一種樹型層次結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用研究

于 標

(揚州市職業(yè)大學(xué)電氣與汽車工程學(xué)院，江蘇 揚州 225009)

一種樹型層次結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用研究

于 標

(揚州市職業(yè)大學(xué)電氣與汽車工程學(xué)院，江蘇 揚州 225009)

針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)，提出了一種樹型層次結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可用最少的無線通信跳數(shù)進行數(shù)據(jù)傳輸，能均衡使用節(jié)點電池能量。同時給出了節(jié)點位置估算法和數(shù)據(jù)丟包解決法，設(shè)計并驗證了該網(wǎng)絡(luò)的路由算法。該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所用技術(shù)成熟、成本低、易于工程實現(xiàn)，具有較好的實用價值，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有一定的通用性。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 傳感器節(jié)點 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu) 算法 路由

0 引言

根據(jù)節(jié)點是否移動和節(jié)點的布置是否可控，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)可分為4類來構(gòu)建。目前，拓撲結(jié)構(gòu)的控制研究已經(jīng)形成功率控制和睡眠調(diào)度兩個主流研究方向［1］。在保證一定的網(wǎng)絡(luò)連通質(zhì)量和覆蓋質(zhì)量的前提下，一般以延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期為主要目標，兼顧通信干擾、網(wǎng)絡(luò)延遲、負載均衡、簡單性、可靠性和可擴展性等性能，形成一個優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)［2］。

已公開報道的各無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議都有一定的條件設(shè)定和局限性。簡單的路由協(xié)議有洪泛協(xié)議、惡劣環(huán)境中的可靠路由算法、定向擴散協(xié)議［3］。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由的建立和選擇與組網(wǎng)密切相關(guān)，組網(wǎng)過程決定了所有可能的路由路徑。因此，在一個主節(jié)點的控制下進行有序的組網(wǎng)是一種實用有效的解決方法。

1 無線傳感器節(jié)點

無線傳感器節(jié)點中的無線模塊和處理器模塊對組網(wǎng)起關(guān)鍵性的作用，兩者決定了節(jié)點的通信性能和數(shù)據(jù)處理能力［4］。過于低廉的功能芯片不可能獲得優(yōu)良的通信性能和數(shù)據(jù)處理能力。本文設(shè)計和使用的測溫無線傳感器節(jié)點電路圖如圖1所示，其性能穩(wěn)定，工作可靠。其中Address為地址選擇電路。

圖1 節(jié)點電路圖Fig.1 The node circuit

無線模塊選擇了北京迅通科技有限公司基于nRF24L01的產(chǎn)品，通信范圍在 30～40 m左右。nRF24L01是一款工作在2.4～2.5 GHz的單片無線收發(fā)器芯片，有125個工作頻道，每個頻道有40 bit的地址選擇，具有功耗低、硬件自動應(yīng)答與重發(fā)功能、價格低等特點。處理器選擇ATMEL公司的Atmega8L單片機。Atmega8L單片機有512 B的EEPROM和8 kB的可編程Flash，提供1種工作模式和5種睡眠模式，其SPI硬件接口可與nRF24L01直接相聯(lián)，是一款低功耗、高性能、性價比較好的單片機。電池選擇一節(jié)7號1.2 V、900 mA的可充電電池。系統(tǒng)采用BL8550/5.0升壓芯片將電源電壓升至5 V，供DS18B20使用;采用TPS76333電源管理芯片將5 V電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?.3 V電壓，供Atmega8L和nRF24L01使用。上述兩個電源芯片都具有穩(wěn)壓性能。

2 網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)

一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的布置總是有具體的應(yīng)用目標，各節(jié)點的位置一般也非隨意安排，由均勻布置、信號有效范圍相互覆蓋等要求來定位。節(jié)點的物理屬性確定了各節(jié)點間的信號是否能通達，故頂點集V={v0，v1，…，vm}必存在一個邊數(shù)最多的拓撲結(jié)構(gòu)Gmax(V，Emax)，其中，Emax?V＆V，為無序積(V＆V)的一個子集。成功的節(jié)點布置會使Emax的關(guān)聯(lián)包含頂點集V的所有元素，則該拓撲結(jié)構(gòu)是連通的，但不一定是較易控制和管理的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。由Gmax(V，Emax)可生成不同的子圖G(V，E)，其中E?Emax。E的選擇決定了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)屬性和網(wǎng)絡(luò)能力。樹型層次結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖如圖2所示。

