摘要 無線傳感器網(wǎng)絡通常采用電池供電，放置在沒有基礎結構的地方，節(jié)點的通信能力十分有限。這就要求傳感器節(jié)點具有自組織的能力，自動形成轉發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)的多跳無線網(wǎng)絡。本文提出一種簡單、易實現(xiàn)的自組織協(xié)議，選用MSP430F149單片機設計微型傳感器節(jié)點，并實現(xiàn)了一種低功耗無線網(wǎng)絡。

關鍵詞 無線傳感器網(wǎng)絡 自組織協(xié)議 低功耗

引言

　　無線傳感器網(wǎng)絡具有非常廣闊的應用前景[1]。文獻[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)點以廣播的形式發(fā)送消息，接收到消息的節(jié)點再以廣播形式轉發(fā)數(shù)據(jù)包給所有的鄰節(jié)點，這個過程重復執(zhí)行，直到數(shù)據(jù)包到達目的地或者達到預先設定的最大跳數(shù)。文獻[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)絡設計的低功耗自適應聚類路由算法，主要通過隨機選擇聚類首領、平均分攤中繼通信業(yè)務來實現(xiàn)。文獻[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)點廣播采集數(shù)據(jù)的描述信息元數(shù)據(jù)，當有相應的請求時，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)絡的自組織算法上取得進展，但是，F(xiàn)looding存在消息“內爆”和“重疊”的缺陷；LEACH的動態(tài)分簇帶來了拓撲變換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，且其拓撲變化是局部性的，因此不適用于需要高可靠性的應用。還有很多其他相關算法停留在理論研究階段。

　　針對這種研究現(xiàn)狀，本文提出一種簡單易實現(xiàn)的自組織協(xié)議，選用MSP430F149單片機設計了微型傳感器節(jié)點，并實現(xiàn)了一種低功耗無線網(wǎng)絡。

1? 自組織協(xié)議

　　在協(xié)議中，通過定義數(shù)據(jù)包的格式和關鍵字來實現(xiàn)節(jié)點的自組織。

1.1? 協(xié)議格式

　　自組織協(xié)議格式如下：

　　其中，Pre表示前導碼，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0x55和0xAA等非常有規(guī)律的信號；Key表示關鍵字，用來區(qū)分各種情況下的數(shù)據(jù)，接收節(jié)點會根據(jù)這些關鍵字分別進入不同的數(shù)據(jù)處理單元；From表示源地址，是發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點自身信息；Final表示數(shù)據(jù)的目標地址；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)包的結束標志位。

　　根據(jù)協(xié)議格式中的Key，可以將節(jié)點通信時捎帶的數(shù)據(jù)包分為自組網(wǎng)信息、環(huán)境突變信息、上位機的控制命令、廣播信息等。節(jié)點在發(fā)送狀態(tài)突變時的數(shù)據(jù)包格式如下：

　　其中，0x55和0xAA為數(shù)據(jù)前導碼，0xFF為傳感器節(jié)點在感測到其狀態(tài)突變時向外發(fā)送數(shù)據(jù)的關鍵字，0x11表示發(fā)送節(jié)點的地址，0x00為數(shù)據(jù)包要到達的目標地址，0x01表示數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡傳輸中的跳數(shù)，接著的0x01表示節(jié)點在當前網(wǎng)絡中的級別，0x15表示節(jié)點當時采集的溫度，0x20表示節(jié)點當時采集的電源電壓值，0x03表示節(jié)點的狀態(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)包的結束標志。

　　接收節(jié)點需要向發(fā)送節(jié)點做出應答，應答狀態(tài)突變時的數(shù)據(jù)包格式如下：

　　其中，0xFF就表示應答狀態(tài)突變的關鍵字，后面分別是發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點的地址。

1.2? 自組網(wǎng)過程

　　網(wǎng)絡包含一個與上位機相連接的基站節(jié)點和若干傳感器節(jié)點。基站節(jié)點上電初始化后就進入低功耗模式。傳感器節(jié)點隨機布放，上電初始化后，傳感器節(jié)點首先會向基站節(jié)點發(fā)出請求分配級別的命令，然后進入低功耗狀態(tài)并打開定時器。若在設定時間內收到基站節(jié)點分配的級別，該傳感器節(jié)點就會向基站節(jié)點發(fā)送自組織信息的數(shù)據(jù)包。如果在設定時間內沒有收到基站節(jié)點分配的級別，該節(jié)點會從低功耗狀態(tài)喚醒，再次發(fā)送請求分配級別的命令，如此循環(huán)。當傳感器節(jié)點發(fā)出請求基站分配級別的命令達到設定上限后，但仍然沒有確定自己在網(wǎng)絡中的級別時，該節(jié)點就會向全網(wǎng)發(fā)出廣播命令，然后進入低功耗狀態(tài)并打開定時器。定時時間到，節(jié)點重新回到發(fā)射廣播命令狀態(tài)。當傳感器節(jié)點發(fā)射廣播的次數(shù)達到設定值時，該節(jié)點就會將接收到的應答信息進行整理，確定自己在網(wǎng)絡中的級別，并確定上級、同級和下級節(jié)點的相關信息。該節(jié)點再向上級節(jié)點發(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，從而確定整個網(wǎng)絡的拓撲結構。節(jié)點的自組織流程如圖1所示。

