羅孝兵,華濤,藍(lán)彥,呂敏,李冰,花生強(qiáng)
(南京南瑞集團(tuán)公司, 江蘇 南京 211116)
摘要:針對(duì)同步休眠機(jī)制無線傳感器MESH網(wǎng)絡(luò),提出一種允許跨周期應(yīng)答的信息傳輸方法,以提高數(shù)據(jù)傳輸成功概率,降低網(wǎng)絡(luò)中信息流量,從而降低路由通信工作時(shí)間,達(dá)到降低網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)功耗的目的。將跨周期應(yīng)答應(yīng)用到地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)中,較大程度地降低了無線傳感器節(jié)點(diǎn)的功耗。
關(guān)鍵詞:無線傳感器網(wǎng)絡(luò);MESH網(wǎng)絡(luò);同步休眠;跨周期應(yīng)答;低功耗
中圖分類號(hào):TP393.17文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:ADOI: 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.01.019
引用格式:羅孝兵,華濤,藍(lán)彥,等. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)跨周期應(yīng)答的信息傳輸方法[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2017,36(1):62-65.
0引言
目前,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network,WSN)技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量低成本的傳感器節(jié)點(diǎn)組成的自組織網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組織形式也由需要中繼的星型、樹狀網(wǎng)絡(luò)發(fā)展到不需要中繼的全路由網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)即MESH網(wǎng)[1]。在MESH網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)不僅要負(fù)責(zé)環(huán)境信息的采集、處理,收、發(fā)自身數(shù)據(jù)信息,還需要轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)中其他相關(guān)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息,路由功耗開銷較大[2]。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)常安裝于野外,各節(jié)點(diǎn)只能采用一次性電池供電,電池不便更換,要求各節(jié)點(diǎn)續(xù)航時(shí)間越長(zhǎng)越好,因此最大限度地降低節(jié)點(diǎn)能耗是系統(tǒng)必須要解決的關(guān)鍵問題之一。
1基于同步機(jī)制的MESH網(wǎng)絡(luò)
隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用推廣和研究投入增加,已經(jīng)有各種降低節(jié)點(diǎn)功耗的技術(shù)方法及產(chǎn)品,這些技術(shù)及產(chǎn)品主要涉及到WSN網(wǎng)絡(luò)的射頻模塊 MAC(介質(zhì)接入控制)協(xié)議和路由協(xié)議、硬體功耗、軟體優(yōu)化等方面內(nèi)容。然而,大部分對(duì)WSN功耗要求較高的場(chǎng)合實(shí)際上也是數(shù)據(jù)發(fā)送量較少和發(fā)送頻率較低的場(chǎng)合,通常是在分鐘級(jí)別的發(fā)送頻率,每次單個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)量?jī)H在幾個(gè)到幾十個(gè)字節(jié)范圍內(nèi),發(fā)送時(shí)隙較小。
針對(duì)此類應(yīng)用場(chǎng)合,目前比較先進(jìn)的是基于同步休眠機(jī)制的MESH網(wǎng)絡(luò),如圖1所示。MESH網(wǎng)絡(luò)已沒有終端節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)之分別,各節(jié)點(diǎn)均具有路圖1基于同步休眠的MESH網(wǎng)絡(luò)圖由功能,可以實(shí)現(xiàn)所有節(jié)點(diǎn)之間任意自組網(wǎng)[34],是一個(gè)徹底的自組網(wǎng)技術(shù)。