閃爍，經(jīng)過節(jié)點(diǎn)間的相互作用，所有的節(jié)點(diǎn)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(jìn)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。

    圖中閾值(Pth)表示節(jié)點(diǎn)閃爍的閾值，當(dāng)閃爍能力(Power)達(dá)到這個值時節(jié)點(diǎn)開始閃爍。T為節(jié)點(diǎn)閃爍的周期。從圖2可以看出，初始時刻兩個節(jié)點(diǎn)雖有共同的閃爍周期，但兩節(jié)點(diǎn)開始閃爍的時刻不同，下方節(jié)點(diǎn)閃爍能力要更晚到達(dá)閾值，即閃爍的開始時刻要晚于上方節(jié)點(diǎn)。而當(dāng)上方節(jié)點(diǎn)開始閃爍的時刻，通過光敏電阻，下方節(jié)點(diǎn)偵測到了這一變化，并將自己下一次的發(fā)光時刻提前，發(fā)光周期縮短為新的周期(T1)當(dāng)然僅通過一次提前并不能做到兩者同步，但是經(jīng)過n次調(diào)整，兩者的閃爍時刻逐次逼近，而且下方節(jié)點(diǎn)新的周期(Tn)也恢復(fù)為原周期(T)，兩者最終達(dá)到了同時刻同周期的互同步。該算法并不受節(jié)點(diǎn)規(guī)模的影響，因此網(wǎng)絡(luò)規(guī)?？梢造`活擴(kuò)展。
2．2 程序設(shè)計實(shí)現(xiàn)
    從上面論述可知算法實(shí)現(xiàn)并不復(fù)雜，下面只對關(guān)鍵代碼做簡要描述，流程圖如圖3所示。

    節(jié)點(diǎn)上電復(fù)位以后，程序的初始化部分對節(jié)點(diǎn)硬件進(jìn)行相應(yīng)的初始化，主要是對模／數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)進(jìn)行設(shè)置，選擇對應(yīng)的轉(zhuǎn)換通道并使能，設(shè)置發(fā)光二極管為關(guān)閃爍狀態(tài)。
    需要注意的是，由于系統(tǒng)采用光敏電阻作為傳感器件，因此節(jié)點(diǎn)之間的相互感應(yīng)不可避免地會受到外界光照的干擾，也就是說即使在鄰近節(jié)點(diǎn)不閃爍時，閃爍能力(Power)的初值也不會為0。為此，本程序選擇外界的背景光作為基礎(chǔ)門限值(threshold)，這個值可以通過模／數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)多次采樣再做平均獲得。相關(guān)代碼實(shí)現(xiàn)如下：
   
    代碼中對4次采樣值進(jìn)行了平均，考慮到干擾的問題，對平均值再加80進(jìn)行調(diào)整。
    隨后，程序進(jìn)入主循環(huán)，在主循環(huán)中主要完成三件工作。
    首先是閃爍能力(Power)值的遞增。如前面算法描述，當(dāng)它逐漸增加達(dá)到閃爍閾值(FLASH_POWER)時，二極管將開始有節(jié)奏地閃爍。為了保證快速和精準(zhǔn)，閃爍能力值的遞增并不是均勻的，而是分段區(qū)別進(jìn)行的。閃爍能力值比較小時，以較大的增量累積(如Power+=16)，隨
著其逐漸接近閾值，增量減小，比如當(dāng)Power>6000后，以1為遞增幅度進(jìn)行(如Power+=1)。
    在計算了節(jié)點(diǎn)閃爍的能力后，程序進(jìn)入第二個階段，主要工作是修正閃爍能力值?？紤]到外界干擾，節(jié)點(diǎn)可能會受到突然的外界強(qiáng)光照射影響，當(dāng)光照很強(qiáng)時，節(jié)點(diǎn)將無法正確感知鄰近節(jié)點(diǎn)的變化，為此還需要做相應(yīng)異常處理。相關(guān)代碼如下：
   
    該段程序中首先進(jìn)行采樣，獲得當(dāng)前的光照(light)值，如果其大于預(yù)設(shè)的環(huán)境光照常量(ENV_LIGHT)，則認(rèn)為外界光照太強(qiáng)，此時節(jié)點(diǎn)之間已經(jīng)無法進(jìn)行有效地相互感應(yīng)，出現(xiàn)異常。這里將節(jié)點(diǎn)延時一段時間進(jìn)入休眠狀態(tài)，隔一段時間再做檢測。考慮到選用的單片機(jī)，環(huán)境光照常量設(shè)為總量程的一半較為合適。如果外界光照對節(jié)點(diǎn)的光感應(yīng)處在正常范圍，則再判斷當(dāng)前的光照(light)是否大于前面計算的基礎(chǔ)門限值(threshold)。當(dāng)其值大于此基礎(chǔ)值時，表明鄰近有節(jié)點(diǎn)在閃爍，且該節(jié)點(diǎn)晚于鄰近節(jié)點(diǎn)的閃爍，因此需要對閃爍能力進(jìn)行快速調(diào)整(如Power+=200)。這個增量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)的閃爍能力積累，執(zhí)行效果就是將節(jié)點(diǎn)下一次開始閃爍時刻大大提前了。
    最后的工作就比較簡單了，通過判斷閃爍能力是否大于閃爍閾值(FLASH_POWER)，當(dāng)大于時設(shè)置發(fā)光二極管為開閃爍，當(dāng)小于時設(shè)置為關(guān)閃爍。
    程序主體是一個死循環(huán)，根據(jù)需要還可添加電源管理、中斷處理等其他功能模塊。文中主要僅論述了兩個節(jié)點(diǎn)間的互同步實(shí)現(xiàn)，但文中所述算法可以不加修改就適用于節(jié)點(diǎn)數(shù)更多的網(wǎng)絡(luò)。這正體現(xiàn)了自組織網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)：其中功能有限的節(jié)點(diǎn)利用局部信息就可達(dá)到整個網(wǎng)絡(luò)的高度協(xié)調(diào)一致。

結(jié)語
    本文詳細(xì)闡述了一種利用單片機(jī)進(jìn)行自組織網(wǎng)絡(luò)互同步算法學(xué)習(xí)的方法，網(wǎng)絡(luò)同步的效果良好。設(shè)計的節(jié)點(diǎn)具有簡單直觀、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)展靈活的特點(diǎn)，是一個對自組織網(wǎng)絡(luò)的很好的實(shí)體模擬，對于掌握無線傳感網(wǎng)或多智能體等需要進(jìn)行同步的自組織組網(wǎng)技術(shù)有一定的借鑒意義。