混合多址接入的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

鐘揚(yáng)坤，向 新，劉在勇，孫 曄

(空軍工程大學(xué)航空航天工程學(xué)院，陜西 西安 710038)

責(zé)任編輯:薛 京

作為物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)備受關(guān)注。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用前景廣泛，已有各種系統(tǒng)應(yīng)用于軍事、醫(yī)療、家庭、工業(yè)等領(lǐng)域［1］。無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)接入網(wǎng)絡(luò)的方式可劃分為基于競(jìng)爭(zhēng)和基于調(diào)度兩大類:基于競(jìng)爭(zhēng)的接入能滿足面向事件驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用需求，但是周期性采樣的應(yīng)用中其能耗過(guò)大;基于調(diào)度的接入有睡眠調(diào)度方面的優(yōu)勢(shì)，但是其實(shí)時(shí)響應(yīng)性較差?；趦煞N接入方式的優(yōu)缺點(diǎn)，學(xué)者們提出了混合接入的思想。目前比較典型的有 Z－MAC［2］和 Funneling MAC［3］協(xié)議。兩者的思想均是采用CSMA和TDMA的混合接入，在信道資源較空閑的情況下使用CSMA，在資源緊張的情況下使用TDMA解決信道沖突問(wèn)題。此外，Waharte S等人針對(duì)分簇型網(wǎng)絡(luò)簇間覆蓋區(qū)域重疊并引起簇間傳輸干擾的問(wèn)題，提出了FDMA/TDMA 混合接入模型［4］。

在面向事件的監(jiān)測(cè)場(chǎng)景中，需要對(duì)周遭環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，也需兼顧對(duì)事件的及時(shí)響應(yīng)、報(bào)警。只采用TDMA的接入方式不能滿足其需求。在參考 Z－MAC［2］，TLTS［5］和Waharte S等人提出的模型［4］，設(shè)計(jì)一種混合多址接入的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)采用FDMA和TDMA構(gòu)成混合多址接入，簇間采用FDMA機(jī)制，各簇可并行工作。簇內(nèi)采用TDMA機(jī)制，且在TDMA機(jī)制下，提供一個(gè)公共時(shí)隙，供節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)、判決，在判斷為有事件發(fā)生時(shí)，能通過(guò)CSMA競(jìng)爭(zhēng)與簇頭節(jié)點(diǎn)建立通信。本文所設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)針對(duì)周期信息感知和事件檢測(cè)需求共存的應(yīng)用場(chǎng)景，提出兼顧系統(tǒng)的節(jié)能性和實(shí)時(shí)響應(yīng)性的折中方案。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h3>

設(shè)計(jì)采用兩級(jí)簇結(jié)構(gòu)的層次型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。分簇結(jié)構(gòu)擴(kuò)展性好，便于集中管理，可以降低系統(tǒng)建設(shè)成本，提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋率和可靠性。采用區(qū)域劃分，不同區(qū)域中傳感器節(jié)點(diǎn)自成一簇，分配一個(gè)區(qū)域中心節(jié)點(diǎn)。整個(gè)設(shè)計(jì)由一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)(匯聚節(jié)點(diǎn))、多個(gè)區(qū)域中心節(jié)點(diǎn)(傳輸節(jié)點(diǎn))和多個(gè)子節(jié)點(diǎn)(傳感節(jié)點(diǎn))組成。中心節(jié)點(diǎn)與區(qū)域中心節(jié)點(diǎn)構(gòu)成主簇，區(qū)域中心節(jié)點(diǎn)與子節(jié)點(diǎn)構(gòu)成二級(jí)簇。子節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集環(huán)境參量，將數(shù)據(jù)傳遞給區(qū)域中心節(jié)點(diǎn);區(qū)域中心節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)維持區(qū)域內(nèi)子節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步、工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)，接收并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù);中心節(jié)點(diǎn)將匯集的信息通過(guò)串口上傳至PC端，由上位機(jī)軟件進(jìn)行解析。設(shè)計(jì)所用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

1.2 接入技術(shù)應(yīng)用

系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的多址接入是設(shè)計(jì)的重要部分。多址接入技術(shù)可分為T(mén)DMA，CDMA，F(xiàn)DMA。TDMA機(jī)制中，節(jié)點(diǎn)按照預(yù)分配的時(shí)隙與其他節(jié)點(diǎn)通信;CDMA機(jī)制為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配特定的具有正交性的地址碼以解決信道的共享;FDMA使用不同通信頻率實(shí)現(xiàn)多址接入［6］。

