摘  要： 以STC12系列單片機和nRF905射頻收發(fā)器為核心，設(shè)計了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和基于這種節(jié)點的自組織通信協(xié)議。給出了節(jié)點的整體結(jié)構(gòu)，詳細闡述了軟件設(shè)計流程。試驗表明該節(jié)點實現(xiàn)了自組織和多跳數(shù)傳，通信穩(wěn)定可靠，網(wǎng)絡(luò)吞吐率達到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求。
關(guān)鍵詞： nRF905；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；自組織

    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它由大量隨機分布的、具有實時感知、無線通信和自組織能力的傳感器節(jié)點組成[1]。隨著無線技術(shù)的高速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)越來越多地走進人們的視野中。與有線技術(shù)相比，無線技術(shù)具有成本低、體積小、省去復(fù)雜的布線等優(yōu)點。但是由于現(xiàn)有的無線傳感器節(jié)點大都采用電池供電，放置地點隨機變動，隨時可能出現(xiàn)節(jié)點中斷的情況，通信能力十分有限，需要經(jīng)常性的人工維護。因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點要具有自組織、中斷自我修復(fù)的功能，需要設(shè)計合適的通信協(xié)議和路由算法，以提高系統(tǒng)通信的可靠性。為此，本文采用無線射頻芯片nRF905和STC12系列單片機設(shè)計了一種無線傳感器節(jié)點，并且在典型自組織網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議-動態(tài)源路由協(xié)議DSR(Dynamic Source Routing)[2-4]的基礎(chǔ)上，針對路由維護算法做出改進，設(shè)計出一種易于實現(xiàn)且實用性高的通信協(xié)議，實現(xiàn)了自組織和多跳傳輸數(shù)據(jù)的無線通信系統(tǒng)。
1 節(jié)點硬件設(shè)計
    節(jié)點分為協(xié)調(diào)器節(jié)點和普通節(jié)點，普通節(jié)點帶有傳感器，負責(zé)采集需要的數(shù)據(jù)并組成網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器節(jié)點負責(zé)整個網(wǎng)絡(luò)的控制和數(shù)據(jù)的匯總、分析、處理等。圖1為協(xié)調(diào)器和普通節(jié)點的結(jié)構(gòu)圖。

