曹惠茹，張曉軍，陳　放

(1．中山大學(xué)南方學(xué)院，廣東廣州　510970；2．廣東工業(yè)大學(xué)華立學(xué)院，廣東廣州　511325)

0　引言

隨著電子技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，WSN)技術(shù)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種新技術(shù)，在現(xiàn)代社會(huì)的各個(gè)方面得到了廣泛應(yīng)用。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種自組織網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)大量傳感節(jié)點(diǎn)，協(xié)同完成特定檢測(cè)任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)布置在監(jiān)測(cè)區(qū)域的節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)信息，以無(wú)線通信的方式傳輸[1-2]。傳統(tǒng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是采集例如濕度、溫度、光強(qiáng)、壓力等數(shù)據(jù)量較小的感知網(wǎng)絡(luò)[3-11]；隨著人們對(duì)數(shù)據(jù)信息要求的不斷提高，采集機(jī)場(chǎng)、路況、工廠、農(nóng)田、果園等區(qū)域的圖片、音頻、視頻等較大數(shù)據(jù)量的需求增加，隨之無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作出了很多調(diào)整和改進(jìn)[12-13]。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)典型的工作頻段為：315 M、433 M、868 M、915 M以及2.4 G、3 G、5.8 G等頻段，其中具有代表性的頻段為低頻段的433 M和高頻段的2.4 G．傳統(tǒng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)基本都工作在特定的ISM頻段上，但是隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，從最初的感知、傳輸、處理較小數(shù)據(jù)量，到現(xiàn)在通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)完成較大數(shù)據(jù)量的操作，這就對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求。

對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，使用較多的頻段是433 M和2.4 G，這2個(gè)頻段也集中反映了低頻段和高頻段的特性。433 M的特點(diǎn)是傳輸距離較遠(yuǎn)，組網(wǎng)簡(jiǎn)單、傳輸速率較低等，適合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單傳輸數(shù)據(jù)量低的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；而2.4 G適合于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜、傳輸數(shù)據(jù)較大的場(chǎng)合。在文獻(xiàn)[14-15]中提出以ZigBee為基礎(chǔ)來(lái)處理采集數(shù)據(jù)量較大的問(wèn)題。由于433 M和2.4 G各有特點(diǎn)，因此在收集多個(gè)傳感參數(shù)時(shí)可以將兩者結(jié)合起來(lái)。在一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中同時(shí)采用多個(gè)頻段，不僅可以發(fā)揮各個(gè)頻段技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，而且簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時(shí)還可以有效提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速率，進(jìn)而可以很好地解決由于數(shù)據(jù)量較大而引起的漏斗效應(yīng)[16]。

1　雙頻傳感器網(wǎng)絡(luò)總體設(shè)計(jì)

1．1總體設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)Leach是一種層次無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有方便管理、通行質(zhì)量可靠、功耗較小等特點(diǎn)。但是協(xié)議采用隨機(jī)機(jī)制選取簇頭，路由算法復(fù)雜，在選取簇頭過(guò)程中容易造成節(jié)點(diǎn)的能耗浪費(fèi)。在該雙頻無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中采用典型分層次的網(wǎng)路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其路由協(xié)議采用改進(jìn)型的Leach協(xié)議。在選擇匯聚節(jié)點(diǎn)(簇頭)時(shí)，該網(wǎng)絡(luò)采用固定簇頭的方案。匯聚節(jié)點(diǎn)有2個(gè)頻段的接收裝置，可以與433 M和2．4 G的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。這樣就可以充分利用二者的優(yōu)勢(shì)。圖1給出雙頻無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖1　無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)

1．2節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

對(duì)于采集數(shù)據(jù)量小、傳輸距離較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)，可采用433 M頻段作為工作頻段，采用CC1101射頻(RF)芯片、節(jié)點(diǎn)以ATmege128為處理芯片，用以采集溫度、濕度及光強(qiáng)等數(shù)據(jù)量較小的參數(shù)。而要采集數(shù)據(jù)量大、傳輸較近的場(chǎng)合，則可采用2.4 G為載波，采用CC2530(RF)芯片和MPS430F2131處理芯片的模式，由于處理芯片內(nèi)部存儲(chǔ)空間有限，同時(shí)加入SD卡為外部存儲(chǔ)器，用以滿足存放較大數(shù)據(jù)的要求。

