田祖?zhèn)?，楊恒?/p>

(1.湖南第一師范學(xué)院 信息科學(xué)與工程系，湖南長沙410205;2.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院，湖南長沙410073)

0 引言

藍(lán)牙技術(shù)具有抗干擾能力強(qiáng)、通信質(zhì)量穩(wěn)定、功耗低、成本低的優(yōu)點，能方便地集成到各種惡劣環(huán)境的設(shè)備中［1，2］，已被廣泛應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中［3，4］。

基于藍(lán)牙技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由傳感器件、數(shù)據(jù)處理單元和藍(lán)牙模塊組成的節(jié)點通過自組織方式組成的網(wǎng)絡(luò)，與其他無線傳感器網(wǎng)絡(luò)類似，具有節(jié)點密度高、節(jié)點的能量、計算能力和存儲能力受限、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇赡芙?jīng)常變化等特點。由于藍(lán)牙具有低成本、低功耗、抗干擾性能好、組網(wǎng)方便、安全性高等優(yōu)點，因此具有非常廣闊的應(yīng)用前景［5］。目前已有一些研究人員對基于藍(lán)牙技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)和組網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行了研究，并取得一些進(jìn)展，如，文獻(xiàn)［1］和文獻(xiàn)［6］提出了基于藍(lán)牙匹克網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，分別在傳感器節(jié)點與中繼點、中間件Sink節(jié)點與移動終端構(gòu)成藍(lán)牙匹克網(wǎng)，實現(xiàn)了無線傳感器和互聯(lián)網(wǎng)的連接;文獻(xiàn)［7］在基于藍(lán)牙匹克網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，引入一種基于信息觸發(fā)的星型連接網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌档土司W(wǎng)絡(luò)的整體功耗;此外，文獻(xiàn)［8，9］等討論了基于樹型散列網(wǎng)與藍(lán)牙匹克網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。這些已有的工作只對基于藍(lán)牙技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)和路由等技術(shù)進(jìn)行了初步的研究，研究表明:節(jié)點的加入或刪除都將較大地影響整個網(wǎng)絡(luò)的通信，網(wǎng)絡(luò)通信開銷大，網(wǎng)絡(luò)動態(tài)拓?fù)渥兓m應(yīng)性較差，魯棒性弱，易在藍(lán)牙根節(jié)點或橋節(jié)點產(chǎn)生瓶頸，只適用于小范圍的傳感器網(wǎng)絡(luò)。

為此，本文設(shè)計了一種新型的基于藍(lán)牙技術(shù)的傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過構(gòu)建拓?fù)錁?、分配角色等方式，設(shè)計了一種構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)的快速、高效的藍(lán)牙分散網(wǎng)絡(luò)建立算法。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了一種能量感知路由算法，該算法用能量感知路由方法來平衡各節(jié)點電源的消耗率，用定時喚醒和多工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)制來延長各節(jié)點的生存時間，仿真實驗表明:本文所設(shè)計的系統(tǒng)能有效地改善上述方案的不足。

1 基于藍(lán)牙技術(shù)的傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

1.1 分散網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)算法

基于藍(lán)牙技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)過程為:首先，建立藍(lán)牙分散網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，然后，傳感節(jié)點開始監(jiān)測數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)用于采集所有傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)，所有傳感器節(jié)點均須傳播其數(shù)據(jù)到網(wǎng)關(guān)，當(dāng)然，網(wǎng)關(guān)有充足的能量資源，有更強(qiáng)的處理數(shù)據(jù)或傳送數(shù)據(jù)的能力。組網(wǎng)算法具體分為3個階段:

1)鏈路建立算法

鏈路建立算法，由中心節(jié)點聚合一些節(jié)點組成局部網(wǎng)，并負(fù)責(zé)采集該局部網(wǎng)中所有節(jié)點的信息。為了達(dá)到這一目的，每個節(jié)點均需要維護(hù)一個用于記錄其所擁有節(jié)點信息的拓?fù)錁?，為發(fā)現(xiàn)并加入其他節(jié)點，每個節(jié)點均在詢呼(inquiry)與詢呼掃描(inquiry scan)2種狀態(tài)轉(zhuǎn)換，其鏈路建立算法描述為:如果節(jié)點是勝者(擁有更多節(jié)點或更大的藍(lán)牙設(shè)備地址)，則傳呼所有來自負(fù)者的新節(jié)點，并監(jiān)聽新節(jié)點是否有響應(yīng)，如果新節(jié)點有響應(yīng)，則將新節(jié)點移至勝者拓?fù)錁渲?，并保持?jié)點在詢呼和詢呼掃描兩狀態(tài)間轉(zhuǎn)換，直到時間滿足結(jié)束條件;否則，負(fù)者進(jìn)入掃描模式。

