康芳于，李允俊，金華

（延邊大學(xué) 工學(xué)院，延吉133002）

引 言

隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，無線通信技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于很多領(lǐng)域。目前應(yīng)用較為廣泛的是藍牙、Zig-Bee和WiFi等短距離無線傳輸技術(shù)，但是它們的傳輸距離短，無法滿足工農(nóng)業(yè)與監(jiān)控等領(lǐng)域?qū)鬏斁嚯x和覆蓋范圍的需求，因此本文設(shè)計一種基于CC1101芯片的遠距離無線傳輸協(xié)議。CC1101芯片，具有低成本、低功耗、小體積、使用簡單、操作靈活等特點，其傳輸距離一般為400～800 m，具有很好的數(shù)據(jù)包處理機制和充足的發(fā)射/接收緩沖區(qū)，適用于無線遠程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[1-2]。

物聯(lián)網(wǎng)細分為5層結(jié)構(gòu)：感知層、接入層、網(wǎng)絡(luò)層、支撐層和應(yīng)用層。本文基于CC1101無線收發(fā)芯片，設(shè)計一種無線傳輸協(xié)議，完成物聯(lián)網(wǎng)5層體系構(gòu)架中從感知層到網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)交換，是相對遠距離的數(shù)據(jù)傳輸在接入層的一種新的傳輸方式[3]。本文通過設(shè)計基于CC1101芯片的無線傳輸協(xié)議，擴大物聯(lián)網(wǎng)感知層到網(wǎng)絡(luò)層的傳輸距離，豐富接入層無線傳輸?shù)姆绞?，彌補了CC1101芯片針對遠距離無線傳輸協(xié)議的不足。

1 協(xié)議的整體架構(gòu)

本文將物理節(jié)點劃分為3種類型：中心節(jié)點、路由節(jié)點和終端節(jié)點。中心節(jié)點是整個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的匯聚中心，負責(zé)形成和維護整個傳輸系統(tǒng)的路由結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對終端節(jié)點的檢測與控制，完成對采集數(shù)據(jù)的處理和存儲。路由節(jié)點是整個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的傳輸系統(tǒng)，負責(zé)完成整個系統(tǒng)命令的下達和數(shù)據(jù)的傳輸，是整個協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪\輸樞紐。終端節(jié)點作為中心節(jié)點命令的執(zhí)行者，是最底層節(jié)點，可與傳感器相連，負責(zé)數(shù)據(jù)的采集。3種節(jié)點間的關(guān)系如圖1所示。

從整體上看，中心節(jié)點負責(zé)維護所有路由節(jié)點，而路由節(jié)點管理其范圍內(nèi)的終端節(jié)點，終端節(jié)點通過解析中心節(jié)點的命令，將執(zhí)行命令后產(chǎn)生的數(shù)據(jù)通過路由節(jié)點上交給中心節(jié)點處理。因此，三者各司其職，共同完成整個系統(tǒng)的任務(wù)[4-5]。

圖1 3種節(jié)點間的關(guān)系

根據(jù)3種節(jié)點的關(guān)系可構(gòu)建“一全多局”路由表，路由表負責(zé)記錄整個系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，控制數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)穆肪€，并據(jù)此提出一種二次攜帶信息廣播協(xié)議，來提高回應(yīng)節(jié)點的完整性。本文基于TCP/IP協(xié)議分層的設(shè)計思想，綜合CC1101無線收發(fā)芯片的特征，按照傳輸協(xié)議數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)牧鞒?，將傳輸協(xié)議結(jié)構(gòu)細分為5層結(jié)構(gòu)，完成“一全多局”路由表的組建和數(shù)據(jù)在節(jié)點間的相互傳輸。

為了實現(xiàn)遠距離和多節(jié)點的數(shù)據(jù)采集，本文在8位地址濾波接收模式的CC1101無線收發(fā)芯片中添加接收/發(fā)送放大器，最遠可以傳輸800 m，最多可以帶255個節(jié)點，通過芯片節(jié)點的3種劃分方式，以CC1101發(fā)送和接收距離500 m為單位，傳輸距離最遠可達到100 km以上，節(jié)點數(shù)量可以增加到6萬個。

2 協(xié)議路由

2.1 路由表

本文設(shè)計一種“一全多局”的路由信息表?！耙蝗敝钢行墓?jié)點擁有全局拓撲網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點的路徑信息，即所有路由節(jié)點與其相鄰節(jié)點的層次結(jié)構(gòu)關(guān)系；“多局”指路由節(jié)點存儲與其相鄰的路由節(jié)點的信息。路由信息表結(jié)構(gòu)如表1所列，該表有兩個優(yōu)點：第一是占用空間小，第二是可快速檢索一條最短路徑。

表1 路由信息表結(jié)構(gòu)

