基于nRF905的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是計(jì)算機(jī)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(jī)分布的、具有實(shí)時(shí)感知、無(wú)線通信和自組織能力的傳感器節(jié)點(diǎn)組成[1]。隨著無(wú)線技術(shù)的高速發(fā)展，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越多地走進(jìn)人們的視野中。與有線技術(shù)相比，無(wú)線技術(shù)具有成本低、體積小、省去復(fù)雜的布線等優(yōu)點(diǎn)。但是由于現(xiàn)有的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)大都采用電池供電，放置地點(diǎn)隨機(jī)變動(dòng)，隨時(shí)可能出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)中斷的情況，通信能力十分有限，需要經(jīng)常性的人工維護(hù)。因此，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)要具有自組織、中斷自我修復(fù)的功能，需要設(shè)計(jì)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(wú)線射頻芯片nRF905和STC12系列單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，并且在典型自組織網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議-動(dòng)態(tài)源路由協(xié)議DSR(Dynamic Source Routing)[2-4]的基礎(chǔ)上，針對(duì)路由維護(hù)算法做出改進(jìn)，設(shè)計(jì)出一種易于實(shí)現(xiàn)且實(shí)用性高的通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了自組織和多跳傳輸數(shù)據(jù)的無(wú)線通信系統(tǒng)。
1 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
    節(jié)點(diǎn)分為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)，普通節(jié)點(diǎn)帶有傳感器，負(fù)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(diǎn)負(fù)責(zé)整個(gè)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(diǎn)的結(jié)構(gòu)圖。

1.1 MCU
    STC12LE5410AD單片機(jī)是單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的兼容8051內(nèi)核單片機(jī)，是高速、低功耗的新一代8051單片機(jī)，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(zhǎng)時(shí)間工作。器件在少于6 μs的時(shí)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(jiǎn)外部電路可設(shè)計(jì)出更小的節(jié)點(diǎn)，超低的價(jià)格可以大規(guī)模鋪設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)。STC12LE5410AD單片機(jī)的這些特征，非常適合應(yīng)用在無(wú)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(gè)為433/868/915 MHz-ISM(工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療)頻段設(shè)計(jì)的單片無(wú)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(dòng)完成曼徹斯特編碼/解碼。nRF905有兩種活動(dòng)(TX/RX)模式和兩種節(jié)電模式?；顒?dòng)模式之間轉(zhuǎn)換時(shí)間小于550 μs，活動(dòng)模式與節(jié)電模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間小于650 μs。
    nRF905通過(guò)SPI與微控制器通信，自動(dòng)處理字頭和循環(huán)冗余碼校驗(yàn)(CRC)。當(dāng)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，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(huì)自動(dòng)完成數(shù)據(jù)打包(加字頭和CRC校驗(yàn)碼)和發(fā)送。接收數(shù)據(jù)時(shí)，nRF905自動(dòng)檢測(cè)載波并進(jìn)行地址匹配，接收到正確數(shù)據(jù)后自動(dòng)移去字頭、地址和CRC校驗(yàn)碼，再通過(guò)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(jī)通過(guò)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(dá)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(shí)間，提高了網(wǎng)絡(luò)的吞吐率。同時(shí)在設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與PC上位機(jī)軟件通信程序時(shí)，利用STC單片機(jī)1T時(shí)鐘的優(yōu)勢(shì)，設(shè)置串口波特率使用的定時(shí)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(diǎn)的反應(yīng)速度，減少了等待時(shí)間，提高了系統(tǒng)的吞吐率。
2 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)Connector軟件和普通節(jié)點(diǎn)Node軟件的設(shè)計(jì)，其中協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的主節(jié)點(diǎn)，起著控制全網(wǎng)絡(luò)的作用，通過(guò)PC機(jī)的上位機(jī)軟件，可以對(duì)協(xié)調(diào)器進(jìn)行接收和發(fā)送命令及數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的控制。而每個(gè)普通節(jié)點(diǎn)也預(yù)留通信接口，可以在需要的時(shí)候與其他設(shè)備相連接。
    由于本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò)的需要，在物理層中為每個(gè)節(jié)點(diǎn)(包括協(xié)調(diào)器和普通節(jié)點(diǎn))定義了相同的物理地址，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)的廣播功能。在網(wǎng)絡(luò)層為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配唯一的網(wǎng)絡(luò)地址，通過(guò)軟件判斷接收數(shù)據(jù)的目的節(jié)點(diǎn)是否是本機(jī)。
    圖2為節(jié)點(diǎn)自組織流程圖。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中增加一個(gè)新節(jié)點(diǎn)，新節(jié)點(diǎn)上電初始化后，首先會(huì)向協(xié)調(diào)器發(fā)送路由請(qǐng)求RREQ請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò)，并打開定時(shí)器；協(xié)調(diào)器收到RREQ后，記錄新節(jié)點(diǎn)信息，并通過(guò)反路由發(fā)送應(yīng)答信號(hào)ACK至源節(jié)點(diǎn)；如果新節(jié)點(diǎn)在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)收到ACK信號(hào)，表示加入網(wǎng)絡(luò)成功，并且記錄本節(jié)點(diǎn)至協(xié)調(diào)器的路由信息；如果在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到ACK信號(hào)，那么重新發(fā)送路由請(qǐng)求RREQ至協(xié)調(diào)器，如此循環(huán)直至收到ACK信號(hào)。如果重發(fā)次數(shù)達(dá)到設(shè)定的上線，仍沒(méi)有收到ACK信號(hào)，則進(jìn)行全網(wǎng)廣播RREQ，并打開定時(shí)器，等待返回RREP命令；在設(shè)定時(shí)間后進(jìn)行重新廣播RREQ，直到到達(dá)重發(fā)上限。新節(jié)點(diǎn)收到RREP表示加入網(wǎng)絡(luò)成功，同時(shí)保存RREP命令幀中的路由信息。