基于分區(qū)域檢測(cè)的思路，系統(tǒng)采用基于分簇結(jié)構(gòu)的層次型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。但是，分簇型網(wǎng)絡(luò)簇間通信區(qū)域重疊會(huì)引起簇間傳輸干擾。如圖1中所示的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)區(qū)域分布時(shí)，區(qū)域相鄰或重疊時(shí)，簇與簇之間的通信會(huì)產(chǎn)生干擾。此時(shí)，簇與簇間也采用多址接入技術(shù)，考慮傳感器多工作于無(wú)須使用授權(quán)的ISM頻帶，且頻道上工作的民用通信設(shè)備多，在某一時(shí)刻某個(gè)頻點(diǎn)上可能出現(xiàn)過(guò)載，導(dǎo)致系統(tǒng)通信不暢通。因此基于認(rèn)知無(wú)線電思想，利用頻率捷變的方式，避免干擾。設(shè)計(jì)中采用FDMA，將工作頻帶劃分為多個(gè)子工作頻道，由中心節(jié)點(diǎn)采用載波監(jiān)聽(tīng)的方式對(duì)工作信道進(jìn)行優(yōu)選，選擇主簇和子簇工作頻道。在FDMA的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)單點(diǎn)頻率上干擾的規(guī)避。

在簇間采用FDMA的基礎(chǔ)上，考慮設(shè)計(jì)的節(jié)能性，引入節(jié)點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)制，在簇內(nèi)采用具有內(nèi)在節(jié)能特性的TDMA機(jī)制，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的睡眠輪換。此外，為了提高子節(jié)點(diǎn)與區(qū)域中心節(jié)點(diǎn)通信的公平性，在TDMA機(jī)制下分配一個(gè)時(shí)隙供簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)以CSMA方式共享此時(shí)隙的工作頻道。即簇間通信采用FDMA機(jī)制，簇內(nèi)通信采用TDMA機(jī)制。

2 系統(tǒng)工作過(guò)程

系統(tǒng)的FDMA機(jī)制通過(guò)區(qū)域中心節(jié)點(diǎn)的頻率切換實(shí)現(xiàn)，如圖1所示。對(duì)頻道加標(biāo)識(shí)以便區(qū)分，主簇工作在頻道0，子簇1工作在頻道1，子簇2工作在頻道2。主簇和子簇的信息交流以區(qū)域中心節(jié)點(diǎn)作為中介進(jìn)行。系統(tǒng)工作過(guò)程如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

1)初始化階段包括節(jié)點(diǎn)的初始化和網(wǎng)絡(luò)的初始化。節(jié)點(diǎn)的初始化主要指硬件的初始設(shè)置、使能。網(wǎng)絡(luò)的初始化主要指自組織成簇，系統(tǒng)以單晶方式構(gòu)建簇，一簇內(nèi)由簇頭節(jié)點(diǎn)發(fā)起形成，每個(gè)申請(qǐng)加入簇的節(jié)點(diǎn)向簇頭節(jié)點(diǎn)發(fā)出請(qǐng)求，根據(jù)簇頭節(jié)點(diǎn)的不同響應(yīng)加入簇。

2)初始化結(jié)束后由中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行頻道情況的感知和優(yōu)選，通過(guò)頻道變換信息的發(fā)送，完成各級(jí)簇的頻道分配，節(jié)點(diǎn)切換頻道后，往上級(jí)發(fā)送確認(rèn)信號(hào)，從下至上完成變換確認(rèn)。

3)認(rèn)知過(guò)程結(jié)束后，進(jìn)入工作階段，所有的區(qū)域中心節(jié)點(diǎn)設(shè)置為中心節(jié)點(diǎn)的頻道，接收來(lái)自中心節(jié)點(diǎn)的時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)(工作激活信號(hào))，緊接著，區(qū)域中心節(jié)點(diǎn)將頻道切換到本簇的頻道，向簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)廣播時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)二級(jí)簇的同步及工作激活。

