施陳俊，曾獻(xiàn)輝,2，黃家續(xù)

（1.東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620；2.數(shù)字化紡織服裝技術(shù)教育部工程研究中心，上海 201620）

0 引 言

無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）是一種通過無線組網(wǎng)方式，把數(shù)量眾多的信息感知節(jié)點(diǎn)按需求有序部署在應(yīng)用環(huán)境中，同時具有環(huán)境信息感知和無線數(shù)據(jù)傳輸能力的多跳網(wǎng)絡(luò)。WSN融合了嵌入式系統(tǒng)、現(xiàn)代感應(yīng)技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)，可在一塊集成電路上完成信息獲取、傳輸并處理的過程，實(shí)現(xiàn)對物理世界的數(shù)字感知[1]。WSN在智能交通、自然環(huán)境無人防護(hù)、智慧醫(yī)療、應(yīng)急搶險救災(zāi)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[2]。

1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)概述

數(shù)字信息化高速發(fā)展，無線傳感網(wǎng)絡(luò)已成為物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)與重點(diǎn)研究方向。WSN與一般的無線網(wǎng)絡(luò)存在很大的不同，具體如下：

（1）網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、節(jié)點(diǎn)數(shù)量多：無線節(jié)點(diǎn)設(shè)備部署便捷，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍較大，但這需要大量節(jié)點(diǎn)設(shè)備支撐，設(shè)備的數(shù)量優(yōu)勢提高了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集精度，節(jié)點(diǎn)間的冗余機(jī)制使得網(wǎng)絡(luò)擁有良好的容錯性[3]；

（2）變化頻繁的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：WSN內(nèi)部包含數(shù)量龐大的無線傳感節(jié)點(diǎn)，實(shí)際需求隨時在發(fā)生變化，加之設(shè)備老化、受外界不可抗拒因素等影響，節(jié)點(diǎn)數(shù)量不固定，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)頻繁變化，且變化無規(guī)律可循，無法建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行預(yù)測[4]；

（3）單個傳感節(jié)點(diǎn)功能不強(qiáng)：WSN中的網(wǎng)絡(luò)傳感節(jié)點(diǎn)通常功耗較低，使得單個設(shè)備的計算能力和存儲容量受到極大限制，導(dǎo)致它們無法承擔(dān)過于繁雜的任務(wù)[5]。

針對現(xiàn)有無線傳感網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)在應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓瘯r的局限性，提出了基于藍(lán)牙監(jiān)聽廣播的智能組網(wǎng)技術(shù)：

（1）由于無線傳感網(wǎng)絡(luò)在部分應(yīng)用情景下穩(wěn)定性不足，特提出了基于藍(lán)牙監(jiān)聽廣播機(jī)制的通信算法，該算法以輪詢方式與節(jié)點(diǎn)交換數(shù)據(jù)，可有效保證網(wǎng)絡(luò)長期穩(wěn)定運(yùn)行；

（2）在（1）的通信基礎(chǔ)上，通過云平臺與智能網(wǎng)關(guān)相互配合，實(shí)現(xiàn)WSN的智能自組網(wǎng)，減少由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)變化帶來的人為維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)，使得邊緣傳感網(wǎng)絡(luò)能夠智能應(yīng)對動態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)。

2 無線組網(wǎng)技術(shù)相關(guān)研究

在實(shí)際項目中主要應(yīng)用的短距離無線通信技術(shù)[6]有藍(lán)牙、WiFi、ZigBee、NFC和ANT等。在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，主要運(yùn)用ZigBee與藍(lán)牙技術(shù)。ZigBee技術(shù)因其通信功耗低、芯片成本低、容量較大、安全性較高等優(yōu)勢在諸多領(lǐng)域被廣泛運(yùn)用。藍(lán)牙的整體性能相比ZigBee稍遜一籌，但低功耗藍(lán)牙的出現(xiàn)以及藍(lán)牙5.0的發(fā)布，使得其與ZigBee間的差距縮小。藍(lán)牙5.0的理論傳輸速率相對BLE提高了1倍，傳輸距離增加了2倍，抗干擾能力更強(qiáng)，能夠更好地支持Mesh網(wǎng)絡(luò)[7]。移動設(shè)備大都支持藍(lán)牙，因此在軟件開發(fā)上相比ZigBee更具優(yōu)勢。

