建筑用位置固定節(jié)點(diǎn)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

張永剛 王 斌 胡 歡

（1.住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部IC卡應(yīng)用服務(wù)中心/中外建設(shè)信息有限責(zé)任公司，北京 100081；2.嘉興學(xué)院，浙江嘉興 523001）

0 引言

隨著集成電路、傳感器、無(wú)線通信以及微機(jī)電系統(tǒng)等技術(shù)的迅猛發(fā)展和日益成熟，智能建筑領(lǐng)域應(yīng)用的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)也越來(lái)越多，如建筑照明，安防監(jiān)控等[1～3]。通常每個(gè)房間都會(huì)有一個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)，因而，智能建筑中的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有以下特點(diǎn)：

節(jié)點(diǎn)位置相對(duì)固定；

節(jié)點(diǎn)數(shù)量龐大，密集度高。

所以，智能建筑的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔⑹且阎?，并且拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化很少，目前的傳感器網(wǎng)絡(luò)大都，忽略了這一有用信息。通過(guò)能量強(qiáng)度動(dòng)態(tài)的構(gòu)建自組織網(wǎng)絡(luò)，造成通訊協(xié)議復(fù)雜，穩(wěn)定性差等缺陷[4～6]。為此，本文設(shè)計(jì)了特殊地址編碼的智能建筑專用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

1 智能建筑拓?fù)淠Ｐ?/h2>

智能建筑的信息節(jié)點(diǎn)可以被簡(jiǎn)化為一個(gè)“魔方”模型，魔方的每一格代表一個(gè)房間。如圖1所示。

圖中，Z方向?yàn)榇怪狈较?，代表層高；X方向與房間的走廊方向平行，代表房間的行數(shù)；Y代表房間的列數(shù)。 Z方向的單位為每層為1；X,Y方向的單位為房間個(gè)數(shù)，房間無(wú)論大小，單位均為1。因?yàn)闊o(wú)線信號(hào)通過(guò)墻壁的衰減，遠(yuǎn)比房間尺寸變化的大小要大的多。因而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的魔方模型具有以下特點(diǎn)：

1.1 一個(gè)房間是一個(gè)立體的網(wǎng)狀網(wǎng)的信息拓?fù)鋯挝唬?/p>

1.2 每個(gè)房間至少有1個(gè)或多個(gè)信息節(jié)點(diǎn)。

智能建筑的“魔方”模型中的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔ⅲ怯镁W(wǎng)絡(luò)地址來(lái)表達(dá)的。網(wǎng)絡(luò)地址是在網(wǎng)絡(luò)通訊時(shí)網(wǎng)絡(luò)層上使用的地址，由于網(wǎng)絡(luò)地址是由軟件實(shí)現(xiàn)的，所以又可以稱為邏輯地址，并沒(méi)有一個(gè)相應(yīng)的硬件和其對(duì)應(yīng)，硬件地址的存在是為了在生產(chǎn)過(guò)程中區(qū)別單片機(jī)用的。而在實(shí)際使用過(guò)程中，用的都是網(wǎng)絡(luò)的地址。而在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)初始化的時(shí)候，需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)地址進(jìn)行設(shè)定。而網(wǎng)絡(luò)地址的形式如下表所示

圖1 魔方模型

表1 網(wǎng)絡(luò)地址的規(guī)定

在網(wǎng)絡(luò)初始化的過(guò)程中，可以根據(jù)實(shí)際使用的需要，把帶有固定的硬件地址的單片機(jī)解析成網(wǎng)絡(luò)地址。

2 通訊協(xié)議設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中能夠?qū)崿F(xiàn)時(shí)分復(fù)用，需要在程序中實(shí)現(xiàn)中繼地址轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。其他節(jié)點(diǎn)不發(fā)送任何的數(shù)據(jù)，為了使數(shù)據(jù)能夠最快的到達(dá)目的地址，需要使轉(zhuǎn)發(fā)的次數(shù)達(dá)到最少，從而引入了最短路徑的算法。如果在某一個(gè)子節(jié)點(diǎn)正在發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，另一個(gè)子節(jié)點(diǎn)也需要發(fā)送數(shù)據(jù)。此時(shí)，后一個(gè)需要發(fā)送數(shù)據(jù)的子節(jié)點(diǎn)必須禁聲，既不能發(fā)送，只有當(dāng)前一個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送完畢之后才能讓下一個(gè)子節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。

