支高飛 王蒙嘉 李國星

中國飛行試驗(yàn)研究院, 陜西 西安 710089

無線傳感器系統(tǒng)的應(yīng)用研究

支高飛 王蒙嘉 李國星

中國飛行試驗(yàn)研究院, 陜西 西安 710089

本論文是關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的應(yīng)用性研究，其中硬件平臺(tái)選用了tmotesky低功耗節(jié)點(diǎn)，而軟件協(xié)議采用了Tinyos操作系統(tǒng)。首先將此系統(tǒng)布置在兩個(gè)不同的環(huán)境中，其次對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)的通信距離和數(shù)據(jù)丟失率等性能進(jìn)行對(duì)比，最后對(duì)上述問題從環(huán)境因素和路由協(xié)議兩方面分別做出解釋分析。通過此次實(shí)驗(yàn)，希望能對(duì)類似系統(tǒng)的應(yīng)用起到借鑒作用。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò);應(yīng)用性研究;路由協(xié)議;環(huán)境因素

引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種全新的信息獲取和處理技術(shù)，該系統(tǒng)由檢測區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，適合在布線和電源供給困難、人員難以到達(dá)或危險(xiǎn)的區(qū)域環(huán)境。因此，對(duì)該系統(tǒng)的應(yīng)用性研究有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

此次實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，我們分別選取防空坑道和地下煤礦坑道這兩種背景環(huán)境差異較大的試驗(yàn)現(xiàn)場，系統(tǒng)硬件采用moteiv公司的tmotesky系列低功耗節(jié)點(diǎn)，而軟件協(xié)議采用tinyos操作系統(tǒng)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況，對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)的通信距離和數(shù)據(jù)接收情況等相關(guān)性能進(jìn)行分析和對(duì)比，以此進(jìn)一步分析影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)目陀^環(huán)境因素和tinyos操作系統(tǒng)的路由協(xié)議機(jī)制，為今后類似系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用起到借鑒作用。

1 tmotesky節(jié)點(diǎn)和Tinyos操作系統(tǒng)介紹

1.1 tmotesky節(jié)點(diǎn)介紹

tmotesky節(jié)點(diǎn)是第四代超低功耗的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模塊，廣泛應(yīng)用于傳感器網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)測應(yīng)用。其具有如下典型特點(diǎn)：

1）數(shù)據(jù)傳輸性能：通信模塊中，采用了chipcon公司支持IEEE 802.15.4協(xié)議的CC2420無線收發(fā)器，可確保短距離通信的有效性和可靠性，支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá)250kbps。

2）處理器：采用了TI公司的MSP430F1611處理器。超低功耗體現(xiàn)以下兩方面：一是極低的工作電壓，在1.8V～3.6V之間均可以正常工作；二是極低的功耗，在活動(dòng)模式時(shí)，工作電流僅為280uA，在休眠模式下，只需要1.6uA。

3）節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖和實(shí)物圖形

圖1.1為tmotesky節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)圖，節(jié)點(diǎn)由處理器、射頻芯片、外部FLASH、USB橋接芯片和其他外圍設(shè)備組成。圖1.2為tmotesky節(jié)點(diǎn)的實(shí)物圖形。

1.2 TinyOS操作系統(tǒng)

TinyOS操作系統(tǒng)是由美國伯克利大學(xué)開發(fā)的，專用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的嵌入式操作系統(tǒng)。其采用模塊化設(shè)計(jì)，內(nèi)核代碼非常小，能夠有效地運(yùn)行在傳感器網(wǎng)絡(luò)上并執(zhí)行相應(yīng)的操作。

1）TinyOS的體系結(jié)構(gòu)：

操作系統(tǒng)可分為硬件抽象組件、綜合硬件組件和高層軟件組件。組件層次結(jié)構(gòu)如同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，底層組件負(fù)責(zé)接收和發(fā)送最原始的數(shù)據(jù)位，而高層的組件對(duì)這些位數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼、解碼，更高層的組件負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)打包、路由和傳輸數(shù)據(jù)。其體系結(jié)構(gòu)如圖1.3所示。