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)有效覆蓋范圍大。在Mesh網(wǎng)絡(luò)中，2個距離較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)設(shè)備雖然無法通信，但可以通過節(jié)點(diǎn)間多跳傳輸、層層轉(zhuǎn)發(fā)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸[8]。雖然無線BLE Mesh網(wǎng)相比傳統(tǒng)藍(lán)牙無線網(wǎng)絡(luò)理論上在覆蓋范圍、穩(wěn)定性、部署靈活性等方面具有明顯優(yōu)勢，但Mesh網(wǎng)絡(luò)作為一種新型技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用時存在不少問題。Mesh網(wǎng)絡(luò)對于數(shù)據(jù)通信算法要求高，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點(diǎn)都承擔(dān)著網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)包的處理與轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，如果算法設(shè)計不合理，那么將導(dǎo)致數(shù)據(jù)包重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)，增加節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行壓力，功耗也隨之提升，甚至由于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)找不到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)而在其他節(jié)點(diǎn)間不停轉(zhuǎn)發(fā)，最終導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓。目前在一些應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)維護(hù)還需專業(yè)維護(hù)人員手持管理移動終端，對新增節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)配置操作，極大地浪費(fèi)了人力資源。

3 無線傳感網(wǎng)絡(luò)智能組網(wǎng)算法的實(shí)現(xiàn)

3.1 藍(lán)牙無線傳感網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計

基于藍(lán)牙的無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由藍(lán)牙通信網(wǎng)絡(luò)、智能中心管理網(wǎng)關(guān)、遠(yuǎn)程服務(wù)管理云平臺、移動客戶端等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

藍(lán)牙通信網(wǎng)絡(luò)主要負(fù)責(zé)保存并向智能網(wǎng)關(guān)傳遞子節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，同時負(fù)責(zé)向網(wǎng)絡(luò)中的子節(jié)點(diǎn)傳遞智能網(wǎng)關(guān)的控制指令。智能中心管理網(wǎng)關(guān)一方面與云平臺保持通信，向云平臺傳輸?shù)讓铀{(lán)牙網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù)，接收云平臺發(fā)送的管理信息；另一方面，智能網(wǎng)關(guān)管理著底層藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)。智能網(wǎng)關(guān)不僅要接收底層網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù)和發(fā)送的控制指令，還管理著底層的網(wǎng)絡(luò)變化。遠(yuǎn)程服務(wù)管理云平臺負(fù)責(zé)存儲底層無線傳感網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息。移動客戶端主要為用戶提供可視化操作界面。用戶得到相關(guān)權(quán)限后，可以對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行相應(yīng)的管理操作。

以往的藍(lán)牙無線傳感網(wǎng)絡(luò)在實(shí)現(xiàn)長期數(shù)據(jù)監(jiān)控與節(jié)點(diǎn)設(shè)備管理過程中存在網(wǎng)絡(luò)通信不穩(wěn)定的問題，同時在應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)動態(tài)變化時需要人工操作輔助底層網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行?；谒{(lán)牙的智能組網(wǎng)算法以智能網(wǎng)關(guān)為核心，通過云平臺遠(yuǎn)程更新網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，大大優(yōu)化了動態(tài)網(wǎng)絡(luò)的管理操作，減少了人工作業(yè)。

3.2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)相關(guān)硬件設(shè)計

系統(tǒng)的關(guān)鍵在于底層的藍(lán)牙無線網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)采用BK3431藍(lán)牙芯片，支持藍(lán)牙4.0。如圖2所示，中心管理設(shè)備（智能網(wǎng)關(guān)）由4G模塊、串口模塊、電源模塊、射頻模塊與BK3431核心微處理器構(gòu)成。子設(shè)備主要由核心微處理器、串口模塊與各類接口（如ADC、I2C、SPI）組成。豐富的外圍接口便于子設(shè)備采集數(shù)據(jù)。

