?
引言
?
無線傳感器網絡是將大量傳感器節(jié)點采用規(guī)則或隨機方式部署在監(jiān)測區(qū)域,，通過無線通信自組織方式所構成的網絡。傳感器網絡在軍事偵察,、環(huán)境信息檢測,、農業(yè)生產、醫(yī)療健康監(jiān)護,、建筑與家居,、工業(yè)生產控制以及商業(yè)等領域有著廣闊的應用前景。
?
研究發(fā)現(xiàn),，無線傳感器網絡與傳統(tǒng)無線網絡的設計目標和標準具有明顯不同的要求,，后者注重在移動的環(huán)境中通過優(yōu)化路由和充分利用帶寬為用戶提供質量較高的服務，而前者常常工作在人無法接近的惡劣環(huán)境中,，無法更換能源和重復利用網絡節(jié)點,，因此高效能,、低成本、自組織等問題是無線傳感器網絡首先要解決的,。
?
本文研究并設計實現(xiàn)了一種無線傳感器網絡,，采用低功耗的MSP430F149作為主控芯片和nRF905作為無線數(shù)據傳輸模塊設計了無線節(jié)點。
?
網絡構架
?
本文提出的傳感器網絡架構如圖1所示,，節(jié)點任意散落在監(jiān)測區(qū)域中,，通過飛行器散播、人工埋置和火箭彈射等方式完成,。因此,，節(jié)點必須以自組織的方式構成網絡，通過多跳中繼的方式將監(jiān)測的數(shù)據傳輸?shù)絪ink節(jié)點,，然后借助尢線廣域網和Intcrnet傳輸?shù)奖O(jiān)控中心集中處理,。圖1中的傳感器節(jié)點以sink節(jié)點為中心，采用了分級規(guī)劃的方法,，網絡中所有能與sink節(jié)點直接通信的節(jié)點屬于0級區(qū)域,。顯然，0級區(qū)域范圍是以通信模塊的可靠通信距離dr為半徑的圓,，能與0級區(qū)域節(jié)點無中繼通信的節(jié)點屬于1級區(qū)域,。以此類推，可以對整個通信網絡進行分級,。一個n級網絡最大的監(jiān)控半徑為(n+1)×dr,。
?
?
sink節(jié)點具有網關的功能，需要將所有接收的數(shù)據轉發(fā)到監(jiān)控中心,，這要求它有強大處理能力,。因此，本文采用具有ARM9內核的S3C2410處理器,，外接nRF905和GPRS通信模塊,，通過GPRS網絡將數(shù)據通過Internet傳輸?shù)奖O(jiān)控中心；傳感器節(jié)點主要負責采集,、處理,、壓縮、發(fā)送和中繼轉發(fā)數(shù)據,。
?
節(jié)點硬件電路
?
節(jié)點硬件電路如圖2所示,。由于該網絡的主要要求是低功耗、通信協(xié)議簡單可靠,，因此,，主控制器選抒MSP430F149。它是超低功耗控制器,，使用3.3V電壓供電,；端口高電平最高輸出電壓為3.6V,，提供SPI接口，方便與nRF905直接連接,；可在6μs內從低功耗模式喚醒,；片內集成有2KB數(shù)據存儲器、ADC,、硬件乘法器和比較器,。
?
?
nRF905是單片射頻收發(fā)器，工作電壓為1.9V～3.6V,；可工作在433／868／915MHz 3個ISM(工業(yè)、科學和醫(yī)學)頻段,，每一個頻段有29個頻道可以使用,，頻道之間的轉換時間小于650μs，可實現(xiàn)快速跳頻" title="跳頻">跳頻,。本網絡使用433MHz載頻,，通過SPI接口與主控制器連接，使用了增益天線,，在開闊地帶傳輸距離可達1000m以上,。
?
網絡通信模型及關鍵技術
?
通信模型
?
如表1所示，自組織的無線傳感器網絡通信協(xié)議分為4層,。由于傳感器節(jié)點自身硬件的限制,，它們只實現(xiàn)低3層功能，完整的4層協(xié)議在傳感器網絡邊緣的sink節(jié)點實現(xiàn),，由它負責與外網的通信,。物理層的功能由nRF905硬件模塊實現(xiàn)。鏈路" title="鏈路">鏈路層的CRC校驗在nRF905內部硬件電路實現(xiàn),，而媒體訪問控制(MAC)采用雙信道跳頻鏈路控制,。網絡層的路由協(xié)議采用在有序分配路由策略(SAR)基礎上提出的分級有序分配路由策略，這種路由機制綜合了平面路由和分層路由的優(yōu)勢,。下面對鏈路層和網絡層實觀的關鍵技術進行詳細的討論,。
?
?
雙信道跳頻鏈路控制
?
雙信道跳頻鏈路控制是指將網絡的信道分為兩類，即控制信道和數(shù)據信道,?？刂菩诺烙糜?/FONT>傳感器節(jié)點間交換協(xié)商信息、應答信息等非數(shù)據信息,，整個網絡使用單一的控制頻道,，節(jié)點間通過控制信道協(xié)商確定專用的數(shù)據頻道，以傳輸數(shù)據信息,。節(jié)點在空閑時低功耗監(jiān)聽控制頻道,，數(shù)據通信接收后釋放占用的數(shù)據頻道,。
?
