李曉琴，賈燕南，李 珊，楊彭衛(wèi)，李江華

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100048；2.國(guó)家節(jié)水灌溉北京工程技術(shù)研究中心，北京 100048）

0 引 言

供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)組網(wǎng)設(shè)備相對(duì)于水廠其他自動(dòng)監(jiān)控部分來(lái)說(shuō)，有著很大的差異和特殊性，通常管網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離水廠較遠(yuǎn)、在室外安裝、運(yùn)行環(huán)境惡劣，組網(wǎng)通常采用無(wú)線通信方式。組網(wǎng)通信是管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵，決定了底層的壓力、流量等感知數(shù)據(jù)是否能實(shí)時(shí)上傳，常用的通信方式包括使用GPRS或4G通信模塊、NB-IOT、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)等。

（1）使用GPRS 或4G 通信模塊。當(dāng)前已經(jīng)有很多管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)使用GPRS（General Packet Radio Service，通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)）模塊或4G 模塊進(jìn)行組網(wǎng)通信，每個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)都需要配置一個(gè)流量卡，并且每個(gè)月產(chǎn)生固定的通信費(fèi)用。這種通信方式往往比較方便獲得、信號(hào)穩(wěn)定、傳輸速率高可達(dá)到115 kb/s，但需要定期繳納一定的通信費(fèi)用［1］。

在一些靠近末梢用戶的管線監(jiān)測(cè)點(diǎn)，可以利用周邊的供電條件和設(shè)備房屋條件（事實(shí)上協(xié)調(diào)安裝的實(shí)施難度大）進(jìn)行安裝。而在主干管網(wǎng)分叉點(diǎn)附近，反而由于住戶少，供電和設(shè)備安裝難度極大。通常需要在監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近建立一個(gè)防護(hù)設(shè)施，并且要從電網(wǎng)中專門拉線供電，或者使用大面積的太陽(yáng)能板配合大容量電池進(jìn)行供電支持。單個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)備及實(shí)施成本非常高。

（2）使用NB-IOT 組網(wǎng)通信。近些年，由于NB-IOT 通信技術(shù)的興起到流行，一些儀器儀表都可以支持NB-IOT。而這個(gè)通信解決方案也是管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)可以利用的技術(shù)。

相對(duì)于GPRS 等可以支持監(jiān)測(cè)點(diǎn)長(zhǎng)鏈接發(fā)送數(shù)據(jù)，NB-IOT則是基于短鏈接方式提交數(shù)據(jù)。并且在功耗上也比GPRS 低。在極低的數(shù)據(jù)發(fā)送頻度上（如一天發(fā)送一次數(shù)據(jù)），NB-IOT 可以配合電池實(shí)現(xiàn)多年持續(xù)運(yùn)行。這個(gè)機(jī)制非常適用用水戶水表數(shù)據(jù)上傳。

而供水管網(wǎng)監(jiān)控往往要求實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)（比如每分鐘采集一次數(shù)據(jù)），才能更好地分析管網(wǎng)監(jiān)控點(diǎn)瞬時(shí)變化情況和掌握運(yùn)行狀況，這種情況NB-IOT 的優(yōu)勢(shì)就不存在，雖然NB-IOT 比GPRS 聯(lián)網(wǎng)峰值功率低，對(duì)比分析如圖1［2］，但也達(dá)到200 mA 這個(gè)電流級(jí)別，從供電角度還是需要和GPRS 同樣的機(jī)制才能有效運(yùn)行。

圖1 NB-IOT和GPRS功耗比對(duì)圖

（3）無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN），是一種廉價(jià)、具有通信、計(jì)算能力的微小傳感器節(jié)點(diǎn)，通過(guò)無(wú)線方式連接形成一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)［3-5］。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究起步于20世紀(jì)年代末期，引起了世界范圍內(nèi)廣泛的關(guān)注，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家相繼啟動(dòng)了多個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究計(jì)劃。美國(guó)自然科學(xué)基金委員會(huì)、國(guó)防部、國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、能源部和各大高校等多渠道投入資金開(kāi)展項(xiàng)目研究［6-11］。同時(shí)，各大IT 公司包括IBM、Intel|、Honeywell、Nokia 等也致力于醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、森林滅火乃至海底板塊調(diào)查、行星探查等領(lǐng)域應(yīng)用的研究。其他很多國(guó)家的研究機(jī)構(gòu)也加入了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究。迄今為止，己經(jīng)開(kāi)發(fā)出了一些實(shí)際可用的傳感器節(jié)點(diǎn)，Mica 系列節(jié)點(diǎn)、Intel mote 以及傳感器操作系統(tǒng)MANTIS、Tinyos等［12，13］。

