摘  要： 以STC12系列單片機(jī)和nRF905射頻收發(fā)器為核心,，設(shè)計(jì)了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和基于這種節(jié)點(diǎn)的自組織通信協(xié)議。給出了節(jié)點(diǎn)的整體結(jié)構(gòu),，詳細(xì)闡述了軟件設(shè)計(jì)流程,。試驗(yàn)表明該節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了自組織和多跳數(shù)傳，通信穩(wěn)定可靠,，網(wǎng)絡(luò)吞吐率達(dá)到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求,。
關(guān)鍵詞： nRF905；無線傳感器網(wǎng)絡(luò),；自組織

    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是計(jì)算機(jī)技術(shù),、傳感器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它由大量隨機(jī)分布的,、具有實(shí)時(shí)感知,、無線通信和自組織能力的傳感器節(jié)點(diǎn)組成[1]。隨著無線技術(shù)的高速發(fā)展,，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)越來越多地走進(jìn)人們的視野中,。與有線技術(shù)相比，無線技術(shù)具有成本低,、體積小,、省去復(fù)雜的布線等優(yōu)點(diǎn)。但是由于現(xiàn)有的無線傳感器節(jié)點(diǎn)大都采用電池供電,，放置地點(diǎn)隨機(jī)變動(dòng),，隨時(shí)可能出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)中斷的情況，通信能力十分有限,，需要經(jīng)常性的人工維護(hù),。因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)要具有自組織,、中斷自我修復(fù)的功能,，需要設(shè)計(jì)合適的通信協(xié)議和路由算法，以提高系統(tǒng)通信的可靠性,。為此,，本文采用無線射頻芯片nRF905和STC12系列單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種無線傳感器節(jié)點(diǎn)，并且在典型自組織網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議-動(dòng)態(tài)源路由協(xié)議DSR(Dynamic Source Routing)[2-4]的基礎(chǔ)上,，針對路由維護(hù)算法做出改進(jìn),，設(shè)計(jì)出一種易于實(shí)現(xiàn)且實(shí)用性高的通信協(xié)議,，實(shí)現(xiàn)了自組織和多跳傳輸數(shù)據(jù)的無線通信系統(tǒng)。
1 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
    節(jié)點(diǎn)分為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn),，普通節(jié)點(diǎn)帶有傳感器,，負(fù)責(zé)采集需要的數(shù)據(jù)并組成網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的控制和數(shù)據(jù)的匯總,、分析,、處理等。圖1為協(xié)調(diào)器和普通節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)圖,。