2.1 地址解析及其協(xié)議

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程，地址分為網(wǎng)絡(luò)地址和硬件地址。硬件地址已經(jīng)固化在單片機(jī)的ROM中，所以也可以被稱為物理地址。通過(guò)燒寫的時(shí)候進(jìn)行分片固化，既在集控器燒寫程序的時(shí)候，每一個(gè)單片機(jī)要有一個(gè)唯一的硬件地址。為了方便辨識(shí)和使用，可以將該地址打印出來(lái)貼在集控器上。硬件地址占4個(gè)字節(jié)。中央控制單元軟件依據(jù)硬件地址對(duì)集控器進(jìn)行初始化參數(shù)，既設(shè)定IP地址。

地址解析的作用是，把單片機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中固化在單片機(jī)內(nèi)部的物理地址（即ID標(biāo)識(shí)）轉(zhuǎn)化為實(shí)際使用的IP地址。除了IP地址之外，還需要對(duì)跳級(jí)范圍進(jìn)行初始化設(shè)定。地址解析的過(guò)程包括兩個(gè)階段。

第一階段、把收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，解析出所需要設(shè)定的物理地址（包括三個(gè)ID標(biāo)識(shí)），并且和單片機(jī)內(nèi)部固化的ID標(biāo)識(shí)進(jìn)行比對(duì)。如果有所不同，則程序返回主函數(shù)，不進(jìn)行其他的任何操作。如果完全一樣，則進(jìn)入下一階段。

第二階段、繼續(xù)對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，解析出需要最終設(shè)定的IP地址（包括三個(gè)坐標(biāo)）以及跳級(jí)的范圍。把IP地址寫入ROM，在以后的通訊過(guò)程中，就使用這個(gè)IP地址。并且可以具有掉電不消失的功能，以便在意外掉電或者重啟之后，能夠繼續(xù)正常使用。

表2 路由數(shù)據(jù)幀

2.2 最短路徑算法

在實(shí)際使用工程中節(jié)點(diǎn)的擺放是有很多種的，而必須對(duì)節(jié)點(diǎn)的擺放進(jìn)行假設(shè)和抽象才能進(jìn)行實(shí)際的分析。

2.2.1 假設(shè)和抽象

如圖1是實(shí)際使用中的網(wǎng)絡(luò)模型圖（在此我們只分析二維的，三維的可同理得到），我們就可以假設(shè)某個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為（i ，j）而它的四個(gè)附近的節(jié)點(diǎn)為（i - H, j）,(i , j - H),（i + H,j）,(i , j + H)。（i - H, j）,(i , j - H),稱為低鄰居節(jié)點(diǎn)，（i+ H, j）,(i , j + H)稱為高鄰居節(jié)點(diǎn)。其中H為正整數(shù)，是通信協(xié)議中的一個(gè)內(nèi)容稱為最大跳。

圖1

圖2

圖3

而（i ，j）節(jié)點(diǎn)所能接收的信息只能來(lái)自（i - H, j）,(i, j - H),（i + H, j）,(i , j + H)。這四個(gè)節(jié)點(diǎn)，如果不是這四個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)的信息則會(huì)因?yàn)榫嚯x的原因而接收不到，這是在程序書寫過(guò)程中要盡量避免的。所以在這個(gè)假設(shè)條件下我們可以把實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)模型抽象成如圖3-2所示的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)再能在連線的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)中傳輸。