在國(guó)內(nèi)，中國(guó)科學(xué)院微系統(tǒng)所、電子所、計(jì)算所、自動(dòng)化所等研究機(jī)構(gòu)較早開(kāi)展了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)研究，中科院北京計(jì)算所開(kāi)發(fā)了GAINS［14］系列傳感器節(jié)點(diǎn)。國(guó)內(nèi)許多重點(diǎn)大學(xué)如清華大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)、北京郵電大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等院校也都積極地開(kāi)展了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)研究［15］。

最早的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用230 MHz 頻段（超短波）無(wú)線電臺(tái)進(jìn)行通信，但是這種方式的系統(tǒng)容易受外界信號(hào)干擾，而且存在通信速率低、誤碼率較高、信號(hào)覆蓋范圍有限的問(wèn)題。電臺(tái)有效通信距離短，一般20 W 的電臺(tái)有效通訊距離只有20 km，遇到較高的障礙物，通訊距離還會(huì)縮短，數(shù)據(jù)傳送速率也較?。?6］。超長(zhǎng)距離的發(fā)送需要大功率發(fā)射，因此需要提供大功率電源，這一特性決定了數(shù)傳電臺(tái)的應(yīng)用只能限定在一定的區(qū)域范圍內(nèi)。

（4）無(wú)線RF433/315 傳輸。是管網(wǎng)數(shù)據(jù)組網(wǎng)一種比較好的方式，一類是采用中間基站方式將多個(gè)點(diǎn)連接起來(lái)通信，比無(wú)線電臺(tái)通信穩(wěn)定、覆蓋范圍廣，而且低功耗、低成本，通過(guò)基站接力方式可以實(shí)現(xiàn)一定范圍的數(shù)據(jù)組網(wǎng)。另一類是多跳無(wú)線Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)，也稱移動(dòng)自組網(wǎng)（Mobile Ad Hoc Network，MANET）［17］。自組織無(wú)線網(wǎng)是一種沒(méi)有固定基礎(chǔ)設(shè)施（沒(méi)有固定路由和固定基站）網(wǎng)絡(luò)，無(wú)基礎(chǔ)設(shè)施的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)［18，19］，終端節(jié)點(diǎn)帶有無(wú)線通信收發(fā)裝置，形成多跳、臨時(shí)性無(wú)中心的網(wǎng)絡(luò)，各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)地位相等。

一般供水工程從水廠到用水戶距離最遠(yuǎn)可以達(dá)到幾十公里。這么遠(yuǎn)的距離，能夠使用的通信手段很有限。對(duì)于農(nóng)村地區(qū)尤其是山區(qū)、高寒區(qū)、牧區(qū)等地方，GPRS、4G、NB-IOT 網(wǎng)絡(luò)受限，經(jīng)常發(fā)生信號(hào)中斷的情況，數(shù)據(jù)時(shí)有時(shí)無(wú)，無(wú)法保證正常的數(shù)據(jù)組網(wǎng)，而且后期都會(huì)有相關(guān)的運(yùn)行成本，同時(shí)存在設(shè)備采集發(fā)送頻度高和低功耗要求的矛盾。如果模型要對(duì)管網(wǎng)運(yùn)行的壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)的漏損分析，則需要每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)相關(guān)指標(biāo)采集和數(shù)據(jù)傳輸頻度也很高，這要求設(shè)備能夠盡可能地不間斷運(yùn)行，這也使得監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)不可能低功耗運(yùn)行。相比較而言，采用自組織無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是一種經(jīng)濟(jì)、高效的選擇。

現(xiàn)有的無(wú)線組協(xié)議為了能夠適應(yīng)大多數(shù)情景實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，針對(duì)農(nóng)村供水管網(wǎng)監(jiān)控距離遠(yuǎn)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量多等特點(diǎn)，難以支持太陽(yáng)能和電池組合供電，依托周邊電源導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)安裝實(shí)施困難，對(duì)設(shè)備要求較高難以支持低端芯片從而導(dǎo)致成本較高，傳統(tǒng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)還需要購(gòu)買基站接力設(shè)備。因而傳統(tǒng)的路由協(xié)議不能直接應(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，需要設(shè)計(jì)專門適用于自組網(wǎng)的協(xié)議，Mac 協(xié)議和路由協(xié)議都是自組織無(wú)線網(wǎng)絡(luò)研究的重點(diǎn)和主要技術(shù)難點(diǎn)［20，21］，網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性、功耗等性能都依賴所采用的協(xié)議。