1.1 MCU
    STC12LE5410AD單片機(jī)是單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的兼容8051內(nèi)核單片機(jī),，是高速、低功耗的新一代8051單片機(jī),，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，而速度快8~12倍,，內(nèi)部集成硬件高速SPI(Serial Peripheral Interface)接口,、2 KB EEPROM、A/D轉(zhuǎn)換模塊和MAX810專用復(fù)位電路,。工作電壓2.4~3.8 V,，因此可用電池工作，并可長時(shí)間工作,。器件在少于6 μs的時(shí)間內(nèi)可以從低功耗模式迅速喚醒,。STC12LE5410AD的超小封裝、高度集成,、精簡外部電路可設(shè)計(jì)出更小的節(jié)點(diǎn),，超低的價(jià)格可以大規(guī)模鋪設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)。STC12LE5410AD單片機(jī)的這些特征,，非常適合應(yīng)用在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,。
1.2 射頻收發(fā)器件nRF905[5]
    nRF905由挪威Nordic公司生產(chǎn)，是一個(gè)為433/868/915 MHz-ISM(工業(yè),、科學(xué),、醫(yī)療)頻段設(shè)計(jì)的單片無線收發(fā)芯片，32腳QFN封裝,，工作電壓為1.9～3.6 V,，最大發(fā)射功率為10 dBm。該收發(fā)芯片由頻率合成器,、接收解調(diào)器,、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器組成,，片內(nèi)自動(dòng)完成曼徹斯特編碼/解碼,。nRF905有兩種活動(dòng)(TX/RX)模式和兩種節(jié)電模式。活動(dòng)模式之間轉(zhuǎn)換時(shí)間小于550 μs,，活動(dòng)模式與節(jié)電模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間小于650 μs,。
    nRF905通過SPI與微控制器通信，自動(dòng)處理字頭和循環(huán)冗余碼校驗(yàn)(CRC),。當(dāng)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí),，只需將配置寄存器信息、所要發(fā)送的數(shù)據(jù)和接收地址送給nRF905,，它就會(huì)自動(dòng)完成數(shù)據(jù)打包(加字頭和CRC校驗(yàn)碼)和發(fā)送,。接收數(shù)據(jù)時(shí)，nRF905自動(dòng)檢測載波并進(jìn)行地址匹配,，接收到正確數(shù)據(jù)后自動(dòng)移去字頭,、地址和CRC校驗(yàn)碼，再通過SPI將數(shù)據(jù)傳送到微控制器,。
1.3 硬件連接設(shè)置
    STC單片機(jī)通過內(nèi)部集成的硬件高速串行外設(shè)接口SPI與nRF905連接,，最快可達(dá)3 Mb/s，比軟件模擬SPI方式快30倍左右,，大大減少了程序執(zhí)行時(shí)間,，提高了網(wǎng)絡(luò)的吞吐率。同時(shí)在設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與PC上位機(jī)軟件通信程序時(shí),，利用STC單片機(jī)1T時(shí)鐘的優(yōu)勢,，設(shè)置串口波特率使用的定時(shí)器12倍速方式，使串口波特率提高至115 200 b/s,，提高了協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的反應(yīng)速度,，減少了等待時(shí)間，提高了系統(tǒng)的吞吐率,。
2 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)Connector軟件和普通節(jié)點(diǎn)Node軟件的設(shè)計(jì),，其中協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的主節(jié)點(diǎn)，起著控制全網(wǎng)絡(luò)的作用,，通過PC機(jī)的上位機(jī)軟件,，可以對協(xié)調(diào)器進(jìn)行接收和發(fā)送命令及數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的控制,。而每個(gè)普通節(jié)點(diǎn)也預(yù)留通信接口,，可以在需要的時(shí)候與其他設(shè)備相連接。
    由于本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò)的需要,，在物理層中為每個(gè)節(jié)點(diǎn)(包括協(xié)調(diào)器和普通節(jié)點(diǎn))定義了相同的物理地址,，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)的廣播功能。在網(wǎng)絡(luò)層為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配唯一的網(wǎng)絡(luò)地址,，通過軟件判斷接收數(shù)據(jù)的目的節(jié)點(diǎn)是否是本機(jī),。
    圖2為節(jié)點(diǎn)自組織流程圖,。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中增加一個(gè)新節(jié)點(diǎn)，新節(jié)點(diǎn)上電初始化后,，首先會(huì)向協(xié)調(diào)器發(fā)送路由請求RREQ請求加入網(wǎng)絡(luò),，并打開定時(shí)器；協(xié)調(diào)器收到RREQ后,，記錄新節(jié)點(diǎn)信息,，并通過反路由發(fā)送應(yīng)答信號ACK至源節(jié)點(diǎn)；如果新節(jié)點(diǎn)在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)收到ACK信號,，表示加入網(wǎng)絡(luò)成功,，并且記錄本節(jié)點(diǎn)至協(xié)調(diào)器的路由信息；如果在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)沒有收到ACK信號,，那么重新發(fā)送路由請求RREQ至協(xié)調(diào)器,，如此循環(huán)直至收到ACK信號。如果重發(fā)次數(shù)達(dá)到設(shè)定的上線,，仍沒有收到ACK信號,，則進(jìn)行全網(wǎng)廣播RREQ，并打開定時(shí)器,，等待返回RREP命令；在設(shè)定時(shí)間后進(jìn)行重新廣播RREQ,，直到到達(dá)重發(fā)上限,。新節(jié)點(diǎn)收到RREP表示加入網(wǎng)絡(luò)成功，同時(shí)保存RREP命令幀中的路由信息,。