在同步休眠的MESH網(wǎng)絡(luò)中,其節(jié)點(diǎn)內(nèi)部均有RTC,可以實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)同步休眠,并按設(shè)定時(shí)間間隔同步喚醒,并通過其狀態(tài)引腳同步喚醒無線傳感器中的數(shù)據(jù)采集MCU,響應(yīng)遠(yuǎn)程控制或進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和傳輸通信,最大限度地降低無線傳感器節(jié)點(diǎn)的功耗,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能在長(zhǎng)期不更換電池的情況下工作。由于所有的節(jié)點(diǎn)只同時(shí)在規(guī)定的時(shí)間圖2跨周期應(yīng)答機(jī)制的信息傳輸過程范圍內(nèi)通信,其他時(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)入深度睡眠,從而能夠保持最小的功耗,并且能夠長(zhǎng)時(shí)間地穩(wěn)定工作。同時(shí),MESH網(wǎng)絡(luò)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有路由功能,無需任何中繼就可以組成網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò),當(dāng)某一路由中斷時(shí),可自動(dòng)修改路由鏈路,具有很好的自愈能力[5],提高了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)健壯性,特別適用于各類野外WSN系統(tǒng)的組網(wǎng)應(yīng)用。
然而,與常規(guī)MESH網(wǎng)絡(luò)一樣,基于同步休眠機(jī)制的MESH網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要為其余節(jié)點(diǎn)提供路由服務(wù),因此其路由功耗開銷已不可忽視。雖然在基于同步休眠機(jī)制的MESH網(wǎng)絡(luò)里,對(duì)MAC(介質(zhì)接入控制)協(xié)議和路由協(xié)議進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),以降低節(jié)點(diǎn)功耗,但是,其缺乏對(duì)應(yīng)用層中相關(guān)通信協(xié)議的規(guī)范,而不同的應(yīng)用層通信協(xié)議對(duì)通信數(shù)據(jù)流量具有明確的影響,從而影響節(jié)點(diǎn)能耗量,因此,不同應(yīng)用層通信協(xié)議給系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)功耗帶來了不確定性影響。為此需要研究應(yīng)用層協(xié)議,以更好地降低通信數(shù)據(jù)流量。
2降低通信數(shù)據(jù)流量的方法比較
目前已有的降低通信數(shù)據(jù)流量的方法較多,具有代表性的包括基于網(wǎng)絡(luò)編碼的數(shù)據(jù)重傳法[68]、請(qǐng)求重傳法 [910]、數(shù)據(jù)壓縮法、數(shù)據(jù)聚合法等。基于網(wǎng)絡(luò)編碼的數(shù)據(jù)重傳法主要應(yīng)用于大數(shù)據(jù)量的網(wǎng)絡(luò)傳輸,操作較復(fù)雜,各類組合幀字節(jié)較多,相對(duì)小數(shù)據(jù)量的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)而言并不能有效降低數(shù)據(jù)流量。請(qǐng)求重傳法僅在一個(gè)通信周期內(nèi)有效,不能跨周期操作,因而對(duì)于短時(shí)隙通信周期系統(tǒng)不太適用。其他如數(shù)據(jù)壓縮法、數(shù)據(jù)聚合法等均主要用于大數(shù)據(jù)量傳輸網(wǎng)絡(luò),在這種小數(shù)據(jù)量的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中沒有明顯效果。
3跨周期應(yīng)答的信息傳輸方法
3.1總體方案
針對(duì)前述降低通信數(shù)據(jù)流量方法的缺陷,通過研究實(shí)驗(yàn),可以采用一種基于跨周期應(yīng)答機(jī)制的無線傳感網(wǎng)絡(luò)信息傳輸方法來解決。其總體方案是通過一種允許跨越休眠周期進(jìn)行應(yīng)答的機(jī)制,如果傳感器節(jié)點(diǎn)在前一個(gè)通信周圖3跨周期應(yīng)答機(jī)制的信息幀格式
期已成功發(fā)送數(shù)據(jù),但直到新的通信周期的接收時(shí)隙仍未收到網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)接收成功應(yīng)答信息,相關(guān)數(shù)據(jù)才會(huì)在新周期的發(fā)送時(shí)隙被重傳一次。本方法可減少數(shù)據(jù)重傳次數(shù),進(jìn)而減少通信數(shù)據(jù)流量,可最大化縮短通信時(shí)隙,降低路由開銷,達(dá)到降低無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)能耗的目的。
3.2通信周期時(shí)隙劃分
