無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)自組網(wǎng)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方法

1、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)自組網(wǎng)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方法作者：余向陽(yáng) 徐科軍 周楊 發(fā)布時(shí)間:2007-11-26木文摘自單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用引言無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有非常廣闊的應(yīng)用前景。文獻(xiàn)給出一種傳統(tǒng)的洪泛算法(flooding)，也是 最早、最簡(jiǎn)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(gè)過(guò)程巫復(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 hierar-chy)。leach是mit的heinzelman等人為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的

2、低功耗口適應(yīng)聚類(lèi)路由 算法，主要通過(guò)隨機(jī)選擇聚類(lèi)首領(lǐng)、平均分?jǐn)傚^通信業(yè)務(wù)來(lái)實(shí)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 forlnformation via negotiation) o 它的主要思想是通 過(guò)高層的描述方式元數(shù)據(jù)來(lái)命名傳感數(shù)據(jù)。在發(fā)送真實(shí)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(qǐng)求時(shí)，才有目的地發(fā)送數(shù)據(jù)信息。這些研究均在無(wú)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(dòng)態(tài)分簇帶來(lái)了拓?fù)渥儞Q和大量廣播這樣的額外開(kāi)銷(xiāo)；spin屮的元數(shù)據(jù)沒(méi)有統(tǒng)一的形式，

3、tl 其拓?fù)渥兓蔷植啃缘?，因此不適用于需要高可靠性的應(yīng)用。還有很多其他相關(guān)算法停留在理論 研究階段。針對(duì)這種研究現(xiàn)狀，本文提出一種簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)的自組織協(xié)議，選用msp430f149單片機(jī)設(shè)計(jì)了微 型傳感器節(jié)點(diǎn)，并實(shí)現(xiàn)了一種低功耗無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。1自組織協(xié)議在協(xié)議中，通過(guò)定義數(shù)據(jù)包的格式和關(guān)鍵字來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的自組織。1. 1協(xié)議格式口組織協(xié)議格式如下：pre key from final | data check flag其中，pre表示前導(dǎo)碼，這些字符雜波不容易產(chǎn)生，通過(guò)測(cè)試和試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，噪聲中不容易產(chǎn)生0x55 和oxaa等非常有規(guī)律的信號(hào)；key表示關(guān)鍵字，用來(lái)區(qū)分各種情況下的數(shù)據(jù)，接收節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)

4、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)期，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(yàn)位，可避免接收錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)包；flag表示數(shù)據(jù)包的結(jié)朿標(biāo)志位。根據(jù)協(xié)議格式中的key,可以將節(jié)點(diǎn)通信時(shí)捎帶的數(shù)據(jù)包分為門(mén)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。節(jié)點(diǎn)在發(fā)送狀態(tài)突變時(shí)的數(shù)據(jù)包格式如下：具中，0x55和oxaa為數(shù)據(jù)前導(dǎo)碼，oxff為傳感器節(jié)點(diǎn)在感測(cè)到其狀態(tài)突變時(shí)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，0x

5、01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(jí)別,0x15表示節(jié)點(diǎn)當(dāng)時(shí)采集的溫度,0x20 表示節(jié)點(diǎn)當(dāng)時(shí)采集的電源電壓值,0x03表示節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)量,0x000x00為11個(gè)字節(jié)的有效數(shù)據(jù), 可記錄數(shù)據(jù)包經(jīng)過(guò)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(yàn)碼，oxbb 為數(shù)據(jù)包的結(jié)朿標(biāo)志。接收節(jié)點(diǎn)需要向發(fā)送節(jié)點(diǎn)做出應(yīng)答，應(yīng)答狀態(tài)突變時(shí)的數(shù)據(jù)包格式如下:| 0x55oxaaoxff 0x00 0x11 0x000x00 | 0x000x000x00 0x000x00 j oxoooxbb |其中，oxff就表示應(yīng)答狀態(tài)突變的關(guān)鍵字，后面分別是發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收