1 專有自組網(wǎng)無(wú)線通信協(xié)議設(shè)計(jì)思路

1.1 專有自組網(wǎng)無(wú)線通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)需求

結(jié)合農(nóng)村管網(wǎng)數(shù)據(jù)組網(wǎng)協(xié)議監(jiān)測(cè)實(shí)際情況，對(duì)協(xié)議能夠支持的最基本要求進(jìn)行分析。

（1）監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)分析。根據(jù)調(diào)研分析，大部分農(nóng)村供水工程管網(wǎng)末梢（入村）監(jiān)測(cè)點(diǎn)不超過(guò)30個(gè)，水廠到用水戶最遠(yuǎn)端大多不超過(guò)30 km。按照末梢-中間枝干管-主干管-水廠中心，分4 級(jí)配置監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)。每一級(jí)對(duì)上一級(jí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量折半（實(shí)際大部分達(dá)不到這種高密度），由此節(jié)點(diǎn)數(shù)為30-15-7-3-1，總共56個(gè)。

（2）節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量分析。單個(gè)管網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)一般有壓力、流量2 個(gè)指標(biāo)，大多僅壓力1 個(gè)指標(biāo)，加上設(shè)備自身的一些參數(shù)，如電池電壓（1～2個(gè)值）、溫度等?？偙O(jiān)測(cè)指標(biāo)設(shè)計(jì)不超過(guò)10個(gè)，每個(gè)指標(biāo)2 個(gè)字節(jié)（2 bytes），每次采集產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包負(fù)載不超過(guò)20個(gè)字節(jié)。

（3）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集發(fā)送頻度分析。傳統(tǒng)管網(wǎng)只需要監(jiān)測(cè)累計(jì)流量，一段時(shí)間內(nèi)采集2 個(gè)數(shù)據(jù)就可以獲取這個(gè)時(shí)間段內(nèi)的累計(jì)差值。所以，基本上每天采集一次即可。

而基于管網(wǎng)模型分析的監(jiān)測(cè)要求就比較高，比如，壓力，在用水高峰根據(jù)用水人數(shù)的變化，不同管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)壓力波動(dòng)就比較大。此時(shí)需要分鐘級(jí)甚至秒級(jí)的壓力變化數(shù)據(jù)。

（4）國(guó)內(nèi)對(duì)無(wú)線通信管理要求。單信道使用。國(guó)家要求中心專用的網(wǎng)關(guān)設(shè)備只能使用單信道，多信道不被允許。而本協(xié)議實(shí)現(xiàn)時(shí)不需要專門的中心網(wǎng)關(guān)設(shè)備。

單次發(fā)射不超過(guò)1 s。本協(xié)議負(fù)載數(shù)據(jù)包不超過(guò)20 個(gè)字節(jié)，同時(shí)也不使用專門的組網(wǎng)網(wǎng)關(guān)（減少了必要的組網(wǎng)數(shù)據(jù)包協(xié)議內(nèi)容），配合使用合適的擴(kuò)頻因子（比如6），就算使用比較低的空中波特率2 400，單次發(fā)射不會(huì)超過(guò)1 s。

（5）靈活組網(wǎng)。在一些特殊場(chǎng)合，中心水廠的地理位置不適合做中心節(jié)點(diǎn)。此時(shí)，要求在其他位置設(shè)置中心節(jié)點(diǎn)，并且中心節(jié)點(diǎn)可能并不能限定一個(gè)。

因此，協(xié)議中任何節(jié)點(diǎn)都可以作為中心節(jié)點(diǎn)，并且通過(guò)合適的外圍供電和通信轉(zhuǎn)換配置，使得一個(gè)水廠管網(wǎng)數(shù)據(jù)組網(wǎng)，可以根據(jù)需要設(shè)定多個(gè)中心節(jié)點(diǎn)。每個(gè)中心節(jié)點(diǎn)可以利用本地的網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行周邊節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)匯總，并上傳到上位（云端）的農(nóng)村供水管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。