1.1 MCU
    STC12LE5410AD單片機是單時鐘/機器周期(1T)的兼容8051內(nèi)核單片機，是高速、低功耗的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，而速度快8~12倍，內(nèi)部集成硬件高速SPI(Serial Peripheral Interface)接口、2 KB EEPROM、A/D轉(zhuǎn)換模塊和MAX810專用復(fù)位電路。工作電壓2.4~3.8 V，因此可用電池工作，并可長時間工作。器件在少于6 μs的時間內(nèi)可以從低功耗模式迅速喚醒。STC12LE5410AD的超小封裝、高度集成、精簡外部電路可設(shè)計出更小的節(jié)點，超低的價格可以大規(guī)模鋪設(shè)傳感器節(jié)點。STC12LE5410AD單片機的這些特征，非常適合應(yīng)用在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。
1.2 射頻收發(fā)器件nRF905[5]
    nRF905由挪威Nordic公司生產(chǎn)，是一個為433/868/915 MHz-ISM(工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療)頻段設(shè)計的單片無線收發(fā)芯片，32腳QFN封裝，工作電壓為1.9～3.6 V，最大發(fā)射功率為10 dBm。該收發(fā)芯片由頻率合成器、接收解調(diào)器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器組成，片內(nèi)自動完成曼徹斯特編碼/解碼。nRF905有兩種活動(TX/RX)模式和兩種節(jié)電模式?；顒幽Ｊ街g轉(zhuǎn)換時間小于550 μs，活動模式與節(jié)電模式之間的轉(zhuǎn)換時間小于650 μs。
    nRF905通過SPI與微控制器通信，自動處理字頭和循環(huán)冗余碼校驗(CRC)。當進行數(shù)據(jù)發(fā)送時，只需將配置寄存器信息、所要發(fā)送的數(shù)據(jù)和接收地址送給nRF905，它就會自動完成數(shù)據(jù)打包(加字頭和CRC校驗碼)和發(fā)送。接收數(shù)據(jù)時，nRF905自動檢測載波并進行地址匹配，接收到正確數(shù)據(jù)后自動移去字頭、地址和CRC校驗碼，再通過SPI將數(shù)據(jù)傳送到微控制器。
1.3 硬件連接設(shè)置
    STC單片機通過內(nèi)部集成的硬件高速串行外設(shè)接口SPI與nRF905連接，最快可達3 Mb/s，比軟件模擬SPI方式快30倍左右，大大減少了程序執(zhí)行時間，提高了網(wǎng)絡(luò)的吞吐率。同時在設(shè)計協(xié)調(diào)器節(jié)點與PC上位機軟件通信程序時，利用STC單片機1T時鐘的優(yōu)勢，設(shè)置串口波特率使用的定時器12倍速方式，使串口波特率提高至115 200 b/s，提高了協(xié)調(diào)器節(jié)點的反應(yīng)速度，減少了等待時間，提高了系統(tǒng)的吞吐率。
2 節(jié)點軟件設(shè)計
    本系統(tǒng)的軟件設(shè)計分為協(xié)調(diào)器節(jié)點Connector軟件和普通節(jié)點Node軟件的設(shè)計，其中協(xié)調(diào)器節(jié)點作為整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的主節(jié)點，起著控制全網(wǎng)絡(luò)的作用，通過PC機的上位機軟件，可以對協(xié)調(diào)器進行接收和發(fā)送命令及數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)對整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的控制。而每個普通節(jié)點也預(yù)留通信接口，可以在需要的時候與其他設(shè)備相連接。
    由于本系統(tǒng)實現(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò)的需要，在物理層中為每個節(jié)點(包括協(xié)調(diào)器和普通節(jié)點)定義了相同的物理地址，實現(xiàn)全網(wǎng)的廣播功能。在網(wǎng)絡(luò)層為每個節(jié)點分配唯一的網(wǎng)絡(luò)地址，通過軟件判斷接收數(shù)據(jù)的目的節(jié)點是否是本機。
    圖2為節(jié)點自組織流程圖。當網(wǎng)絡(luò)中增加一個新節(jié)點，新節(jié)點上電初始化后，首先會向協(xié)調(diào)器發(fā)送路由請求RREQ請求加入網(wǎng)絡(luò)，并打開定時器；協(xié)調(diào)器收到RREQ后，記錄新節(jié)點信息，并通過反路由發(fā)送應(yīng)答信號ACK至源節(jié)點；如果新節(jié)點在設(shè)定的時間內(nèi)收到ACK信號，表示加入網(wǎng)絡(luò)成功，并且記錄本節(jié)點至協(xié)調(diào)器的路由信息；如果在設(shè)定的時間內(nèi)沒有收到ACK信號，那么重新發(fā)送路由請求RREQ至協(xié)調(diào)器，如此循環(huán)直至收到ACK信號。如果重發(fā)次數(shù)達到設(shè)定的上線，仍沒有收到ACK信號，則進行全網(wǎng)廣播RREQ，并打開定時器，等待返回RREP命令；在設(shè)定時間后進行重新廣播RREQ，直到到達重發(fā)上限。新節(jié)點收到RREP表示加入網(wǎng)絡(luò)成功，同時保存RREP命令幀中的路由信息。

2.1 路由協(xié)議
    現(xiàn)有無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議通常可分為：表驅(qū)動式路由協(xié)議和按需路由協(xié)議。前者需要網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點維護一張或多張路由表，以記錄到其他節(jié)點的路由，增加了路由開銷。而按需路由協(xié)議——動態(tài)源路由協(xié)議(DSR)使用了源路由，每一個數(shù)據(jù)分組的幀頭中包含整條路由的信息，中間節(jié)點不需要維持當前的路由信息，分組自己帶有路由信息，按需路由的特性避免了周期性路由廣播和鄰居節(jié)點的檢測。
    DSR協(xié)議包括兩個過程：路由發(fā)現(xiàn)和路由維護。路由發(fā)現(xiàn)過程使用泛洪路由(Flooding Routing)。為了減少路由發(fā)現(xiàn)過程的開銷，每一個節(jié)點都包括一個緩存器，存放最近學(xué)到的和用過的路由信息。路由維護過程是源節(jié)點用來檢測網(wǎng)絡(luò)拓撲是否發(fā)生變化的機制。若拓撲發(fā)生變化、源路由發(fā)生中斷，源節(jié)點就會收到路由錯誤信息。其他節(jié)點收到路由錯誤信息后刪除中斷路由，并且重新發(fā)起廣播尋找路由。
    本系統(tǒng)中的路由協(xié)議采用DSR協(xié)議，并對DSR協(xié)議進行一些改進。
    (1)每個節(jié)點中到達目的節(jié)點含有最多兩個路由緩存。
    (2)查到中斷節(jié)點后先檢查本節(jié)點中有無到中斷節(jié)點下級節(jié)點的信息，若有，則直接使用此路由，若無，則立即廣播發(fā)送RRER。
    (3)所有節(jié)點收到RRER后，檢查是否含有終端路由，有則刪除中斷路由。
    系統(tǒng)通信協(xié)議格式如表1所示。其中，F(xiàn)RAME_TYPE表示命令幀類型，SOURCE_ADDR表示源地址，F(xiàn)IRE_ADDR表示目的地址，MID表示路由節(jié)點地址，REMIAN表示最大跳數(shù)下剩余跳數(shù)，MAX表示最大跳數(shù)，DATA表示要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，ODD代表奇校驗。