控制信道使用共用頻道，它采用了IEEE 802.11b的CSMA／CA避免沖突機制,，簡單說就是發(fā)送前監(jiān)聽載波直到信道空閑,，再用'二進制指數(shù)退避算法'隨機延遲一段時間后，再發(fā)送數(shù)據,，這樣就有效避免了同頻道下的數(shù)據沖突,。
?
在數(shù)據通信中，為了保證數(shù)據傳輸?shù)目煽啃砸约邦l道表和路由表" title="路由表">路由表的及時更新,，系統(tǒng)采用了DATA+ACK的機制,，即發(fā)方和收方通過專用數(shù)據頻道收發(fā)n幀數(shù)據后(通信時間為td)，跳頻到控制頻道交互數(shù)據應答幀,，同時雙方可以接收其它控制信息完成更新頻道表等操作,，為了避免在n幀數(shù)據的通信過程中不錯過更新路由和頻道表的控制幀，要求這些控制幀在t0和t0+td時刻發(fā)送兩次,。
?
分級有序分配路由策略
?
網絡節(jié)點自組織路由的建立和路由及時更新是整個網絡通信的基礎,。所謂分級有序分配路由策略是指，整個網絡的路由采用分級樹的結構,，如圖3所示,，每個節(jié)點只記錄可與之直接通信的上級節(jié)點地址，這樣可以最大限度減小每個節(jié)點的路由表,，加快網絡的收斂速度,。
?
?
網絡的分級是通過節(jié)點16位地址的低4位管理的，初始狀念sink節(jié)點地址低4位為0000B,，所有傳感器節(jié)點地址低4位為1111B,，在網絡路由建立后，sink節(jié)點地址低4位為0000B,，0級區(qū)域節(jié)點地址低4位為0001B,，其它區(qū)域節(jié)點地址低4位依次增1。
?
圖3中,，節(jié)點上電后,，首先由sink節(jié)點通過控制頻道廣播路南請求，a,、b節(jié)點收到廣播,，將本節(jié)點地址低4位(ada)與廣播源地址低4位(ads)進行比較。如果ada≤ads,，則拋棄廣播數(shù)據幀,；如果ada>ads，則檢查此地址是否已記錄在路由表中，若已在路由表中,，直接發(fā)出應答,，若不在路由表中，記錄此地址并將ada設置為ads+1后,，發(fā)出應答,。a、b節(jié)點發(fā)出應答后,，各自廣播路由請求,，d、e,、f節(jié)點按照a,、b節(jié)點對路由請求的處理方法，建立與它們上級節(jié)點a,、b的鏈路,。以此類推，可以建立起如圖3所示的網絡連接,。在2級區(qū)域中，i節(jié)點與上級節(jié)點e,、f同時建立鏈接,，在數(shù)據通信中，只要根據路由表任選1個通信即可,。
?
?
協(xié)議定義
?
為了實現(xiàn)網絡控制和數(shù)據傳輸,，網絡中定義了數(shù)據協(xié)議和控制協(xié)議，其中數(shù)據協(xié)議依據不同數(shù)據類型具體定義,。網絡控制協(xié)議格式的定義如表2所示,。
?
其中，數(shù)據長度為標識數(shù)據區(qū)的字節(jié)數(shù),。協(xié)議+類型為各種協(xié)議+類型的定義,，如表3所示。目的地址為數(shù)據要到達的最終地址,，其中OFFFFH定義為廣播地址,。數(shù)據中繼地址為當前發(fā)出數(shù)據的節(jié)點地址，它可能是源數(shù)據節(jié)點或中繼節(jié)點的地址,。源地址為數(shù)據源節(jié)點的地址,。數(shù)據為不同協(xié)議類型對應的數(shù)據，協(xié)議類型不同,，對應的數(shù)據區(qū)內容也不同,，具體內容如表3所示。
?
?
在這種策略中，路由表只需記錄每個節(jié)點上級節(jié)點的地址,，路由表的數(shù)據結構定義如下：
?
?
網絡測試
?
測試網絡使用上文介紹的方法設計,，50個無線傳感器節(jié)點隨機分布，長時間監(jiān)測網絡,，改變各個節(jié)點發(fā)送監(jiān)測數(shù)據的時間間隔tn,，在監(jiān)控中心的上位機中得到接收到的有效數(shù)據包的統(tǒng)計值。測試結果如圖4所示,，可見,，網絡在tn=5s以上時，網絡可長時間穩(wěn)定工作,。
?
結語
?
本文在理論上詳細討論了分級路由無線傳輸網絡實現(xiàn)的關鍵技術,，提出了雙信道跳頻鏈路控制和分級有序分配路由策略。應用上開發(fā)了測試網絡,。網絡測試說明分級路由無線傳輸網絡設計具有可行性,、穩(wěn)定性、高效性,。