張永剛 王 斌 胡 歡

（1.住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部IC卡應(yīng)用服務(wù)中心/中外建設(shè)信息有限責任公司，北京 100081；2.嘉興學院，浙江嘉興 523001）

0 引言

隨著集成電路、傳感器、無線通信以及微機電系統(tǒng)等技術(shù)的迅猛發(fā)展和日益成熟，智能建筑領(lǐng)域應(yīng)用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也越來越多，如建筑照明，安防監(jiān)控等[1～3]。通常每個房間都會有一個或多個節(jié)點，因而，智能建筑中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有以下特點：

節(jié)點位置相對固定；

節(jié)點數(shù)量龐大，密集度高。

所以，智能建筑的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲信息是已知的，并且拓撲結(jié)構(gòu)變化很少，目前的傳感器網(wǎng)絡(luò)大都，忽略了這一有用信息。通過能量強度動態(tài)的構(gòu)建自組織網(wǎng)絡(luò)，造成通訊協(xié)議復雜，穩(wěn)定性差等缺陷[4～6]。為此，本文設(shè)計了特殊地址編碼的智能建筑專用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

1 智能建筑拓撲模型

智能建筑的信息節(jié)點可以被簡化為一個“魔方”模型，魔方的每一格代表一個房間。如圖1所示。

圖中，Z方向為垂直方向，代表層高；X方向與房間的走廊方向平行，代表房間的行數(shù)；Y代表房間的列數(shù)。 Z方向的單位為每層為1；X,Y方向的單位為房間個數(shù)，房間無論大小，單位均為1。因為無線信號通過墻壁的衰減，遠比房間尺寸變化的大小要大的多。因而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的魔方模型具有以下特點：

1.1 一個房間是一個立體的網(wǎng)狀網(wǎng)的信息拓撲單位；

1.2 每個房間至少有1個或多個信息節(jié)點。

智能建筑的“魔方”模型中的網(wǎng)絡(luò)拓撲信息，是用網(wǎng)絡(luò)地址來表達的。網(wǎng)絡(luò)地址是在網(wǎng)絡(luò)通訊時網(wǎng)絡(luò)層上使用的地址，由于網(wǎng)絡(luò)地址是由軟件實現(xiàn)的，所以又可以稱為邏輯地址，并沒有一個相應(yīng)的硬件和其對應(yīng)，硬件地址的存在是為了在生產(chǎn)過程中區(qū)別單片機用的。而在實際使用過程中，用的都是網(wǎng)絡(luò)的地址。而在整個網(wǎng)絡(luò)初始化的時候，需要對網(wǎng)絡(luò)地址進行設(shè)定。而網(wǎng)絡(luò)地址的形式如下表所示

圖1 魔方模型

表1 網(wǎng)絡(luò)地址的規(guī)定

在網(wǎng)絡(luò)初始化的過程中，可以根據(jù)實際使用的需要，把帶有固定的硬件地址的單片機解析成網(wǎng)絡(luò)地址。

2 通訊協(xié)議設(shè)計

為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)在轉(zhuǎn)發(fā)過程中能夠?qū)崿F(xiàn)時分復用，需要在程序中實現(xiàn)中繼地址轉(zhuǎn)發(fā)時，只有一個節(jié)點進行轉(zhuǎn)發(fā)。其他節(jié)點不發(fā)送任何的數(shù)據(jù)，為了使數(shù)據(jù)能夠最快的到達目的地址，需要使轉(zhuǎn)發(fā)的次數(shù)達到最少，從而引入了最短路徑的算法。如果在某一個子節(jié)點正在發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，另一個子節(jié)點也需要發(fā)送數(shù)據(jù)。此時，后一個需要發(fā)送數(shù)據(jù)的子節(jié)點必須禁聲，既不能發(fā)送，只有當前一個節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送完畢之后才能讓下一個子節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。

2.1 地址解析及其協(xié)議

在實際生產(chǎn)過程，地址分為網(wǎng)絡(luò)地址和硬件地址。硬件地址已經(jīng)固化在單片機的ROM中，所以也可以被稱為物理地址。通過燒寫的時候進行分片固化，既在集控器燒寫程序的時候，每一個單片機要有一個唯一的硬件地址。為了方便辨識和使用，可以將該地址打印出來貼在集控器上。硬件地址占4個字節(jié)。中央控制單元軟件依據(jù)硬件地址對集控器進行初始化參數(shù)，既設(shè)定IP地址。

地址解析的作用是，把單片機生產(chǎn)過程中固化在單片機內(nèi)部的物理地址（即ID標識）轉(zhuǎn)化為實際使用的IP地址。除了IP地址之外，還需要對跳級范圍進行初始化設(shè)定。地址解析的過程包括兩個階段。

第一階段、把收到的數(shù)據(jù)進行解析，解析出所需要設(shè)定的物理地址（包括三個ID標識），并且和單片機內(nèi)部固化的ID標識進行比對。如果有所不同，則程序返回主函數(shù)，不進行其他的任何操作。如果完全一樣，則進入下一階段。

第二階段、繼續(xù)對收到的數(shù)據(jù)進行解析，解析出需要最終設(shè)定的IP地址（包括三個坐標）以及跳級的范圍。把IP地址寫入ROM，在以后的通訊過程中，就使用這個IP地址。并且可以具有掉電不消失的功能，以便在意外掉電或者重啟之后，能夠繼續(xù)正常使用。