6、節(jié)點(diǎn)的地址。1.2自組網(wǎng)過(guò)程網(wǎng)絡(luò)包含一個(gè)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)。基站節(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，上電初始化后，傳感器節(jié)點(diǎn)首先會(huì)向基站節(jié)點(diǎn)發(fā)出請(qǐng)求分配級(jí)別 的命令，然后進(jìn)入低功耗狀態(tài)并打開(kāi)定時(shí)器。若在設(shè)定時(shí)間內(nèi)收到皋站節(jié)點(diǎn)分配的級(jí)別，該傳感 器節(jié)點(diǎn)就會(huì)向基站節(jié)點(diǎn)發(fā)送口組織信息的數(shù)據(jù)包。如果在設(shè)定時(shí)間內(nèi)沒(méi)冇收到基站節(jié)點(diǎn)分配的級(jí) 別，該節(jié)點(diǎn)會(huì)從低功耗狀態(tài)喚醒，再次發(fā)送請(qǐng)求分配級(jí)別的命令，如此循環(huán)。當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)出求基站分配級(jí)別的命令達(dá)到設(shè)定上限后，但仍然沒(méi)仃確定6己在網(wǎng)絡(luò)中的級(jí)別時(shí)，該節(jié)點(diǎn)就會(huì) 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(kāi)定時(shí)器。定時(shí)時(shí)間

7、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)定值時(shí)，該節(jié)點(diǎn)就會(huì)將接收到的應(yīng)答信息進(jìn)行整 理，確定口（2在網(wǎng)絡(luò)屮的級(jí)別，并確定上級(jí)、同級(jí)和下級(jí)節(jié)點(diǎn)的相關(guān)信息。該節(jié)點(diǎn)再向上級(jí)節(jié)點(diǎn)發(fā)送包禽這些信息的數(shù)據(jù)包，直到數(shù)據(jù)包傳送到基站節(jié)點(diǎn)，從而確定整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。節(jié)點(diǎn)的口組織流程如圖1所示。i節(jié)點(diǎn)初始化ii請(qǐng)求站節(jié)點(diǎn)分配級(jí)別i系統(tǒng)進(jìn)入 低功耗棋式向上級(jí)節(jié)點(diǎn)發(fā)送 眉國(guó)節(jié)點(diǎn)的信息向基站節(jié)點(diǎn) 發(fā)送自己的佶息（_開(kāi)射）達(dá)豔a圖1節(jié)點(diǎn)的自組織流程2硬件研制為了驗(yàn)證提出的口組織協(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)。2. 1總體方案系統(tǒng)

8、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(hào)電池供電。在設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)的過(guò)程 中，撥碼開(kāi)關(guān)、蜂鳴器、lcd指示燈的設(shè)計(jì)極人方便了實(shí)驗(yàn)的調(diào)試。2- 2節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) 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。蜂鳴器撥碼開(kāi)關(guān)lcd指示燈鴉 rwvififitmsp430f149 單片機(jī)s06 立 u電池通信接口外接傳感器接口圖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(hào)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(zhǎng)的使用時(shí)間

9、。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 / 915mhz三個(gè)ism（t業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)）頻道，頻道之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間小于650 u s o shockbursttm i作模式，能自動(dòng)處理字頭和crc （循環(huán)冗余碼校驗(yàn)）。通過(guò)spi小口與微控制器通 信，使用非常方便；內(nèi)建空閑模式與關(guān)機(jī)模式，易于實(shí)現(xiàn)節(jié)能。nrb'905適用于無(wú)線數(shù)據(jù)通信、 無(wú)線開(kāi)鎖等諸多領(lǐng)域。天線的設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)菲常巫要的環(huán)節(jié)。系統(tǒng)功耗的高低以及網(wǎng)絡(luò)性能的好壞與人線 的設(shè)計(jì)都有密切關(guān)系。天線部分的設(shè)計(jì)采用整體pcb環(huán)行差分天線。與傳統(tǒng)的鞭狀