圖2 樹型層次結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖Fig.2 Topology of tree hierachical network

定義圖2的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)為圖G(V，E)。其中，V={v0，v1，…，vm}，頂點vi和vj之間只有一條邊pij相聯(lián)。從信號能通達的角度來看，兩個無線節(jié)點之間只有一種關(guān)聯(lián)。E={pij|i=0，1，2，…，m;j=0，1，2，…，m;d(vi，vj)≤min(di，dj)，i≠j}，其中di為頂節(jié)點的有效通信半徑，d(vi，vj)為與pij關(guān)聯(lián)的vi和vj之間的歐幾里德距離。圖G(V，E)的拓撲結(jié)構(gòu)是由頂點集V的某種分布及d(vi，vj)≤min(di，dj)的限定決定的，為一種自然屬性。

2.1 拓撲結(jié)構(gòu)的特點

圖2所示網(wǎng)絡(luò)拓撲圖是一簡單圖且是一個連通圖，沒有圈也沒有重數(shù)大于1的邊。對一個頂點集V={v0，v1，…，vm}，在選定 0 層頂點v0后，按E={pij|i=0，1，2，…，m;j=0，1，2，…，m;d(vi，vj)≤min(di，dj)，i≠j}中的條件構(gòu)建pij，則任意頂點vi和vj間的通路u(vi，vj)將是它們間最短的無線信道。這樣的通路為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能控制和通信跳數(shù)最少帶來拓撲結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢。圖2所示網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)是一個層次型的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，如去掉圖2中粗實線表示的同層頂點間的邊，這個拓撲結(jié)構(gòu)將蛻變?yōu)橐粋€有R層頂點的多叉樹拓撲結(jié)構(gòu)［5］，0層頂點是根節(jié)點，r層頂點是(r-1)層頂點的根，(r-1)層頂點是(r-2)層頂點的根，頂點vi至v0的通路u(v0，vi)是唯一的。

定義p1ij為多叉樹拓撲結(jié)構(gòu)T{V，E1}的邊，E1={p1ij|i=0，1，2，…，m;j=0，1，2，…，m;d(vi，vj)≤min(di，dj)，i≠j}。p2ij為同層頂點構(gòu)成圖F{V，E2}的邊，E2={p2ij|i=0，1，2，…，m;j=0，1，2，…，m;d(vi，vj)≤min(di，dj)，i≠j}，則E可表示為{E1∪E2|E1∩E2=Φ}。樹型拓撲結(jié)構(gòu)的圖是連通度最小的圖［6］，樹的邊連通度與點連通度均為1，降低了兩點間信道存在的可靠性，但同層頂點的邊集E2增加了圖G(V，E)的通路數(shù)，邊集E2的邊數(shù)是圖G(V，E)的基本回路數(shù)，而圖G(V，E)的回路數(shù)大于等于基本回路數(shù)，故圖G(V，E)的連通性變好。由m個頂點構(gòu)成的樹T具有(m-1)條邊，樹是連通的，圖G(V，E)是在0 層頂點選定后，按照{(diào)d(vi，vj)≤min(di，dj)，i≠j}構(gòu)建pij形成的，因此多叉樹T{V，E1}是圖G(V，E)唯一的生成樹。樹的層數(shù)越少，則通路u(v0，vi)的長度k0i越小，即頂點vi至根頂點v0的無線信號傳輸?shù)奶鴶?shù)越少。

2.2 頂點的特點

定義S(vi)?E，S(vi)為vi的關(guān)聯(lián)集，0層頂點v0為割點，最后一層的各頂點vi為割點，中間各層頂點的S(vi)可能是割集，也可能不是割集。對應(yīng)割集的頂點是拓撲結(jié)構(gòu)中負擔相對重一些、但必須存在的頂點。在圖G(V，E)的所有割點中，除根頂點v0外，其他頂點均是不同層上的根頂點，r層頂點與(r-1)層頂點間的通路u(vi，vj)的長度kij為1，即無線通信跳數(shù)為1。因此，這樣的樹型層次結(jié)構(gòu)使各頂點vi至根頂點v0間的信號傳輸總跳數(shù)將是該拓撲結(jié)構(gòu)下最少的。

