基于WIA-PA路由協(xié)議的Mesh網絡的實現

祝嘉東許暉

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基于WIA-PA路由協(xié)議的Mesh網絡的實現

祝嘉東1，許暉2，3

（1.南京郵電大學，江蘇 南京 210000；2.中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所，上海 200050； 3.上海無線通信研究中心，上海 201210）

為了應對物聯網的復雜應用場景，在分析WIA-PA系統(tǒng)結構及Mesh組網的優(yōu)缺點的基礎上，利用WIA-PA中鏈路層部分的協(xié)議開發(fā)了一個Mesh網絡硬件原型。該硬件原型采用了IM470A增強型無線通信模塊作為主要組成部分，實現了收發(fā)數據的功能，具有功耗低、延時低、傳輸成功率高等特點，并給出了不同環(huán)境下的測試結果。

WIA-PA；Mesh；路由協(xié)議；IM470A

1 引言

在近年來物聯網技術高速發(fā)展的背景下，我們需要有面向物聯網的組網技術來承載網絡中信息傳輸的功能，Mesh組網就是一種很好的解決方案。Mesh網絡具有多跳、自組織、自管理的特點，具有高速率、易組網、成本低、性能穩(wěn)定等優(yōu)勢；Mesh網絡可以通過組網有效地避開障礙物的干擾，不僅可以消除盲點、增大信號覆蓋范圍，還能有效拓展應用領域；Mesh網絡可以進行更加靈活的組網，讓網絡的利用率得到極大的提升。一般而言，只需要提供幾個接入點即可，這在很大程度上降低了網絡建設的成本。因此，通過Mesh多跳組網，能滿足物聯網環(huán)境下密集分布節(jié)點傳輸信號的需求。例如可在辦公大樓內同層間或跨層間進行Mesh組網，來形成樓內共享的一個局域網環(huán)境，這樣能達到對傳輸信號低時延和高成功率的要求；在停車場等比較空曠的環(huán)境下，對于傳輸停車信息等時延要求較低的請求，單個節(jié)點的傳輸可能會受到傳輸距離的限制，使用無線Mesh多跳組網可以很好地擴大傳輸距離，又省去了部署傳輸線纜的成本，也可降低功耗。綜上所述，由于Mesh組網所需要的節(jié)點成本低、功耗小，因此，可大規(guī)模組網，從而提高其傳輸效率。尤其在物聯網環(huán)境下，要做到實時聯網，并且降低功耗來延長使用壽命和減小維護成本，Mesh組網是一種優(yōu)選的解決方案。

本文設計的Mesh網絡，協(xié)議部分使用了WIA-PA的鏈路層部分，對其在聯網時間、傳輸時延、傳輸成功率上進行了修改和優(yōu)化；硬件部分使用了IM470A增強型無線通信模塊搭建了一個Mesh網絡原型，從而驗證此協(xié)議的可行性，并完成了測試。

2 WIA-PA概述

2.1 WIA

WIA（Wireless Networks for Industrial Automation，工業(yè)無線網絡）技術是由中科院沈陽自動化所牽頭制定的，具有自主知識產權的高可靠、低功耗的智能多跳無線傳感器網絡技術，能提供一種自組織、自治愈的智能Mesh網絡路由機制，能夠針對應用條件和環(huán)境的動態(tài)變化，保持網絡性能的高可靠性和強穩(wěn)定性。

WIA中采用的Mesh網絡技術，采用了動態(tài)路由。每個設備至少有兩條可用的通信路徑，設備加入網絡后，可以自主選擇或由網絡管理者分配多條數據傳輸路徑。當一條路徑由于干擾被中斷，設備可以自動切換到其他通信質量較好的路徑。

WIA標準追求以下的目標：針對應用條件和環(huán)境的動態(tài)變化，能夠保持網絡性能的可靠和穩(wěn)定；能夠在低成本的商用器件上實現，降低技術開發(fā)與實現難度；用戶能以較低的投入換來易于使用和維護的工業(yè)無線系統(tǒng)[3]。

2.2 WIA-PA

WIA-PA標準是中國工業(yè)無線聯盟針對過程自動化領域制定的WIA子標準，定義了WIA系統(tǒng)結構與通信規(guī)范。WIA-PA的網絡拓撲結構如圖1所示。

圖1 WIA-PA網絡拓撲結構

WIA-PA中為了保證端到端可靠傳輸，在網絡層采用智能的Mesh網絡技術。每個設備至少有兩條可用的通信路徑，設備加入網絡后，可以自主選擇或由網絡管理者分配多條數據傳輸路徑。WIA-PA技術還支持路徑的健康檢測，當一條路徑由于干擾被中斷時，設備可以自動切換到其他通信質量較好的路徑。

