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無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )系統構建方法論文
引言
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )作為一種測控網(wǎng)絡(luò )，投資成本低、體積小、性?xún)r(jià)比高，以監測物理世界為主要目標，專(zhuān)注于從外界獲取有效信息[1]。但是感知節點(diǎn)有限的硬件資源使得能量、計算、存儲及通信能力也大大受限[2-3]。而網(wǎng)絡(luò )拓撲的多變性和網(wǎng)絡(luò )環(huán)境狀況以及外在環(huán)境又要求無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )具有自組織的能力，能夠自動(dòng)組網(wǎng)運行、自行配置維護以及適時(shí)轉發(fā)監測數據[4]。因此為了實(shí)現數據的融合和通信的可靠傳輸，整個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的建立和維護至關(guān)重要。在網(wǎng)絡(luò )拓撲結構中，網(wǎng)狀拓撲結構可靠性高，故障修復能力強，結構可靈活多變，特別適用于隨機布置，需要隨機構建無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的場(chǎng)合。但是相對其他網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )系統的建立和管理更為復雜[5]，路由算法也更為復雜�，F針對傳感器網(wǎng)絡(luò )周期工作采集環(huán)境數據信息的特點(diǎn)，提出一種無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )的建立和管理的方案。各節點(diǎn)依據隨機形成的拓撲結構和通信環(huán)境來(lái)構建網(wǎng)絡(luò )，最終在通信連通域（指一片區域內節點(diǎn)的集合，且其中任意兩個(gè)節點(diǎn)能夠直接或多跳的方式進(jìn)行通信）內形成一個(gè)整體的網(wǎng)絡(luò )系統。其中將網(wǎng)絡(luò )的部分維護工作和應用功能相結合，從而達到減少網(wǎng)絡(luò )管理上和路由更新的開(kāi)銷(xiāo)，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò )維護工作的目的。
1問(wèn)題分析
1.1上電過(guò)程中問(wèn)題
1）當一個(gè)節點(diǎn)上電開(kāi)始工作時(shí)，先確定是否為第一個(gè)上電節點(diǎn)或者周?chē)赏ㄐ欧秶鷥扔袩o(wú)其他已上電的感知節點(diǎn)，若無(wú)則此節點(diǎn)應該自己確定一系列網(wǎng)絡(luò )參數，建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò )系統。否則說(shuō)明已經(jīng)存在其他網(wǎng)絡(luò )，則此節點(diǎn)應該申請加入現有網(wǎng)絡(luò )。
2）當有網(wǎng)絡(luò )時(shí)可能存在多個(gè)網(wǎng)絡(luò )的情況（如圖1所示），此時(shí)節點(diǎn)不僅需要申請加入優(yōu)先級高的網(wǎng)絡(luò )，同時(shí)還需要告知優(yōu)先級低的網(wǎng)絡(luò )的節點(diǎn)更改網(wǎng)絡(luò )參數，加入到高優(yōu)先級的網(wǎng)絡(luò )，合并成一個(gè)整體無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統。
3）若多個(gè)節點(diǎn)同時(shí)上電且沒(méi)有可用網(wǎng)絡(luò )，則這些節點(diǎn)完成網(wǎng)絡(luò )初始化配置后也應該處于同一網(wǎng)絡(luò )中，而不是各自建立不同網(wǎng)絡(luò )。
1.2周期工作過(guò)程中的問(wèn)題
1）新一輪周期開(kāi)始時(shí)，很可能存在新的節點(diǎn)加入或者某些節點(diǎn)故障而丟失（如圖2所示），此時(shí)通信環(huán)境已經(jīng)發(fā)生變化，對某些通信鏈路已經(jīng)造成影響，因此路由表需要做出相應調整。