2　匯聚節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

對(duì)于該雙頻無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，要采集2個(gè)頻段數(shù)據(jù)信息，其要求匯聚節(jié)點(diǎn)能夠與多個(gè)頻段節(jié)點(diǎn)通信，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)不同頻段切換的目的。所以匯聚節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)、MAC協(xié)議的設(shè)計(jì)、睡眠時(shí)間設(shè)計(jì)等成為重點(diǎn)。

2．1匯聚節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

匯聚節(jié)點(diǎn)由射頻部分、電源部分、存儲(chǔ)部分、處理芯片等部分組成，圖2為匯聚節(jié)點(diǎn)的框圖。433 M和2.4 G分別采用CC1101和CC2500作為射頻芯片。由于匯聚節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間處于無(wú)線的收發(fā)狀態(tài)，電源部分采用蓄電池+太陽(yáng)能電磁板的自供電系統(tǒng)。在太陽(yáng)能和充電電池之間加入以TP4055芯片為基礎(chǔ)充電電路；通過(guò)處理芯片對(duì)充電系統(tǒng)的管理可以更好地利用和保護(hù)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換裝置。同時(shí)為更好保護(hù)芯片工作在穩(wěn)定的3.3 V電壓下，在系統(tǒng)中加入變壓穩(wěn)壓模塊。

圖2　匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)框圖

大量節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸給匯聚節(jié)點(diǎn)，這就要求匯聚節(jié)點(diǎn)要有較大的存儲(chǔ)空間。芯片內(nèi)部的空間非常有限，所以可將數(shù)據(jù)放在外部存儲(chǔ)器SD卡中的方案來(lái)解決此問(wèn)題。處理芯片采用MSP430F1611，該芯片是16位低功耗處理芯片，而且有多種低功耗模式，其接口豐富、性能穩(wěn)定。

2．2軟件設(shè)計(jì)

匯聚節(jié)點(diǎn)作為整個(gè)雙頻無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)重要部分，起著承上啟下的作用。具體來(lái)說(shuō)匯聚節(jié)點(diǎn)有2個(gè)主要的任務(wù)要完成，即通過(guò)無(wú)線模塊將不同頻段節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)收集起來(lái)，再將數(shù)據(jù)打包發(fā)送給無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)基站或網(wǎng)關(guān)。在整個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)中，降低功耗是非常重要的，它不僅關(guān)系到匯集節(jié)點(diǎn)本身的功耗，而且影響子節(jié)點(diǎn)和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的壽命。圖3為匯集節(jié)點(diǎn)程序的流程圖。首先匯聚節(jié)點(diǎn)初始化后進(jìn)入低功耗模式，如果等待時(shí)間結(jié)束，匯聚節(jié)點(diǎn)向該簇廣播同步時(shí)間，接著開(kāi)始與節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

圖3　匯聚節(jié)點(diǎn)程序流程圖

3　MAC協(xié)議和睡眠機(jī)制的設(shè)計(jì)

3．1MAC協(xié)議設(shè)計(jì)

對(duì)于無(wú)線器傳感網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，能量是有限的，所以大部分無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都采用睡眠機(jī)制來(lái)處理能量問(wèn)題。該網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議也采用同樣的機(jī)制。通信信道的使用成為匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。該文采用先匯聚433 M節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)信息，當(dāng)所有的433 M節(jié)點(diǎn)信息采集完成后再采集2.4 G數(shù)據(jù)量較大節(jié)點(diǎn)信息。在網(wǎng)絡(luò)整個(gè)匯聚過(guò)程中采用，匯聚一個(gè)頻段數(shù)據(jù)時(shí)另一頻段采用睡眠機(jī)制來(lái)降低功耗。圖4為雙頻段數(shù)據(jù)采集的總體時(shí)序圖。

