基于自組織協(xié)議的一種工業(yè)現(xiàn)場WSN平臺

馮繪麗，劉　輝，葛立峰

(安徽大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，安徽合肥　230601)

0　引言

在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域，工業(yè)現(xiàn)場信息的采集和獲取成為自動(dòng)化控制和生產(chǎn)的關(guān)鍵。傳統(tǒng)工業(yè)現(xiàn)場組網(wǎng)大多使用有線介質(zhì)，但一些特殊的工業(yè)環(huán)境不允許布線，并且該方式實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)不僅成本高、布線復(fù)雜、移動(dòng)性差，還容易出現(xiàn)較高的故障率。因此，針對這種情況，設(shè)計(jì)容易使用、成本低、具有良好移動(dòng)性的智能節(jié)點(diǎn)平臺獲得關(guān)注。目前，有許多標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議應(yīng)用于工業(yè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)[1]，如ZigBee協(xié)議[2]和藍(lán)牙技術(shù)[3]，它們都具有組網(wǎng)方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但ZigBee協(xié)議復(fù)雜；藍(lán)牙模塊的傳輸距離較短。此外，還有自組織協(xié)議[4]的發(fā)展。自組織協(xié)議可以滿足這些要求，且具有自穩(wěn)定及可擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)。因此，提出一種基于自組織協(xié)議的WSN平臺的設(shè)計(jì)，通過自定義一系列通信協(xié)議來完成多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的多跳傳送、接收，實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場信息的實(shí)時(shí)采集。

1　智能節(jié)點(diǎn)的總體設(shè)計(jì)

工業(yè)現(xiàn)場的WSN平臺由主節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，它們的硬件基本相同，但功能不同。圖1為一個(gè)典型的智能節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，主要包括MSP430F149微處理器模塊、Si4432[5]無線模塊以及可以采集溫度、濕度、位移等多種信號的傳感器接口模塊。

圖1　智能節(jié)點(diǎn)的整體框架

針對3類節(jié)點(diǎn)分別設(shè)計(jì)3種程序，主節(jié)點(diǎn)與中繼節(jié)點(diǎn)的程序類似，數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)增加了數(shù)據(jù)的采集和A/D轉(zhuǎn)換等功能。3類節(jié)點(diǎn)的工作過程是：一旦系統(tǒng)上電，各節(jié)點(diǎn)首先對自身的硬件和參數(shù)初始化。組網(wǎng)完成后，主節(jié)點(diǎn)就會(huì)收到各個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)信息來判斷下一步操作。中繼節(jié)點(diǎn)用來對收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，起到路由的作用。數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的主要功能就是用來采集信息，并將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過單跳或多跳的方式主動(dòng)上報(bào)給主節(jié)點(diǎn)，然后由主節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)。

每個(gè)節(jié)點(diǎn)在通信時(shí)都用到了2個(gè)重要接口函數(shù)：

(1)RF_SendPacket(uchar*txBuffer，uchar pocketLen，uchar IDchannel)。該函數(shù)為無線模塊發(fā)包函數(shù)。txBuffer 指向要發(fā)送的數(shù)組，pocketLen為發(fā)包大小(字節(jié))，IDchannel為發(fā)包的信道(0-63)。

(2)uchar RF_RecPacket(uchar*rxBuf)。該函數(shù)為讀取數(shù)據(jù)包函數(shù)。無線模塊收到數(shù)據(jù)后產(chǎn)生中斷，系統(tǒng)檢測到中斷標(biāo)志后調(diào)用該函數(shù)讀取數(shù)據(jù)包，rxBuf指向數(shù)據(jù)要存放的數(shù)組，函數(shù)返回值為數(shù)據(jù)包大小，若返回值為0，則發(fā)生了CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤。

2　自組織協(xié)議的設(shè)計(jì)

協(xié)議用于實(shí)現(xiàn)所有這些節(jié)點(diǎn)間的組網(wǎng)及通信。為此，主要是設(shè)計(jì)合適的數(shù)據(jù)幀格式、自組網(wǎng)及信道忙閑判斷算法以及保證系統(tǒng)低功耗。

首先，根據(jù)平臺需求設(shè)計(jì)通信幀格式，如表1所示。其中，B代表字節(jié)；FH表示幀頭，用來防止雜波干擾以及區(qū)別其他網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)；SA為源地址，DA為目的地址，NA為下一跳地址，Level為節(jié)點(diǎn)層次信息，F(xiàn)C為幀類別，用來識別各種控制類型和傳感器數(shù)據(jù)；Data為要傳輸?shù)膫鞲衅鲾?shù)據(jù)，會(huì)根據(jù)FC的不同而攜帶不同長度的數(shù)據(jù)。Si4432有64字節(jié)的FIFO，幀格式的大小完全在限定之內(nèi)，一次通信便可全部發(fā)出。