2.1 路由協(xié)議
    現(xiàn)有無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議通?？煞譃椋罕眚?qū)動(dòng)式路由協(xié)議和按需路由協(xié)議。前者需要網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)一張或多張路由表,，以記錄到其他節(jié)點(diǎn)的路由,，增加了路由開銷。而按需路由協(xié)議——動(dòng)態(tài)源路由協(xié)議(DSR)使用了源路由,，每一個(gè)數(shù)據(jù)分組的幀頭中包含整條路由的信息,，中間節(jié)點(diǎn)不需要維持當(dāng)前的路由信息，分組自己帶有路由信息,，按需路由的特性避免了周期性路由廣播和鄰居節(jié)點(diǎn)的檢測,。
    DSR協(xié)議包括兩個(gè)過程：路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)。路由發(fā)現(xiàn)過程使用泛洪路由(Flooding Routing),。為了減少路由發(fā)現(xiàn)過程的開銷,，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都包括一個(gè)緩存器，存放最近學(xué)到的和用過的路由信息,。路由維護(hù)過程是源節(jié)點(diǎn)用來檢測網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫欠癜l(fā)生變化的機(jī)制,。若拓?fù)浒l(fā)生變化,、源路由發(fā)生中斷，源節(jié)點(diǎn)就會(huì)收到路由錯(cuò)誤信息,。其他節(jié)點(diǎn)收到路由錯(cuò)誤信息后刪除中斷路由,，并且重新發(fā)起廣播尋找路由。
    本系統(tǒng)中的路由協(xié)議采用DSR協(xié)議,，并對DSR協(xié)議進(jìn)行一些改進(jìn),。
    (1)每個(gè)節(jié)點(diǎn)中到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)含有最多兩個(gè)路由緩存。
    (2)查到中斷節(jié)點(diǎn)后先檢查本節(jié)點(diǎn)中有無到中斷節(jié)點(diǎn)下級節(jié)點(diǎn)的信息,，若有,，則直接使用此路由，若無,，則立即廣播發(fā)送RRER,。
    (3)所有節(jié)點(diǎn)收到RRER后，檢查是否含有終端路由,，有則刪除中斷路由,。
    系統(tǒng)通信協(xié)議格式如表1所示。其中,，F(xiàn)RAME_TYPE表示命令幀類型,，SOURCE_ADDR表示源地址，F(xiàn)IRE_ADDR表示目的地址,，MID表示路由節(jié)點(diǎn)地址,，REMIAN表示最大跳數(shù)下剩余跳數(shù)，MAX表示最大跳數(shù),，DATA表示要傳輸?shù)臄?shù)據(jù),，ODD代表奇校驗(yàn)。

2.2 程序設(shè)計(jì)
2.2.1 廣播
    在廣播RREQ時(shí),，為了避免廣播沖突,，利用nRF905的載波檢測多路訪問機(jī)制CSMA/CA，發(fā)送前先進(jìn)入接收模式,，監(jiān)聽該信道是否空閑,。如果檢測到CD信號為高，則表示該信道被占用,，根據(jù)退避延時(shí)一段時(shí)間,，再檢測CD信號是否為高。
    而根據(jù)檢測,，數(shù)據(jù)包接收的時(shí)間大致為20 μs,，時(shí)隙為60 μs，加上程序運(yùn)行的時(shí)間,，定義短幀空間SIFS和時(shí)隙分別為50 μs及100 μs,，分散幀空間DIFS為SIFS加2個(gè)時(shí)隙即250 μs,。CSMA/CA程序流程如圖3所示，定義NB,、CW和BE,。