圖1.3 TinyOS操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖

2）TinyOS的路由機(jī)制

其路由協(xié)議負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn)，這包括兩方面的功能：尋找源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化路徑，將數(shù)據(jù)分組沿著優(yōu)化路徑轉(zhuǎn)發(fā)。系統(tǒng)采用LEPS (Link Estimation and Parent Selection)多跳路由協(xié)議。該協(xié)議通過鄰居節(jié)點(diǎn)間交換控制信息，以節(jié)點(diǎn)間通信跳數(shù)作為主要標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)考慮鏈路質(zhì)量的因素，建立起網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)到sink節(jié)點(diǎn)的最短通信路徑，依此來建立一個(gè)樹型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，各個(gè)節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)，適合于數(shù)據(jù)采集應(yīng)用。

2 試驗(yàn)安排

實(shí)驗(yàn)場合分別在人防坑道和地下煤礦坑道下進(jìn)行，測試無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的組網(wǎng)情況，記錄其性能參數(shù)。以下為具體的分類試驗(yàn)步驟和內(nèi)容：

2.1 人防坑道試驗(yàn)

1）環(huán)境說明：防空坑道內(nèi)，其環(huán)境為高3米，寬1.5米，四周墻壁光滑。圖2.1為現(xiàn)場圖形。

圖2.1現(xiàn)場圖片

2）節(jié)點(diǎn)間通信距離測試：

將4號(hào)節(jié)點(diǎn)作為匯聚節(jié)點(diǎn)，連接至筆記本電腦的USB口。運(yùn)行Trawler軟件，在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D界面上會(huì)顯示出4號(hào)節(jié)點(diǎn)和3號(hào)節(jié)點(diǎn)的圖標(biāo)，表示兩者之間建立了連接關(guān)系，如圖2.2所示：

圖2.2 節(jié)點(diǎn)連接關(guān)系圖

固定4號(hào)節(jié)點(diǎn)，然后移動(dòng)3號(hào)節(jié)點(diǎn)，測得兩者之間穩(wěn)定的傳輸距離為45m。

3）網(wǎng)絡(luò)鏈接測試：

此試驗(yàn)共使用5個(gè)節(jié)點(diǎn)，其節(jié)點(diǎn)間隔距離均在40m左右。系統(tǒng)布置示方案如圖2.3所示：

圖2.3系統(tǒng)布置圖

運(yùn)行Trawler軟件，網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)變化拓?fù)鋱D如圖2.4所示。

圖2.4 網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)變化拓?fù)鋱D

通過圖2.4可以看到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化。在整個(gè)變化過程中，2號(hào)和5號(hào)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)了與整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的鏈接失敗的情況。除此之外，各節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)也出現(xiàn)了交替變化（例如：2號(hào)節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)從開始的5號(hào)節(jié)點(diǎn)變至最后的1號(hào)節(jié)點(diǎn)）。

4）試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表2.1節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)情況，2號(hào)和5號(hào)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)丟失率最大，其他節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)接收穩(wěn)定。

2.2 礦井開采實(shí)驗(yàn)情況

1）環(huán)境說明：礦井開采面現(xiàn)場和節(jié)點(diǎn)布置效果如圖2.5所示：

圖2.5系統(tǒng)布置圖

2）節(jié)點(diǎn)間通信距離測試：

將2號(hào)作為匯聚節(jié)點(diǎn)。采用上述類似方法，測得3號(hào)節(jié)點(diǎn)與其可靠通信距離為7m。

3）網(wǎng)絡(luò)鏈接測試：

由于1、5號(hào)節(jié)點(diǎn)發(fā)生損壞，此次試驗(yàn)只用了其余三個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)鏈接測試。其中2、3、4號(hào)節(jié)點(diǎn)基本成直線排列，間隔約為7米，布置示意圖如圖2.5所示。

實(shí)驗(yàn)過程中，有限的改變子節(jié)點(diǎn)的所處位置，觀察網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)鏈接情況。

3號(hào)節(jié)點(diǎn)保持不變，上下移動(dòng)移動(dòng)4號(hào)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)拓?fù)鋱D如下圖2.6所示（紅色節(jié)點(diǎn)4位于左上角，紅色節(jié)點(diǎn)3處于左中部，匯聚節(jié)點(diǎn)2和筆記本相連）：