表1　通信幀格式

其次，根據(jù)通信幀設(shè)計(jì)的組網(wǎng)算法如下：

(1)需加入網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)或中繼節(jié)點(diǎn)以廣播形式發(fā)送請求組網(wǎng)的命令幀(0xEE 0xAA SA 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00)；

(2)若該節(jié)點(diǎn)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)未收到響應(yīng)幀，則節(jié)點(diǎn)睡眠一定時(shí)間后繼續(xù)執(zhí)行(1)，若收到響應(yīng)幀，執(zhí)行(3)；

(3)節(jié)點(diǎn)根據(jù)響應(yīng)幀的Level值確定自己的層次，記錄父節(jié)點(diǎn)(響應(yīng)節(jié)點(diǎn))地址，最后向父節(jié)點(diǎn)回復(fù)組網(wǎng)成功的確認(rèn)信息；

(4)如果(3)過程中又收到組網(wǎng)的響應(yīng)幀，且Level值比自己的層次小，則向現(xiàn)在的父節(jié)點(diǎn)發(fā)送刪除本節(jié)點(diǎn)的命令幀，重新確定自己的層次，記錄新的父節(jié)點(diǎn)地址并向其發(fā)送組網(wǎng)成功的確認(rèn)信息。

組網(wǎng)過程中只有主節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)會(huì)給出響應(yīng)幀，并且每個(gè)父節(jié)點(diǎn)可添加的子節(jié)點(diǎn)數(shù)量有限，達(dá)到上限后將不會(huì)給出響應(yīng)幀。父節(jié)點(diǎn)在收到組網(wǎng)成功的確認(rèn)信息后會(huì)將該節(jié)點(diǎn)加入路由表中，收到刪除命令后會(huì)從路由表中刪除該節(jié)點(diǎn)。

在組網(wǎng)過程中，需要解決通信數(shù)據(jù)間的沖突及碰撞問題?？紤]到傳統(tǒng)的固定閾值方法不能準(zhǔn)確地判斷信道的忙閑狀態(tài)，文中采用一種動(dòng)態(tài)RSSI閾值更新算法，對復(fù)雜環(huán)境有較強(qiáng)的適用性，能夠準(zhǔn)確地判定信道狀態(tài)。算法步驟如下：

(1)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)初始化。RSSI閾值Threshold初始化為0x60，連續(xù)判斷信道忙值計(jì)數(shù)busy=0，連續(xù)判斷信道閑值計(jì)數(shù)idle=0，array數(shù)組計(jì)數(shù)i=0，初始RSSI閾值根據(jù)大量的環(huán)境測試數(shù)據(jù)計(jì)算設(shè)定。

(2)節(jié)點(diǎn)每隔1 ms采集1次環(huán)境的RSSI值，RSSI值與當(dāng)前設(shè)定的閾值進(jìn)行判斷，若RSSI值比閾值小，idle=+1，busy=0，數(shù)據(jù)計(jì)入數(shù)組array[i++]，若idle值為5則跳轉(zhuǎn)到(3)，否則重復(fù)(2)，繼續(xù)RSSI值采集判斷循環(huán)；若RSSI值大于或等于閾值，信道為忙，idle=0，busy=+1，跳轉(zhuǎn)到(5)。

(3)如果idle值為5，即連續(xù)5次判斷信道為閑，則可認(rèn)為當(dāng)前信道是空閑狀態(tài)，可以占用信道，并進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，同時(shí)idle值清零。若i=99，則跳轉(zhuǎn)到(4)。

(4)若i值累加到99，即數(shù)組array中數(shù)據(jù)累計(jì)夠100個(gè)。此100個(gè)數(shù)值即是最近100 ms內(nèi)環(huán)境的信道空閑RSSI感知值，利用其進(jìn)行閾值更新，對100個(gè)數(shù)組值數(shù)據(jù)排序后取其中位數(shù)值，在中位數(shù)值的基礎(chǔ)上再加上0x10作為偏移量，構(gòu)成新的RSSI信道忙閑判斷閾值，此閾值可準(zhǔn)確用于反映當(dāng)前實(shí)時(shí)的信道忙閑狀況。

(5)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)退避Nms(N為11～59的奇數(shù)隨機(jī)數(shù))，然后重新進(jìn)入(2)進(jìn)行信道忙閑值判斷。

最后，通信協(xié)議還要考慮系統(tǒng)的低功耗問題，因?yàn)樗鼪Q定著智能無線傳感網(wǎng)絡(luò)的壽命，該平臺有以下幾個(gè)方面的實(shí)現(xiàn)：

(1)單片機(jī)MSP430F149有5種低功耗編碼模式(LPM0～LPM4)，節(jié)點(diǎn)在休眠時(shí)處在LPM3模式，測試其功耗僅為13.2 μW；