1.2 專有自組網(wǎng)無(wú)線通信協(xié)議層

專有自組網(wǎng)無(wú)線通信協(xié)議由三層組成，自下而上分別為Mac 層、鏈路（Link）層和應(yīng)用（App 或者上位機(jī)管理軟件）層，最下面是基于通用異步收發(fā)器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）、串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface，SPI）和無(wú)線模塊的物理層支持。

Mac層主要定義了數(shù)據(jù)包在兩個(gè)相鄰設(shè)備一次發(fā)送或接收的具體格式和要求。

Link 鏈路層以Mac 層為基礎(chǔ)，提供了數(shù)據(jù)包在節(jié)點(diǎn)路由條件下的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)相關(guān)要求。鏈路層提供了基于節(jié)點(diǎn)地址的鏈路路徑信息，并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)在這個(gè)層級(jí)基于這些鏈路信息，形成數(shù)據(jù)包的鏈路轉(zhuǎn)發(fā)功能。這樣節(jié)點(diǎn)間能夠通過(guò)互相接力方式，達(dá)到更遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸。中心節(jié)點(diǎn)路由策略位置在Link層之上，路由計(jì)算和規(guī)劃都在此支持。

應(yīng)用層，則基于Link層實(shí)現(xiàn)相關(guān)應(yīng)用指令和數(shù)據(jù)定義。

本協(xié)議也可以在其他有著和管網(wǎng)監(jiān)測(cè)類似運(yùn)行要求和條件的領(lǐng)域應(yīng)用，在Mac 層和Link 之上根據(jù)業(yè)務(wù)需求定義自己的應(yīng)用層。協(xié)議層次如圖2所示。

圖2 專有自組網(wǎng)無(wú)線通信協(xié)議層次圖

1.3 中心鏈路規(guī)劃法

本文研究提出了中心鏈路規(guī)劃法，所有的采集節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)都向中心節(jié)點(diǎn)匯總。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都不需要考慮網(wǎng)絡(luò)路由策略，所有的數(shù)據(jù)包路由都由中心節(jié)點(diǎn)決定。即所有的路由策略都由中心節(jié)點(diǎn)來(lái)完成，并且這個(gè)路由策略不僅可以在設(shè)備芯片中完成，還可以使用上位強(qiáng)計(jì)算能力的嵌入設(shè)備或計(jì)算機(jī)（Personal computer）來(lái)完成。采集網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 中心鏈路規(guī)劃法

2 數(shù)據(jù)包定義

本節(jié)基于中心鏈路規(guī)劃法，在不同層級(jí)定義數(shù)據(jù)包格式。

2.1 節(jié)點(diǎn)地址

所有節(jié)點(diǎn)地址使用1 字節(jié)無(wú)符號(hào)整數(shù)，有效范圍0～255，其中0，協(xié)議上設(shè)定為?。╠ummy）節(jié)點(diǎn)，此節(jié)點(diǎn)可以監(jiān)聽(tīng)周邊的無(wú)線信號(hào)，但不會(huì)做出任何應(yīng)答，255為廣播地址。那么一個(gè)同頻網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)數(shù)最大值是254，滿足目前國(guó)內(nèi)農(nóng)村供水工程管網(wǎng)監(jiān)測(cè)的需要。

2.2 Mac數(shù)據(jù)包格式

Mac 數(shù)據(jù)包只考慮相鄰的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)（各自都有自身的1 字節(jié)地址）直接通信的數(shù)據(jù)包格式（見(jiàn)表1）。由于通信模塊使用透明傳輸方式，底層的無(wú)線頻點(diǎn)、空中波特率、擴(kuò)頻容錯(cuò)機(jī)制、數(shù)據(jù)校驗(yàn)（如CRC）和安全性都直接由無(wú)線模塊支持，所以，本協(xié)議的Mac 層只需要使用5 個(gè)字節(jié)的包頭信息，就可以滿足兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的基礎(chǔ)通信。

表1 Mac數(shù)據(jù)包格式表

2.3 Link數(shù)據(jù)包格式

鏈路層數(shù)據(jù)包基于Mac 層的Data（后續(xù)）數(shù)據(jù)內(nèi)容建立，以Data第0位為起始（Mac包的第5字節(jié)位）（見(jiàn)表2）。

