分级有序路由无线传感器网络的研究与测试

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，然后借助尢线广域网和Intcrnet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。

　　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，主控制器选抒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6μs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。

　　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650μs，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观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。