在跨周期應(yīng)答機(jī)制中,將無線傳感網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)通信周期分為蘇醒期和休眠期,將網(wǎng)關(guān)的蘇醒期從起始時(shí)刻依次劃分為發(fā)送時(shí)隙、延遲時(shí)隙、接收時(shí)隙,將無線傳感器節(jié)點(diǎn)的蘇醒期從起始時(shí)刻依次劃分為接收時(shí)隙、延遲時(shí)隙、發(fā)送時(shí)隙和路由時(shí)隙,如圖2所示。
從圖2可以看出,網(wǎng)關(guān)的發(fā)送時(shí)隙與無線傳感節(jié)點(diǎn)的接收時(shí)隙時(shí)間相同;網(wǎng)關(guān)的延遲時(shí)隙與無線傳感節(jié)點(diǎn)的延遲時(shí)隙時(shí)間相同;網(wǎng)關(guān)的接收時(shí)隙為無線傳感節(jié)點(diǎn)的發(fā)送時(shí)隙和路由時(shí)隙之和。
其中,網(wǎng)關(guān)的發(fā)送時(shí)隙用于發(fā)送應(yīng)答信息幀,無線傳感節(jié)點(diǎn)的發(fā)送時(shí)隙用于發(fā)送數(shù)據(jù)幀。網(wǎng)關(guān)與無線傳感節(jié)點(diǎn)的延遲時(shí)隙用于進(jìn)行發(fā)送和接收狀態(tài)切換,對(duì)于無線傳感節(jié)點(diǎn)的延遲時(shí)隙還可用于幫助各設(shè)備間具體分配數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間,當(dāng)某一傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)間需要延后,僅需增大延遲時(shí)隙即可。
網(wǎng)關(guān)的接收時(shí)隙用于接收數(shù)據(jù)幀,無線傳感節(jié)點(diǎn)的接收時(shí)隙用于接收應(yīng)答信息幀。無線傳感節(jié)點(diǎn)的路由時(shí)隙用于為以本無線傳感節(jié)點(diǎn)為路由的相關(guān)設(shè)備提供數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間間隙。這種時(shí)隙的劃分可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備的分時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù),有效降低網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)沖突,提高通信成功概率,降低數(shù)據(jù)重傳次數(shù),進(jìn)而降低節(jié)點(diǎn)能耗。在一個(gè)通信周期中,各時(shí)隙長(zhǎng)度可根據(jù)具體系統(tǒng)情況來靈活配置,使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)在通信通暢穩(wěn)定之下,盡可能縮短蘇醒期時(shí)長(zhǎng),降低能耗。同時(shí)網(wǎng)關(guān)的發(fā)送時(shí)隙設(shè)置在每個(gè)通信周期的蘇醒期起始階段,不會(huì)因?yàn)樯漕l模塊進(jìn)入休眠而丟失上一周期內(nèi)未完成的信息通信,從而減少數(shù)據(jù)重傳次數(shù),進(jìn)而減少通信數(shù)據(jù)量,可最大化縮短通信時(shí)隙,減輕各節(jié)點(diǎn)的路由開銷,降低無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的能耗。
3.3跨周期應(yīng)答機(jī)制的信息幀格式
跨周期應(yīng)答中所傳輸?shù)男畔〝?shù)據(jù)幀和應(yīng)答信息幀,如圖3所示。
數(shù)據(jù)幀包括:幀頭、保留字、幀類型、地址(ADDRESS)、數(shù)據(jù)編號(hào)(DATA ID)、數(shù)據(jù)(DATA)、幀尾、驗(yàn)證碼;應(yīng)答信息幀包括:幀頭、保留字、幀類型、地址(ADDRESS)、數(shù)據(jù)編號(hào)(DATA ID)、幀尾、驗(yàn)證碼。在幀中均含有地址(ADDRESS)和數(shù)據(jù)編號(hào)(DATA ID),這兩個(gè)關(guān)鍵信息可避免在有多條數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)接收成功應(yīng)答信息時(shí)出現(xiàn)信息混亂,為實(shí)現(xiàn)跨周期應(yīng)答提供信息支撐。
3.4跨周期應(yīng)答機(jī)制的信息傳輸過程
跨周期應(yīng)答機(jī)制的信息傳輸過程如圖2所示。跨周期應(yīng)答要求無線傳感節(jié)點(diǎn)在一個(gè)通信周期發(fā)送一個(gè)DATA圖5跨周期應(yīng)答機(jī)制的信息傳輸流程