2.1 路由協(xié)議
    現(xiàn)有無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議通?？煞譃椋罕眚?qū)動(dòng)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(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)一張或多張路由表，以記錄到其他節(jié)點(diǎn)的路由，增加了路由開銷。而按需路由協(xié)議——動(dòng)態(tài)源路由協(xié)議(DSR)使用了源路由，每一個(gè)數(shù)據(jù)分組的幀頭中包含整條路由的信息，中間節(jié)點(diǎn)不需要維持當(dāng)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(diǎn)的檢測(cè)。
    DSR協(xié)議包括兩個(gè)過(guò)程：路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)。路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程使用泛洪路由(Flooding Routing)。為了減少路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程的開銷，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都包括一個(gè)緩存器，存放最近學(xué)到的和用過(guò)的路由信息。路由維護(hù)過(guò)程是源節(jié)點(diǎn)用來(lái)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫欠癜l(fā)生變化的機(jī)制。若拓?fù)浒l(fā)生變化、源路由發(fā)生中斷，源節(jié)點(diǎn)就會(huì)收到路由錯(cuò)誤信息。其他節(jié)點(diǎn)收到路由錯(cuò)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(duì)DSR協(xié)議進(jìn)行一些改進(jìn)。
    (1)每個(gè)節(jié)點(diǎn)中到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)含有最多兩個(gè)路由緩存。
    (2)查到中斷節(jié)點(diǎn)后先檢查本節(jié)點(diǎn)中有無(wú)到中斷節(jié)點(diǎn)下級(jí)節(jié)點(diǎn)的信息，若有，則直接使用此路由，若無(wú)，則立即廣播發(fā)送RRER。
    (3)所有節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(yàn)。

2.2 程序設(shè)計(jì)
2.2.1 廣播
    在廣播RREQ時(shí)，為了避免廣播沖突，利用nRF905的載波檢測(cè)多路訪問(wèn)機(jī)制CSMA/CA，發(fā)送前先進(jìn)入接收模式，監(jiān)聽該信道是否空閑。如果檢測(cè)到CD信號(hào)為高，則表示該信道被占用，根據(jù)退避延時(shí)一段時(shí)間，再檢測(cè)CD信號(hào)是否為高。
    而根據(jù)檢測(cè)，數(shù)據(jù)包接收的時(shí)間大致為20 μs，時(shí)隙為60 μs，加上程序運(yùn)行的時(shí)間，定義短幀空間SIFS和時(shí)隙分別為50 μs及100 μs，分散幀空間DIFS為SIFS加2個(gè)時(shí)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(dāng)設(shè)備有數(shù)據(jù)要傳送時(shí)，經(jīng)過(guò)一段后退時(shí)間(2BE-1)×100 μs后，檢測(cè)CD，若檢測(cè)到信道忙，則會(huì)再一次產(chǎn)生倒退時(shí)間。此時(shí)NB值會(huì)加1，NB值最大定義為4。當(dāng)信道在經(jīng)過(guò)4次的后退延遲時(shí)間后仍為忙，則放棄此次的傳送，以避免過(guò)大開銷。
    嘗試次數(shù)(CW)：循環(huán)判斷當(dāng)前頻道是否空閑，當(dāng)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(jì)中，CD信號(hào)為高時(shí)必須通過(guò)切換至standby模式來(lái)使CD信號(hào)復(fù)位，以保證下次CD信號(hào)的檢測(cè)。
    根據(jù)nRF905模塊的時(shí)序可知，模塊從standby模式切換至接收或發(fā)送模式的時(shí)間為650 μs，發(fā)送和接收模式之間的切換需要550 μs，切換時(shí)間遠(yuǎn)大于時(shí)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(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，源節(jié)點(diǎn)首先檢查自己的緩存中是否有到目的節(jié)點(diǎn)的路由信息，如果沒(méi)有，則先進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)，與廣播模式相同。如果有至目的節(jié)點(diǎn)的路由信息，則根據(jù)路由信息，先發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求命令RTS。當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)接收到返回的允許發(fā)送命令CTS信號(hào)時(shí)，則表示已經(jīng)建立了數(shù)據(jù)傳輸通道，由請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)開始傳輸數(shù)據(jù)，傳輸完畢后，由目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送DATA_ACK給源節(jié)點(diǎn)，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(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)后，都要先回復(fù)應(yīng)答ACK信號(hào)給其前一個(gè)節(jié)點(diǎn)，再轉(zhuǎn)發(fā)至下一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)中設(shè)置超時(shí)定時(shí)器，約等待1 633 μs ACK信號(hào)，前一個(gè)節(jié)點(diǎn)沒(méi)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(méi)有收到ACK信號(hào)，則判斷下一個(gè)節(jié)點(diǎn)為中斷節(jié)點(diǎn)。查詢緩存路由中是否有其他到達(dá)中斷節(jié)點(diǎn)下游節(jié)點(diǎn)的信息，有則使用這個(gè)備用路由，無(wú)則廣播發(fā)送RERR給所有包含中斷節(jié)點(diǎn)路由的源節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在收到該RERR后，就會(huì)從它的路由緩存中刪除所有包含該中斷節(jié)點(diǎn)的路由。
    路由修復(fù)示例如圖5所示。節(jié)點(diǎn)0需要發(fā)送數(shù)據(jù)給節(jié)點(diǎn)5，節(jié)點(diǎn)0中含有到節(jié)點(diǎn)5的路由信息，0→1→2→5；節(jié)點(diǎn)0開始發(fā)送RTS，每個(gè)節(jié)點(diǎn)收到RTS后返回給前一個(gè)節(jié)點(diǎn)ACK，表示路由無(wú)中斷；假若節(jié)點(diǎn)1沒(méi)有收到ACK，重發(fā)3次后仍沒(méi)有ACK返回，則判斷節(jié)點(diǎn)2是中斷節(jié)點(diǎn)；這時(shí)查詢節(jié)點(diǎn)1中有無(wú)到達(dá)節(jié)點(diǎn)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(dāng)節(jié)點(diǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn)查詢本節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的路由。