(2)增加無線模塊不通信時(shí)的sleep時(shí)間，Si4432在sleep模式下電流僅為1 μA；

(3)平臺采用縮短通信距離增加多跳的方式來降低發(fā)射功率，較大幅度地減少了系統(tǒng)功耗，其原理如下：

選用的Si4432模塊可通過TX Power寄存器(地址為6Dh)的低三位對發(fā)射功率進(jìn)行配置，分8個(gè)檔次：+1～+20 dBm．Friss 自由空間方程為：

(1)

式中：Pt和Pr分別為發(fā)射和接收信號功率；Gt和Gr分別為發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的天線增益；λ為波長；L為傳輸無關(guān)的系統(tǒng)損耗；d0為取決于天線技術(shù)的參考距離；d為傳播距離。

由該公式可確定發(fā)送功率為：

Pt=αd2

(2)

(3)

在接收功率恒定的情況下，假設(shè)其他參數(shù)不變，α為常量。

直接傳輸和采用多跳方式傳輸時(shí)功耗與距離的關(guān)系曲線如圖2所示。由圖2可見，直接發(fā)送300 m需要消耗9個(gè)單位的功耗，而采用兩跳方式，僅需3個(gè)單位，節(jié)省了66.7%，采用五跳方式，功耗降得更低。組網(wǎng)成功后，子節(jié)點(diǎn)可與父節(jié)點(diǎn)嘗試通信，最后調(diào)節(jié)自身的發(fā)射功率到一個(gè)合適的值。該方法很適合工業(yè)環(huán)境，可最大程度地降低發(fā)射功耗。

圖2　Si4432發(fā)射功率與發(fā)射距離關(guān)系曲線

3　運(yùn)行與測試

根據(jù)以上設(shè)計(jì)的自組織協(xié)議和算法，應(yīng)用IAR Embedded Workbench Evaluation for MSP430 v5．20軟件開發(fā)環(huán)境，完成代碼的編寫、編譯和調(diào)試，無誤后將程序分別下載到相應(yīng)的單片機(jī)中。主節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)通過USB轉(zhuǎn)串口線相連接。

此外，為直觀地顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀況及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)的人機(jī)交互界面用LabVIEW[6]軟件編程實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。該界面顯示出網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)信息、設(shè)置節(jié)點(diǎn)參數(shù)以及顯示節(jié)點(diǎn)的所有傳感器采集的數(shù)據(jù)信息。在串口配置菜單中選取配定的COM口，設(shè)置波特率為115 200，打開端口后，可與主節(jié)點(diǎn)通信。這樣設(shè)計(jì)的平臺可以提供一個(gè)友好的可視化操作界面，便于處理和顯示整個(gè)WSN中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的環(huán)境信息。

圖3　系統(tǒng)的人機(jī)交互界面

為檢驗(yàn)系統(tǒng)的有效性，建立了由1臺上位機(jī)、1個(gè)主節(jié)點(diǎn)、2個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)和6個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)組成的系統(tǒng)。將數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)分別部署于實(shí)驗(yàn)室的不同位置，然后通過撥碼開關(guān)設(shè)置節(jié)點(diǎn)地址和通信信道，上位機(jī)通過主節(jié)點(diǎn)記錄每個(gè)節(jié)點(diǎn)采集的傳感器數(shù)據(jù)。

該系統(tǒng)用溫度傳感器DS18B20，它的分辨率為9～12位，精度可達(dá)±0.062 5 ℃，足夠滿足測量要求。這樣，用DS18B20實(shí)際測量這6個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度，通過網(wǎng)絡(luò)在界面顯示；同時(shí)，用溫度計(jì)實(shí)測相應(yīng)位置的溫度，從而得到用這兩者方法分別確定的溫度變化曲線。圖4給出二者的比較?？梢?，該系統(tǒng)確定的數(shù)據(jù)與實(shí)際測得的結(jié)果一致，表明設(shè)計(jì)的自組織協(xié)議和算法能夠?qū)崿F(xiàn)對環(huán)境數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確采集，滿足工業(yè)現(xiàn)場的要求。

4　結(jié)束語

設(shè)計(jì)的基于自組織協(xié)議的無線智能傳感節(jié)點(diǎn)平臺能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)環(huán)境下多種信號類型的傳感信息的實(shí)時(shí)采集和顯示，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。無線信道接入方面通過對信道的準(zhǔn)確忙閑檢測，同時(shí)結(jié)合退避思想，可以解決多節(jié)點(diǎn)同信道通信的數(shù)據(jù)沖突、碰撞的問題。此外，平臺通過對節(jié)點(diǎn)的智能調(diào)控，合理有效地增加了通信模塊的休眠時(shí)間，并減少了通信流量，從而可以有效降低系統(tǒng)的功耗。測試表明該智能節(jié)點(diǎn)平臺運(yùn)行穩(wěn)定，通信安全可靠，為工業(yè)現(xiàn)場多點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集提供了一個(gè)很好的解決方案。

圖4　系統(tǒng)確定的溫度變化曲線與實(shí)測結(jié)果的比較

參考文獻(xiàn)：

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