為了方便頂點的識別，定義IDS0(vi)為頂節(jié)點的唯一IDi號(節(jié)點數(shù)據(jù)接收0通道地址)，IDS1(vi)為頂節(jié)點的唯一IDi號(節(jié)點數(shù)據(jù)接收1通道地址)，IDF(vi)為頂節(jié)點的唯一IDi號(節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送通道地址)。IDi∈(0，1，2，…，A)，A為最大無線模塊信道地址。

2.3 樹型層次結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點

若構(gòu)建一個圖2所示樹型層次結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，則層次性符合傳感器節(jié)點無線信號傳輸?shù)膯翁?，樹型結(jié)構(gòu)搜索的順序性符合傳感器節(jié)點位置的分布性和節(jié)點地址的唯一性［7］。在全網(wǎng)節(jié)點有效的情況下，用其生成樹T{V，E1}進行路由選擇，則路由唯一，全網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通信平均跳數(shù)最短，平均通信時間最短，平均耗能最少。這種樹型層次結(jié)構(gòu)的生成樹T是自然選擇，取決于節(jié)點通信半徑。F{V，E2}的邊集E2為生成樹T{V，E1}提供了一跳的最短路由轉(zhuǎn)移，用于有節(jié)點失效時的路由選擇。

3 數(shù)據(jù)鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路層負責數(shù)據(jù)成幀、幀檢測、差錯控制以及無線信道的使用控制，減少鄰居節(jié)點廣播引起的沖突［8］。本文以測溫為應(yīng)用背景，考慮數(shù)據(jù)的正確性與系統(tǒng)的性能要求，確定如下數(shù)據(jù)幀:第一個字節(jié)為節(jié)點狀態(tài)與控制字節(jié)，其后五個字節(jié)為節(jié)點地址，第六、七個字節(jié)為節(jié)點所在層號，后兩個字節(jié)為節(jié)點溫度值的高8位與低8位，如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)幀格式Fig.3 The data frame

第一個字節(jié)中各數(shù)據(jù)位(b0～b7)定義如下。

b0為電量狀態(tài)位。

b1、b2和b3為節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)與控制編碼:000上行命令、001下行命令、010從動上行狀態(tài)、011主動上行狀態(tài)、100經(jīng)同層其他節(jié)點上行狀態(tài)、101校時命令、111等待狀態(tài)。

b4和b5為本節(jié)點組網(wǎng)狀態(tài)與控制編碼:00未組網(wǎng)狀態(tài)、01組網(wǎng)狀態(tài)、10組網(wǎng)命令、11退網(wǎng)命令。

b6和b7為節(jié)點狀態(tài)編碼:00失效狀態(tài)、01有效狀態(tài)、10新節(jié)點入網(wǎng)狀態(tài)。

溫度傳感器DS18B20高速暫存(便箋式RAM)中的第九個字節(jié)是前8個字節(jié)的CRC8校驗碼，所以處理器與溫度傳感器間數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性由CRC8校驗碼來檢驗，其等效多項式函數(shù)為CRC=X8+X5+X4+1。nRF24L01芯片可選CRC8或CRC16校驗碼對所發(fā)數(shù)據(jù)自動進行硬件CRC校驗，并在發(fā)送數(shù)據(jù)幀的最后加上該CRC校驗碼，以確保nRF24L01芯片之間數(shù)據(jù)收發(fā)的正確性。本設(shè)計選擇CRC16校驗。處理器與nRF24L01芯片之間通過SPI串行接口通信，數(shù)據(jù)收發(fā)的正確性有較高的保證。無線信道采用碼分制，由5個字節(jié)進行地址分配，各節(jié)點共用同一個頻道。

4 路由層設(shè)計

路由層實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合，負責路由生成和路由選擇［9］。本設(shè)計采用樹型層次結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議，以樹型結(jié)構(gòu)形式構(gòu)建各層節(jié)點集，根節(jié)點只有一個v0，為0層節(jié)點，負責與上位計算機通信及全網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)上傳和下達。層次結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)符合無線數(shù)據(jù)信號傳輸?shù)淖匀晃锢韺傩?，所以一種可行的組網(wǎng)過程就可解決路由的建立，并得到每個入網(wǎng)節(jié)點的路由特性數(shù)據(jù)和全網(wǎng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