表2 節(jié)點(diǎn)消息包格式表

當(dāng)Mac 層的數(shù)據(jù)包類型為3-link 時(shí)，低4bit 對(duì)應(yīng)的鏈路消息包類型如表3。

表3 低4bit對(duì)應(yīng)的鏈路消息包類型表

3 消息轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制與節(jié)點(diǎn)關(guān)系獲取

3.1 Mac層發(fā)送接收流程

對(duì)于Pk Count 計(jì)數(shù)，協(xié)議上一層每發(fā)送一個(gè)新數(shù)據(jù)包，則做一次累加，當(dāng)計(jì)數(shù)達(dá)到255時(shí)，下一次計(jì)數(shù)變成0。

Mac層支持可靠發(fā)送和非可靠發(fā)送兩種機(jī)制。發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，可以設(shè)定發(fā)送嘗試次數(shù)，在超過(guò)發(fā)送次數(shù)之后，沒(méi)有收到應(yīng)答，可以認(rèn)為發(fā)送失敗。接收端接收到數(shù)據(jù)包后，根據(jù)Target address 判斷是否需要處理，如果發(fā)現(xiàn)Target address 是自身地址或者是廣播地址，進(jìn)行處理。

（1）根據(jù)包類型Mac pack type，判斷是否需要應(yīng)答，如果需要?jiǎng)t生成一個(gè)應(yīng)答類型的包，Data_len=0，并進(jìn)行應(yīng)答發(fā)送。

（2）提交給上一層協(xié)議進(jìn)行處理。

（3）對(duì)于包類型=1 查找周邊類型的情況，則Mac 層需要根據(jù)自身的地址，計(jì)算應(yīng)答延遲時(shí)間，以避免發(fā)送者周邊多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)應(yīng)答嘗試沖突。并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)Mac 層需要建立一個(gè)周邊節(jié)點(diǎn)地址表，定時(shí)發(fā)送查找周邊指令進(jìn)行更新。

Mac 層具體實(shí)現(xiàn)流程包括發(fā)送數(shù)據(jù)包（如圖4）、接收數(shù)據(jù)包（如圖5）。

圖4 發(fā)送數(shù)據(jù)包流程圖

圖5 接收數(shù)據(jù)包流程圖

Mac層還需要實(shí)現(xiàn)周邊節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)更新。①更新周期。每個(gè)節(jié)點(diǎn)Mac 層需要定時(shí)發(fā)出查找周邊數(shù)據(jù)包。更新周期可以由協(xié)議參數(shù)來(lái)設(shè)定。對(duì)于管網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，更新周期可以設(shè)定為一天一次甚至更長(zhǎng)時(shí)間。②新加入節(jié)點(diǎn)或剛啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)。對(duì)于新加入或剛通電啟動(dòng)的節(jié)點(diǎn)，則可以立即發(fā)送查找周邊數(shù)據(jù)包，這樣可以盡快使自己獲取周邊的節(jié)點(diǎn)情況。③節(jié)點(diǎn)響應(yīng)查找周邊節(jié)點(diǎn)，流程如圖6。

圖6 節(jié)點(diǎn)響應(yīng)查找周邊節(jié)點(diǎn)流程

3.2 Link層消息轉(zhuǎn)發(fā)策略

鏈路層消息轉(zhuǎn)發(fā)策略是本協(xié)議的核心，節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，鏈路層在數(shù)據(jù)包前加入起始節(jié)點(diǎn)地址-中間轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的地址-目標(biāo)節(jié)點(diǎn)地址列表。

當(dāng)中間節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)包時(shí)，查看自己在數(shù)據(jù)包鏈路中的位置，定位下一個(gè)節(jié)點(diǎn)地址（或者最終接收者地址）。如果節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)此數(shù)據(jù)包需要轉(zhuǎn)發(fā)到下一個(gè)地址，則生成Mac 層需要的數(shù)據(jù)并推給Mac 進(jìn)行發(fā)送處理。鏈路層轉(zhuǎn)發(fā)包括起始節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息和中間節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)/接收過(guò)程，見(jiàn)圖7。

圖7 中間節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)/接收流程圖

（1）起始節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息。起始節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息時(shí)，需要提供自身起始節(jié)點(diǎn)地址、目標(biāo)地址、中間經(jīng)過(guò)的轉(zhuǎn)發(fā)地址和需要發(fā)送的數(shù)據(jù)包（有長(zhǎng)度限制）。調(diào)用Mac 層發(fā)送接口，Mac 層的目標(biāo)地址是鏈路的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)地址。

