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

1           引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由一些功耗低、體積小的傳感器節(jié)點(diǎn)，以無線通訊方式自組成一個網(wǎng)絡(luò)。這些分散的節(jié)點(diǎn)能夠協(xié)作地實施監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境對象的信息，具有非常廣闊的應(yīng)用前景^[1]。近年來，無線傳感器網(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。自組織算法是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)之一，通過自組織算法自動生成的良好的網(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)的能量以延長網(wǎng)絡(luò)的生存期。國內(nèi)外研究者們從ad hoc網(wǎng)絡(luò)借鑒了寶貴經(jīng)驗，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)，這個過程重復(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等人為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的低功耗自適應(yīng)聚類路由算法。主要通過隨機(jī)選擇聚類首領(lǐng)，平均分?jǐn)傊欣^通信業(yè)務(wù)來實現(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高層的描述方式——元數(shù)據(jù)來命名傳感數(shù)據(jù)。在發(fā)送真實的數(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)的請求時，才有目的地發(fā)送數(shù)據(jù)信息。這些研究均在無線傳感器網(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的動態(tài)分簇帶來了拓?fù)渥儞Q和大量廣播這樣的額外開銷。SPIN中的元數(shù)據(jù)沒有統(tǒng)一的形式，SPIN的拓?fù)渥兓蔷植啃缘模虼瞬贿m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。這些研究均在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織算法上取得進(jìn)展，但沒有考慮實際應(yīng)用的諸多因素，如不易實現(xiàn)，算法的收斂性，如何減小外界因素對通訊的干擾，以及節(jié)點(diǎn)失效后如何追加等。

     針對目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中自組織算法的研究現(xiàn)狀，本文首先提出一種簡單易實現(xiàn)的自組織協(xié)議，選用MSP430F149單片機(jī)作為處理器，設(shè)計了微型傳感器節(jié)點(diǎn)，并實現(xiàn)了一種低功耗無線網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)使用提出的協(xié)議能自動生成多級網(wǎng)狀網(wǎng)，同時按能量優(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。開發(fā)的上位機(jī)處理軟件可自動顯示網(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，并實時顯示網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂剑€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)軟件也會及時反映出來。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，通過定義數(shù)據(jù)包的格式和關(guān)鍵字來實現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的自組織。數(shù)據(jù)包中包含一個關(guān)鍵字和多個字節(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，就可實現(xiàn)自組織功能。多個字節(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，通過測試和試驗發(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；Key表示關(guān)鍵字，來區(qū)分各種情況下的數(shù)據(jù)，接收節(jié)點(diǎn)會根據(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表示檢驗位，可避免接收錯誤的數(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)在感測到其狀態(tài)突變時向外發(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)中的級別，0x15表示節(jié)點(diǎn)當(dāng)時采集的溫度，0x20表示節(jié)點(diǎn)當(dāng)時采集的電源電壓值，0x03表示節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)量, 0x00…0x00為11個字節(jié)的有效數(shù)據(jù)，可記錄數(shù)據(jù)包經(jīng)過節(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)過程

網(wǎng)絡(luò)包含一個與上位機(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，首先會向基站節(jié)點(diǎn)發(fā)出請求分配級別的命令，然后進(jìn)入低功耗狀態(tài)并打開定時器。在設(shè)定時間內(nèi)收到基站節(jié)點(diǎn)分配的級別，該傳感器節(jié)點(diǎn)就會向基站節(jié)點(diǎn)發(fā)送自組織信息的數(shù)據(jù)包。如果在設(shè)定時間內(nèi)沒有收到基站節(jié)點(diǎn)分配的級別，該節(jié)點(diǎn)會從低功耗狀態(tài)喚醒，再次發(fā)送請求分配級別的命令，如此循環(huán)。當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)出請求基站分配級別的命令達(dá)到設(shè)定上限后，仍然沒有確定自己在網(wǎng)絡(luò)中的級別。該節(jié)點(diǎn)就會向全網(wǎng)發(fā)出廣播命令，然后進(jìn)入低功耗狀態(tài)并打開定時器。定時時間到，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)中的級別，并確定上級、同級和下級節(jié)點(diǎn)的相關(guān)信息。該節(jié)點(diǎn)再向上級節(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號電池供電。在設(shè)計節(jié)點(diǎn)的過程中，撥碼開關(guān)、蜂鳴器、LCD指示燈的設(shè)計極大方便了實驗的調(diào)試。