4.1 節(jié)點的路由特性數(shù)據(jù)定義

設(shè)節(jié)點的路由特性數(shù)據(jù)為結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)Si={Ai，Bi，Ci，Di，Ei［m］，F(xiàn)i［n］，Hi［k］，Sij［p］，IDi}。其中，Ai為第i個節(jié)點所處的層次號，Bi為第i個節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)與控制編碼，Ci為第i個節(jié)點組網(wǎng)狀態(tài)與控制編碼，Di為第i個節(jié)點狀態(tài)編碼，Ei［m］為第i個節(jié)點m個上一層節(jié)點地址數(shù)據(jù)，F(xiàn)i［n］為第i個節(jié)點n個下一層節(jié)點地址數(shù)據(jù)，Hi［k］為第i個節(jié)點k個同一層節(jié)點地址數(shù)據(jù)，Sij［p］為第i個節(jié)點第j條信道可通達的所有下層節(jié)點地址數(shù)據(jù)，IDi為第i個節(jié)點被分配的地址。節(jié)點在第一次上電后，以上數(shù)據(jù)的初值分別為:Bi=111，Di=01，其他全為0。將這些數(shù)據(jù)存入EEPROM中，并定義該節(jié)點未入網(wǎng)。

4.2 傳感器節(jié)點收發(fā)地址配置

為了便于組網(wǎng)、保證正常的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，將各節(jié)點數(shù)據(jù)接收1通道地址配置為1，用于組網(wǎng);入網(wǎng)后，0通道地址配置為IDi，用于數(shù)據(jù)上下行傳輸。各節(jié)點無線模塊發(fā)送地址首次都配置為最高層(0層)節(jié)點的接收通道地址，可接收上層的數(shù)據(jù)，入網(wǎng)后發(fā)送地址為其上層節(jié)點接收地址。本文提出的樹型層次組網(wǎng)方式是一種受控的主動組網(wǎng)模式。由于廣播每層組網(wǎng)信息時，在發(fā)送節(jié)點通信范圍內(nèi)可能存在多個可通信的節(jié)點，因此當它們在響應(yīng)發(fā)送節(jié)點信息時，必存在無線數(shù)據(jù)擁擠與信道競爭現(xiàn)象［9］，極易導(dǎo)致通信失敗。故在進行節(jié)點程序設(shè)計時做了如下考慮。若節(jié)點未組網(wǎng)，收到組網(wǎng)信息后，則定時器回零，重新定時。產(chǎn)生10遍3位的隨機數(shù)后，再產(chǎn)生1遍隨機數(shù)，此數(shù)值作為本節(jié)點響應(yīng)發(fā)送節(jié)點信息的時刻。然后再產(chǎn)生5 B的隨機數(shù)，將其作為本節(jié)點的數(shù)據(jù)接收0通道的地址IDi。定時時間到后，向其上層節(jié)點發(fā)送本節(jié)點的0通道地址及已組網(wǎng)狀態(tài)，最終傳至0層節(jié)點。0層節(jié)點根據(jù)收到的下層節(jié)點0通道隨機數(shù)地址IDi的前后次序，重新分配各下層節(jié)點0通道的地址IDi∈(0，1，…，65 535)。從而使得響應(yīng)節(jié)點發(fā)生通信沖突的可能性大為減少。

4.3 組網(wǎng)算法

一個節(jié)點的組網(wǎng)算法應(yīng)具有組網(wǎng)與被組網(wǎng)的功能，即一個節(jié)點一般有上層節(jié)點和下層節(jié)點。

4.3.1 上層節(jié)點組網(wǎng)算法

上層節(jié)點組網(wǎng)算法具體如下。

①層節(jié)點發(fā)送第一層的組網(wǎng)信息(r=1)。

②等待數(shù)據(jù)接收中斷信號。當有中斷信號時，轉(zhuǎn)步驟③;否則，轉(zhuǎn)步驟④。

③接收上傳的路由特性數(shù)據(jù)。當有延時后上傳的路由特性數(shù)據(jù)時，轉(zhuǎn)步驟②。

④層節(jié)點等待一段時間后，若一次或連續(xù)兩次未收到上傳數(shù)據(jù)，可能是無線信號偶爾丟失，返步驟①;若連續(xù)3次未收到上傳數(shù)據(jù)，則認為第1層組網(wǎng)結(jié)束，重新配置新入網(wǎng)節(jié)點IDi，令r=r+1，轉(zhuǎn)步驟⑤。

