分级有序路由无线传感器网络的研究与测试

　　摘要：本文提出了无线传感器网络分级组织的网络架构。在对这种网络的4层协议模型进行深入研究的基础上，在物理层利用超低功耗MCU和nRF905射频收发器设计了无线传感器节点，链路层上设计了双信道跳频媒体访问控制策略，网络层上提出了分级有序分配路由策略。网络测试结果表明，该分级有序路由无线传感器网络具有低功耗、自组织和稳定的特点。

　　关键词：无线传感器网络;分级有序路由;媒体访问控制;nRF905;网络协议

　　引言

　　无线传感器网络是将大量传感器节点采用规则或随机方式部署在监测区域, 通过无线通信自组织方式所构成的网络。传感器网络在军事侦察、环境信息检测、农业生产、医疗健康监护、建筑与家居、工业生产控制以及商业等领域有着广阔的应用前景。

　　研究发现，无线传感器网络与传统无线网络的设计目标和标准具有明显不同的要求，后者注重在移动的环境中通过优化路由和充分利用带宽为用户提供质量较高的服务，而前者常常工作在人无法接近的恶劣环境中，无法更换能源和重复利用网络节点，因此高效能、低成本、自组织等问题是无线传感器网络首先要解决的。

　　本文研究并设计实现了一种无线传感器网络，采用低功耗的MSP430F149作为主控芯片和nRF905作为无线数据传输模块设计了无线节点。

　　网络构架

　　本文提出的传感器网络架构如图1所示，节点任意散落在监测区域中，通过飞行器散播、人工埋置和火箭弹射等方式完成。因此，节点必须以自组织的方式构成网络，通过多跳中继的方式将监测的数据传输到sink节点，然后借助无线广域网和Internet传输到监控中心集中处理。图1中的传感器节点以sink节点为中心，采用了分级规划的方法，网络中所有能与sink节点直接通信的节点属于0级区域。显然，0级区域范围是以通信模块的可靠通信距离dr为半径的圆，能与0级区域节点无中继通信的节点属于1级区域。以此类推，可以对整个通信网络进行分级。一个n级网络最大的监控半径为(n+1)×dr。

图1 传感器网络架构

　　sink节点具有网关的功能，需要将所有接收的数据转发到监控中心，这要求它有强大处理能力。因此，本文采用具有ARM9内核的s3c2410处理器，外接nRF905和GPRS通信模块，通过GPRS网络将数据通过Internet传输到监控中心;传感器节点主要负责采集、处理、压缩、发送和中继转发数据。

　　节点硬件电路

　　节点硬件电路如图2所示。由于该网络的主要要求是低功耗、通信协议简单可靠，因此，主控制器选择MSP430F149。它是超低功耗控制器，使用3.3V电压供电;端口高电平最高输出电压为3.6V，提供SPI接口，方便与nRF905直接连接;可在6ms内从低功耗模式唤醒;片内集成有2KB数据存储器、ADC、硬件乘法器和比较器。

图2 节点硬件电路

　　nRF905是单片射频收发器，工作电压为1.9V~3.6V;可工作在433/868/915MHz 3个ISM(工业、科学和医学)频段，每一个频段有29个频道可以使用，频道之间的转换时间小于650ms，可实现快速跳频。本网络使用433MHz载频，通过SPI接口与主控制器连接，使用了增益天线，在开阔地带传输距离可达1000m以上。

　　网络通信模型及关键技术

　　通信模型

　　如表1所示，自组织的无线传感器网络通信协议分为4层。由于传感器节点自身硬件的限制，它们只实现低3层功能，完整的4层协议在传感器网络边缘的sink节点实现，由它负责与外网的通信。物理层的功能由nRF905硬件模块实现。链路层的CRC校验在nRF905内部硬件电路实现，而媒体访问控制(MAC)采用双信道跳频链路控制。网络层的路由协议采用在有序分配路由策略(SAR)基础上提出的分级有序分配路由策略，这种路由机制综合了平面路由和分层路由的优势。下面对链路层和网络层实现的关键技术进行详细的讨论。

　　双信道跳频链路控制

　　双信道跳频链路控制是指将网络的信道分为两类，即控制信道和数据信道。控制信道用于传感器节点间交换协商信息、应答信息等非数据信息，整个网络使用单一的控制频道，节点间通过控制信道协商确定专用的数据频道，以传输数据信息。节点在空闲时低功耗监听控制频道，数据通信接收后释放占用的数据频道。

