基于節(jié)點傳輸碰撞的Ad Hoc電源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

陳 竺

(重慶電子工程職業(yè)學(xué)院計算機學(xué)院，重慶401331)

電源的有效監(jiān)控是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，而無線傳感網(wǎng)的出現(xiàn)對于特殊環(huán)境下電源系統(tǒng)無線監(jiān)控體系的構(gòu)建至關(guān)重要。

電源監(jiān)控系統(tǒng)的底層需要一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的支持，在一些特殊環(huán)境下的移動電源系統(tǒng)，無線傳感網(wǎng)可以有效地解決布線及維護困難的難題，同時，無線傳感網(wǎng)具有多跳、自組織的基本特性，可以根據(jù)實際情況進行動態(tài)的通信網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的調(diào)整，可以增加監(jiān)控系統(tǒng)底層網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境適應(yīng)性。

Ad Hoc 是近年來發(fā)展起來的點對點對等通信方式，它的基本特點是可以實現(xiàn)在先前無網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)的環(huán)境下，由移動節(jié)點按某種方式臨時自組織成一種可用網(wǎng)絡(luò)，具有自行創(chuàng)造、自行組織、自行管理的特性。

Ad Hoc 對于臨時性監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的組建具有極大的價值，例如軍事作戰(zhàn)前線、臨時性會議及現(xiàn)場等，大量的電源設(shè)備的監(jiān)控就要依賴于Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)的組建，因此Ad Hoc 技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。

由于移動性及無線傳輸?shù)幕咎匦裕珹d Hoc 網(wǎng)絡(luò)具有一定的弊端，例如安全性較差，所使用的IEEE802.11 DCF 協(xié)議不利于吞吐量的有效提高，因此針對特殊情況下的電源監(jiān)控系統(tǒng)，本文提出了利用節(jié)點碰撞控制進行改進的MAC 層協(xié)議，以保證系統(tǒng)的傳輸速率。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

電源移動監(jiān)測的移動性造成了其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不確定性，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示，當(dāng)移動的電源監(jiān)測點采集到相應(yīng)數(shù)據(jù)之后，搜索四周的信號，如果在周圍迅速找到了固定傳輸節(jié)點，則由該節(jié)點將信息傳送至匯總中心，匯總中心由嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成，嵌入式系統(tǒng)將數(shù)據(jù)進行處理后，由有線傳輸系統(tǒng)傳至遠端控制中心；而當(dāng)周圍沒有固定節(jié)點時，就在周圍查詢其他移動節(jié)點，將信號傳至該移動節(jié)點后，由該節(jié)點再查詢四周的固定節(jié)點，如果查到則由該節(jié)點上傳信息，如果找不到，則繼續(xù)查找其他移動結(jié)點，以此類推。

2 物理層傳感網(wǎng)的設(shè)計與實現(xiàn)

物理層的傳感網(wǎng)采用網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)，每一個傳感器節(jié)點的基本結(jié)構(gòu)如圖2 所示[1]。

圖2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點基本結(jié)構(gòu)

如圖2 所示，每一個傳感器節(jié)點由能量供應(yīng)單元、電源運行狀態(tài)感知傳感器、微處理器、存儲器、無線通信單元等組成；能量供應(yīng)單元提供每一個節(jié)點正常工作所需的能量；傳感器單元由電壓、電流、有功、無功、電量、頻率、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度等傳感器組成，完成移動電源系統(tǒng)各項工作指標(biāo)參數(shù)的采集；微處理器由單片機或嵌入式芯片來擔(dān)當(dāng)，如果內(nèi)置存儲器的大小能夠滿足數(shù)據(jù)處理量的存儲要求，則不必另增加片外存儲器，如果芯片內(nèi)置存儲空間不足，則需要外加存儲器。微處理器與傳感器之間的數(shù)據(jù)通信一般采用串口通信方式，如果傳感器所采集的參數(shù)為模擬量，則與微處理器中間需增加A/D 轉(zhuǎn)換器；無線通信單元采用無線射頻方式，本設(shè)計中采用ZigBee 技術(shù)來構(gòu)建無線通信的基本單元，芯片采用CC2530來實現(xiàn)信號的收發(fā)，協(xié)議棧采用Z-stack。