10、天線相比，不 僅節(jié)省空間，降低生產(chǎn)成木，機(jī)構(gòu)上也更穩(wěn)固可靠。因?yàn)槟疚闹饕芯繜o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自紐網(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(lái)測(cè)量節(jié)點(diǎn)的工作溫度，但預(yù)昭了人址外接傳感器接口，外接傳感器的信號(hào) 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，功耗的高低玄接影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命期。系統(tǒng)的功耗不僅與選擇的兀 器件有關(guān)，還與整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的控制策略冇關(guān)。采用不同的控制策略，系統(tǒng)的工作時(shí)間就會(huì)不同。若 希望節(jié)點(diǎn)工作一年的時(shí)間（365x 24=8 760小時(shí)），則理論上耍求平均工作電流約為263 u a（2 3008 760） o發(fā)射數(shù)據(jù)到接收應(yīng)答的工

11、作時(shí)間約為50 ms,這樣可推算出每次工作前的平均休 眠時(shí)間為2.3 s。實(shí)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(lái)選擇系統(tǒng)工作和休眠 的時(shí)間。3軟件開(kāi)發(fā)低功耗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是-種綜合碩件和軟件為一體的技術(shù)，必須在使用低功耗芯片的同時(shí)，采用智 能的控制策略。例如，訃系統(tǒng)在需要工作時(shí)全速運(yùn)行；而當(dāng)整個(gè)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(jiǎn)單，初始化后就進(jìn)入低功耗模式，等待外部事件喚酥。外部事件包括串 口中斷事件、接收到數(shù)據(jù)事件和定時(shí)器的中斷事件。圖3給出了基站節(jié)點(diǎn)的串口中斷流

12、程。相應(yīng)數(shù)據(jù)處理模塊, 將數(shù)據(jù)保存設(shè)標(biāo)占 位并打開(kāi)定時(shí)器bb3萬(wàn)站節(jié)點(diǎn)串口中斷流程為了防止串口通信過(guò)程中丟失數(shù)據(jù)，軟件設(shè)計(jì)上加了握手協(xié)議。當(dāng)基站節(jié)點(diǎn)每發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包給 上位機(jī)時(shí)，上位機(jī)都會(huì)向基站節(jié)點(diǎn)發(fā)送應(yīng)答信號(hào)，直到數(shù)拯包發(fā)送給上位機(jī)。接收到數(shù)拯包后, 節(jié)點(diǎn)會(huì)從低功耗模式中喚醉，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(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)同時(shí)與某個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)通信時(shí)，存在掙搶信道的現(xiàn)象。為了避免多個(gè)傳感器節(jié) 點(diǎn)同時(shí)與某個(gè)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f1rf905的cd（載波偵聽(tīng)）信號(hào)來(lái)產(chǎn)牛隨機(jī)延時(shí)，以避免同時(shí)發(fā)送信號(hào)；另一方面，當(dāng)一個(gè)

13、傳感 器節(jié)點(diǎn)與某個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)建立了通信通道時(shí)，其他發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)會(huì)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(qǐng)求基站節(jié)點(diǎn)分配級(jí)別的命令，同時(shí)打開(kāi)一個(gè)定時(shí)喚醉的定時(shí)器; 然后進(jìn)入低功耗模式，等待外部爭(zhēng)件的喚醒。若傳感器發(fā)送請(qǐng)求基站節(jié)點(diǎn)分配級(jí)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(jí)別，則該節(jié)點(diǎn)就會(huì)向周圉傳感器節(jié)點(diǎn)廣播信息。當(dāng)廣播次數(shù) 達(dá)到設(shè)定值時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)就根據(jù)收到的信息確定自己的級(jí)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(shí)器 屮斷事件、狀態(tài)突變事件。當(dāng)傳感器牡點(diǎn)檢測(cè)到狀態(tài)突變后，會(huì)從低功