2.2 程序設(shè)計
2.2.1 廣播
    在廣播RREQ時，為了避免廣播沖突，利用nRF905的載波檢測多路訪問機制CSMA/CA，發(fā)送前先進入接收模式，監(jiān)聽該信道是否空閑。如果檢測到CD信號為高，則表示該信道被占用，根據(jù)退避延時一段時間，再檢測CD信號是否為高。
    而根據(jù)檢測，數(shù)據(jù)包接收的時間大致為20 μs，時隙為60 μs，加上程序運行的時間，定義短幀空間SIFS和時隙分別為50 μs及100 μs，分散幀空間DIFS為SIFS加2個時隙即250 μs。CSMA/CA程序流程如圖3所示，定義NB、CW和BE。

    后退次數(shù)(NB)：NB的初始值為0，當設(shè)備有數(shù)據(jù)要傳送時，經(jīng)過一段后退時間(2BE-1)×100 μs后，檢測CD，若檢測到信道忙，則會再一次產(chǎn)生倒退時間。此時NB值會加1，NB值最大定義為4。當信道在經(jīng)過4次的后退延遲時間后仍為忙，則放棄此次的傳送，以避免過大開銷。
    嘗試次數(shù)(CW)：循環(huán)判斷當前頻道是否空閑，當判斷到了一定次數(shù)后該頻道依然空閑則跳出循環(huán)，開始傳送數(shù)據(jù)，設(shè)初值為2。
    后退指數(shù)(BE)：初值設(shè)為2。
    本設(shè)計中，CD信號為高時必須通過切換至standby模式來使CD信號復(fù)位，以保證下次CD信號的檢測。
    根據(jù)nRF905模塊的時序可知，模塊從standby模式切換至接收或發(fā)送模式的時間為650 μs，發(fā)送和接收模式之間的切換需要550 μs，切換時間遠大于時隙及DIFS的值。因此，BE設(shè)置為2，最大為4。
2.2.2 數(shù)據(jù)傳輸
    在進行數(shù)據(jù)傳輸時，源節(jié)點首先檢查自己的緩存中是否有到目的節(jié)點的路由信息，如果沒有，則先進行路由發(fā)現(xiàn)，與廣播模式相同。如果有至目的節(jié)點的路由信息，則根據(jù)路由信息，先發(fā)送數(shù)據(jù)請求命令RTS。當目的節(jié)點接收到返回的允許發(fā)送命令CTS信號時，則表示已經(jīng)建立了數(shù)據(jù)傳輸通道，由請求節(jié)點開始傳輸數(shù)據(jù)，傳輸完畢后，由目的節(jié)點發(fā)送DATA_ACK給源節(jié)點，表示數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。其工作流程如圖4所示。

2.2.3 路由修復(fù)
    數(shù)據(jù)傳輸時，每個節(jié)點收到數(shù)據(jù)后，都要先回復(fù)應(yīng)答ACK信號給其前一個節(jié)點，再轉(zhuǎn)發(fā)至下一個中繼節(jié)點，節(jié)點中設(shè)置超時定時器，約等待1 633 μs ACK信號，前一個節(jié)點沒有收到ACK，則重發(fā)數(shù)據(jù)，設(shè)置重發(fā)次數(shù)為3。假若重發(fā)3次都沒有收到ACK信號，則判斷下一個節(jié)點為中斷節(jié)點。查詢緩存路由中是否有其他到達中斷節(jié)點下游節(jié)點的信息，有則使用這個備用路由，無則廣播發(fā)送RERR給所有包含中斷節(jié)點路由的源節(jié)點，每個節(jié)點在收到該RERR后，就會從它的路由緩存中刪除所有包含該中斷節(jié)點的路由。
    路由修復(fù)示例如圖5所示。節(jié)點0需要發(fā)送數(shù)據(jù)給節(jié)點5，節(jié)點0中含有到節(jié)點5的路由信息，0→1→2→5；節(jié)點0開始發(fā)送RTS，每個節(jié)點收到RTS后返回給前一個節(jié)點ACK，表示路由無中斷；假若節(jié)點1沒有收到ACK，重發(fā)3次后仍沒有ACK返回，則判斷節(jié)點2是中斷節(jié)點；這時查詢節(jié)點1中有無到達節(jié)點5的路由，發(fā)現(xiàn)1→3→4→5，則按照此路由繼續(xù)發(fā)送RTS；當節(jié)點1返回DATA_ACK，表示數(shù)據(jù)傳輸完成，延遲10×跳數(shù)(ms)后，廣播發(fā)送RRER，收到RRER的每個節(jié)點查詢本節(jié)點是否含有中斷路由，有則從路由緩存中刪除包含中斷節(jié)點的路由。

