無線自組網(wǎng)體系設(shè)計(jì)

韓玉爭

引言：近些年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人們對物聯(lián)網(wǎng)需求的日益提高，短距離無線的應(yīng)用也在不斷地?cái)U(kuò)大。ISM頻段的單芯片無線數(shù)據(jù)通信IC的性能和優(yōu)點(diǎn)逐漸顯露出來，優(yōu)異的無線收發(fā)IC層出不窮，但無線通訊所帶來的缺點(diǎn)和危害也凸現(xiàn)出來，如通訊的安全性、穩(wěn)定性和傳輸距離等。所以，如何在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一套即安全又穩(wěn)定可靠的無線通訊體系變的尤為重要。本文介紹了SI4432為無線通訊IC，介紹了自組網(wǎng)，無線跳頻，沖突避免，網(wǎng)絡(luò)管理，中繼等功能的實(shí)現(xiàn)方法，力求實(shí)現(xiàn)高性能，高可靠性，低成本的無線通訊體系。

一、引言

無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，為物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)又增加了一種新的通信手段?，F(xiàn)有通訊手段的特點(diǎn)是通訊費(fèi)用高，傳輸數(shù)據(jù)量大，技術(shù)成熟，穩(wěn)定。而在一些傳輸數(shù)據(jù)量不大，又需要低成本的領(lǐng)域，采用這些技術(shù)顯然不合時(shí)宜。而藍(lán)牙等成熟的方案，其成本又比較貴，因此采用ISM頻段的無線射頻方案的低成本特點(diǎn)就顯現(xiàn)出來了1。在這些領(lǐng)域里，可通過ISM無線自組網(wǎng)把節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)匯集給主機(jī)，由主機(jī)通過因特網(wǎng)或3G，4G網(wǎng)絡(luò)傳送到遠(yuǎn)端服務(wù)器，這樣既可節(jié)省成本，由實(shí)現(xiàn)了所需功能。接下來對無線自組網(wǎng)做詳細(xì)描述。

二、自組網(wǎng)概念、特征和應(yīng)用

在自組網(wǎng)中，節(jié)點(diǎn)兼?zhèn)湓O(shè)備和路由器兩種角色。一方面階段最為設(shè)備運(yùn)行相關(guān)應(yīng)用程序；另一方面，節(jié)點(diǎn)作為路由器運(yùn)行特定協(xié)議，進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)，維護(hù)等路由的操作2。對接收的數(shù)據(jù)為自己的子節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分組以轉(zhuǎn)發(fā)。因?yàn)樽越M網(wǎng)是一個(gè)多跳網(wǎng)絡(luò)，主機(jī)節(jié)點(diǎn)間可能不能直接進(jìn)行通訊。圖1描述了一個(gè)簡單的自組網(wǎng)。

圖1 一個(gè)簡單的自組網(wǎng)

節(jié)點(diǎn)4不在主機(jī)的無線覆蓋范圍內(nèi)，如果節(jié)點(diǎn)4與主機(jī)間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，就需要節(jié)點(diǎn)1，為它們轉(zhuǎn)發(fā)，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)1即在節(jié)點(diǎn)4的覆蓋范圍內(nèi)，也在主機(jī)的覆蓋范圍內(nèi)。3自組網(wǎng)與現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)對比有以下特征：

1.動(dòng)態(tài)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：由于網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可以任意變化，加上無線信道的互相干擾等因素，節(jié)點(diǎn)間的拓?fù)淇梢噪S時(shí)發(fā)生改變，發(fā)生的方式和速度都是無法預(yù)測的。

2.安全性差：自組網(wǎng)絡(luò)是一種無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，容易遭到竊聽，偽造，攻擊等。

3.分布式控制網(wǎng)絡(luò)，自組網(wǎng)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具備獨(dú)立的路由功能，不存在集中控制點(diǎn)，這樣增強(qiáng)了魯棒性和抗毀性。

4.網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性不強(qiáng)：相對于TCP/IP協(xié)議而言，自組網(wǎng)無法應(yīng)用子網(wǎng)技術(shù)，所以其擴(kuò)展性不如INTERNET網(wǎng)。

自組網(wǎng)作為現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的一種擴(kuò)展，在特定場合可發(fā)揮其做大的作用。在日常生活和工業(yè)領(lǐng)域有廣闊的發(fā)展空間。4

三、自組網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)