2)分配角色與建立局部網(wǎng)

本階段主要是調(diào)整拓?fù)錁?，分配角色以形成局部分散網(wǎng)絡(luò)。拓?fù)錁渲忻總€父節(jié)點作為主站，子節(jié)點作為從站。

步驟1:如果節(jié)點沒有子節(jié)點，則終止其運(yùn)行;

步驟2:如果節(jié)點所屬子節(jié)點數(shù)小于8，則該節(jié)點傳呼其所屬節(jié)點以形成一微網(wǎng)，對每個子節(jié)點轉(zhuǎn)至步驟1進(jìn)一步調(diào)整分配角色;

步驟3:如果節(jié)點所屬子節(jié)點數(shù)均大于等于8，選擇一個有較少子節(jié)點的非孤立節(jié)點，并根據(jù)其深度遞增順序搜尋所有的兄弟節(jié)點，若有一個節(jié)點響應(yīng)其傳呼，則將其子樹加入到該非孤立節(jié)點中，返回步驟1繼續(xù)傳呼。

由以上步驟就建立了一個藍(lán)牙局部網(wǎng)。

3)連接局部網(wǎng)

本階段連接以上形成的所有局部網(wǎng)。為了發(fā)現(xiàn)其他局部網(wǎng)，每個局部網(wǎng)中所有節(jié)點均在詢呼和詢呼掃描模式下交替工作，局部網(wǎng)中所有節(jié)點使用相同時間間隔作為根節(jié)點在詢呼和詢呼掃描模式下交替工作，以避免得到同一局部網(wǎng)上已存在信息。若有任一節(jié)點對此作出響應(yīng)，就發(fā)送一個包給根節(jié)點，而使同一局部網(wǎng)中其他節(jié)點停止在詢呼和詢呼掃描模式下交替工作，同時檢查響應(yīng)節(jié)點所屬階段。如果響應(yīng)節(jié)點處于階段1，則忽略該響應(yīng)，繼續(xù)保持在詢呼和詢呼掃描模式下交替工作。如果處于階段3，則連接其他節(jié)點形成一個局部網(wǎng)，該局部網(wǎng)中所有節(jié)點將試圖發(fā)現(xiàn)其他局部網(wǎng)。

經(jīng)歷階段3之后，網(wǎng)關(guān)節(jié)點擁有整個拓?fù)湫畔?，并開始做一次調(diào)整。將所有通信范圍內(nèi)節(jié)點作為其直接子節(jié)點(第1層)，并將這些子節(jié)點置為暫停模式，對每一個節(jié)點，被上層節(jié)點暫停后，其子節(jié)點也被置為暫停模式，傳感器這時開始工作。如此反復(fù)直至建立整個傳感器網(wǎng)絡(luò)。

1.2 能量感知路由算法

由于節(jié)點能量有限且補(bǔ)充困難，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的首要設(shè)計目標(biāo)是能量的高效利用。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的路由機(jī)制通常選擇源節(jié)點到目的節(jié)點的最小跳數(shù)單徑路由傳輸數(shù)據(jù)，但在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，頻繁使用同一條路徑傳輸數(shù)據(jù)容易導(dǎo)致該路徑上節(jié)點能耗過快而提前失效，從而整個網(wǎng)絡(luò)分割成互不連接的孤立網(wǎng)絡(luò)，造成網(wǎng)絡(luò)壽命縮短。Rahul C等人［9］提出了基于多路徑的能量感知路由算法。該算法在源節(jié)點和目的節(jié)點建立了多條路徑，根據(jù)路徑上節(jié)點通信能耗和剩余能量狀況給每條路徑賦予一定選擇概率，由于該概率與能量相關(guān)，可將通信能耗分散到多條路徑上，從而使得數(shù)據(jù)傳輸可以均衡消耗整個網(wǎng)絡(luò)的能量，最大限度延長網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。該多路徑能量感知路由協(xié)議包括3個階段:路由建立階段、數(shù)據(jù)通信或數(shù)據(jù)傳播階段和路由維護(hù)階段。每個節(jié)點都知道到達(dá)目的節(jié)點的所有下一跳節(jié)點，需要計算選擇每個下一跳節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)的概率，該概率與節(jié)點能量通信代價的倒數(shù)成正比。概率的計算是通過節(jié)點到目的節(jié)點的通信代價來估算的。為解決距離基站較遠(yuǎn)的傳感器節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)消耗的能量代價太高，導(dǎo)致節(jié)點很快死亡的問題。本文采用Rahul C等人［9］提出了基于多路徑的能量感知路由算法。