（2）中間節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)/接收過(guò)程。中間轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)Mac層收到并解析消息包之后，采用協(xié)議棧反向調(diào)用鏈路層的接收處理，判斷自身在鏈路中的位置，如果自身是轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，則查找下一個(gè)節(jié)點(diǎn)地址，如果自身是目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，則返回Mac 層處理給予應(yīng)答。

3.3 節(jié)點(diǎn)關(guān)系獲取

基于鏈路消息轉(zhuǎn)發(fā)，鏈路層有專門獲取其他節(jié)點(diǎn)的周邊節(jié)點(diǎn)地址的信息包。中心節(jié)點(diǎn)可以定時(shí)發(fā)起節(jié)點(diǎn)關(guān)系獲取和更新，并在自身建立所有節(jié)點(diǎn)之間周邊節(jié)點(diǎn)關(guān)系表（見(jiàn)表4）。中心節(jié)點(diǎn)可以從中心開(kāi)始，通過(guò)鏈路層的轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，逐層向外獲取周邊節(jié)點(diǎn)地址，以此為基礎(chǔ)獲取所有節(jié)點(diǎn)的關(guān)系表。中心節(jié)點(diǎn)可以以最短路徑訪問(wèn)任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

在鏈路層，雖然能夠支持通過(guò)鏈路消息指令，獲取網(wǎng)絡(luò)中另一個(gè)節(jié)點(diǎn)的周邊節(jié)點(diǎn)列表，但鏈路層并不對(duì)其他節(jié)點(diǎn)的周邊節(jié)點(diǎn)信息做任何存儲(chǔ)和后續(xù)處理。相關(guān)API預(yù)留給應(yīng)用層或上位機(jī)管理軟件使用。

節(jié)點(diǎn)關(guān)系獲取/更新過(guò)程，以表4節(jié)點(diǎn)關(guān)系表為例，進(jìn)行說(shuō)明。

表4 節(jié)點(diǎn)關(guān)系表

（1）節(jié)點(diǎn)關(guān)系獲取由中心節(jié)點(diǎn)開(kāi)始，中心節(jié)點(diǎn)1查找自身節(jié)點(diǎn)Mac 層定時(shí)更新的周邊節(jié)點(diǎn)列表2、3，并返回給上位機(jī)管理軟件。

（2）上位機(jī)管理軟件根據(jù)中心節(jié)點(diǎn)的周邊節(jié)點(diǎn)地址2、3，按順序發(fā)送對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的周邊節(jié)點(diǎn)查詢數(shù)據(jù)包（link_tp=2 和link_tp=3）。由于2，3 為直接的周邊節(jié)點(diǎn)，不需要通過(guò)中間轉(zhuǎn)發(fā)即可實(shí)現(xiàn)。

（3）中心節(jié)點(diǎn)繼續(xù)查找節(jié)點(diǎn)4的周邊節(jié)點(diǎn)，此時(shí)需要上位機(jī)管理軟件根據(jù)已有的節(jié)點(diǎn)關(guān)系表，選擇鏈路。很明顯，節(jié)點(diǎn)4的鏈路可以有1-2-4、1-3-4 兩種選擇。上位機(jī)管理軟件只需要選擇其中一個(gè)即可。此時(shí)，鏈路層自動(dòng)生成帶鏈路信息的周邊節(jié)點(diǎn)獲取數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包通過(guò)鏈路轉(zhuǎn)發(fā)到達(dá)節(jié)點(diǎn)4，節(jié)點(diǎn)4 的鏈路層收到數(shù)據(jù)包之后，獲取本地的周邊節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，形成應(yīng)答數(shù)據(jù)包，并且使用相同的鏈路返回。

（4）繼續(xù)上面（2）、（3）過(guò)程，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間，就可以完整建立或更新節(jié)點(diǎn)關(guān)系表。

一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)供水工程所有監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)安裝完備之后，所有的節(jié)點(diǎn)地址都已經(jīng)確定。中心節(jié)點(diǎn)可以預(yù)先設(shè)定組網(wǎng)內(nèi)部的全部地址信息。如果節(jié)點(diǎn)關(guān)系表建立完成，則可以和全部的節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行比較。如果發(fā)現(xiàn)有一些節(jié)點(diǎn)沒(méi)有在關(guān)系表中，則說(shuō)明這些節(jié)點(diǎn)由于一些故障原因而無(wú)法到達(dá)，由此，中心節(jié)點(diǎn)應(yīng)該產(chǎn)生故障報(bào)警。

