在日常工作生活中，盡管每個(gè)人都會(huì)和周圍人有意無意通過語言、肢體動(dòng)作、眼神交流彼此信息，但這些方式還不能滿足人們間高效、私密、針對(duì)性地交互一些深層次信息，人們還希望及時(shí)得到這些深層次信息以幫助自己現(xiàn)場決策或保存好這些信息以備日后使用。為此本文設(shè)計(jì)了一種基于低速個(gè)域網(wǎng)技術(shù)(LR_WPAN)IEEE802.15.4的無線人際信息交互設(shè)備?？紤]到人際交流具有隨機(jī)、多變、短時(shí)等特點(diǎn)，該設(shè)備應(yīng)具備網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)、高效組網(wǎng)、短時(shí)間內(nèi)完成通信的能力，根據(jù)功能設(shè)定可以在不需要用戶干預(yù)的情況下自動(dòng)完成預(yù)定的操作。

    IEEE802.15.4與現(xiàn)有藍(lán)牙、WIFI等無線通信技術(shù)相比具有組網(wǎng)時(shí)間短、功耗小、成本低、節(jié)點(diǎn)容量大等特點(diǎn),非常適合應(yīng)用在人際信息交互領(lǐng)域。目前IEEE802.15.4主要應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對(duì)固定的場合，如工業(yè)控制、傳感器信息采集，體域網(wǎng)的組建等。在這些應(yīng)用中，一般都有指定的協(xié)調(diào)器存在且位置相對(duì)固定。而在人際信息交互場合中節(jié)點(diǎn)具有地位平等且不斷移動(dòng)的特點(diǎn)，因此需要重新設(shè)計(jì)部分機(jī)制以滿足人際信息交互的需要。
    根據(jù)不同的應(yīng)用場景無線人際信息交互主要有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)和多節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)兩種結(jié)構(gòu)。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場合有電子名片、供需匹配、實(shí)景交友等，多節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場合包括會(huì)展、醫(yī)院、旅游等。因此，人際信息交互具有廣泛的應(yīng)用前景, 是現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步延伸。
    本文重點(diǎn)闡述了人際信息交互網(wǎng)絡(luò)中一種變換超幀結(jié)構(gòu)的低功耗網(wǎng)發(fā)現(xiàn)算法，網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)后的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)數(shù)據(jù)交換機(jī)制因篇幅所限這里不作討論。最后用電子名片交互場景來驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)的應(yīng)用效果。
1 IEEE802.15.4的超幀結(jié)構(gòu)
    IEEE802.15.4超幀描述了設(shè)備接入信道的總體結(jié)構(gòu)，由PAN協(xié)調(diào)器定義，用于控制活躍期和非活躍期的長度，能方便地實(shí)現(xiàn)低功耗應(yīng)用。圖1是超幀結(jié)構(gòu)的示意圖。

    一個(gè)完整超幀由競爭接入期(CAP)、可選的非競爭接入期(CFP)和非活動(dòng)期(Inactive)組成，一個(gè)超幀的持續(xù)時(shí)間稱為信標(biāo)周期(BI)。CAP與CFP合稱為超幀活躍期(SD)設(shè)備可以在SD內(nèi)相互傳輸數(shù)據(jù)，CAP使用時(shí)隙方式的CSMA-CA方式競爭接入無線信道，CFP使用時(shí)分復(fù)用方式獲得對(duì)信道的獨(dú)占，但需預(yù)先申請(qǐng)。在非活躍期，射頻收發(fā)器處于關(guān)閉狀態(tài)，不消耗能量。在人際交互應(yīng)用中所有SD都以CAP方式接入信道。
    人際信息無線交互網(wǎng)絡(luò)采用IEEE802.15.4信標(biāo)使能通信方式。即在每個(gè)超幀的開頭，協(xié)調(diào)器在網(wǎng)絡(luò)中廣播信標(biāo)，網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備根據(jù)接收到信標(biāo)中描述的活躍期與非活躍期信息在約定時(shí)刻打開/關(guān)閉射頻收發(fā)器。網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器和設(shè)備在發(fā)送完成后進(jìn)入接收狀態(tài)，監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)中的通信。一個(gè)超幀內(nèi)活躍期的長度SD與超幀周期時(shí)間長度BI是由網(wǎng)絡(luò)參數(shù)SO、BO決定。SD與BI的計(jì)算公式如下所示:
    