后,允許在下一個(gè)通信周期起始階段的接收時(shí)隙獲得本數(shù)據(jù)發(fā)送成功的ACK信息,即傳感器節(jié)點(diǎn)的DATA發(fā)送和接收ACK信息可不在同一個(gè)通信周期完成;對(duì)于網(wǎng)關(guān),在一個(gè)通信周期成功接收一個(gè)DATA后,允許在下一個(gè)通信周期的起始階段的發(fā)送時(shí)隙回送本接收成功的ACK信息;同時(shí)無線傳感節(jié)點(diǎn)在同一個(gè)通信周期不進(jìn)行數(shù)據(jù)重傳,如果無線傳感節(jié)點(diǎn)在一個(gè)通信周期已成功發(fā)送一個(gè)DATA,直到下一個(gè)通信周期的接收時(shí)隙結(jié)束仍未收到本DATA發(fā)送成功的ACK信息,本DATA才會(huì)在隨后一個(gè)通信周期的發(fā)送時(shí)隙被重傳一次。而網(wǎng)關(guān)在數(shù)據(jù)幀接收成功后,其發(fā)送的數(shù)據(jù)接收成功應(yīng)答信息幀在之后任意一個(gè)通信周期內(nèi)發(fā)送均有效。
4跨周期應(yīng)答機(jī)制的應(yīng)用
4.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建立
在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,其大量的地下水位、表面位移、表面傾斜、深部位移、土壤含水量、滑坡孔隙水壓力、土壓力等監(jiān)測(cè)量傳感器分布于監(jiān)測(cè)區(qū)域的各個(gè)點(diǎn)位,其分布范圍廣;因其在野外不便于采用有線電源供電,且因樹蔭、山體遮擋等因素,也不便于采用太陽能供電,因此常常采用一次性電池供電;其監(jiān)測(cè)量主要反映各類物理量的變化過程及趨勢(shì),通常不需要密集的數(shù)據(jù)集采集以及實(shí)時(shí)性要求。
根據(jù)上述地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)際工程環(huán)境,采用基于同步休眠機(jī)制的MESH網(wǎng)絡(luò)來建立各傳感器節(jié)點(diǎn)與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與通信模塊之間的局域網(wǎng)絡(luò),如圖1所示,使用跨周期應(yīng)答機(jī)制作為數(shù)據(jù)采集局域網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的通信機(jī)制。
系統(tǒng)中包括一個(gè)網(wǎng)關(guān)和若干無線傳感節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)電路框圖如圖4(a)所示,網(wǎng)關(guān)電路框圖如圖4(b)所示。
網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)管理,同時(shí)負(fù)責(zé)與外界的通信聯(lián)系;各無線傳感節(jié)點(diǎn)均可作為其余節(jié)點(diǎn)的路由,可自由組網(wǎng),進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)關(guān)均按設(shè)定休眠周期同步休眠和同步自動(dòng)喚醒,并且均按照跨周期應(yīng)答機(jī)制運(yùn)行。
4.2系統(tǒng)的運(yùn)行流程
在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,網(wǎng)關(guān)向無線傳感節(jié)點(diǎn)傳輸應(yīng)答信息幀的流程如圖5(a)所示,其通信步驟如下:
?。?)網(wǎng)關(guān)與無線傳感器節(jié)點(diǎn)在一個(gè)通信周期的休眠期結(jié)束時(shí)同時(shí)被MESH網(wǎng)絡(luò)射頻模塊喚醒。
(2)網(wǎng)關(guān)進(jìn)入發(fā)送時(shí)隙,在發(fā)送時(shí)隙中發(fā)送未發(fā)送的數(shù)據(jù)接收成功應(yīng)答信息幀,發(fā)送完畢后刪除此數(shù)據(jù)編號(hào)的應(yīng)答信息幀,然后繼續(xù)發(fā)送應(yīng)答信息幀;如果所有的應(yīng)答信息幀發(fā)送結(jié)束,而發(fā)送時(shí)隙還未結(jié)束,則直接結(jié)束發(fā)送時(shí)隙,進(jìn)入延遲時(shí)隙;當(dāng)本發(fā)送時(shí)隙結(jié)束時(shí),如果還有應(yīng)答信息幀未發(fā)送,則終止發(fā)送,進(jìn)入延遲時(shí)隙,未發(fā)送的應(yīng)答信息幀留待下一周期發(fā)送。
?。?)網(wǎng)關(guān)經(jīng)過設(shè)定的延遲時(shí)隙,轉(zhuǎn)入接收時(shí)隙,接收來自各無線傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)幀,如接收到數(shù)據(jù),則保存數(shù)據(jù)至存儲(chǔ)器,同時(shí)編碼并保存數(shù)據(jù)接收成功應(yīng)答信息幀至存儲(chǔ)器,直到接收時(shí)隙結(jié)束。
?。?)網(wǎng)關(guān)在接收時(shí)隙結(jié)束后,MESH網(wǎng)絡(luò)射頻模塊立即進(jìn)入休眠狀態(tài),如果MCU還有任務(wù),則繼續(xù)進(jìn)行任務(wù)處理,否則進(jìn)入休眠狀態(tài)。
