南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 孫 玥 魏 欣

基于CC2510的無線自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 孫 玥 魏 欣

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)?？紤]到體積和節(jié)能等因素，對于很多應(yīng)用場合來說，傳感器的發(fā)射功率不可能很大。為了保證傳感器節(jié)點間協(xié)作，提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，改善網(wǎng)絡(luò)的性能；采用了CC2510芯片來構(gòu)建無線自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)的方法，實驗結(jié)果表明，自組織網(wǎng)絡(luò)具有無中心、自組織、多跳路由、動態(tài)拓撲等區(qū)別于普通網(wǎng)絡(luò)的特性，提高了網(wǎng)絡(luò)的整體效用。

CC2510；自組織網(wǎng)絡(luò)；路由協(xié)議；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

1.引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由無數(shù)個隨機分布的節(jié)點構(gòu)成，每個節(jié)點均集成有傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和通信模塊[1]。各個節(jié)點又通過自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，通過內(nèi)置的多樣化的傳感器測量所在周邊環(huán)境中的熱、紅外、聲、電磁波等信號，從而探測包括溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力等相關(guān)信息。隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和深化，其應(yīng)用范圍也越來越廣，適用于軍事、環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)控制、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療護理、建筑物監(jiān)控等領(lǐng)域。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點，要求其節(jié)點具有集成度高、低能耗和廉價等特點[2]。因此選擇一款合適的專用芯片，來構(gòu)建無線傳感器節(jié)點至關(guān)重要。本文討論了采用TI公司出品的CC2510芯片來組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和通信協(xié)議的研究。

2.CC2510芯片功能與結(jié)構(gòu)

TI公司推出的CC2510芯片是一種低成本的無線片上系統(tǒng)(SoC)，專為低功耗無線應(yīng)用而設(shè)計的。在CC2510芯片中主要集成了一個標準的增強型8051MCU，同時還包括了一個無線收發(fā)模塊CC2500芯片。整個芯片的尺寸只有6′6mm，尤其適合于對器件大小有限制的場合。

8051MCU自帶了32KB Flash和4KB RAM，還包含了8～14位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、定時器、AES128協(xié)處理器、看門狗定時器、32KHz晶振的休眠模式定時器、上電復(fù)位電路、掉電檢測電路以及21個可編程I/O引腳。CC2510收發(fā)模塊則工作在2.4GHz免費頻段上。

CC2510芯片的最大特點在于其低功耗的特性，CC2510采用了4種低功耗工作模式，并且可以通過外部中斷和計時器從休眠狀態(tài)快速喚醒，處于低功耗工作狀態(tài)時電路消耗在0.3-0.5uA[3，4，5]。

由此可見該芯片既能進行常規(guī)無線通訊同時還能對數(shù)據(jù)進行處理，自帶的ADC為采集和利用外接傳感器數(shù)據(jù)提供了極大的便利。低功耗、低成本和小尺寸等一系列特點決定了該款芯片在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中有極大的應(yīng)用前景。

3.節(jié)點設(shè)計與網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量的小尺寸、低成本、低功耗傳感器節(jié)點構(gòu)成。一個最簡節(jié)點的基本構(gòu)成包括了傳感單元(傳感器和數(shù)/模轉(zhuǎn)換)，處理單元(處理器和存儲器)，通信單元(無線收發(fā)模塊)以及電源單元(電池或直流電源)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示[6]：

相對于傳統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有以下一些特點[1]：

（1）要求較高的散布密度，保證數(shù)據(jù)采集的全面和完善。

（2）采用電池供電，有些場合不便于經(jīng)常更換電池，因此要求無線傳感器節(jié)點盡量做到低能耗，采用電池即能維持較長的工作周期。

（3）較強的容錯能力，保證了傳感器節(jié)點可以大范圍散布，并能工作在相對惡劣的環(huán)境中。

顯然，要滿足這些要求苛刻的要求，采用TI公司的CC2510芯片來組建無線節(jié)點無疑是不二的選擇。

3.1 無線傳感器節(jié)點的設(shè)計

圖1 無線傳感器節(jié)點的基本構(gòu)成

表1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由表

表2 廣播數(shù)據(jù)包格式

表3 發(fā)送廣播數(shù)據(jù)包

表4 回應(yīng)數(shù)據(jù)包格式

表5 數(shù)據(jù)包格式

表6 數(shù)據(jù)包格式實例

表7 數(shù)據(jù)包格式1

表8 數(shù)據(jù)包格式2

表9 數(shù)據(jù)包格式3

圖2 基于CC2510的無線傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)