2）系統工作中受外界環(huán)境影響，節點(diǎn)間可能受障礙物遮擋，原本連通的鏈路失效了，此時(shí)路由表也應該相應進(jìn)行維護，發(fā)現新的可行路由（如圖3所示）。
3）多個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )在一開(kāi)始可能處于不同的通信連通域，但環(huán)境改變后處于同一通信域里面了，也應該合并成一個(gè)大的網(wǎng)絡(luò )，從而能夠收集匯聚更大的地理區域的環(huán)境信息。
2上電啟動(dòng)過(guò)程
1）節點(diǎn)上電后，首先完成硬件的初始化，包括配置各個(gè)接口，以及給GPS模塊發(fā)送初始控制命令等。
2）硬件初始化完成后，從flash芯片里讀取啟動(dòng)方式（CPU的非易失性存儲flash保存上次工作時(shí)的狀態(tài)信息），確定此次上電是全新上電模式還是繼續工作模式。全新上電是指節點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)行新的感知測量任務(wù)。繼續工作模式是指節點(diǎn)已經(jīng)有某個(gè)感知任務(wù)，由于故障等原因需要重新上電，此時(shí)節點(diǎn)需要繼續之前的工作任務(wù)。全新上電的節點(diǎn)需要對當前網(wǎng)絡(luò )環(huán)境進(jìn)行掃描，獲取最新網(wǎng)絡(luò )信息，做出相應的反應。繼續工作模式的節點(diǎn)則需要恢復故障前的工作狀態(tài)，并嘗試與其他節點(diǎn)恢復通信。全新上電模式啟動(dòng)過(guò)程可分為以下幾步：
a.獲取GPS定位信息。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )具有周期采集信息，在完成此次應用任務(wù)后通過(guò)休眠的方式來(lái)節省能量的特點(diǎn)。當一個(gè)節點(diǎn)上電時(shí)，其他節點(diǎn)可能處于休眠狀態(tài)，為了能與其它節點(diǎn)同步通信，先需要在周期上保持同步，可以從GPS模塊的輸出信息中提取當前時(shí)間。
b.休眠。獲取GPS時(shí)間后節點(diǎn)進(jìn)入休眠態(tài)，直至與其他節點(diǎn)同時(shí)喚醒，以此保持周期上的同步。
c.掃描網(wǎng)絡(luò )。節點(diǎn)喚醒后由離線(xiàn)狀態(tài)（未加入任何網(wǎng)絡(luò )）進(jìn)入掃描狀態(tài)（掃描周?chē)W(wǎng)絡(luò )），若節點(diǎn)在達到超時(shí)時(shí)間Ttime-out時(shí)還沒(méi)有檢測到可用的網(wǎng)絡(luò )，則進(jìn)入建立網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)，自己創(chuàng )建一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò )。其中Ttime-out是關(guān)于節點(diǎn)地址n的單調遞增的函數，多節點(diǎn)同時(shí)上電時(shí)地址最低的節點(diǎn)最先進(jìn)入建立網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)。當一個(gè)節點(diǎn)建立網(wǎng)絡(luò )后，就可被其他節點(diǎn)掃描并申請加入網(wǎng)絡(luò )。從而防止多個(gè)節點(diǎn)建立多個(gè)網(wǎng)絡(luò )。
d.若掃描到可用的網(wǎng)絡(luò )（可能存在多個(gè)可用網(wǎng)絡(luò )），則選定優(yōu)先級高的為目標網(wǎng)絡(luò )（規則可擬定），同時(shí)給處于低優(yōu)先級網(wǎng)絡(luò )的節點(diǎn)發(fā)送信息通知改變他們的網(wǎng)絡(luò )配置，用以將多個(gè)網(wǎng)絡(luò )合并成一個(gè)大的網(wǎng)絡(luò )。
e.然后此節點(diǎn)轉入尋求入網(wǎng)狀態(tài)，申請加入網(wǎng)絡(luò )，若加入成功，則獲取網(wǎng)絡(luò )信息并存入flash存儲起來(lái)，然后開(kāi)始周期工作。
f.若加入網(wǎng)絡(luò )失�。ㄈ绲刂窙_突），則節點(diǎn)自己?jiǎn)为氈芷诠ぷ�，避免影響已�?jīng)工作的網(wǎng)絡(luò )系統。