14、耗狀態(tài)喚酥，并及時(shí)采集此時(shí)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(guò)中跳或多跳到達(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(cè)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)情況，需要在主機(jī)上建立良好的人機(jī)交互界而。采用visual basic (vb)來(lái)設(shè) 計(jì)人機(jī)界面。利用vb的mscomm控件實(shí)現(xiàn)上、下位機(jī)的串口通信，利用其他控件實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線傳感 器網(wǎng)絡(luò)的分析、顯示和操作。上位機(jī)主程序主耍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。4上位機(jī)的串口中斷流程上位機(jī)接收到完幣的數(shù)據(jù)包后，會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)包中的關(guān)鍵字進(jìn)行不同的處理

15、。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)保 存的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)計(jì)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)中冇很多的數(shù)據(jù)處理是在上位 機(jī)中進(jìn)行的。4實(shí)驗(yàn)結(jié)果系統(tǒng)研制完成后，需要設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)考核口組網(wǎng)效果及網(wǎng)絡(luò)性能。實(shí)驗(yàn)屮，首先關(guān)注的問(wèn)題是隨機(jī) 分布的傳感器節(jié)點(diǎn)在自定義的組織協(xié)議卜的組網(wǎng)情況。為了考核自纟1織效果，首先讓基站節(jié)點(diǎn)通 過(guò)串口與上位機(jī)相連并打開(kāi)上位機(jī)處理軟件；然后打開(kāi)傳感器節(jié)點(diǎn)的電源，并通過(guò)人工安放或者 隨機(jī)撒播方式布置好傳感器節(jié)點(diǎn)。借助上位機(jī)的處理軟件，可以非常淸楚地看到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的環(huán)境參數(shù)。當(dāng)上 位機(jī)處理軟件檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)后，會(huì)在上位機(jī)上進(jìn)行顯示并保存?zhèn)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。 圖5為系

16、統(tǒng)演示的11個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)自山組網(wǎng)時(shí)界面的顯示情況。組網(wǎng)時(shí)間約3 min。va5v,-> -圖5網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼皵?shù)拯傳輸路圾圖圖5中的黑色曲線為數(shù)據(jù)的傳輸路徑。當(dāng)訊標(biāo)點(diǎn)擊某個(gè)節(jié)點(diǎn)，會(huì)彈出該節(jié)點(diǎn)的信息釆集卡。信息 采集卡反映了節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)量、溫度值、電壓值以及剩余能量，通過(guò)采集卡可直接對(duì)該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn) 程控制。在檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)性能的實(shí)驗(yàn)屮，讓傳感器節(jié)點(diǎn)一級(jí)一級(jí)分布下去。通過(guò)上位機(jī)軟件可以很清楚地看到 所投放的傳感器節(jié)點(diǎn)可組成的最大跳數(shù)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)組成后，可通過(guò)上位機(jī)界面對(duì)網(wǎng) 內(nèi)各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制；當(dāng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生狀態(tài)突變時(shí)，會(huì)以中斷形式喚醒節(jié)點(diǎn),以能量?jī)?yōu)先的 原則逐級(jí)傳送到基站節(jié)點(diǎn)，并在上位機(jī)界面上進(jìn)行相應(yīng)顯示。當(dāng)新的傳感器節(jié)點(diǎn)加入到網(wǎng)絡(luò)屮，系統(tǒng)會(huì)及時(shí)反映新加入節(jié)點(diǎn)。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到傳感器節(jié)點(diǎn)由于電 源電壓低于工作電壓，或人為破壞引起失效時(shí)，會(huì)從網(wǎng)絡(luò)屮刪除該節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及相關(guān)信息, 檢測(cè)方法有手動(dòng)刷新和肚時(shí)采樣兩種。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳送的數(shù)據(jù)都保存在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)中，便于查尋。通 過(guò)上位機(jī)軟件還能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行復(fù)位，讓所有傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重新組網(wǎng)。結(jié)