    aBaseSuperFrameDuration(BSFD)為最短幀長度。一個(gè)BSFD包含960 個(gè)Symbol。一個(gè)Symbol對(duì)應(yīng)一個(gè)物理層的碼片，具有4 bit的信息。IEEE802.15.4的通信速率為250 kb/s, 960個(gè)symbol相當(dāng)于3 840 bit即435 B，對(duì)應(yīng)時(shí)間為15.36 ms。
2 設(shè)備的工作模式
   根據(jù)設(shè)備是否已加入網(wǎng)絡(luò)，可分為兩種工作模式，即網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)模式和網(wǎng)絡(luò)交互模式。當(dāng)周圍沒有其他網(wǎng)絡(luò)存在時(shí)，所有的設(shè)備均作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器啟動(dòng)，以預(yù)先設(shè)定的超幀序列方式工作，形成一個(gè)只有協(xié)調(diào)器的孤點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，此時(shí)設(shè)備工作在網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)模式下。當(dāng)兩個(gè)移動(dòng)的設(shè)備相互接近并檢測到對(duì)方的存在后，它們的網(wǎng)絡(luò)之間需要進(jìn)行融合，融合后設(shè)備可以相互通信，設(shè)備工作在網(wǎng)絡(luò)交互模式。兩種模式的主要區(qū)別在于采用了不同的超幀結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)模式由于缺少同步信息采用以時(shí)間換節(jié)能的方法，通過一組不同結(jié)構(gòu)超幀序列組合來檢測周圍的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)模式下典型活躍期時(shí)間比例為10%。而在網(wǎng)絡(luò)交互模式下由于有網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的同步信息，可以采用實(shí)時(shí)性更強(qiáng)、功耗更低的固定超幀通信，典型配置為BO=5,SO=0，此時(shí)射頻收發(fā)器的活躍期時(shí)間比例可降至3.125%。
3 低功耗網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)算法
　孤點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)算法是人際信息交互網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)算法的基礎(chǔ)。利用IEEE802.15.4變化的超幀結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)可靠高效的網(wǎng)絡(luò)孤點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)算法。在網(wǎng)絡(luò)半徑較小的應(yīng)用或設(shè)備密度較低的場合中，設(shè)備的大部分時(shí)間都處于網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)階段，因此網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)階段的功耗往往決定了這個(gè)設(shè)備的持續(xù)工作的能力。通過一組結(jié)構(gòu)變化的超幀序列，可以在一定的時(shí)間約束內(nèi)保證網(wǎng)絡(luò)的發(fā)現(xiàn)。基本思路是需用可變活躍期和信標(biāo)周期的超幀結(jié)構(gòu)組合出一組超幀序列，使得在一定的時(shí)間約束內(nèi)，至少有一個(gè)信標(biāo)可以被檢測到,進(jìn)而融合兩個(gè)原本獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)。組合超幀序列的方法有多種，這里采取如下方式：超幀序列由一個(gè)活躍期和信標(biāo)周期較大的長超幀和n個(gè)短超幀組成，記長超幀SO,BO為s2,b2，短超幀SO,BO為s1,b1。
    目標(biāo)函數(shù)為活躍期在整個(gè)超幀序列中所占的比例，該比例越小，設(shè)備就有更好的節(jié)能性能。協(xié)調(diào)器在短幀活躍期發(fā)送信標(biāo)讓周圍網(wǎng)絡(luò)能夠檢測到自身的存在，活躍期可以取最短即一個(gè)BSFD，對(duì)應(yīng)于s1等于0。


    在實(shí)際應(yīng)用中，兩個(gè)處于同一個(gè)信道、有著同樣超幀序列的孤點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)相遇時(shí)，它們?cè)诔瑤蛄兄兴庪A段是隨機(jī)的，兩者會(huì)顯現(xiàn)一定的相位差。不同的相位差會(huì)極大地影響兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)的時(shí)間與可靠性。網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)的有效性用一個(gè)周期內(nèi)被接收的信標(biāo)數(shù)來衡量，信標(biāo)接收越多，網(wǎng)絡(luò)的發(fā)現(xiàn)算法就更可靠。由于SD、BI都以BSFD為單位，下面以SBFD表示序列的相位差。網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)參數(shù)為T=7,s1=0,b1=3,s2=3,b2=6,n=8的網(wǎng)絡(luò)具有128個(gè)BSFD。兩個(gè)相差12個(gè)BSFD的序列如圖2所示。