    后退次數(shù)(NB)：NB的初始值為0，當(dāng)設(shè)備有數(shù)據(jù)要傳送時(shí),，經(jīng)過一段后退時(shí)間(2BE-1)×100 μs后,，檢測CD，若檢測到信道忙,，則會(huì)再一次產(chǎn)生倒退時(shí)間,。此時(shí)NB值會(huì)加1，NB值最大定義為4,。當(dāng)信道在經(jīng)過4次的后退延遲時(shí)間后仍為忙,，則放棄此次的傳送，以避免過大開銷,。
    嘗試次數(shù)(CW)：循環(huán)判斷當(dāng)前頻道是否空閑,，當(dāng)判斷到了一定次數(shù)后該頻道依然空閑則跳出循環(huán)，開始傳送數(shù)據(jù),，設(shè)初值為2,。
    后退指數(shù)(BE)：初值設(shè)為2。
    本設(shè)計(jì)中,，CD信號為高時(shí)必須通過切換至standby模式來使CD信號復(fù)位,，以保證下次CD信號的檢測。
    根據(jù)nRF905模塊的時(shí)序可知,，模塊從standby模式切換至接收或發(fā)送模式的時(shí)間為650 μs，發(fā)送和接收模式之間的切換需要550 μs,，切換時(shí)間遠(yuǎn)大于時(shí)隙及DIFS的值,。因此，BE設(shè)置為2,，最大為4,。
2.2.2 數(shù)據(jù)傳輸
    在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，源節(jié)點(diǎn)首先檢查自己的緩存中是否有到目的節(jié)點(diǎn)的路由信息,，如果沒有,，則先進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)，與廣播模式相同,。如果有至目的節(jié)點(diǎn)的路由信息,，則根據(jù)路由信息，先發(fā)送數(shù)據(jù)請求命令RTS,。當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)接收到返回的允許發(fā)送命令CTS信號時(shí),，則表示已經(jīng)建立了數(shù)據(jù)傳輸通道,，由請求節(jié)點(diǎn)開始傳輸數(shù)據(jù)，傳輸完畢后,，由目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送DATA_ACK給源節(jié)點(diǎn),，表示數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。其工作流程如圖4所示,。

2.2.3 路由修復(fù)
    數(shù)據(jù)傳輸時(shí),，每個(gè)節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)后，都要先回復(fù)應(yīng)答ACK信號給其前一個(gè)節(jié)點(diǎn),，再轉(zhuǎn)發(fā)至下一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn),，節(jié)點(diǎn)中設(shè)置超時(shí)定時(shí)器，約等待1 633 μs ACK信號,，前一個(gè)節(jié)點(diǎn)沒有收到ACK,，則重發(fā)數(shù)據(jù)，設(shè)置重發(fā)次數(shù)為3,。假若重發(fā)3次都沒有收到ACK信號,，則判斷下一個(gè)節(jié)點(diǎn)為中斷節(jié)點(diǎn)。查詢緩存路由中是否有其他到達(dá)中斷節(jié)點(diǎn)下游節(jié)點(diǎn)的信息,，有則使用這個(gè)備用路由,，無則廣播發(fā)送RERR給所有包含中斷節(jié)點(diǎn)路由的源節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在收到該RERR后,，就會(huì)從它的路由緩存中刪除所有包含該中斷節(jié)點(diǎn)的路由,。
    路由修復(fù)示例如圖5所示。節(jié)點(diǎn)0需要發(fā)送數(shù)據(jù)給節(jié)點(diǎn)5,，節(jié)點(diǎn)0中含有到節(jié)點(diǎn)5的路由信息,，0→1→2→5；節(jié)點(diǎn)0開始發(fā)送RTS,，每個(gè)節(jié)點(diǎn)收到RTS后返回給前一個(gè)節(jié)點(diǎn)ACK,，表示路由無中斷；假若節(jié)點(diǎn)1沒有收到ACK,，重發(fā)3次后仍沒有ACK返回,，則判斷節(jié)點(diǎn)2是中斷節(jié)點(diǎn)；這時(shí)查詢節(jié)點(diǎn)1中有無到達(dá)節(jié)點(diǎn)5的路由,，發(fā)現(xiàn)1→3→4→5,，則按照此路由繼續(xù)發(fā)送RTS；當(dāng)節(jié)點(diǎn)1返回DATA_ACK,，表示數(shù)據(jù)傳輸完成,，延遲10×跳數(shù)(ms)后，廣播發(fā)送RRER,，收到RRER的每個(gè)節(jié)點(diǎn)查詢本節(jié)點(diǎn)是否含有中斷路由,，有則從路由緩存中刪除包含中斷節(jié)點(diǎn)的路由,。