圖4　匯聚節(jié)點(diǎn)總體時(shí)序圖

當(dāng)同頻段內(nèi)節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，采用競(jìng)爭(zhēng)方式簡(jiǎn)化的SMAC協(xié)議，圖5顯示了整個(gè)MAC協(xié)議的方案。首先節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2同時(shí)向接受節(jié)點(diǎn)發(fā)出占用無(wú)線信道的Request信號(hào)，接受節(jié)點(diǎn)對(duì)其中1個(gè)節(jié)點(diǎn)2做出應(yīng)答，而對(duì)節(jié)點(diǎn)1的要求不予回應(yīng)，此時(shí)節(jié)點(diǎn)1進(jìn)入周期睡眠與請(qǐng)求狀態(tài)；節(jié)點(diǎn)2在接受到應(yīng)答信息后開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)。在完成數(shù)據(jù)傳輸后，接受節(jié)點(diǎn)發(fā)出數(shù)據(jù)傳輸完成的信息。然后在接下來(lái)的周期中以同樣的方法完成節(jié)點(diǎn)1的數(shù)據(jù)匯聚。

圖5　同頻段內(nèi)具體節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序圖

3．2網(wǎng)絡(luò)時(shí)間設(shè)計(jì)

在整個(gè)雙頻無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，時(shí)間設(shè)計(jì)分為同步時(shí)間設(shè)計(jì)和睡眠時(shí)間設(shè)計(jì)。為了達(dá)到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步，降低功耗，在完成一定數(shù)據(jù)匯聚次數(shù)后，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行時(shí)間同步。首先匯聚節(jié)點(diǎn)從服務(wù)器得到1個(gè)時(shí)間，然后再?gòu)V播給簇群里的每個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)在接受到同步時(shí)間對(duì)自身的時(shí)鐘進(jìn)行修正。

該網(wǎng)絡(luò)采用頻段外分時(shí)匯聚的方案，即采集低頻段數(shù)據(jù)時(shí)高頻段的節(jié)點(diǎn)整體睡眠。睡眠時(shí)間成為高頻節(jié)點(diǎn)的一個(gè)重要參數(shù)。匯聚節(jié)點(diǎn)在收集完整個(gè)低頻段數(shù)據(jù)匯聚后記錄其花費(fèi)時(shí)間，然后和上一次時(shí)間比較取較大值，再將此時(shí)間發(fā)送給高頻段的節(jié)點(diǎn)。高頻段的節(jié)點(diǎn)以此為睡眠時(shí)間。

4　相關(guān)試驗(yàn)

匯聚節(jié)點(diǎn)睡眠時(shí)的功耗為100 μA，當(dāng)433 M在10 dB發(fā)射功率的工作時(shí)，其最大功耗為50.3 mA；而在2.4 G頻段0 dB發(fā)射功率下工作時(shí)，最大功耗為30.4 MA．選用增益為3 dBi的天線離地面為1 m，在開(kāi)闊地進(jìn)行了該方案2.4 G節(jié)點(diǎn)丟包率相關(guān)試驗(yàn)。5個(gè)433 M節(jié)點(diǎn)和5個(gè)2.4 G為節(jié)點(diǎn)構(gòu)建了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。其中5個(gè)433 M節(jié)點(diǎn)固定在80 m左右的位置上；4個(gè)2.4 G節(jié)點(diǎn)固定在距離基站10 m左右范圍內(nèi)；變換其中1個(gè)2.4 G節(jié)點(diǎn)的距離，進(jìn)行了丟包率的測(cè)試。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到了圖6所示的所有節(jié)點(diǎn)信道競(jìng)爭(zhēng)方式(SMAC)和該方案下2.4 G節(jié)點(diǎn)丟包率的測(cè)試曲線。

圖6　載波頻率2.4 G節(jié)點(diǎn)丟包率

試驗(yàn)結(jié)果表明，在該設(shè)計(jì)方案下2.4 G頻段節(jié)點(diǎn)平均丟包率在10%以下。匯聚節(jié)點(diǎn)采用此MAC協(xié)議節(jié)點(diǎn)丟包率明顯低于傳統(tǒng)信道競(jìng)爭(zhēng)方式，同時(shí)從圖中可以看出采用不同頻段分時(shí)復(fù)用匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案可以延長(zhǎng)整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。

5　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析典型傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和433 M與2.4 G頻段的各自特點(diǎn)，以MSP430F1611為處理芯片以及CC1101和CC2530作為射頻芯片設(shè)計(jì)了適應(yīng)于小范圍檢測(cè)的雙頻段層次結(jié)構(gòu)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)。為了節(jié)省整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量，采用頻段外分時(shí)復(fù)用、頻段內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該方案滿足設(shè)計(jì)要求，提高了通信質(zhì)量，延長(zhǎng)了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的壽命。

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