⑤ 層節(jié)點按F0［n］中所記IDi的次序，依次令第j個信道(已入網(wǎng)節(jié)點)發(fā)第r層的組網(wǎng)信息，其中r∈(2，3，…，R)。S0j［p］記錄第j信道上所有下層節(jié)點的IDi。

⑥等待數(shù)據(jù)接收中斷信號。若有中斷信號，則轉(zhuǎn)步驟⑦;否則，轉(zhuǎn)步驟⑧。

⑦接收上傳的路由特性數(shù)據(jù)。當有延時后上傳的路由特性數(shù)據(jù)時，轉(zhuǎn)步驟⑥。

⑧層節(jié)點等待一段時間后，若一次或連續(xù)兩次未收到上傳數(shù)據(jù)，可能是無線信號偶爾丟失，則r不變，j不變，返步驟⑤;若連續(xù)3次未收到上傳數(shù)據(jù)，則認為某個聯(lián)通信道第r層組網(wǎng)結(jié)束，重新配置新入網(wǎng)節(jié)點IDi。判斷有無未用信道，有則r不變并返步驟⑤;無則第r層組網(wǎng)結(jié)束。

⑨若信道j遍歷完后未有一次數(shù)據(jù)上傳，則全網(wǎng)組網(wǎng)結(jié)束;否則r=r+1并返步驟⑤。

4.3.2 下層節(jié)點組網(wǎng)算法

下層節(jié)點組網(wǎng)算法具體如下。

①如某個節(jié)點i收到組網(wǎng)信息，判斷本節(jié)點是否已入網(wǎng)，若已入網(wǎng)，則轉(zhuǎn)步驟④;否則轉(zhuǎn)步驟②。

②Ai=r、Bi=111、Ci=01、Di=01，配置節(jié)點i的數(shù)據(jù)接收0通道地址為IDi，發(fā)送地址為上層數(shù)據(jù)接收通道地址，上傳本節(jié)點數(shù)據(jù)幀，記父節(jié)點IDi于Ei［k］中。

③逐層上傳第i個節(jié)點的路由特性數(shù)據(jù)，并逐層記錄。0層節(jié)點記入第j個信道的下層節(jié)點地址數(shù)據(jù)池S0j［p］中，(r-1)層的中繼節(jié)點x記入Fx［n］、Sxj［p］中，其他層的中繼節(jié)點x記入Sxj［p］中。

④若組網(wǎng)信息中的層次號比本節(jié)點的層次號大1，則兩節(jié)點為同層節(jié)點，記IDi于Hi［k］中;否則轉(zhuǎn)步驟⑤。

⑤本節(jié)點為(r-1)層已入網(wǎng)節(jié)點，負責該節(jié)點下的第r層節(jié)點的組網(wǎng)。每組網(wǎng)一個r層節(jié)點，則上傳一個路由特性數(shù)據(jù)，直至組網(wǎng)完成該節(jié)點下的所有r層節(jié)點。

5 特性數(shù)據(jù)與路由協(xié)議

上述樹型層次結(jié)構(gòu)的組網(wǎng)算法可使各層節(jié)點具有若干條信道，同層次節(jié)點間可能也相互存在信道，所以某個節(jié)點數(shù)據(jù)的上下行的路徑可能是不唯一的，這提高了網(wǎng)絡(luò)的連通性。由組網(wǎng)算法可知，這是有序的組網(wǎng)，其由0層節(jié)點發(fā)出組網(wǎng)指令，組網(wǎng)結(jié)束后，上位計算機就可以獲得各個入網(wǎng)節(jié)點的路由特性數(shù)據(jù)，從而了解全網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和所有可能路由，為網(wǎng)絡(luò)的管理使用提供依據(jù)。

5.1 節(jié)點通信跳數(shù)

節(jié)點分布確定后，一旦0層節(jié)點位置選定，則本組網(wǎng)算法下的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)也就確定了。在組網(wǎng)過程中，組網(wǎng)信息的發(fā)布是廣播式的，即從0層節(jié)點所在位置逐漸向通信遠點擴展，故相鄰層之間的通信是一跳。無失效節(jié)點時，由Ei［m］和Fi［n］選擇的路由將是通信跳數(shù)最少的;有失效節(jié)點時，由Ei［m］和Fi［n］及Hi［k］選擇的路由也將是該情況下通信跳數(shù)最少的。該網(wǎng)絡(luò)通信跳數(shù)最少的優(yōu)點得益于廣播式樹型層次組網(wǎng)方式的自然屬性。