無線傳感節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)關(guān)傳輸數(shù)據(jù)幀的流程如圖5(b)所示,其通信步驟如下:
?。?)無線傳感器節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)在一個(gè)通信周期的休眠期結(jié)束時(shí)同時(shí)被MESH網(wǎng)絡(luò)射頻模塊喚醒。
(2)無線傳感器節(jié)點(diǎn)在接收時(shí)隙,等待接收來自網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)接收成功應(yīng)答信息幀,當(dāng)接收到來自網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)接收成功應(yīng)答信息幀時(shí),立即刪除數(shù)據(jù)發(fā)送區(qū)中相應(yīng)數(shù)據(jù)編號(hào)的數(shù)據(jù)記錄,直到接收時(shí)隙結(jié)束。
?。?)無線傳感器節(jié)點(diǎn)經(jīng)過設(shè)定的延遲時(shí)隙,進(jìn)入發(fā)送時(shí)隙,無線傳感器節(jié)點(diǎn)在發(fā)送時(shí)隙,節(jié)點(diǎn)將測(cè)量數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)幀格式自報(bào)給網(wǎng)關(guān);如果發(fā)送時(shí)隙結(jié)束還有未發(fā)送的數(shù)據(jù),則留待下一周期進(jìn)行,進(jìn)入路由時(shí)隙;如果本節(jié)點(diǎn)無數(shù)據(jù)需要發(fā)送,則直接進(jìn)入路由時(shí)隙。
?。?)無線傳感器節(jié)點(diǎn)在路由時(shí)隙,將本節(jié)點(diǎn)MESH網(wǎng)絡(luò)射頻模塊的通信資源留給以本節(jié)點(diǎn)為路由的相關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn),同時(shí)監(jiān)聽和接收來自網(wǎng)關(guān)的信息。
?。?)路由時(shí)隙結(jié)束后,MESH網(wǎng)絡(luò)射頻模塊立即進(jìn)入休眠狀態(tài),如果MCU還有任務(wù),則繼續(xù)進(jìn)行任務(wù)處理,否則進(jìn)入休眠狀態(tài)。
4.3系統(tǒng)通信測(cè)試
在地質(zhì)災(zāi)害系統(tǒng)中,采用基于同步休眠的MESH網(wǎng)絡(luò)建立250個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn),測(cè)量周期設(shè)定為1 h,測(cè)試時(shí)長(zhǎng)30天,測(cè)量數(shù)據(jù)采用自報(bào)模式,自報(bào)失敗重傳次數(shù)為3次,超過3次數(shù)據(jù)不再重傳。分別采用基于跨周期應(yīng)答機(jī)制的通信方式和請(qǐng)求重傳法的通信方式,系統(tǒng)耗時(shí)與數(shù)據(jù)傳輸成功率比較如表1所示。
從測(cè)試結(jié)果可見,采用跨周期應(yīng)答機(jī)制的通信方式比采用請(qǐng)求重傳法的通信方式在小通信時(shí)隙情況下,可提高接近2倍的效率,有效縮短無線網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)間,降低網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的路由功耗。
5結(jié)論
針對(duì)基于同步休眠的無線傳感器MESH網(wǎng)絡(luò),跨周期應(yīng)答機(jī)制從應(yīng)用層著手,通過允許跨越休眠周期進(jìn)行應(yīng)答,來降低信息重發(fā)次數(shù),提高數(shù)據(jù)傳輸成功概率,降低無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的信息傳輸量,最終起到降低系統(tǒng)功耗的目的。
隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在防災(zāi)賑災(zāi)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用越來越多,特別是應(yīng)用于野外的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)功耗要求較高,對(duì)于一些實(shí)時(shí)性要求不高的應(yīng)用場(chǎng)景,可采用目前比較先進(jìn)的基于同步休眠的無線傳感器MESH網(wǎng)絡(luò)。在這類網(wǎng)絡(luò)中,采用跨周期應(yīng)答機(jī)制,可提高系統(tǒng)通信成功率,最大化降低系統(tǒng)功耗,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)。
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