2.2  節(jié)點(diǎn)設(shè)計

　　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，有很長的使用時間[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ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué))頻道，頻道之間的轉(zhuǎn)換時間小于650 μs[7]。ShockBurstTM工作模式，能自動處理字頭和CRC(循環(huán)冗余碼校驗)。通過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，易于實現(xiàn)節(jié)能。nRF905適用于無線數(shù)據(jù)通信、無線開鎖等諸多領(lǐng)域。

　　天線的設(shè)計是整個系統(tǒng)設(shè)計的一個非常重要的環(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)計都有密切關(guān)系。天線部分的設(shè)計采用整體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。

　　因為本文主要研究無線傳感器網(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測量節(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)的工作時間就會不同。若希望節(jié)點(diǎn)工作一年的時間（365×24=8 760小時），則理論上要求平均工作電流約為263 μA（2 300÷8 760）。發(fā)射數(shù)據(jù)到接收應(yīng)答的工作時間約為50 ms，這樣可推算出每次工作前的平均休眠時間為2.3 s[8]。實際應(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選擇系統(tǒng)工作和休眠的時間。

3  軟件開發(fā)

　　低功耗系統(tǒng)的設(shè)計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，采用智能的控制策略。例如,讓系統(tǒng)在需要工作時全速運(yùn)行；而當(dāng)整個系統(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程中丟失數(shù)據(jù)，軟件設(shè)計上加了握手協(xié)議。當(dāng)基站節(jié)點(diǎn)每發(fā)送一個數(shù)據(jù)包給上位機(jī)時，上位機(jī)都會向基站節(jié)點(diǎn)發(fā)送應(yīng)答信號，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)多個傳感器節(jié)點(diǎn)同時與某個傳感器節(jié)點(diǎn)通信時，存在掙搶信道的現(xiàn)象。為了避免多個傳感器節(jié)點(diǎn)同時與某個傳感器節(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）信號來產(chǎn)生隨機(jī)延時，以避免同時發(fā)送信號；另一方面，當(dāng)一個傳感器節(jié)點(diǎn)與某個傳感器 節(jié)點(diǎn)建立了通信通道時，其他發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)會增加發(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)送請求基站節(jié)點(diǎn)分配級別的命令，同時打開一個定時喚醒的定時器；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)送請求基站節(jié)點(diǎn)分配級別的次數(shù)達(dá)到設(shè)定上限，仍未確定節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的級別，則該節(jié)點(diǎn)就會向周圍傳感器節(jié)點(diǎn)廣播信息。當(dāng)廣播次數(shù)達(dá)到設(shè)定值時，傳感器節(jié)點(diǎn) 就根據(jù)收到的信息確定自己的級別以及與該節(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、定時器 中斷事件、狀態(tài)突變事件。

　　當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)檢測到狀態(tài)突變后，會從低功耗狀態(tài)喚醒，并及時采集此時的環(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)測整個網(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)來設(shè)計人機(jī)界面。利用VB的MSComm控件實現(xiàn)上、下位機(jī)的串口通信，利用其他控件實現(xiàn)對無線傳感器網(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，根據(jù)保存的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)計算中轉(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  實驗結(jié)果

　　系統(tǒng)研制完成后，需要設(shè)計實驗來考核自組網(wǎng)效果及網(wǎng)絡(luò)性能。實驗中，首先關(guān)注的問題是隨機(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)通過串口與上位機(jī)相連并打開上位機(jī)處理軟件；然后打開傳感器節(jié)點(diǎn)的電源，并通過人工安放或者隨機(jī)撒播方式布置好傳感器節(jié)點(diǎn)。