楊衛(wèi)軍，許 哲，樊 莉

(第二炮兵工程大學(xué) 理學(xué)院，西安 710025)

當(dāng)前無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)被大量鋪設(shè)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集環(huán)境數(shù)據(jù)。傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織的無(wú)線(xiàn)通信方式，相互傳遞信息，協(xié)同完成特定功能［1－2］。由于節(jié)點(diǎn)能量有限，網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)要求低能耗［3－4］，而持續(xù)無(wú)線(xiàn)發(fā)射、無(wú)線(xiàn)通信和系統(tǒng)運(yùn)行將會(huì)有比較大的能耗。因此，必須設(shè)計(jì)合理的分簇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，減少整個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信量，降低能量消耗。設(shè)計(jì)的分簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是否合理，除了進(jìn)行工具軟件仿真驗(yàn)證之外，也必須建立實(shí)際的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際運(yùn)行考察結(jié)構(gòu)和算法的優(yōu)缺點(diǎn)。本文介紹了針對(duì)設(shè)計(jì)分簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和算法建立的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的通信協(xié)議和節(jié)點(diǎn)硬件、主機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)方式。

1 無(wú)線(xiàn)分簇網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中一般采用分簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中每個(gè)簇由一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)和多個(gè)簇葉節(jié)點(diǎn)組成，簇頭節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)簇間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)、協(xié)調(diào)和管理，使簇內(nèi)各節(jié)點(diǎn)合理工作。依據(jù)所采用的分簇算法，簇頭可以預(yù)先指定，也可以由網(wǎng)絡(luò)按照分簇算法自動(dòng)選舉產(chǎn)生。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中簇頭節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C(jī)節(jié)點(diǎn)，主機(jī)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)能量消耗、繪制數(shù)據(jù)傳輸路由和簇頭節(jié)點(diǎn)分布，如圖1所示。為分析分簇網(wǎng)絡(luò)的性能和算法的合理性，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)重點(diǎn)對(duì)四點(diǎn)進(jìn)行分析。

圖1 分簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.1 簇葉、簇頭節(jié)點(diǎn)的確定，簇頭節(jié)點(diǎn)的負(fù)載

傳感器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)之后以多跳中繼方式將數(shù)據(jù)傳送到簇頭節(jié)點(diǎn)，簇頭節(jié)點(diǎn)將收集到的數(shù)據(jù)傳送至主機(jī)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理。因此，建立合理的簇分布，均衡簇的大小，使簇頭節(jié)點(diǎn)能合理完成通信任務(wù)，不至于負(fù)擔(dān)過(guò)重。

1.2 整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋通信能力

由于節(jié)點(diǎn)的分布范圍較廣，簇頭節(jié)點(diǎn)作為路由和轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，其通信必須能夠覆蓋整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。

1.3 網(wǎng)絡(luò)改變，分簇重構(gòu)能力

網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性強(qiáng)，因?yàn)閭鞲衅鞴?jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障或失效、無(wú)線(xiàn)通信鏈路帶寬變化或者節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性、新節(jié)點(diǎn)加入，都會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化。

1.4 分簇網(wǎng)絡(luò)中的能量消耗

網(wǎng)絡(luò)中的簇頭節(jié)點(diǎn)由于承擔(dān)較多的通信任務(wù)，所以能量消耗較大。因此，必須實(shí)時(shí)衡量網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)有電池能量合理切換節(jié)點(diǎn)，均衡整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量消耗。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由三個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)和三個(gè)簇葉節(jié)點(diǎn)組成。

2 通信報(bào)文設(shè)計(jì)

通信報(bào)文對(duì)通信過(guò)程和節(jié)點(diǎn)通信處理時(shí)間進(jìn)行記錄，并按分簇方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C(jī)節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)報(bào)文包括數(shù)據(jù)傳輸路徑、節(jié)點(diǎn)能量消耗、簇頭和簇葉信息，應(yīng)用層數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的數(shù)據(jù)報(bào)文格式見(jiàn)表1。所有報(bào)文均采用累加－取反－校驗(yàn)和方式，即從報(bào)文頭到有效數(shù)據(jù)域的末字節(jié)按字節(jié)算術(shù)累加，拋棄高位，只保留最后單字節(jié)，將單字節(jié)取反作為校驗(yàn)和。