3 試驗(yàn)結(jié)果
    試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由10個(gè)普通節(jié)點(diǎn)和1個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組成，采用人工隨機(jī)安放的方式把所有節(jié)點(diǎn)放置在約200 m的空曠地帶。首先，把協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過(guò)串口與主控PC機(jī)連接，打開上位機(jī)控制軟件，并給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上電；隨后在隨機(jī)放置普通節(jié)點(diǎn)的同時(shí)一一打開節(jié)點(diǎn)的電源。
    通過(guò)上位機(jī)軟件可以清楚地看到，每當(dāng)有新節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)(打開電源)，上位機(jī)會(huì)實(shí)時(shí)顯示出新加入節(jié)點(diǎn)的地址和路由信息，并且通過(guò)反向路由返回應(yīng)答信號(hào)給新節(jié)點(diǎn)，表示成功加入網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)所有節(jié)點(diǎn)都加入網(wǎng)絡(luò)后，可以通過(guò)上位機(jī)軟件看到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的路由信息，并且可以對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。
    為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行情況，每個(gè)節(jié)點(diǎn)程序都加入定時(shí)掃描程序，定時(shí)時(shí)間1 min，檢測(cè)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)發(fā)送節(jié)點(diǎn)信號(hào)，保證本鏈路無(wú)中斷；協(xié)調(diào)器在一定時(shí)間周期內(nèi)，檢測(cè)接收到的每個(gè)節(jié)點(diǎn)信號(hào)，如果缺少某個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息，則由協(xié)調(diào)器發(fā)送檢測(cè)信號(hào)給這個(gè)節(jié)點(diǎn)，尋找中斷節(jié)點(diǎn)并進(jìn)行路由維護(hù)。也可以直接通過(guò)主控電腦的上位機(jī)軟件手動(dòng)發(fā)送檢測(cè)信號(hào)給每個(gè)節(jié)點(diǎn)，從而檢測(cè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)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(guò)上位機(jī)軟件對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸試驗(yàn)，測(cè)試在本協(xié)議下的網(wǎng)絡(luò)吞吐率。測(cè)試條件：200 m空曠地帶，分別測(cè)試一個(gè)節(jié)點(diǎn)至10節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，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(gè)包到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)后返回到應(yīng)答表示傳輸完成，其吞吐率計(jì)算[6]如下：
   
    測(cè)得的網(wǎng)絡(luò)吞吐率如圖6所示?？梢钥闯?，網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸，吞吐率約為16 kb/s，并且隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增多，影響很小；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(diǎn)數(shù)量增多，同時(shí)節(jié)點(diǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的情況下，網(wǎng)絡(luò)吞吐率約為4 kb/s。

    通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)表明，在短距離的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中，該系統(tǒng)可以穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，數(shù)據(jù)傳輸率高，網(wǎng)絡(luò)吞吐率完全可以達(dá)到一般的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求。并且該系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性、移植性和實(shí)用性，可廣泛運(yùn)用于溫度、濕度、光傳感器采集數(shù)據(jù)、能量監(jiān)測(cè)及電路控制等技術(shù)。
參考文獻(xiàn)
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