3 試驗(yàn)結(jié)果
    試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由10個(gè)普通節(jié)點(diǎn)和1個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組成，采用人工隨機(jī)安放的方式把所有節(jié)點(diǎn)放置在約200 m的空曠地帶,。首先,，把協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過串口與主控PC機(jī)連接，打開上位機(jī)控制軟件,，并給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上電,；隨后在隨機(jī)放置普通節(jié)點(diǎn)的同時(shí)一一打開節(jié)點(diǎn)的電源。
    通過上位機(jī)軟件可以清楚地看到,，每當(dāng)有新節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)(打開電源),，上位機(jī)會(huì)實(shí)時(shí)顯示出新加入節(jié)點(diǎn)的地址和路由信息，并且通過反向路由返回應(yīng)答信號給新節(jié)點(diǎn),，表示成功加入網(wǎng)絡(luò),。當(dāng)所有節(jié)點(diǎn)都加入網(wǎng)絡(luò)后，可以通過上位機(jī)軟件看到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的路由信息,，并且可以對每個(gè)節(jié)點(diǎn)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制,。
    為了實(shí)時(shí)監(jiān)測到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行情況，每個(gè)節(jié)點(diǎn)程序都加入定時(shí)掃描程序,，定時(shí)時(shí)間1 min,，檢測節(jié)點(diǎn)本身在1 min內(nèi)是否為空閑狀態(tài)，如果是空閑狀態(tài),，則向協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送節(jié)點(diǎn)信號,，保證本鏈路無中斷；協(xié)調(diào)器在一定時(shí)間周期內(nèi),，檢測接收到的每個(gè)節(jié)點(diǎn)信號,，如果缺少某個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息，則由協(xié)調(diào)器發(fā)送檢測信號給這個(gè)節(jié)點(diǎn),，尋找中斷節(jié)點(diǎn)并進(jìn)行路由維護(hù),。也可以直接通過主控電腦的上位機(jī)軟件手動(dòng)發(fā)送檢測信號給每個(gè)節(jié)點(diǎn)，從而檢測每個(gè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行情況,。
    nRF905的空中傳輸速率峰值為100 kb/s，有效傳輸速率為50 kb/s,。
    通過上位機(jī)軟件對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸試驗(yàn),，測試在本協(xié)議下的網(wǎng)絡(luò)吞吐率。測試條件：200 m空曠地帶,，分別測試一個(gè)節(jié)點(diǎn)至10節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中點(diǎn)對點(diǎn),，1跳、2跳,、3跳情況下的吞吐率,，數(shù)據(jù)包大小32 B,。傳輸要求一個(gè)包到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)后返回到應(yīng)答表示傳輸完成，其吞吐率計(jì)算[6]如下：
   
    測得的網(wǎng)絡(luò)吞吐率如圖6所示,?？梢钥闯觯W(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸,，吞吐率約為16 kb/s,，并且隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增多，影響很??；隨著跳數(shù)的增加，網(wǎng)絡(luò)吞吐率降低,，但是網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量增多,，同時(shí)節(jié)點(diǎn)傳輸幾率增加，因此逐漸趨于穩(wěn)定值,。最后在網(wǎng)絡(luò)設(shè)定最大跳數(shù)(3跳),、10個(gè)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的情況下，網(wǎng)絡(luò)吞吐率約為4 kb/s,。

    通過實(shí)驗(yàn)測得數(shù)據(jù)表明,，在短距離的無線通信網(wǎng)絡(luò)中，該系統(tǒng)可以穩(wěn)定可靠地運(yùn)行,，數(shù)據(jù)傳輸率高,，網(wǎng)絡(luò)吞吐率完全可以達(dá)到一般的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求。并且該系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性,、移植性和實(shí)用性,，可廣泛運(yùn)用于溫度、濕度,、光傳感器采集數(shù)據(jù),、能量監(jiān)測及電路控制等技術(shù)。
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