圖1? 節(jié)點的自組織流程

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單片機作為處理器，研制了一種微型傳感器節(jié)點[5]。

2.1? 總體方案

　　系統(tǒng)由基站節(jié)點和傳感器節(jié)點組成。節(jié)點硬件選擇了支持低功耗工作模式的MSP430F149單片機和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。在設計節(jié)點的過程中，撥碼開關、蜂鳴器、LCD指示燈的設計極大方便了實驗的調試。

2.2? 節(jié)點設計

　　圖2為傳感器節(jié)點的框圖，該節(jié)點使用電池供電，體積小巧，只有打火機般大小。

圖2? 傳感器節(jié)點框圖

　　MSP430系列單片機是TI公司生產(chǎn)的一種混合信號控制器，其突出優(yōu)點是低電源電壓、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)、科學和醫(yī)學)頻道，頻道之間的轉換時間小于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；內建空閑模式與關機模式，易于實現(xiàn)節(jié)能。nRF905適用于無線數(shù)據(jù)通信、無線開鎖等諸多領域。

　　天線的設計是整個系統(tǒng)設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)絡性能的好壞與天線的設計都有密切關系。天線部分的設計采用整體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，機構上也更穩(wěn)固可靠。

　　因為本文主要研究無線傳感器網(wǎng)絡的自組網(wǎng)和低功耗技術，所以只選擇了MSP430系列單片機的內部集成熱敏二極管來測量節(jié)點的工作溫度，但預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。

2.3? 系統(tǒng)功耗

　　傳感器節(jié)點采用電池供電，功耗的高低直接影響整個網(wǎng)絡的生命期。系統(tǒng)的功耗不僅與選擇的元器件有關，還與整個網(wǎng)絡的控制策略有關。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]。實際應用中，可以根據(jù)網(wǎng)絡的反應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)的設計是一種綜合硬件和軟件為一體的技術，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行；而當整個系統(tǒng)處理完事件就進入低功耗模式，等待外部事件的喚醒。

　　系統(tǒng)軟件包括基站節(jié)點軟件、傳感器節(jié)點軟件和上位機處理軟件。

3.1? 基站節(jié)點軟件

　　基站節(jié)點的主程序比較簡單，初始化后就進入低功耗模式，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)點的串口中斷流程。

圖3? 基站節(jié)點串口中斷流程

　　為了防止串口通信過程中丟失數(shù)據(jù)，軟件設計上加了握手協(xié)議。當基站節(jié)點每發(fā)送一個數(shù)據(jù)包給上位機時，上位機都會向基站節(jié)點發(fā)送應答信號，直到數(shù)據(jù)包發(fā)送給上位機。接收到數(shù)據(jù)包后，節(jié)點會從低功耗模式中喚醒,根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)中標志位的不同字符分別進入不同的處理單元。

　　當多個傳感器節(jié)點同時與某個傳感器節(jié)點通信時，存在掙搶信道的現(xiàn)象。為了避免多個傳感器節(jié)點同時與某個傳感器節(jié)點通信造成數(shù)據(jù)丟失，軟件上采用一定的退避機制。一方面，利用射頻芯片nRF905的CD（載波偵聽）信號來產(chǎn)生隨機延時，以避免同時發(fā)送信號；另一方面，當一個傳感器節(jié)點與某個傳感器節(jié)點建立了通信通道時，其他發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點會增加發(fā)射數(shù)據(jù)的次數(shù)。

3.2? 傳感器節(jié)點軟件

　　傳感器節(jié)點初始化后，首先發(fā)送請求基站節(jié)點分配級別的命令，同時打開一個定時喚醒的定時器；然后進入低功耗模式，等待外部事件的喚醒。若傳感器發(fā)送請求基站節(jié)點分配級別的次數(shù)達到設定上限，仍未確定節(jié)點在網(wǎng)絡中的級別，則該節(jié)點就會向周圍傳感器節(jié)點廣播信息。當廣播次數(shù)達到設定值時，傳感器節(jié)點就根據(jù)收到的信息確定自己的級別以及與該節(jié)點有直接聯(lián)系的節(jié)點的信息，并把這些信息發(fā)送給基站節(jié)點。傳感器節(jié)點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。