3 軟件設計

本設計的Mesh網絡能夠實現單跳和多跳功能。當網關節(jié)點和從節(jié)點距離較近時，則只進行單跳；當網關節(jié)點和從節(jié)點距離較遠產生信號衰減時，則會通過中間節(jié)點進行多跳傳輸。單跳拓撲如圖2所示，多跳拓撲如圖3所示。

圖2 單跳拓撲示意圖

圖3 多跳拓撲示意圖

本設計所使用的網絡層主程序主要流程如圖4所示。首先對網絡初始化，發(fā)送網絡搜索命令；等待接收到節(jié)點返回響應后，集中器會向下發(fā)送心跳幀來維持路由更新，心跳幀設定為1 s；節(jié)點判斷是否收到數據，如果收到，則轉發(fā)下行數據，如果長時間未收到，則會重新啟動；收到下行數據后，會進行射頻數據處理。

對網絡初始化時，廣播發(fā)送網絡搜索命令，接著處理網絡查詢并發(fā)送響應報文，處理響應報文后，判斷發(fā)送響應是否為集中器，如果是，則記錄為父節(jié)點，直接進入網絡運行狀態(tài)；如果不是，對于節(jié)點在入網策略上會考慮信號質量優(yōu)先。路由更新時，首先會對節(jié)點進行單點測試，接著會對網絡進行拓撲查詢，接收終端直接向父節(jié)點發(fā)送網絡查詢響應，父節(jié)點處理響應后，網絡層就開始發(fā)送數據。具體如圖5所示。射頻數據處理部分，首先要對下行報文做重復幀檢測，接著判斷報文的幀類型。如果是數據幀，對于下行報文，會加入下行數據轉發(fā)列表，通過查詢實現延時轉發(fā)，并判斷是否要路由更新；對于上行報文，如果是數據ACK，則發(fā)送應答報文，如果是集中器接收的數據，則發(fā)送到串口，如果是轉發(fā)數據，則向上轉發(fā)。如果是控制幀，對于下行，會區(qū)分是路由查詢請求或是測試請求，并執(zhí)行響應的處理函數；對于上行，集中器接收的就發(fā)送到串口，需要轉發(fā)的就向上轉發(fā)；其他類型包括組網、查詢指令就執(zhí)行響應的處理函數。如果是ACK幀，就執(zhí)行ACK處理函數，收到ACK標志并清除。

圖4 網絡層主程序流程

圖5 網絡初始化

4 硬件設計

本文設計的Mesh網絡力致于解決物聯網環(huán)境下密集分布的節(jié)點傳輸信號時，在傳輸時延、傳輸成功率上存在的不足。將通過使用無線通訊模塊及測試板搭建一個Mesh網絡的原型，來驗證路由協(xié)議在硬件環(huán)境下的作用。

4.1 主體結構

本設計的Mesh網絡用到了一個網關模塊，20個節(jié)點模塊，2塊測試用供電底板，結構如圖6所示。其中，1塊測試用供電底板能給10個節(jié)點模塊提供3.3 V直流穩(wěn)壓供電，底板上集成了標準型開發(fā)板和無線模塊接口，開發(fā)板可使用ARM仿真器燒寫固件和調試程序，無線模塊接口提供20PIN插座，可連接節(jié)點模塊。節(jié)點模塊包括IM470A增強型無線通信模塊和天線；網關模塊除了包括這兩個部件之外，還有USB轉接板用于連接到電腦發(fā)送數據。

圖6 硬件結構設計

4.2 IM470A通信模塊

本設計所使用的關鍵部件為IM470A增強型無線通訊模塊。該模塊集成了高性能SI4432射頻芯片及STM32控制器，支持低功耗睡眠模式，支持透明傳輸，可按需求工作于240～960 MHz頻段，傳輸距離遠。能夠滿足用戶對于低成本、低功耗、遠距離的無線物聯網應用需求。SI4432是Silicon公司推出的無線模塊，發(fā)射功率大、接收靈敏度高，因此，能傳輸較遠距離或穿墻傳輸。在大樓內等障礙較多的環(huán)境下，良好的穿墻性能起著至關重要的作用。STM32控制器則負責無線模塊的數據收發(fā)、路由選擇等，起到控制作用。內部連接和模塊外觀尺寸如圖7和圖8所示。