4)接收時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)后，各簇內(nèi)子節(jié)點(diǎn)進(jìn)入監(jiān)測(cè)模式，啟動(dòng)傳感器模塊，對(duì)外部環(huán)境進(jìn)行感知，進(jìn)行簡(jiǎn)單的條件判決:環(huán)境參數(shù)超過(guò)一定閾值，則判斷為有事件發(fā)生，通過(guò)CSMA競(jìng)爭(zhēng)信道、上傳報(bào)警信號(hào)，完成后按照時(shí)序繼續(xù)工作;反之，存儲(chǔ)感知到的環(huán)境參數(shù)，按TDMA機(jī)制，依據(jù)所分配到的通信時(shí)隙進(jìn)入睡眠模式或通信模式。

5)進(jìn)入子節(jié)點(diǎn)周期工作時(shí)間時(shí)隙，當(dāng)前時(shí)隙工作子節(jié)點(diǎn)處于通信狀態(tài)，其余子節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 信道劃分、感知、決策

圖3 信道劃分、感知、決策

3.2 具體時(shí)隙劃分及節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)

設(shè)計(jì)中，TDMA時(shí)隙劃分為:1)感知時(shí)隙;2)周期信號(hào)上傳時(shí)隙;3)時(shí)鐘同步等待時(shí)隙;4)區(qū)域周期監(jiān)測(cè)信號(hào)上傳時(shí)隙。簇內(nèi)子節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)分為:1)監(jiān)測(cè)模式，MCU正常工作，傳感器模塊使能，射頻通信模塊關(guān)閉;2)通信模式，MCU正常工作，傳感器模塊關(guān)閉，射頻通信模塊使能;3)睡眠模式，MCU處于空閑模式(定時(shí)器正常工作，可響應(yīng)定時(shí)中斷)，傳感器模塊關(guān)閉，射頻通信模塊使能。子節(jié)點(diǎn)各個(gè)時(shí)隙和工作狀態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖4所示。

圖4 子節(jié)點(diǎn)工作時(shí)隙

3.3 TDMA機(jī)制下的CSMA競(jìng)爭(zhēng)時(shí)隙

TDMA機(jī)制在周期信息感知中有卓越的性能，但是其對(duì)事件的實(shí)時(shí)響應(yīng)沒(méi)有CSMA等協(xié)議的響應(yīng)快，事件發(fā)生時(shí)，節(jié)點(diǎn)仍需按照原本的時(shí)序等待上傳，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)對(duì)事件上傳的通信時(shí)機(jī)不公平。故本文在時(shí)間基準(zhǔn)同步后分配監(jiān)測(cè)時(shí)隙，供節(jié)點(diǎn)通過(guò)感知信息判斷事件是否發(fā)生，如有事件發(fā)生，則啟動(dòng)通信模塊，以CSMA的方式競(jìng)爭(zhēng)信道，與簇頭節(jié)點(diǎn)建立連接、上傳信息。系統(tǒng)中CSMA協(xié)議通過(guò)RSSI實(shí)現(xiàn)。

3.4 功率控制

設(shè)計(jì)中功率控制的基本思想是在保證網(wǎng)絡(luò)覆蓋率和連通度的前提下，通過(guò)降低子節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率，使得網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能量消耗最小，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)末端的生命期。具體實(shí)現(xiàn)為:初始化階段，成簇后，簇頭節(jié)點(diǎn)與子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，由子節(jié)點(diǎn)向簇頭節(jié)點(diǎn)發(fā)送測(cè)試信號(hào)，簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行RSSI，給定滿足一定連通度的RSSI值上限和下限，子節(jié)點(diǎn)通過(guò)簇頭節(jié)點(diǎn)發(fā)送的功率控制幀動(dòng)態(tài)來(lái)調(diào)整自己的發(fā)射功率，使得子節(jié)點(diǎn)對(duì)簇頭節(jié)點(diǎn)單向通信的RSSI值落在上限和下限之間。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1 硬件設(shè)計(jì)