5.2 節(jié)點分布位置估算

每個節(jié)點均有層次號r，設(shè)節(jié)點通信距離為d，r×d約為該節(jié)點距0層節(jié)點的直線距離DISi。由節(jié)點路由特性數(shù)據(jù)可得到從0層節(jié)點聯(lián)通到該節(jié)點的最短路由Li，如能確定Li之間左、中、右的方位關(guān)系，可在Li中選定一個參考，用極坐標的兩維關(guān)系來表達節(jié)點的位置。這時Li相當于幅角，DISi相當于幅值。但實際中Li之間左、中、右的定量方位關(guān)系難以確定?？衫靡呀o線網(wǎng)絡(luò)的所有可能信道和該網(wǎng)絡(luò)已有節(jié)點路由特性數(shù)據(jù)，近似推算出Li間的定量方位關(guān)系。

5.3 樹型層次結(jié)構(gòu)路由協(xié)議

路由層協(xié)議如下:下行時，發(fā)送節(jié)點根據(jù)目標節(jié)點地址，在發(fā)送節(jié)點的Sij［p］中搜索該目標節(jié)點地址，確定或選擇發(fā)送節(jié)點至下一層的信道。發(fā)送節(jié)點至下一層的信道存放在發(fā)送節(jié)點下行路由Fi［n］中，可均衡選擇，以達到對電池能量的均衡消耗。逐層下行數(shù)據(jù)，逐層均衡選擇可用信道，直至數(shù)據(jù)傳到目標節(jié)點。上行時，由于本網(wǎng)絡(luò)的上行目標節(jié)點就是0層節(jié)點，因此發(fā)送節(jié)點在其上行路由Ei［m］中確定或選擇發(fā)送至上一層的信道，并逐層上行數(shù)據(jù)，逐層均衡選擇可用信道，直至數(shù)據(jù)傳到目標節(jié)點。在數(shù)據(jù)上下行的過程中，若發(fā)送節(jié)點的Ei［m］或Fi［k］路由失效，可在其Hi［k］中確定或選擇信道，以傳送上下行數(shù)據(jù)。

5.4 數(shù)據(jù)傳輸丟包處理

在無線數(shù)據(jù)傳輸過程中，丟包現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，環(huán)境參數(shù)的變化、電源參數(shù)的波動、信號參數(shù)受到干擾等都會導(dǎo)致丟包現(xiàn)象。但丟包問題必須解決，否則就相當于路由不通。本文利用nRF24L01硬件的自動應(yīng)答與重發(fā)功能，設(shè)定5次點到點之間的自動應(yīng)答與重發(fā)。若5次應(yīng)答與重發(fā)都不成功，則發(fā)送節(jié)點選擇其他可能路徑，并根據(jù)該節(jié)點失效的次數(shù)決定選擇上傳該節(jié)點失效的信息。

6 樹型層次結(jié)構(gòu)路由算法

路由算法是具體實現(xiàn)路由協(xié)議的一種思路與方法，是數(shù)據(jù)傳輸程序設(shè)計的一種邏輯結(jié)構(gòu)［10］，決定了目標程序的正確性、可靠性、容錯性、通用性和靈活性。

6.1 基本路由算法

路由算法作用于節(jié)點進行數(shù)據(jù)上下行傳輸?shù)目刂瞥绦蛑?，是?shù)據(jù)傳輸程序的一部分?；韭酚伤惴ㄈ缦隆?/p>

① 發(fā)送節(jié)點在Fi［n］或Ei［m］中計算可用信道，選定一信道，發(fā)送數(shù)據(jù)包。

②若所選信道成功接收，則轉(zhuǎn)步驟⑤，否則轉(zhuǎn)步驟③。

③ 在Fi［n］或Ei［m］及Hi［k］中計算信道，如有可選信道，則發(fā)送數(shù)據(jù)包，轉(zhuǎn)步驟②;如無信道可選，轉(zhuǎn)步驟④。

④如是發(fā)送節(jié)點主動發(fā)送數(shù)據(jù)，則失敗;否則向該節(jié)點的發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸失敗信息。