3.4 中心路由統(tǒng)一管理

中心發(fā)起的數(shù)據(jù)包自帶鏈路信息，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)或鏈路中的中間節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)數(shù)據(jù)包的鏈路信息做轉(zhuǎn)發(fā)或應(yīng)答，中心節(jié)點(diǎn)通過(guò)節(jié)點(diǎn)關(guān)系表，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一路由管理。

中心路由可以選擇每個(gè)節(jié)點(diǎn)到達(dá)的鏈路，并且在運(yùn)行過(guò)程中，根據(jù)實(shí)際的丟包情況，進(jìn)行鏈路切換、重新嘗試等復(fù)雜的路由策略。由于無(wú)線信號(hào)受地形等因素影響，節(jié)點(diǎn)間的周邊節(jié)點(diǎn)關(guān)系并不一定符合地理位置的遠(yuǎn)近。

4 自組網(wǎng)無(wú)線通信協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)

（1）單字節(jié)地址和小數(shù)據(jù)包。單個(gè)字節(jié)（byte）扣除0 和255兩個(gè)特殊值，可以為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)提供254個(gè)設(shè)備地址，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足以上分析的單個(gè)管網(wǎng)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)需要。同時(shí)，每次監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)負(fù)載不超過(guò)20 字節(jié)，配合協(xié)議要求的數(shù)據(jù)，單個(gè)數(shù)據(jù)包可以不超過(guò)50 字節(jié)。協(xié)議可以輕松運(yùn)行在低端8 位單片機(jī)上，16位或32位中高端單片機(jī)實(shí)現(xiàn)就更沒(méi)有壓力，可以降低設(shè)備研發(fā)成本，同時(shí)運(yùn)行更加可靠。

（2）滿足國(guó)內(nèi)無(wú)線通信管理要求。中心路由可以選擇每個(gè)節(jié)點(diǎn)到達(dá)的鏈路，并且在運(yùn)行過(guò)程中，根據(jù)實(shí)際的丟包情況，進(jìn)行鏈路切換、重新嘗試等復(fù)雜的路由策略，從而實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)無(wú)線通信。國(guó)家要求中心節(jié)點(diǎn)專用的網(wǎng)關(guān)設(shè)備只能使用單信道，本協(xié)議實(shí)現(xiàn)時(shí)不需要專門的中心網(wǎng)關(guān)設(shè)備。單次發(fā)射不超過(guò)1 s。本協(xié)議負(fù)載數(shù)據(jù)包不超過(guò)50 個(gè)字節(jié)，同時(shí)也不使用專門的組網(wǎng)網(wǎng)關(guān)（減少了必要的組網(wǎng)數(shù)據(jù)包協(xié)議內(nèi)容），配合使用合適的擴(kuò)頻因子（比如6），就算使用比較低的空中波特率2 400 B/s，單次發(fā)射不會(huì)超過(guò)1 s。

（3）應(yīng)用范圍廣，能夠支持當(dāng)前已有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線技術(shù)和模塊。通過(guò)利用現(xiàn)有的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線技術(shù)和模塊，可以使得監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)更加靈活，同時(shí)降低研發(fā)和材料成本。此外，利用先進(jìn)的無(wú)線技術(shù)和對(duì)應(yīng)的模塊可以減少底層協(xié)議實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，在容錯(cuò)能力、安全性等方面快速獲得基礎(chǔ)支持。

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)農(nóng)村供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)組網(wǎng)的特點(diǎn)和需求，基于中心鏈路規(guī)劃法，提出了一種專有自組網(wǎng)無(wú)線通信協(xié)議，基于此協(xié)議的硬件設(shè)備能夠低功耗運(yùn)行，只需要小體積電池和小型太陽(yáng)能板就可以有效運(yùn)行，現(xiàn)場(chǎng)安裝不需要依賴周邊電源。節(jié)點(diǎn)關(guān)系表和中心路由統(tǒng)一管理策略實(shí)現(xiàn)了中心節(jié)點(diǎn)可以以最短路徑訪問(wèn)任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)，最終達(dá)到組網(wǎng)不需要中間基站，在合法合規(guī)前提下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、高效、經(jīng)濟(jì)的管網(wǎng)數(shù)據(jù)組網(wǎng)和傳輸。