圖3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)上文提到的無線傳感器節(jié)點的基本構(gòu)成可以看出，采用傳統(tǒng)設(shè)計，除去獨立的傳感器至少要采用兩片芯片，其中一片負責數(shù)據(jù)的采集和處理，另一片則負責無線通信。由于CC2510芯片將2.4GHz的無線接收機與工業(yè)級高性能8051單片集成到了一起，同時還自帶了ADC，因此采用一片CC2510芯片即能勝任數(shù)據(jù)處理和無線通信兩大主要功能。其節(jié)點構(gòu)成如圖2所示，可見其結(jié)構(gòu)相對圖1而言大大簡化[7，8]。

3.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成通常包括了一個中心節(jié)點和若干個子節(jié)點構(gòu)成。子節(jié)點主要負責對傳感器的管理、數(shù)據(jù)采集和傳輸，同時還要負責將來自低一級子節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁咭患壸庸?jié)點或是中心節(jié)點。中心節(jié)點的任務(wù)主要是對各級節(jié)點進行管理同時收集來自各級節(jié)點的檢測數(shù)據(jù)，并與PC機進行通信，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)交净蚴且蛱鼐W(wǎng)，對所測數(shù)據(jù)進行綜合處理。其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

4.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議

4.1 節(jié)點的自組織

首先，打開所有節(jié)點電源，保證其均處于交互狀態(tài)。然后，將它們隨機散布到待檢測區(qū)域，但要保證至少有一個節(jié)點在中心節(jié)點的通信范圍呢，同時任一個節(jié)點通信范圍內(nèi)至少有一個節(jié)點。每個節(jié)點通信范圍以及自組織形式如上圖3所示。

在完成節(jié)點的隨機散布之后，中心節(jié)點開始發(fā)送命令進行節(jié)點的自組織。首先，中心節(jié)點（0級0號節(jié)點）進行廣播，3號和5號節(jié)點收到廣播后回應(yīng)中心節(jié)點，將其自身節(jié)點定義為1級節(jié)點。根據(jù)3號和5號節(jié)點的回應(yīng)信號，中心節(jié)點更新其路由表。接著，3號和5號節(jié)點開始廣播，并根據(jù)回應(yīng)信號更新路由表。當2號和6號節(jié)點收到來自1級節(jié)點的廣播后，將自身定義為2級節(jié)點。依次類推，各節(jié)點定義自身級別，并完成路由表的更新。各節(jié)點路由表如表1所示。

在自組織網(wǎng)絡(luò)之前，數(shù)據(jù)包的路由表是空的。在進行自組織過程中，各節(jié)點只有通過廣播相互聯(lián)系，進行廣播時的數(shù)據(jù)包格式由表2所示。

發(fā)送廣播數(shù)據(jù)包時由于目標和最終地址不確定，因此采用“FFH”表示?！癋rom”表示進行廣播的地址，同時傳輸數(shù)據(jù)為空。當節(jié)點收到此廣播將更新“From”的數(shù)據(jù)。如表3所示。

當收到廣播數(shù)據(jù)后，回應(yīng)的數(shù)據(jù)包格式如表4所示

表中，“To”表示回應(yīng)的目標地址，“From”表示回應(yīng)的地址，“FFH”等待建立路由之后更新，“00H”依舊表示傳輸數(shù)據(jù)為空。根據(jù)接受到的路由表，收到回應(yīng)的節(jié)點將更新路由表。

在自組織過程中，有些節(jié)點可能會收到來自不同級別節(jié)點的廣播，這樣便會造成節(jié)點級別的不確定性。通常情況下，系統(tǒng)將會選擇最高級作為自身的級別，從而縮短信號傳輸?shù)拇螖?shù)。在傳輸信號時，如果各節(jié)點同時發(fā)送將有可能造成通信阻塞，因此通常會給每個節(jié)點定義一個延遲時間，保證通信的暢通。