如上所述，自組網(wǎng)體系由主機(jī)和節(jié)點(diǎn)組成，主機(jī)和節(jié)點(diǎn)都由硬件抽象層，數(shù)據(jù)管理層，應(yīng)用層，網(wǎng)絡(luò)管理層這幾部分組成。硬件管理層實(shí)現(xiàn)MCU初始化和外圍硬件的初始化工作。數(shù)據(jù)管理層的作用是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理工作，它連接硬件抽象層和網(wǎng)絡(luò)管理層，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。網(wǎng)絡(luò)管理層實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)的管理工作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)組網(wǎng)，跳頻，中繼等功能。應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和命令的交換。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)等功能。具體實(shí)現(xiàn)內(nèi)容按類型不同，其實(shí)現(xiàn)功能也不盡相同。

（一）主機(jī)

主機(jī)的作用是實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)管理功能這兩大主要功能。為避免因單個(gè)節(jié)點(diǎn)因故障而造成復(fù)位后對整個(gè)系統(tǒng)帶來影響，每個(gè)主機(jī)都有一個(gè)固定的數(shù)據(jù)存儲區(qū)，用來存放網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。

主機(jī)組網(wǎng)過程：主機(jī)首先讀取存數(shù)區(qū)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，其中包括組網(wǎng)網(wǎng)段頻率，網(wǎng)路號，子節(jié)點(diǎn)地址。讀取數(shù)據(jù)后，主機(jī)首先監(jiān)聽此網(wǎng)段是否有其他網(wǎng)絡(luò)在使用，如有其他網(wǎng)絡(luò)在使用，則根據(jù)特點(diǎn)算法，跳到另一段，再進(jìn)行監(jiān)聽，判斷，直到搜索到閑置的網(wǎng)段為止，然后把此網(wǎng)段寫入存儲區(qū)。

（二）節(jié)點(diǎn)

節(jié)點(diǎn)的作用是實(shí)現(xiàn)入網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)管理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等操作。為避免因單個(gè)節(jié)點(diǎn)因故障而造成復(fù)位后對整個(gè)系統(tǒng)帶來影響，每個(gè)主機(jī)都有一個(gè)固定的數(shù)據(jù)存儲區(qū)，用來存放網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。

節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)過程：節(jié)點(diǎn)首先讀取存儲區(qū)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，包括網(wǎng)絡(luò)ID，網(wǎng)絡(luò)頻段值，本節(jié)點(diǎn)ID，父節(jié)點(diǎn)ID和子節(jié)點(diǎn)ID。在設(shè)定頻段內(nèi)發(fā)送入網(wǎng)請求，如長時(shí)間未收到請求確認(rèn)，則根據(jù)跳頻算法選擇下個(gè)頻段，再次發(fā)送入網(wǎng)請求，直到收到入網(wǎng)確認(rèn)信息為止，然后把父節(jié)點(diǎn)ID和網(wǎng)絡(luò)頻段值寫入存儲區(qū)保存。

節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)管理：節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到子節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請求時(shí)，此節(jié)點(diǎn)會根據(jù)信號強(qiáng)弱判斷是否要經(jīng)過此節(jié)點(diǎn)加入到網(wǎng)絡(luò)。如果信號符合要求則把子節(jié)點(diǎn)ID存入存儲區(qū)，并發(fā)送入網(wǎng)確認(rèn)信息。當(dāng)節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)丟失或長時(shí)間無法收到父節(jié)點(diǎn)的信息時(shí)，則從新尋找父節(jié)點(diǎn)并發(fā)送入網(wǎng)請求，如長時(shí)間無法收到入網(wǎng)確認(rèn)，則根據(jù)跳頻算法跳到下一頻段再次申請入網(wǎng)，直到從新找到父節(jié)點(diǎn)為止。同時(shí)節(jié)點(diǎn)也具備網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽功能，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有其他網(wǎng)絡(luò)工作于此頻段，則向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送沖突消息，進(jìn)而使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)跳頻到下一個(gè)網(wǎng)段。

四、硬件概述

圖2和圖3為系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖，其中圖2主機(jī)硬件結(jié)構(gòu)，圖3為節(jié)點(diǎn)應(yīng)將結(jié)構(gòu)。其中，射頻收發(fā)模塊均采用SI4432模塊，此模塊具有很多優(yōu)點(diǎn)，包括高靈敏度，工作頻率范圍寬，并且具有信號強(qiáng)度評估和跳頻功能，通過SPI連接到主控芯片，主控芯片可根據(jù)需要自行選擇如STM32系列，AVR系列等。

五、結(jié)論

相比傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，本網(wǎng)絡(luò)有功耗低，體積下，成本低，易查找故障點(diǎn)等特點(diǎn)。自組網(wǎng)具有動(dòng)態(tài)變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。自組網(wǎng)作為現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的一種擴(kuò)展，在特定場合可發(fā)揮其做大的作用。在日常生活和工業(yè)領(lǐng)域有廣闊的發(fā)展空間。

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（作者單位：珠海興業(yè)綠色建筑科技有限公司）