g.若沒(méi)有掃描到可用的網(wǎng)絡(luò )，則節點(diǎn)根據自己的地址信息確定網(wǎng)絡(luò )信道、網(wǎng)絡(luò )ID等參數，建立一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò )，開(kāi)始周期工作，并且管理此網(wǎng)絡(luò )，接收其他節點(diǎn)的申請。
繼續工作模式啟動(dòng)過(guò)程可分為以下幾步：
a.從flash芯片讀取之前的工作狀態(tài)和網(wǎng)絡(luò )信息，包括網(wǎng)絡(luò )信道、網(wǎng)絡(luò )ID、節點(diǎn)數據存儲情況、路由表信息等。根據這些信息恢復寄存器信息，將節點(diǎn)配置成斷電前的工作狀態(tài)。
b.獲取GPS信息，獲得當前時(shí)間，并休眠至下一個(gè)喚醒時(shí)間點(diǎn)，保持工作周期的同步。c.嘗試與其他節點(diǎn)建立通信。在整體網(wǎng)絡(luò )不出現故障的情況下，此故障節點(diǎn)可完全恢復所有功能，繼續周期地工作。
3周期工作過(guò)程
合理的周期工作過(guò)程不僅可以保證應用任務(wù)的良好完成，同時(shí)也能保證系統的穩定運行，周期工作過(guò)程可分為以下幾個(gè)步驟：
1）喚醒。節點(diǎn)喚醒后先等待一段時(shí)間，用來(lái)完全恢復各個(gè)模塊功能，同時(shí)也給新上電的節點(diǎn)掃描網(wǎng)絡(luò )信息。
2）應用任務(wù)。接下來(lái)可以根據不同的應用，執行用戶(hù)所需的任務(wù)。例如采集外部溫濕度環(huán)境，由GPS模塊獲取位置信息，無(wú)線(xiàn)通信進(jìn)行數據的融合等。
3）網(wǎng)絡(luò )維護。在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )運行中，受環(huán)境、節點(diǎn)位置等因素影響，通信鏈路可能中斷，也可能出現新的鏈路，因此需要不停地檢查網(wǎng)絡(luò )，根據最新的網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)更新路由路徑、節點(diǎn)數量等等網(wǎng)絡(luò )信息。網(wǎng)絡(luò )維護是保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)更新、檢查排除網(wǎng)絡(luò )錯誤、更新路由表的關(guān)鍵步驟。網(wǎng)絡(luò )維護的方法分為以下幾步：
a.各個(gè)節點(diǎn)按地址先后順序，掃描所有信道，確定當前周?chē)W(wǎng)絡(luò )情況。當一個(gè)節點(diǎn)掃描時(shí)，其他節點(diǎn)可根據接收到的掃描信息幀來(lái)確定哪些節點(diǎn)可與自己直接通信（即不需多跳來(lái)交互數據），為更新路由做準備。
b.若發(fā)現新的網(wǎng)絡(luò )則先判斷哪個(gè)網(wǎng)絡(luò )優(yōu)先級更高，然后通知低級別網(wǎng)絡(luò )中的所有節點(diǎn)更改網(wǎng)絡(luò )配置，合并入優(yōu)先級高的網(wǎng)絡(luò )形成一個(gè)大的網(wǎng)絡(luò )。
c.根據之前記載下來(lái)的直接通信信息，更新自己的鏈路情況，并廣播自己鏈路信息。d.根據所有節點(diǎn)的鏈路情況可計算出最新的路由表，例如根據迪杰斯特拉提出的最短路徑算法計算最短路徑路由協(xié)議。
4）休眠。節點(diǎn)周期性的休眠可以大大降低功耗，若有不定時(shí)長(cháng)的或實(shí)時(shí)性要求不高的用戶(hù)任務(wù)也可在這段時(shí)間執行，執行完后再休眠。
4結論
筆者使用TI公司的CC2530無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片為核心搭建硬件平臺，以zigbee無(wú)線(xiàn)通訊方式，編程實(shí)現了上述上電啟動(dòng)過(guò)程和周期工作過(guò)程，實(shí)驗表明上述方法能使多節點(diǎn)在隨機拓撲結構和隨機上電順序的情況下，最終加入同一網(wǎng)絡(luò )。運行中出現鏈路問(wèn)題時(shí)路由表和其它網(wǎng)絡(luò )信息也能及時(shí)得到維護。節點(diǎn)故障修復后也能通過(guò)保存的網(wǎng)絡(luò )信息恢復至之前工作狀態(tài)。整個(gè)無(wú)線(xiàn)系統具有良好的穩定性。
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