表2 路由數(shù)據(jù)幀

2.2 最短路徑算法

在實際使用工程中節(jié)點的擺放是有很多種的，而必須對節(jié)點的擺放進行假設(shè)和抽象才能進行實際的分析。

2.2.1 假設(shè)和抽象

如圖1是實際使用中的網(wǎng)絡(luò)模型圖（在此我們只分析二維的，三維的可同理得到），我們就可以假設(shè)某個節(jié)點的坐標為（i ，j）而它的四個附近的節(jié)點為（i - H, j）,(i , j - H),（i + H,j）,(i , j + H)。（i - H, j）,(i , j - H),稱為低鄰居節(jié)點，（i+ H, j）,(i , j + H)稱為高鄰居節(jié)點。其中H為正整數(shù)，是通信協(xié)議中的一個內(nèi)容稱為最大跳。

圖1

圖2

圖3

而（i ，j）節(jié)點所能接收的信息只能來自（i - H, j）,(i, j - H),（i + H, j）,(i , j + H)。這四個節(jié)點，如果不是這四個節(jié)點來的信息則會因為距離的原因而接收不到，這是在程序書寫過程中要盡量避免的。所以在這個假設(shè)條件下我們可以把實際的網(wǎng)絡(luò)模型抽象成如圖3-2所示的一個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)再能在連線的兩個節(jié)點中傳輸。

2.2.2 實現(xiàn)方法

由上述的假設(shè)和抽象，我們可以知道數(shù)據(jù)只能在連線的兩個節(jié)點中傳輸，不能從（0,0）傳輸?shù)剑?,1）。既任意節(jié)點（i ，j）在傳輸過程中只能傳輸?shù)礁哙従庸?jié)點或低鄰居節(jié)點中的任意一點。而最短路徑的傳輸要求每跳一次，即接近目標節(jié)點一次。有了這些原則不難得到最短路徑的傳輸方法如圖3-3所示：

需要說明的是這里分析的是二維的情況，而在編程中使用的是三維的指標系。原理相同，可以由二維的情況推導出三維的情況。并且在使用過程中有引入最大跳的概念，這個情況是最大跳H=1的情況，而H的數(shù)值為其他值的情況會在后文中進行分析。最后就是優(yōu)先的問題，圖示的為X優(yōu)先的情況，X，Z優(yōu)先的情況也會在后文中進行分析

3 簡單功能

在實際的生產(chǎn)應(yīng)用之中，有可能出現(xiàn)單個的傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點出現(xiàn)故障，而致使整個傳感器網(wǎng)絡(luò)或者是傳感器網(wǎng)絡(luò)的一部分不能接受或發(fā)送出信息。根據(jù)這個設(shè)計的思路，我們可以想象出ping功能的基本工作過程，就是想要檢驗一條固定的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑能否通路，就可先由一個起始節(jié)點發(fā)送出一個傳輸指令，該指令必須包括一個字符是指出不是普通的命令而是一個ping命令，該ping命令通過傳輸，最終到達目標地址，而該目標地址對得到的數(shù)據(jù)進行解碼，最終的又生成一個指令，該指令的目標地址為ping命令的起始地址，為reping命令，該reping命令通過傳輸又回到了起始的地址，也就是ping命令的發(fā)出地址，只要該發(fā)出地址能夠接收到這個reping命令，地址就為通路，而如果沒有接收到這個命令就為斷路。

表3-4 通訊協(xié)議格式

各部分如下表所示

表3-5 各部分含義

ping功能的作用與工作方式，可以將ping功能的協(xié)議制定如下。定長16字節(jié)。根據(jù)前文中提到的地址設(shè)定等要求匯總與此表：

著重強調(diào)其中類型與數(shù)據(jù)表示的意義為中央控制單元與控制器之間的命令，格式為如下，共3個字節(jié)

表3-5 中央控制單元與控制器之間的命令

含義如下

協(xié)議類型

1代表Ping

2代表Re ping

3代表燈控/燈狀態(tài)，使用數(shù)據(jù)狀態(tài)

4代表控制回復

4 應(yīng)用

本無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于智能建筑內(nèi)部的燈光控制，節(jié)點單元采用cc1101的無線模芯片，通過STC89C52實現(xiàn)通訊協(xié)議。節(jié)點的實物如下。

上位機采用串行口和網(wǎng)絡(luò)連接，通過計算機實現(xiàn)了對整棟大樓的集中控制。控制軟件采用C++Builder2010開發(fā)。

5 總結(jié)

本文設(shè)計了一種應(yīng)用于智能建筑的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，建立了智能建筑的網(wǎng)“魔方”信息網(wǎng)絡(luò)拓撲模型，并用三維地址編碼法，描述網(wǎng)絡(luò)的拓撲信息，在此基礎(chǔ)上提出了最短路徑算法。形成的通訊協(xié)議在以CC1101無線控制器+STC89C52單片機的硬件系統(tǒng)驗證，最終應(yīng)用于某建筑的燈光集中控制。實驗證明，本設(shè)計切實可行，具有協(xié)議棧簡單可靠的優(yōu)點。

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