⑤節(jié)點配置為接收狀態(tài)，等待處理節(jié)點事務(wù)。

6.2 數(shù)據(jù)傳輸失敗路由算法

數(shù)據(jù)傳輸失敗路由算法具體如下。

①收到數(shù)據(jù)傳輸失敗信息。

②判斷是上行失敗還是下行失敗，若是下行失敗，則選擇Fi［n］計算另一個可用信道;若是上行失敗，則選擇Ei［m］和Hi［k］計算另一個可用信道。

③如存在另一個可用信道，則發(fā)送數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)步驟⑥;如不存在，則轉(zhuǎn)步驟④。

④判斷本節(jié)點是否為原發(fā)送節(jié)點，若是，則發(fā)送失敗，轉(zhuǎn)步驟⑥，否則轉(zhuǎn)步驟⑤。

⑤查找到最近一次轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)所用的信道，發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸失敗信息。

⑥節(jié)點配置為接收狀態(tài)，等待處理節(jié)點事務(wù)。

6.3 新節(jié)點入網(wǎng)算法

在本系統(tǒng)中，新節(jié)點入網(wǎng)要解決的問題是新節(jié)點在該網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)位置是中間節(jié)點還是終節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)層次號是什么。新節(jié)點入網(wǎng)算法具體如下。

①廣播入網(wǎng)信息，要求響應(yīng)節(jié)點的0通道地址IDi。

② 如有不同0通道地址IDi，則記入Ei［m］中，并上傳新節(jié)點的0通道地址IDi，轉(zhuǎn)步驟①，否則轉(zhuǎn)步驟③。

③ 分析Ei［m］，如有層次號差大于2的，本節(jié)點層次號取其中間的一個數(shù);否則任取已知層次號中的一個，轉(zhuǎn)步驟④;如無數(shù)據(jù)，則入網(wǎng)失敗。

④上傳新節(jié)點路由特性數(shù)據(jù)。

⑤配置無線模塊為接收狀態(tài)，等待處理節(jié)點事務(wù)。

7 結(jié)束語

本文采用31個節(jié)點組成了一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測溫系統(tǒng)并進行了測試，其中1個節(jié)點作為0層節(jié)點，負責與上位計算機通信，其他30個節(jié)點構(gòu)成5層樹型層次結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)能成功組網(wǎng)，數(shù)據(jù)上下行正常。網(wǎng)絡(luò)的工作方式主要為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點主動上傳數(shù)據(jù)。由0層節(jié)點每隔一定時間(如90 min)向全網(wǎng)發(fā)送一次校時信號，使全網(wǎng)節(jié)點時間同步。每個節(jié)點隔5 min上傳一次數(shù)據(jù)，各節(jié)點第一次上傳數(shù)據(jù)的時刻可由該節(jié)點0通道地址數(shù)據(jù)(0～65 535)加3得到，單位為秒(3為各節(jié)點之間的發(fā)送間隔即3 s)。本文提出的時間驅(qū)動工作方式不會出現(xiàn)無線信道擁擠的現(xiàn)象，節(jié)省了處理信道擁擠的開銷和信息傳輸時間。該樹型層次結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)通信速度快，可均衡使用信道，路由明晰，有較好的網(wǎng)絡(luò)連通性;路由算法具有一定的鍵壯性，較好地保證了該網(wǎng)絡(luò)的可靠性與可用性，易于工程實現(xiàn)。

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Application Study of the Wireless Sensor Network with Tree Hierarchical Structure

In accordance with the topological structure of wireless sensor network，the tree type hierarchical structure for wireless sensor network is proposed.With this structure，data transmission can be conducted using least of hops and the energy of the node batteries can be equally used.In addition，the estimating method of node locations and the solution for data packet loss are given.The route algorithm of the network is designed and verified.This wireless sensors network features maturity of the technology，low cost，easy to project implementation，and better practical application value，the network structure possesses certain versatility.

Wireless sensor network Sensor node Network topological structure Algorithm Route

TP393

A

修改稿收到日期:2012-05-25。

作者于標(1962-)，男，1983年畢業(yè)于山東科技大學(xué)電氣自動化專業(yè)，獲碩士學(xué)位，副教授;主要從事無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、微機測控技術(shù)、自動控制理論與應(yīng)用的研究。