圖2 系統(tǒng)相關(guān)硬件設(shè)計框圖

3.3 基于藍(lán)牙的無線網(wǎng)絡(luò)智能組網(wǎng)算法實(shí)現(xiàn)

3.3.1 底層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計

底層藍(lán)牙無線網(wǎng)絡(luò)采用星型網(wǎng)絡(luò)，結(jié)構(gòu)如圖3所示。星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

圖3 底層藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

（1）控制簡單：單個子設(shè)備只與中央設(shè)備相連接，訪問控制方法簡單，易于網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和管理；

（2）故障診斷與隔離容易：單個設(shè)備出現(xiàn)故障并不會影響整個網(wǎng)絡(luò)的通信；

（3）重新配置靈活：中心設(shè)備與子設(shè)備一對一通信，中心設(shè)備易于與子設(shè)備進(jìn)行重新配置與信息更新[9]。

3.3.2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間藍(lán)牙通信機(jī)制優(yōu)化

傳統(tǒng)的無線藍(lán)牙星型網(wǎng)絡(luò)中心設(shè)備始終處于監(jiān)聽狀態(tài)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有子設(shè)備在廣播時，就與相應(yīng)設(shè)備發(fā)起建立通信請求，二者建立通信后就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。該通信機(jī)制的優(yōu)點(diǎn)在于子設(shè)備可以在只有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時發(fā)送廣播信號，以降低能耗。但它也存在缺點(diǎn)：多個子設(shè)備同時廣播將造成信道擁堵。藍(lán)牙有3個射頻通道，主從設(shè)備成功連接的前提是從設(shè)備的廣播射頻通道和主設(shè)備掃描射頻通道是同一個通道，且二者的射頻窗口匹配。但由于藍(lán)牙掃到子設(shè)備的用時不定，因此，數(shù)量眾多的子設(shè)備在爭搶與主設(shè)備通信機(jī)會時容易造成某個或幾個子設(shè)備始終無法成功建立通信，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性變差，使得網(wǎng)絡(luò)無法很好地處理對于數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時性要求不高但對于長期穩(wěn)定性有較高要求的情況。

為改善這一缺點(diǎn)，組網(wǎng)算法將主設(shè)備設(shè)置為廣播者、子設(shè)備設(shè)置為監(jiān)聽者，從主設(shè)備被動等待廣播轉(zhuǎn)變?yōu)橹髟O(shè)備主動查找子設(shè)備的模式，輪詢網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)。改進(jìn)后的藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部通信流程如圖4所示。

圖4 無線藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)通信流程

主設(shè)備或智能網(wǎng)關(guān)進(jìn)入通信狀態(tài)后，首先需要確定連接的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，然后在網(wǎng)絡(luò)中廣播尋找節(jié)點(diǎn)。之后判斷連接是否成功。如果超時則上報異常，如果連接成功則傳輸數(shù)據(jù)。最后確定下一個連接節(jié)點(diǎn)，如果無節(jié)點(diǎn)需要通信則等待下一次通信。對于子節(jié)點(diǎn)而言，只需保持監(jiān)聽，隨時準(zhǔn)備與主設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸即可。

3.3.3 基于藍(lán)牙廣播監(jiān)聽的智能組網(wǎng)算法設(shè)計

為有效減少人為的網(wǎng)絡(luò)維護(hù)工作，本文基于藍(lán)牙監(jiān)聽廣播通信機(jī)制提出了一種無線設(shè)備智能組網(wǎng)算法，中心管理設(shè)備根據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)信息尋找需要入網(wǎng)的新設(shè)備，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動入網(wǎng)與傳感網(wǎng)絡(luò)的自組織功能。算法流程如圖5所示。

圖5 藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)算法流程

（1）中心設(shè)備在發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)信息表發(fā)生變化后，在網(wǎng)絡(luò)中廣播特定的廣播包尋找新設(shè)備；