2.2.2 實(shí)現(xiàn)方法

由上述的假設(shè)和抽象，我們可以知道數(shù)據(jù)只能在連線的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)中傳輸，不能從（0,0）傳輸?shù)剑?,1）。既任意節(jié)點(diǎn)（i ，j）在傳輸過(guò)程中只能傳輸?shù)礁哙従庸?jié)點(diǎn)或低鄰居節(jié)點(diǎn)中的任意一點(diǎn)。而最短路徑的傳輸要求每跳一次，即接近目標(biāo)節(jié)點(diǎn)一次。有了這些原則不難得到最短路徑的傳輸方法如圖3-3所示：

需要說(shuō)明的是這里分析的是二維的情況，而在編程中使用的是三維的指標(biāo)系。原理相同，可以由二維的情況推導(dǎo)出三維的情況。并且在使用過(guò)程中有引入最大跳的概念，這個(gè)情況是最大跳H=1的情況，而H的數(shù)值為其他值的情況會(huì)在后文中進(jìn)行分析。最后就是優(yōu)先的問(wèn)題，圖示的為X優(yōu)先的情況，X，Z優(yōu)先的情況也會(huì)在后文中進(jìn)行分析

3 簡(jiǎn)單功能

在實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用之中，有可能出現(xiàn)單個(gè)的傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，而致使整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)或者是傳感器網(wǎng)絡(luò)的一部分不能接受或發(fā)送出信息。根據(jù)這個(gè)設(shè)計(jì)的思路，我們可以想象出ping功能的基本工作過(guò)程，就是想要檢驗(yàn)一條固定的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑能否通路，就可先由一個(gè)起始節(jié)點(diǎn)發(fā)送出一個(gè)傳輸指令，該指令必須包括一個(gè)字符是指出不是普通的命令而是一個(gè)ping命令，該ping命令通過(guò)傳輸，最終到達(dá)目標(biāo)地址，而該目標(biāo)地址對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，最終的又生成一個(gè)指令，該指令的目標(biāo)地址為ping命令的起始地址，為reping命令，該reping命令通過(guò)傳輸又回到了起始的地址，也就是ping命令的發(fā)出地址，只要該發(fā)出地址能夠接收到這個(gè)reping命令，地址就為通路，而如果沒(méi)有接收到這個(gè)命令就為斷路。

表3-4 通訊協(xié)議格式

各部分如下表所示

表3-5 各部分含義

ping功能的作用與工作方式，可以將ping功能的協(xié)議制定如下。定長(zhǎng)16字節(jié)。根據(jù)前文中提到的地址設(shè)定等要求匯總與此表：

著重強(qiáng)調(diào)其中類型與數(shù)據(jù)表示的意義為中央控制單元與控制器之間的命令，格式為如下，共3個(gè)字節(jié)

表3-5 中央控制單元與控制器之間的命令

含義如下

協(xié)議類型

1代表Ping

2代表Re ping

3代表燈控/燈狀態(tài)，使用數(shù)據(jù)狀態(tài)

4代表控制回復(fù)

4 應(yīng)用

本無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于智能建筑內(nèi)部的燈光控制，節(jié)點(diǎn)單元采用cc1101的無(wú)線模芯片，通過(guò)STC89C52實(shí)現(xiàn)通訊協(xié)議。節(jié)點(diǎn)的實(shí)物如下。

上位機(jī)采用串行口和網(wǎng)絡(luò)連接，通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了對(duì)整棟大樓的集中控制。控制軟件采用C++Builder2010開(kāi)發(fā)。

5 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于智能建筑的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，建立了智能建筑的網(wǎng)“魔方”信息網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?，并用三維地址編碼法，描述網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔?，在此基礎(chǔ)上提出了最短路徑算法。形成的通訊協(xié)議在以CC1101無(wú)線控制器+STC89C52單片機(jī)的硬件系統(tǒng)驗(yàn)證，最終應(yīng)用于某建筑的燈光集中控制。實(shí)驗(yàn)證明，本設(shè)計(jì)切實(shí)可行，具有協(xié)議棧簡(jiǎn)單可靠的優(yōu)點(diǎn)。

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