表1 數(shù)據(jù)報(bào)文基本格式

3 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由主控制器、無(wú)線(xiàn)通信模塊、A/D轉(zhuǎn)換器、傳感器構(gòu)成。節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

主控制器采用TI德州儀器生產(chǎn)的16位RISC超低功耗混合型微控制器MSP430單片機(jī)芯片，主程序運(yùn)行在嵌入式操作系統(tǒng)上，完成傳感數(shù)據(jù)獲取、設(shè)備狀態(tài)控制、任務(wù)調(diào)度、能量計(jì)算、通信協(xié)議。

圖2 節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)

無(wú)線(xiàn)通信模塊采用CC2420芯片，CC2420是支持IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4 GHz有源RF芯片，支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸速率250 Kbit/s，有效傳輸距離(視距直通)不小于50 m，功耗低，并可根據(jù)需要進(jìn)行功率調(diào)整。

電源管理芯片采用TPS60210，是由德州儀器生產(chǎn)3.3 V具有低功耗管理能力的線(xiàn)性穩(wěn)壓芯片，集成電池電量監(jiān)測(cè)功能。工作電壓:輸入1.8～3.6 V;工作溫度范圍－40℃～+85℃。能夠有效地管理相關(guān)功能元器件，并延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的使用時(shí)間。

而傳感器根據(jù)需要可選用溫度、濕度、壓力、熱量等的傳感器。

節(jié)點(diǎn)采用動(dòng)態(tài)功耗管理(Dynamic Power Management，DPM)，根據(jù)工作負(fù)載的變化情況將系統(tǒng)中不再使用的組件轉(zhuǎn)入低功耗模式或者關(guān)閉［5］。記錄各節(jié)點(diǎn)各模塊的不同狀態(tài)持續(xù)時(shí)間，特別是CPU和無(wú)線(xiàn)芯片的工作狀態(tài)，組成能量消耗數(shù)據(jù)，以發(fā)送給主機(jī)節(jié)點(diǎn)。

4 主機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主機(jī)與無(wú)線(xiàn)模塊通過(guò)串口連接，主機(jī)軟件采用Visaul C++開(kāi)發(fā)，通過(guò)串口實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù)，依據(jù)數(shù)據(jù)繪制節(jié)點(diǎn)路徑和節(jié)點(diǎn)能量消耗。在軟件系統(tǒng)中應(yīng)用了多線(xiàn)程技術(shù)，主要由主線(xiàn)程、無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)接收線(xiàn)程、顯示線(xiàn)程組成。在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建主線(xiàn)程，主線(xiàn)程響應(yīng)用戶(hù)的菜單欄、工具欄功能選擇。無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)接收線(xiàn)程完成無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)通過(guò)串口發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，在運(yùn)行中監(jiān)測(cè)到串口有數(shù)據(jù)、流控制事件或其他串口事件后，接收數(shù)據(jù)到字節(jié)數(shù)組中，并檢查是否為一個(gè)完整的數(shù)據(jù)包。如為完整的數(shù)據(jù)包，就以消息方式通知主線(xiàn)程。主線(xiàn)程對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行CRC檢查，檢測(cè)接收的當(dāng)前幀號(hào)，判斷是否丟失數(shù)據(jù)，并形成返回給無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)答幀。如正確，經(jīng)格式轉(zhuǎn)換放入浮點(diǎn)數(shù)組中，通知顯示線(xiàn)程實(shí)時(shí)繪圖，完成一個(gè)數(shù)據(jù)接收過(guò)程。節(jié)點(diǎn)能量消耗根據(jù)發(fā)送的報(bào)文長(zhǎng)度確定，節(jié)點(diǎn)除發(fā)射時(shí)間外處于休眠狀態(tài)，減少能量消耗。主機(jī)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)接收流程如圖3所示。

圖3 主機(jī)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)接收流程

5 結(jié)束語(yǔ)

在該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上可進(jìn)行分簇算法驗(yàn)證、通信報(bào)文設(shè)計(jì)、路由算法驗(yàn)證、網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。實(shí)踐證明效果良好。

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