（2）中心設(shè)備不斷廣播等待新設(shè)備回應(yīng)，如果長時間沒有新設(shè)備回應(yīng)便上報異常；

（3）中心設(shè)備得到子設(shè)備回應(yīng)后與新設(shè)備建立通信，對新設(shè)備的身份信息進(jìn)行驗(yàn)證；

（4）中心設(shè)備驗(yàn)證新設(shè)備無誤后允許新設(shè)備入網(wǎng)，然后繼續(xù)尋找下一個節(jié)點(diǎn)；

（5）待所有新設(shè)備入網(wǎng)后，主設(shè)備退出組網(wǎng)狀態(tài)回歸正常的通信狀態(tài)。

中心管理設(shè)備一般不會主動廣播尋找需要入網(wǎng)的新設(shè)備，待自身存儲的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)信息由云平臺遠(yuǎn)程更新發(fā)生變化后，開始發(fā)送特殊的廣播包，找尋新的節(jié)點(diǎn)。由此實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自組織功能，減少維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的人工工作量。

4 智能組網(wǎng)算法的實(shí)驗(yàn)

本文針對無線傳感網(wǎng)絡(luò)中藍(lán)牙組網(wǎng)的穩(wěn)定性與靈活性提出了一種智能組網(wǎng)算法，對星型網(wǎng)絡(luò)下的節(jié)點(diǎn)間通信算法與基于藍(lán)牙監(jiān)聽廣播的智能組網(wǎng)算法進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并在實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)中，在實(shí)驗(yàn)室區(qū)域范圍內(nèi)部署了1個智能網(wǎng)關(guān)，即中心管理設(shè)備及20個藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)。設(shè)計好算法與通信協(xié)議后，將相關(guān)程序提前燒錄至網(wǎng)關(guān)設(shè)備與其余節(jié)點(diǎn)設(shè)備，設(shè)備實(shí)物如圖6所示。

圖6 設(shè)備實(shí)物

為驗(yàn)證優(yōu)化的藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)間通信算法，在網(wǎng)絡(luò)中放入一定數(shù)量的設(shè)備。此時，中心設(shè)備中存儲的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⑽窗l(fā)生變化，未發(fā)送組網(wǎng)的廣播包，與網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一對一輪詢通信，通過串口打印設(shè)備狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)間通信正常，證明了優(yōu)化的算法能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸。

為驗(yàn)證基于藍(lán)牙監(jiān)聽廣播機(jī)制的智能組網(wǎng)算法，通過云平臺向中心設(shè)備發(fā)送網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化信息以及節(jié)點(diǎn)的身份信息，同時中心管理設(shè)備在發(fā)現(xiàn)相應(yīng)信息發(fā)生改變后采取組網(wǎng)動作，向外廣播尋找需要入網(wǎng)設(shè)備的信息包，新節(jié)點(diǎn)在監(jiān)聽到廣播包后二者建立連接。中心管理設(shè)備在確定新設(shè)備身份信息無誤后允許其入網(wǎng)，至此組網(wǎng)完成，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化，串口打印的信息顯示組網(wǎng)過程未出現(xiàn)異常。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該算法使得設(shè)備的組網(wǎng)過程更智能，中心管理設(shè)備能夠根據(jù)存儲的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒆灾骶S護(hù)網(wǎng)絡(luò)，有效應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化，大幅減少了人工維護(hù)工作。相關(guān)數(shù)據(jù)見表1所列。

表1 網(wǎng)絡(luò)性能相關(guān)數(shù)據(jù)

5 結(jié) 語

本文主要對藍(lán)牙設(shè)備在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的底層組網(wǎng)與通信機(jī)制進(jìn)行了相應(yīng)優(yōu)化與創(chuàng)新，結(jié)果表明，基于藍(lán)牙監(jiān)聽廣播的智能組網(wǎng)算法能夠較好地適用于穩(wěn)定性要求高但實(shí)時性要求低（數(shù)據(jù)采集時間間隔超幾分鐘）的場景，并能有效應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)變化。但在實(shí)際運(yùn)用中還會有更多復(fù)雜且未知的因素存在，因此還需進(jìn)一步測試與優(yōu)化。