　　控制信道使用共用频道，它采用了IEEE 802.11b的CSMA/CA避免冲突机制，简单说就是发送前监听载波直到信道空闲，再用“二进制指数退避算法”随机延迟一段时间后，再发送数据，这样就有效避免了同频道下的数据冲突。

　　在数据通信中，为了保证数据传输的可靠性以及频道表和路由表的及时更新，系统采用了DATA+ACK的机制，即发方和收方通过专用数据频道收发n帧数据后(通信时间为td)，跳频到控制频道交互数据应答帧，同时双方可以接收其它控制信息完成更新频道表等操作，为了避免在n帧数据的通信过程中不错过更新路由和频道表的控制帧，要求这些控制帧在t0和t0+td时刻发送两次。

　　分级有序分配路由策略

　　网络节点自组织路由的建立和路由及时更新是整个网络通信的基础。所谓分级有序分配路由策略是指，整个网络的路由采用分级树的结构，如图3所示，每个节点只记录可与之直接通信的上级节点地址，这样可以最大限度减小每个节点的路由表，加快网络的收敛速度。

　　网络的分级是通过节点16位地址的低4位管理的，初始状态sink节点地址低4位为0000B，所有传感器节点地址低4位为1111B，在网络路由建立后，sink节点地址低4位为0000B，0级区域节点地址低4位为0001B，其它区域节点地址低4位依次增1。

　　图3中，节点上电后，首先由sink节点通过控制频道广播路由请求，a、b节点收到广播，将本节点地址低4位(ada)与广播源地址低4位(ads)进行比较。如果ada≤ads，则抛弃广播数据帧;如果ada>ads，则检查此地址是否已记录在路由表中，若已在路由表中，直接发出应答，若不在路由表中，记录此地址并将ada设置为ads+1后，发出应答。a、b节点发出应答后，各自广播路由请求，d、e、f节点按照a、b节点对路由请求的处理方法，建立与它们上级节点a、b的链路。以此类推，可以建立起如图3所示的网络连接。在2级区域中，i节点与上级节点e、f同时建立链接，在数据通信中，只要根据路由表任选1个通信即可。

图3 节点自组织路由图

　　在这种策略中，路由表只需记录每个节点上级节点的地址，路由表的数据结构定义如下：

　　struct Route_Table{

　　int8 hsort_num; //高级可直接通信的节点数目

　　nt16 hsort_addr[n]; //高级可直接通信的节点地址

　　};

　　协议定义

　　为了实现网络控制和数据传输，网络中定义了数据协议和控制协议，其中数据协议依据不同数据类型具体定义。网络控制协议格式的定义如表2所示。

　　其中，数据长度为标识数据区的字节数。协议+类型为各种协议+类型的定义，如表3所示。目的地址为数据要到达的最终地址，其中0FFFFH定义为广播地址。数据中继地址为当前发出数据的节点地址，它可能是源数据节点或中继节点的地址。源地址为数据源节点的地址。数据为不同协议类型对应的数据，协议类型不同，对应的数据区内容也不同，具体内容如表3所示。

　　网络测试

　　测试网络使用上文介绍的方法设计， 50个无线传感器节点随机分布，长时间监测网络，改变各个节点发送监测数据的时间间隔tn，在监控中心的上位机中得到接收到的有效数据包的统计值。测试结果如图4所示，可见，网络在tn=5s以上时，网络可长时间稳定工作。

图4 网络测试结果

　　结语

　　本文在理论上详细讨论了分级路由无线传输网络实现的关键技术，提出了双信道跳频链路控制和分级有序分配路由策略。应用上开发了测试网络。网络测试说明分级路由无线传输网络设计具有可行性、稳定性、高效性。■

　　参考文献

　　1. 任丰原,黄海宁,林 闯. 无线传感器网络[J]. 软件学报, 2003, 14: 1283

　　2. Agre J,Clare L. An integrated architecture for cooperativesensing networks[J]. IEEE Computer Magazine, May 2000: 106

　　3. Single chip 433/868/915MHz Transceiver nRF905 datasheet[M]. Norway: Nordic, 2005

　　4. 黄少昱,曹阳,王悦伟. 无线传感器网络中的路由技术[J]. 计算机工程与应用. 2003, 19: 123