3 MAC協(xié)議論述及其改進

無線傳感網(wǎng)采用IEEE802 標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)遵循ISO/OSI 參考模型的基本原則，且只到OSI 的最低兩層：物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。無線傳感網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層分為兩個子層，一個是介質(zhì)訪問控制(MAC)，另一個是邏輯鏈路控制(LLC)。

MAC 的主要功能是處理所有與物理層相關(guān)的無線信道的接入，例如網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)的產(chǎn)生與同頻、個域網(wǎng)的建立與斷開、信道沖突避免措施的建立、可靠鏈路的保持等[2]。而由于每一個傳感器結(jié)點的存儲能力、計算能力、通信能量以能源供給都有限，因此在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，MAC 協(xié)議首先考慮的是系統(tǒng)的可擴展性和節(jié)省能源，而為了減少能量的消耗，MAC 協(xié)議采用“偵聽/睡眠”的交替無線信道偵聽機制，同時采用CSMA/CA 進行線路的偵聽與沖突避免。

基于CSMA/CA 的偵聽方式是一個傳輸沖突的有效辦法，但當(dāng)偵聽到線路忙時，設(shè)備需等待一個隨機的時間以減少沖突的可能，如果等待一段時間之后線路仍然忙，則就需要再等待一個更長的隨機時間，這樣就容易造成數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t，因此，對CSMA/CA 進行改進是改善數(shù)據(jù)傳輸效率的必要手段。

好的MAC 協(xié)議應(yīng)具有高吞吐量、低時延、高公平性等基本特性，其中利用節(jié)點傳輸碰撞控制來改進協(xié)議的公平性和提高吞吐量具有良好的效果。

節(jié)點的碰撞概率表示了網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生碰撞的數(shù)據(jù)占總數(shù)據(jù)的比值，比值越大，說明線路越忙，比值越小，說明線路越暢通，因此，利用節(jié)點碰撞率來動態(tài)地調(diào)節(jié)CSMA/CA 的時間間隙，從而避免簡單的算法生成的隨機時間所帶來的誤差和不公平性。

改進的CSMA/CA 數(shù)據(jù)接收流程圖如圖3 所示。

圖3 改進的CSMA/CA數(shù)據(jù)接收流程圖

如圖3 所示，當(dāng)載波檢測啟動后，系統(tǒng)計算當(dāng)前的節(jié)點碰撞概率，如果當(dāng)前的節(jié)點碰撞概率大于前一時刻的節(jié)點碰撞概率，則以退避算法加大退避的時間，而如果當(dāng)前的節(jié)點碰撞概率小于前一時刻的節(jié)點碰撞概率，則按照退避算法減少退避的時間，從而實現(xiàn)根據(jù)節(jié)點碰撞概率來確定退避的時間，以縮短數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡却龝r間，加快數(shù)據(jù)傳輸速率，提高數(shù)據(jù)吞吐量。

4 結(jié)論

利用仿真軟件對CSMA/CA 及改進后的CSMA/CA 進行仿真，結(jié)果表明，當(dāng)節(jié)點數(shù)比較少時，兩種方法的數(shù)據(jù)傳輸速率大致相仿，而節(jié)點數(shù)增加較快時，基于節(jié)點碰撞概率的CSMA/CA 退避方法的數(shù)據(jù)傳輸速率比未改進的方法有較大的改善，說明該方法有較好的提高數(shù)據(jù)吞吐量的作用。

[1]屈軍鎖.物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)[M].北京：中國鐵道出版社，2011：144-145.

[2]郝國偉.基于節(jié)點碰撞控制的Ad-Hoc 網(wǎng)絡(luò)MAC 協(xié)議研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2013：12-14.