2.2 路由表構(gòu)建

本文基于路由表的結(jié)構(gòu)，采用一從多主的方式構(gòu)建路由表信息。即一個從節(jié)點（中心節(jié)點）用于隨時接收路由節(jié)點發(fā)送的路由信息，多個主節(jié)點（路由節(jié)點）用于定時向中心節(jié)點發(fā)送其相鄰的路由信息。所有的路由節(jié)點啟動一個隨機定時器，每隔隨機的時間就會發(fā)送一次廣播，獲得其相鄰節(jié)點的信息，然后發(fā)送給中心節(jié)點，中心節(jié)點收到信息幀之后，構(gòu)建路由表。這種方法構(gòu)建的路由表信息更新速度更快，應(yīng)用更靈活。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸路徑

根據(jù)“一全多局”路由表，以一種組網(wǎng)方式為例，截取部分全局路由表信息如表2所列。例如從中心節(jié)點傳遞數(shù)據(jù)給路由節(jié)點4（1到4），首先可以快速定位到ID等于4的位置，并獲得其父鏈表中的一個父節(jié)點ID為2，再定位到ID等于2的位置，并獲得其父鏈表中一個父節(jié)點ID為6，然后定位到ID等于6的位置，得到其父節(jié)點1，1為中心節(jié)點，所以其路徑為1—6—2—4。由于定位在數(shù)組中，省略遍歷路由表的時間，加快路徑確定的速度。另外，從表2中可以看出，4節(jié)點所在的層次為3，說明1—6—2—4為最短跳變，從而證明全局路由表設(shè)計的準確性。

2.4 二次攜帶信息廣播協(xié)議

路由表負責(zé)記錄整個系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，控制數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)穆肪€，因此路由表的完整性和準確性關(guān)系到數(shù)據(jù)傳輸速度和協(xié)議運行的效率。而廣播作為路由表的生成基礎(chǔ)，直接影響路由表的完整性和準確性。

本文提出一種二次攜帶信息廣播協(xié)議，來提高回應(yīng)節(jié)點的完整性。

二次攜帶信息廣播：源節(jié)點首先發(fā)送一次廣播命令并啟動一個廣播定時器，收到廣播命令的節(jié)點，按照防碰撞算法進行廣播命令的回應(yīng)。源節(jié)點在廣播定時器超時之后，將收到的回應(yīng)信息節(jié)點地址放入到第二次廣播命令幀中，進行第二次攜帶信息廣播，收到該廣播命令的目標節(jié)點首先在廣播命令幀中查找自己的地址，如果找到，則不進行廣播回應(yīng)，否則按照防碰撞算法進行廣播回應(yīng)。二次攜帶信息廣播的過程如圖2所示。

表2 部分全局路由表信息

圖2 二次攜帶信息廣播過程

按照二次攜帶信息廣播的過程，其廣播命令幀的格式如下：

發(fā)送幀 目的地址源地址廣播標志更新序列自身層次節(jié)點個數(shù) 節(jié)點 CRC 幀尾回應(yīng)幀 目的地址源地址廣播標志更新序列自身層次CRC 幀尾

根據(jù)二次攜帶信息廣播的原理和過程，設(shè)計如圖3所示的流程。因為廣播處在協(xié)議層次中的鏈路層，因此，此圖的左半部分表示鏈路層程序流程，右半部分為二次攜帶信息廣播的程序流程。

3 協(xié)議層次結(jié)構(gòu)

協(xié)議劃分的5層從底層到高層依次是物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、解析層和應(yīng)用層。每層負責(zé)解析自身層次數(shù)據(jù)幀，對其他層的數(shù)據(jù)格式不可見。各層的層次說明如表3所列。

圖3 廣播流程

表3 協(xié)議層功能表

根據(jù)以上5層結(jié)構(gòu)中各層不同的功能，協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程如圖4所示，可以得出，在源節(jié)點到目標節(jié)點數(shù)據(jù)流過5層，然而在中間路由節(jié)點，只需要經(jīng)過協(xié)議的底3層，即中間路由節(jié)點對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是不可見的。

圖4 協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸過程

各個協(xié)議層的功能如下：

①物理層是協(xié)議層中的最底層，負責(zé)數(shù)據(jù)傳輸之前監(jiān)測信道是否空閑，防止數(shù)據(jù)碰撞的發(fā)生，以便保證點對點數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性。

②鏈路層主要在相鄰節(jié)點間實現(xiàn)數(shù)據(jù)準確無誤的傳輸，使上層不用擔(dān)心幀丟失、干擾和錯誤等問題，向上層提供準確的數(shù)據(jù)包。