　　當傳感器節(jié)點檢測到狀態(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基站節(jié)點并在上位機軟件上顯示。

3.3? 上位機處理軟件

　　為了監(jiān)測整個網(wǎng)絡情況，需要在主機上建立良好的人機交互界面。采用Visual Basic(VB)來設計人機界面。利用VB的MSComm控件實現(xiàn)上、下位機的串口通信，利用其他控件實現(xiàn)對無線傳感器網(wǎng)絡的分析、顯示和操作。

　　上位機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? 上位機的串口中斷流程

　　上位機接收到完整的數(shù)據(jù)包后，會根據(jù)數(shù)據(jù)包中的關鍵字進行不同的處理。發(fā)送數(shù)據(jù)時，根據(jù)保存的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)計算中轉數(shù)據(jù)的路徑。為節(jié)約基站節(jié)點的能量，網(wǎng)絡中有很多的數(shù)據(jù)處理是在上位機中進行的。

4? 實驗結果

　　系統(tǒng)研制完成后，需要設計實驗來考核自組網(wǎng)效果及網(wǎng)絡性能。實驗中，首先關注的問題是隨機分布的傳感器節(jié)點在自定義的組織協(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)點通過串口與上位機相連并打開上位機處理軟件；然后打開傳感器節(jié)點的電源，并通過人工安放或者隨機撒播方式布置好傳感器節(jié)點。

　　借助上位機的處理軟件，可以非常清楚地看到整個網(wǎng)絡的拓撲結構和網(wǎng)絡節(jié)點的環(huán)境參數(shù)。當上位機處理軟件檢測到網(wǎng)絡內的傳感器節(jié)點后，會在上位機上進行顯示并保存?zhèn)鞲衅鞴?jié)點的數(shù)據(jù)。圖5為系統(tǒng)演示的11個傳感器節(jié)點自由組網(wǎng)時界面的顯示情況。組網(wǎng)時間約3 min。

　　圖5中的黑色曲線為數(shù)據(jù)的傳輸路徑。當鼠標點擊某個節(jié)點，會彈出該節(jié)點的信息采集卡。信息采集卡反映了節(jié)點的狀態(tài)量、溫度值、電壓值以及剩余能量，通過采集卡可直接對該節(jié)點進行遠程控制。

圖5? 網(wǎng)絡拓撲及數(shù)據(jù)傳輸路線圖

　　在檢測網(wǎng)絡性能的實驗中，讓傳感器節(jié)點一級一級分布下去。通過上位機軟件可以很清楚地看到所投放的傳感器節(jié)點可組成的最大跳數(shù)的網(wǎng)絡拓撲結構。當網(wǎng)絡組成后，可通過上位機界面對網(wǎng)內各個節(jié)點進行遠程控制；當各個節(jié)點發(fā)生狀態(tài)突變時，會以中斷形式喚醒節(jié)點，以能量優(yōu)先的原則逐級傳送到基站節(jié)點，并在上位機界面上進行相應顯示。

　　當新的傳感器節(jié)點加入到網(wǎng)絡中，系統(tǒng)會及時反映新加入節(jié)點。當系統(tǒng)檢測到傳感器節(jié)點由于電源電壓低于工作電壓，或人為破壞引起失效時，會從網(wǎng)絡中刪除該節(jié)點的拓撲結構及相關信息，檢測方法有手動刷新和定時采樣兩種。網(wǎng)絡內傳送的數(shù)據(jù)都保存在網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫中，便于查尋。通過上位機軟件還能夠對網(wǎng)絡進行復位，讓所有傳感器節(jié)點進行重新組網(wǎng)。

結語

　　本文首先提出了一種無線傳感器網(wǎng)絡的自組織協(xié)議，然后選用MSP430F149和nRF905設計了微型傳感器節(jié)點，并實現(xiàn)了一種低功耗無線網(wǎng)絡，其特點如下：

　?、? 利用無線通信攜帶的信息自動生成多級網(wǎng)狀網(wǎng)絡，并按能量優(yōu)先的原則自動生成數(shù)據(jù)的傳輸路徑。
　?、? 采取應答和退避機制，防止多個傳感器節(jié)點向一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時所導致的數(shù)據(jù)丟失。
　?、? 無線通信的雙向性，不僅被動顯示各個傳感器節(jié)點的信息，還可主動對每個傳感器節(jié)點進行遠程控制。
　?、? 使用支持低功耗工作模式的硬件，配合軟件上的智能控制策略來實現(xiàn)系統(tǒng)低功耗，盡可能延長網(wǎng)絡壽命。

　　編者注： 本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

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（收修改稿日期：2007-04-18）