1.3 定時喚醒機(jī)制

傳感器節(jié)點的主要任務(wù)是根據(jù)具體應(yīng)用的需求監(jiān)測其周圍發(fā)生的事件，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，然后將其傳輸給主站。所以，節(jié)點的能耗主要由三部分構(gòu)成:數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理。相對數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理，一個節(jié)點在數(shù)據(jù)傳輸方面消耗的能量最多，數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芎陌〝?shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收2個方面。通過在實際系統(tǒng)中監(jiān)測無線傳感器節(jié)點的工作狀態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)節(jié)點在大部分時間內(nèi)處于“空閑”狀態(tài)，每個傳感器節(jié)點的通信信息都很少。因此，提出一種用定時喚醒機(jī)制來降低節(jié)點的能量損耗，每個傳感器節(jié)點都支持多種工作模式，包括“運(yùn)行”、“空閑偵聽”和“睡眠”3種狀態(tài)。采用信息觸發(fā)的機(jī)制，當(dāng)傳感器節(jié)點監(jiān)測的環(huán)境發(fā)生變化時，通過定時中斷喚醒相應(yīng)的節(jié)點進(jìn)入“運(yùn)行”狀態(tài)，與主站通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在其他時間傳感器節(jié)點處理于“空閑偵聽”或“睡眠”狀態(tài)。實驗表明:采用這種定時喚醒、多工作狀態(tài)輪轉(zhuǎn)的技術(shù)可降低無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能量損耗。

2 仿真實驗

基于藍(lán)牙Spec1.1規(guī)范在NS—2網(wǎng)絡(luò)仿真器和IBM開放源代碼的藍(lán)牙擴(kuò)展模塊仿真器BlueHoc上進(jìn)行仿真實驗，本文仿真器對藍(lán)牙跳頻物理層和詢呼程序進(jìn)行了仿真。每個藍(lán)牙設(shè)備使用詢呼和傳呼程序采集信息和進(jìn)行連接。同時在詢呼和傳呼過程中使用查詢訪問碼(inquiry access code，IAC)和跳頻同步(frequency hopping synchronization，F(xiàn)HS)包。設(shè)定階段1(信息采集與聚合)和階段3(連接局部網(wǎng))的超時限制均為3.5 s，用仿真器估計了網(wǎng)絡(luò)擁有30，90個節(jié)點時建立藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)所花時間，如圖1所示。從圖1可以發(fā)現(xiàn)，在不限定節(jié)點數(shù)或不限定區(qū)域大小時，本方案可在10 s內(nèi)有效組建一個藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)。

圖1 藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建時間Fig 1 Time of constructing Bluetooth network

假定每個節(jié)點以規(guī)則的時間間隔(實驗中取300 s)產(chǎn)生數(shù)據(jù)包，除網(wǎng)關(guān)節(jié)點擁有無限能量外，開始時所有節(jié)點有相同的能量?，F(xiàn)給定隨機(jī)分布在30 m×30 m的32個傳感器節(jié)點，每個節(jié)點有10 m的通信半徑。圖2給出了使用能量感知和未使用能量感知的路由選擇性能對比。從圖中可以看出:與使用能量感知的路由方法相比，采用未使用能量感知路由方法時，第一節(jié)點耗完其能量的時間要早得多，這將導(dǎo)致其無法采集傳感器數(shù)據(jù)并將其傳送至網(wǎng)關(guān)，同時也造成其下屬節(jié)點無法路由到網(wǎng)關(guān)。

圖2 能量感知路由性能Fig 2 Performance of power-aware routing

方案中采用定時喚醒、多工作狀態(tài)輪轉(zhuǎn)的技術(shù)的目的是為了減少主結(jié)點能量消耗，仿真實驗中通過分析用于發(fā)送和接收包的主時槽數(shù)來驗證其性能，如圖3所示。結(jié)果表明:當(dāng)包速率較低時，采用這種機(jī)制有助節(jié)省傳感器網(wǎng)絡(luò)中主站能量。

圖3 定時喚醒機(jī)制性能Fig 3 Performance of timing wake-up mechanism

3 結(jié)束語

本文針對已有的基于藍(lán)牙技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)通信方面所存在的問題，設(shè)計了一種新型的基于藍(lán)牙技術(shù)的傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，其關(guān)鍵技術(shù)包括:1)設(shè)計了一種快速、高效的分散網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)算法;2)改進(jìn)了基于藍(lán)牙技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)協(xié)議棧，在網(wǎng)絡(luò)層中引入一種能量感知路由策略來平衡各節(jié)點能量消耗速率，然后在鏈路管理層，引入定時喚醒和多工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)制來延長節(jié)點生命周期。仿真實驗結(jié)果表明該方案是可行的，能快速有效地組建一個藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)，并有效均衡各節(jié)點能耗和延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

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