對(duì)上述的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，構(gòu)建系統(tǒng)予以實(shí)現(xiàn)。根據(jù)上文所述系統(tǒng)機(jī)制，系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮不同節(jié)點(diǎn)所完成任務(wù)不同，配置要求也不同，考慮系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的性價(jià)比以及分工不同。主節(jié)點(diǎn)和分節(jié)點(diǎn)選擇不同的微處理器和硬件構(gòu)造，主節(jié)點(diǎn)選擇AVR系列單片機(jī)ATmega16L［8］，子節(jié)點(diǎn)微處理器則選擇體積較小、引腳較少的 ATmega8L［9］。節(jié)點(diǎn)無(wú)線通信模塊采用 CYRF6936［10］射頻芯片。Cypress公司的CYRF6936是基于WirelessUSB LP［11］技術(shù)的射頻芯片，采用直接序列擴(kuò)頻(DSSS)，片內(nèi)資源多、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、成本低。傳感器模塊采用DS18B20溫度傳感器。系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)實(shí)物及原理框圖如圖5所示。

4.2 結(jié)合硬件的網(wǎng)絡(luò)跨層設(shè)計(jì)

基于CYRF6936的硬件結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)上文的通信機(jī)制。通信芯片的DSSS通信機(jī)制有助于提高通信的抗干擾性能;利用芯片的多頻道和頻道快切換用于實(shí)現(xiàn)FDMA調(diào)度機(jī)制。CYRF6936具有98個(gè)工作頻道，其中25個(gè)為可快速啟動(dòng)信道，其切換時(shí)間小于100 μs。系統(tǒng)的FDMA工作頻道在6936快速頻道中選擇。芯片的快速喚醒功能有利于實(shí)現(xiàn)TDMA調(diào)度，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換。同時(shí)利用MCU的計(jì)時(shí)器保持子節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部時(shí)鐘，維持節(jié)點(diǎn)對(duì)工作時(shí)隙的正常接入。在每一工作周期起始，一簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)利用簇內(nèi)廣播的時(shí)間基準(zhǔn)校準(zhǔn)內(nèi)部時(shí)鐘，保持簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘的相對(duì)同步。信道參數(shù)的檢測(cè)和通信質(zhì)量測(cè)量利用芯片內(nèi)置的RSSI功能實(shí)現(xiàn)。

4.3 試驗(yàn)及系統(tǒng)測(cè)試性能

4.3.1 節(jié)點(diǎn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信性能測(cè)試

CYRF6936的RSSI功能，是系統(tǒng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)的重要部分之一，不同條件RSSI值需要精確界定。因此，本文設(shè)計(jì)試驗(yàn)，測(cè)量不同條件下接收端節(jié)點(diǎn)的RSSI數(shù)值。使用4節(jié)AA電池為節(jié)點(diǎn)供電，頻率設(shè)置為2.4 GHz，利用串口通信將RSSI值上傳至PC機(jī)，結(jié)果如表1所示。

表1 固定距離、不同功率RSSI測(cè)試

此外，對(duì)節(jié)點(diǎn)的通信距離進(jìn)行了性能測(cè)試，結(jié)果如表2所示。

表2 節(jié)點(diǎn)通信距離測(cè)試

子節(jié)點(diǎn)各個(gè)工作狀態(tài)的耗能測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)工作電流測(cè)試

4.3.2 系統(tǒng)整體測(cè)試

將應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)定為室內(nèi)有限空間環(huán)境的監(jiān)測(cè)，利用設(shè)計(jì)的硬件平臺(tái)分別采用設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧、2層TDMA(TLTS)、CSMA進(jìn)行無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。信號(hào)發(fā)送時(shí)間為300 ms，周期信號(hào)的發(fā)送周期為30 s，工作時(shí)隙為5 s，突發(fā)信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間為5 s。測(cè)試結(jié)果如圖6所示。對(duì)比可知，文中設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的能量損耗介乎TDMA和CSMA之間。節(jié)點(diǎn)密集分布、簇工作區(qū)域重疊時(shí)，系統(tǒng)能正常工作，簇間的FDMA機(jī)制解決了簇間干擾問(wèn)題。

圖6 系統(tǒng)能量消耗測(cè)試結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)論

文中設(shè)計(jì)了一種FDMA/TDMA混合多址接入的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，且在TDMA機(jī)制中加入以CSMA機(jī)制競(jìng)爭(zhēng)與簇頭節(jié)點(diǎn)通信的公共時(shí)隙，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)事件消息上傳的時(shí)序的公平性和實(shí)時(shí)響應(yīng)性。測(cè)試表明，文中設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)適用于既需要周期信息感知又有事件檢測(cè)需求的應(yīng)用場(chǎng)景，相比于CSMA協(xié)議減少了能量消耗，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)生存周期。

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