3 試驗結(jié)果
    試驗網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由10個普通節(jié)點和1個協(xié)調(diào)器節(jié)點組成，采用人工隨機安放的方式把所有節(jié)點放置在約200 m的空曠地帶。首先，把協(xié)調(diào)器節(jié)點通過串口與主控PC機連接，打開上位機控制軟件，并給協(xié)調(diào)器節(jié)點上電；隨后在隨機放置普通節(jié)點的同時一一打開節(jié)點的電源。
    通過上位機軟件可以清楚地看到，每當有新節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)(打開電源)，上位機會實時顯示出新加入節(jié)點的地址和路由信息，并且通過反向路由返回應(yīng)答信號給新節(jié)點，表示成功加入網(wǎng)絡(luò)。當所有節(jié)點都加入網(wǎng)絡(luò)后，可以通過上位機軟件看到整個網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點的路由信息，并且可以對每個節(jié)點或多個節(jié)點進行遠程控制。
    為了實時監(jiān)測到每個節(jié)點的運行情況，每個節(jié)點程序都加入定時掃描程序，定時時間1 min，檢測節(jié)點本身在1 min內(nèi)是否為空閑狀態(tài)，如果是空閑狀態(tài)，則向協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)送節(jié)點信號，保證本鏈路無中斷；協(xié)調(diào)器在一定時間周期內(nèi)，檢測接收到的每個節(jié)點信號，如果缺少某個節(jié)點的信息，則由協(xié)調(diào)器發(fā)送檢測信號給這個節(jié)點，尋找中斷節(jié)點并進行路由維護。也可以直接通過主控電腦的上位機軟件手動發(fā)送檢測信號給每個節(jié)點，從而檢測每個節(jié)點的運行情況。
    nRF905的空中傳輸速率峰值為100 kb/s，有效傳輸速率為50 kb/s。
    通過上位機軟件對整個網(wǎng)絡(luò)進行連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸試驗，測試在本協(xié)議下的網(wǎng)絡(luò)吞吐率。測試條件：200 m空曠地帶，分別測試一個節(jié)點至10節(jié)點網(wǎng)絡(luò)中點對點，1跳、2跳、3跳情況下的吞吐率，數(shù)據(jù)包大小32 B。傳輸要求一個包到達目的節(jié)點后返回到應(yīng)答表示傳輸完成，其吞吐率計算[6]如下：
   
    測得的網(wǎng)絡(luò)吞吐率如圖6所示?？梢钥闯?，網(wǎng)絡(luò)中進行點對點的數(shù)據(jù)傳輸，吞吐率約為16 kb/s，并且隨著節(jié)點數(shù)的增多，影響很??；隨著跳數(shù)的增加，網(wǎng)絡(luò)吞吐率降低，但是網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點數(shù)量增多，同時節(jié)點傳輸幾率增加，因此逐漸趨于穩(wěn)定值。最后在網(wǎng)絡(luò)設(shè)定最大跳數(shù)(3跳)、10個節(jié)點網(wǎng)絡(luò)的情況下，網(wǎng)絡(luò)吞吐率約為4 kb/s。

    通過實驗測得數(shù)據(jù)表明，在短距離的無線通信網(wǎng)絡(luò)中，該系統(tǒng)可以穩(wěn)定可靠地運行，數(shù)據(jù)傳輸率高，網(wǎng)絡(luò)吞吐率完全可以達到一般的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求。并且該系統(tǒng)具有良好的擴展性、移植性和實用性，可廣泛運用于溫度、濕度、光傳感器采集數(shù)據(jù)、能量監(jiān)測及電路控制等技術(shù)。
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