4.2 數(shù)據(jù)包格式

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸過程中，均采用統(tǒng)一的格式。其數(shù)據(jù)包格式為面向字節(jié)的協(xié)議。如表5所示。

受到地址和數(shù)據(jù)屬性長度的限制，在整個網(wǎng)絡(luò)中包括中心節(jié)點最多只能有32個節(jié)點，每次最多可以傳輸15個字節(jié)的數(shù)據(jù)，最多經(jīng)過16次傳輸。因此在通訊協(xié)議的格式中，地址(包括“To”、“Final”、“From”)的格式為：高3位表示表示節(jié)點的級別，低5位表示節(jié)點的編號。數(shù)據(jù)屬性(“Atrribute”)的格式為：高4位表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇螖?shù)，低4位表示有效數(shù)據(jù)的長度。通過下面的例子可以明確包格式的含義，如表6所示。

從這個數(shù)據(jù)包里，我們可以看出：本數(shù)據(jù)包由1級4號節(jié)點發(fā)送2字節(jié)數(shù)據(jù)：F1H和F5H到中心節(jié)點(0級0號節(jié)點)。傳輸?shù)哪康牡刂窞?0H(即00000000，表示的是0級0號節(jié)點——中心節(jié)點)，最終地址也是00H，源地址為23H(即00100011，表示的是1級3號節(jié)點)。數(shù)據(jù)屬性是02H(即數(shù)據(jù)傳輸次數(shù)0次，有效數(shù)據(jù)長度為2個字節(jié))。其數(shù)據(jù)最終接受地址同樣也是中心節(jié)點，共發(fā)送了0次。最后一位為數(shù)據(jù)相加去符號，作為校驗和。如果在傳輸過程中超過16次，而仍未到達最終目的地，這數(shù)據(jù)包自動丟失。

4.3 數(shù)據(jù)傳輸過程

通常無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點收集到的傳感器信號都要送至中心節(jié)點處理，但并非每個節(jié)點都能與中心節(jié)點進行直接通信。只有1級節(jié)點才能與中心節(jié)點直接通信，其他級別節(jié)點則必須先與上一級節(jié)點通信，通過一級級的跳躍才能到達中心節(jié)點。例如1號節(jié)點如果需要與中心節(jié)點通信，首先要將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?級節(jié)點，然后是1級節(jié)點，最后才能到達中心節(jié)點，期間需要經(jīng)過3次傳輸。注意在各級別中都有2個節(jié)點，通常會依次選擇其中的一個進行通信，保持各節(jié)點電能的平衡延長整個網(wǎng)絡(luò)的工作周期。例如1號節(jié)點與2號節(jié)點進行通信時期數(shù)據(jù)包格式如表7所示。

當2號節(jié)點收到數(shù)據(jù)完成校驗之后，MCU發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的最終地址是中心節(jié)點。根據(jù)路由表，2號節(jié)點的上一級節(jié)點為1級3號和5號節(jié)點，MCU更新數(shù)據(jù)包的目標地址和傳輸次數(shù)，選擇5號節(jié)點進行數(shù)據(jù)傳輸，如表8所示。

當5號節(jié)點收到數(shù)據(jù)并完成校驗后，在對數(shù)據(jù)進行重新打包向中心節(jié)點發(fā)送，如表9所示。

最終數(shù)據(jù)通過2號和5號節(jié)點送達中心節(jié)點，同樣來自于中心節(jié)點的控制信號若要發(fā)送到每個子節(jié)點，也需要按照同樣的步驟進行。

5.結(jié)語

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是傳感器網(wǎng)絡(luò)的一次革命性的變革，隨著專用芯片的出現(xiàn)這種變革正在不斷的深化。TI公司的CC2510芯片，由于其高集成度、低功耗、低成本和小尺寸的特點，必將在自組織無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域中得到更為廣泛的應(yīng)用。

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孫玥（1982—），女，江蘇泰州人，碩士，講師，工程師，研究方向：光傳輸。

魏欣（1981—），男，江蘇揚州人，碩士，講師，工程師，研究方向：嵌入式系統(tǒng)。