概率越小，b1=4時(shí)概率為0.5%。
    圖4表示了T=7,s1=0,b1=3,s2=3,b2=6,n=8網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)時(shí)間和被動(dòng)掃描完成時(shí)間與序列偏移之間的關(guān)系。網(wǎng)絡(luò)平均發(fā)現(xiàn)時(shí)間為607 ms,最大發(fā)現(xiàn)時(shí)間為1 092 ms。掃描時(shí)間平均為823 ms, 最大為2 090 ms。由圖4可見，平均網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)時(shí)間為只有時(shí)間約束的31%，最大網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)時(shí)間為時(shí)間約束的56%。掃描完成時(shí)間是指網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)時(shí)間加上掃描到一個(gè)新的信標(biāo)的時(shí)間。這段是網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)完整的過程。發(fā)現(xiàn)后網(wǎng)絡(luò)設(shè)備需要聯(lián)合(associate)和改變當(dāng)信超幀結(jié)構(gòu)，這兩個(gè)過程各都需要至少一個(gè)BI時(shí)間，所以被動(dòng)掃描時(shí)應(yīng)選擇在短超幀的信標(biāo)接入,有更好的實(shí)時(shí)性。

4 應(yīng)用實(shí)例
　為了測試上述網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)算法的有效性，設(shè)計(jì)了電子名片交換應(yīng)用場景，該應(yīng)用通過判斷握手操作自動(dòng)交換設(shè)備中的個(gè)人名片信息。該應(yīng)用為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)交互模式，用戶在上位機(jī)輸入個(gè)人名片信息，如姓名、年齡、性別、職業(yè)、聯(lián)系方式，編碼后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入設(shè)備，電子名片數(shù)據(jù)量為86，加上幀頭開銷，數(shù)據(jù)幀總長為103 B。設(shè)置完成后，用戶將設(shè)備佩戴在手腕上，啟動(dòng)后設(shè)備開始自動(dòng)工作。取網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)模式下超幀序列參數(shù)為T=7,s1=0,b1=3,s2=3，b2=6,n=8。數(shù)據(jù)交互模式下超幀參數(shù)為SO=0,BO=5，其中SO參數(shù)可根據(jù)名片信息量的大小調(diào)整，這里選0。發(fā)射功率為-14 dBm，電流消耗為25 mA,接收時(shí)典型功耗為22 mA,關(guān)閉射頻收發(fā)器時(shí)CPU運(yùn)行時(shí)典型功耗為6.5 mA。
    設(shè)備通過距離來判斷握手動(dòng)作，電子名片的自動(dòng)交換分兩個(gè)階段進(jìn)行：(1)當(dāng)用戶雙方相距10 m左右時(shí)，先融合成一個(gè)可交互的網(wǎng)絡(luò)，轉(zhuǎn)入實(shí)時(shí)性較高的交換模式，然后不斷檢測網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的距離。(2)當(dāng)檢測到雙方距離相距30 cm以內(nèi)時(shí)，視為正在進(jìn)行握手操作，設(shè)備向協(xié)調(diào)器設(shè)備發(fā)送自己的名片信息，并向?qū)Ψ秸?qǐng)求數(shù)據(jù)名片信息，完成電子名片信息交換后將信息存入各自的Flash設(shè)備，之后再導(dǎo)入上位機(jī)。
　設(shè)備距離的控制是根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度(RSSI)來判別。TIMAC封裝了MAC層的具體實(shí)現(xiàn)，在協(xié)調(diào)器上無法得到信標(biāo)發(fā)送時(shí)刻，在實(shí)際實(shí)現(xiàn)中可以使用mac時(shí)間作為時(shí)間參照。BO、SO的修改應(yīng)使用CoordRealignment使能方式的MLME-START原語?；钴S期時(shí)間比例為0.125,不計(jì)外圍設(shè)備，活躍期電流約為30 mA，忽略休眠使用550 mAh的鋰電池理論待機(jī)時(shí)間為146 h。
    取20組用戶測試交互機(jī)制的性能，用戶在隨機(jī)啟動(dòng)設(shè)備后由遠(yuǎn)到近相互接近并進(jìn)行握手操作。20組實(shí)驗(yàn)均成功實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)、自動(dòng)交換個(gè)人名片信息的功能。測得從進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)感知范圍到進(jìn)入交互模式即第一階段完成，平均所需時(shí)間為2.3 s,最短用時(shí)1.3 s，最長3.6 s，這里包含了網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)時(shí)間、關(guān)聯(lián)時(shí)間和超幀結(jié)構(gòu)切換時(shí)間。如考慮一次碰撞則進(jìn)入交互模式需要約4.3 s時(shí)間。第二階段的超幀周期為492 ms，名片可以在一個(gè)周期內(nèi)完成交互?？紤]到人的行動(dòng)速度，該網(wǎng)絡(luò)配置已經(jīng)能夠滿足電子名片應(yīng)用的需要。藍(lán)牙、WIFI的組網(wǎng)時(shí)間和休眠切換時(shí)間都在3 s以上,可以看到，利用IEEE802.15.4在實(shí)時(shí)性上有很大的優(yōu)勢和靈活性。
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