圖2.6網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)變化拓?fù)鋱D

由圖中看出，當(dāng)子節(jié)點(diǎn)4位置發(fā)生移動(dòng)之后，其父節(jié)點(diǎn)由先前3號(hào)變?yōu)?號(hào)。

采用同樣方法，移動(dòng)3號(hào)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)變化如下圖2.7所示（各節(jié)點(diǎn)位置和上圖一致）：

圖2.7網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)變化拓?fù)鋱D

4）試驗(yàn)結(jié)果：

表2.2為移動(dòng)4號(hào)節(jié)點(diǎn)位置時(shí)各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)丟失情況：

表2.2節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

表2.3為移動(dòng)3號(hào)節(jié)點(diǎn)位置時(shí)各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)丟失情況：

表2.3節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與問題分析

3.1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：

通過在不同環(huán)境下的應(yīng)用比對(duì)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)有以下幾方面突出問題：

一）無線網(wǎng)絡(luò)的通信距離大為縮短。如：在防空洞中的穩(wěn)定傳輸距離45米變?yōu)槊旱V坑道中的7米。

二）在某些時(shí)候，子節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)生變化。例如：人防坑道中，5號(hào)節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)從起始的1號(hào)→4號(hào)→丟失→1號(hào)。

三）出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)鏈接失敗和父節(jié)點(diǎn)更替的情況，數(shù)據(jù)丟失率較大。

3.2 問題分析：

針對(duì)上述實(shí)驗(yàn)過程中的問題現(xiàn)象，經(jīng)分析討論可將原因分為兩類：一個(gè)是環(huán)境因素導(dǎo)致通信距離縮短，而另一個(gè)是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議會(huì)引起數(shù)據(jù)丟失等問題。

一）環(huán)境因素分析：與人防坑道相比，在礦井開采面現(xiàn)場有以下特殊之處：

（1）開采面現(xiàn)場四壁粗糙，凹凸不平，引起信號(hào)的散射，這部分信號(hào)中很大一部分能量被散射掉。

（2）在每次反射時(shí)，都相應(yīng)存在透射情況。這部分能量就永久性的消失，消耗了信號(hào)的能量。

二）網(wǎng)絡(luò)協(xié)議因素分析：

（1）LEPS路由原理采用跳數(shù)作為首要的父節(jié)點(diǎn)選擇標(biāo)準(zhǔn)，即使到父節(jié)點(diǎn)的鏈路質(zhì)量不好，但由于跳數(shù)小，節(jié)點(diǎn)仍然會(huì)選擇該節(jié)點(diǎn)作為父節(jié)點(diǎn)。（例如：在防空坑道中，5號(hào)的父節(jié)點(diǎn)從1號(hào)變?yōu)?號(hào)的匯聚節(jié)點(diǎn)。而此時(shí)5號(hào)與4號(hào)之間的空間距離遠(yuǎn)超出了穩(wěn)定傳輸距離）

（2）在跳數(shù)相同時(shí)，子節(jié)點(diǎn)經(jīng)常會(huì)在幾個(gè)鏈路質(zhì)量比較接近的父節(jié)點(diǎn)之間搖擺，造成拓?fù)涞牟环€(wěn)定，出現(xiàn)了數(shù)據(jù)丟失的情況（例如：在煤礦坑道中，移動(dòng)4號(hào)節(jié)點(diǎn)位置發(fā)生父節(jié)點(diǎn)的變化，同時(shí)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的情況）。

4 結(jié)束語

本論文關(guān)于WSN數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用性研究。實(shí)驗(yàn)背景選取了兩種截然不同的應(yīng)用場合，對(duì)比分析無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)性能。針對(duì)實(shí)驗(yàn)當(dāng)中所存在的突出問題，我們分別從環(huán)境因素和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議做出解釋說明。

從總體上講，該實(shí)驗(yàn)存在以下不足：一、節(jié)點(diǎn)數(shù)量偏少，觀測時(shí)間較短；二、仍需對(duì)LEPS網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行深入研究，解決系統(tǒng)應(yīng)用過程中出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)鏈路質(zhì)量和跳數(shù)之間的矛盾。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.09.062