③協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層主要提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂?，使?shù)據(jù)能夠按照最短路徑完成傳輸，并向上層提供簡單靈活、無連接、盡最大努力交付的數(shù)據(jù)服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)質(zhì)量關(guān)系到數(shù)據(jù)包傳輸?shù)乃俣群途W(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)健性，是分層傳遞的關(guān)鍵技術(shù)。

當(dāng)處理節(jié)點不可達信息回傳時，可能會出現(xiàn)死循環(huán)現(xiàn)象，因此本文規(guī)定：如果數(shù)據(jù)幀向下層節(jié)點傳輸?shù)倪^程中出現(xiàn)不可達節(jié)點，則把節(jié)點不可達信息返回給中心節(jié)點，以便中心節(jié)點為完成數(shù)據(jù)幀傳輸做出進一步處理；但是，如果數(shù)據(jù)幀向上層節(jié)點傳輸?shù)倪^程中出現(xiàn)不可達信息，則直接丟棄數(shù)據(jù)幀，等待中心節(jié)點超時，中心節(jié)點超時沒有收到回應(yīng)信息，就會重傳，重傳超時會更新路由表或選擇其他線路完成數(shù)據(jù)的傳輸。

④解析層主要為應(yīng)用層提供一個統(tǒng)一的接口，應(yīng)用層可以通過該接口，完成命令幀的封裝和發(fā)送。除此之外，解析層將整個網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)放在Linux內(nèi)核內(nèi)存空間，為了快速響應(yīng)應(yīng)用層對拓撲網(wǎng)絡(luò)的請求命令，為應(yīng)用層訪問路由表信息提供一組路由相關(guān)的命令接口。

⑤應(yīng)用層相當(dāng)于用戶在協(xié)議的基礎(chǔ)上，通過調(diào)用解析層提供的接口，完成對終端節(jié)點的檢測和控制。開發(fā)人員只要了解相關(guān)的接口和需要實現(xiàn)的功能，即使不懂協(xié)議，也可以完成程序開發(fā)。

4 系統(tǒng)測試

全局路由表是整個協(xié)議的核心內(nèi)容，它的準確性是整個系統(tǒng)是否能夠正常、快速運行的關(guān)鍵。因此，可以通過部署不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、比較網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與路由表記錄的結(jié)構(gòu)，進而驗證協(xié)議路由表映射的準確性。本文設(shè)計單層、雙層交叉網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對協(xié)議全局路由表進行層次性測試，通過開發(fā)板輸出的全局路由表結(jié)構(gòu)與實際路由節(jié)點部署對比，驗證各種層次結(jié)構(gòu)路由協(xié)議運行的準確性。

路由表單層測試結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖5（a）所示，單層模式下開發(fā)板輸出全局路由表測試結(jié)果如圖5（b）所示。從輸出結(jié)果可以看出，ID為01的節(jié)點層次為0，父節(jié)點為-1，說明該節(jié)點是中心節(jié)點，其余節(jié)點層次都為1且父節(jié)點都只有01，從而可以證明，全局拓撲網(wǎng)絡(luò)為以01節(jié)點為中心的單層結(jié)構(gòu)。此結(jié)論與圖5（a）中的單層結(jié)構(gòu)圖相符，證明了協(xié)議單層結(jié)構(gòu)中運行的準確性和全局路由表的完整性。

圖5 單層模式與路由信息

在實際環(huán)境部署節(jié)點的過程中，節(jié)點路徑不可能都是簡單的無交叉分支結(jié)構(gòu)，其分支必定存在一定程度的交叉。因此，本文設(shè)計了雙父節(jié)點雙層結(jié)構(gòu)測試模式，其整體節(jié)點部署如圖6（a）所示，圖6（b）為該模式下節(jié)點組網(wǎng)完成后的全局路由表。從輸出的結(jié)果可以看出，第二次路由節(jié)點包括09、0C和0D，09有兩個父節(jié)點0B和0E，0C和0D分別是0B和0E的子節(jié)點，0B和0E位于第一層，其父節(jié)點為01。其結(jié)果顯示與實際路由分布一致，從而證明，在雙父節(jié)點雙層結(jié)構(gòu)模式下協(xié)議運行正確。

圖6 雙層交叉模式與路由信息

結(jié) 語

本文通過設(shè)計一種遠距離無線傳輸協(xié)議，實現(xiàn)了基于CC1101無線芯片的遠距離、大面積范圍的數(shù)據(jù)傳輸。首先構(gòu)建了協(xié)議的整體構(gòu)架，然后設(shè)計了記錄網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的路由信息表并根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸過程對協(xié)議進行層次劃分，最后詳細分析了協(xié)議在各個協(xié)議層間的工作過程及協(xié)議原理。此協(xié)議彌補了CC1101芯片針對遠距離無線傳輸協(xié)議的不足，可應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集以及監(jiān)控等領(lǐng)域。

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