圖7 內部連接圖

圖8 模塊外觀尺寸圖（單位：mm）

5 測試實驗

5.1 實驗過程

實驗環(huán)境搭建如圖9所示。不同情況下的成功率比較如圖10所示。該網絡準備工作時，首先將所有節(jié)點模塊插入測試用供電底板上的20PIN插座上，打開供電底板電源，底板上每個節(jié)點模塊對應的LED指示燈亮，表示節(jié)點連接正常；把網關模塊通過USB轉接板連接到電腦，在電腦上打開串口助手，在串口助手內配置串口，參數設置包括串口選擇、波特率115200，校驗位為無，停止位為1；向網關串口發(fā)送“AT+？”指令，如果回復“OK2”，則表示網關已入網成功；用USB轉TTL轉接板將節(jié)點模塊對應的TX、RX、GND端連接到另一臺電腦，在電腦上打開串口助手，在串口助手內配置串口，參數設置包括串口選擇、波特率115200，校驗位為無，停止位為1；向網關串口發(fā)送“AT+？”指令，如果回復“OK2”，則表示節(jié)點已入網成功，此節(jié)點即作為接收節(jié)點；啟動路由表查詢，給主節(jié)點串口發(fā)送“AT+ROUTE”，回復形如“82AABBCCDD”的指令，其中，AA為終端節(jié)點地址，BB為上級節(jié)點地址，CC為上上級節(jié)點地址，DD為上上上級節(jié)點地址，例如：820100FFFF，01為終端節(jié)點，00為主節(jié)點，01節(jié)點一跳到達主節(jié)點00，沒有更上級的節(jié)點路由用FF表示；給網關串口發(fā)送任意非AT開頭的數據，網關會廣播透傳發(fā)送給其下連接的所有節(jié)點，可通過連接至電腦的接收節(jié)點的串口助手讀取數據；給接收節(jié)點串口發(fā)送任意非AT開頭的數據，接收節(jié)點會透傳發(fā)送到網關，可通過連接至電腦的網關的串口助手讀取數據。

圖9 實驗環(huán)境

圖10 不同情況下的成功率比較

5.2 實驗數據

硬件平臺搭建完成后，寫入程序。測試環(huán)境為辦公大樓內，單跳測試在同一樓層上；多跳測試分為兩部分：第一部分在同一樓層內，收發(fā)端距離30 m左右，穿越一面墻，主要測試傳輸距離；第二部分將主節(jié)點放于一層，中間節(jié)點放于二層，接收節(jié)點放于三層，收發(fā)端距離20 m左右，穿越3面墻，主要測試穿墻性能。經過測試，得到的數據如表1～表7所示（注：多跳基本為2跳，極少出現3跳情況）。

表1 單跳聯網時間（平均值）

網關到節(jié)點/s節(jié)點到網關/s 4064

表2 單跳傳輸延遲（平均值）

節(jié)點發(fā)，網關收/ms網關發(fā)，節(jié)點收/ms 1527

表3 多跳傳輸延遲（同樓層，平均值）

節(jié)點發(fā)，網關收/ms網關發(fā)，節(jié)點收/ms 150510

表4 多跳傳輸延遲（跨樓層，平均值）

節(jié)點發(fā)，網關收/ms網關發(fā)，節(jié)點收/ms 3641 022

6 結束語

本文提供了一種基于WIA-PA協(xié)議設計的Mesh網絡方案。WIA能提供一種高可靠性的Mesh路由機制，能根據應用場景和環(huán)境采用動態(tài)路由，當一條路徑由于干擾被中斷后，能切換到其他路徑，以此來保持網絡的可靠性。本文還提供了一種硬件方案來驗證上述路由協(xié)議，采用了測試底板和IM470A增強型無線通信模塊搭建Mesh網絡硬件原型并完成了測試。

實驗證明，此網絡硬件原型在聯網時間、傳輸時延、傳輸成功率上都有著良好的表現，驗證了本文設計的基于WIA-PA的Mesh路由機制在性能上的優(yōu)點，相信經過不斷開發(fā)，能夠在今后的物聯網環(huán)境中得到更好的應用。

表5 單跳成功率

節(jié)點發(fā)送數據/條接收數據/條成功率/（%）節(jié)點發(fā)送數據/條接收數據/條成功率/（%） 154054010011540540100 254054010012540540100 354054010013540540100 454054010014540540100 554054010015540540100 654054010016540540100 754054010017540540100 854054010018540540100 954054010019540540100 1054054010020540540100

表6 多跳成功率（同樓層）

節(jié)點發(fā)送數據/條接收數據/條成功率/（%）節(jié)點發(fā)送數據/條接收數據/條成功率/（%） 125225210011275275100 235835810012223223100 330429797.691324324299.59 431831810014292292100 52962961001528328098.94 628128110016228228100 725225210017274274100 829229210018289289100 927027010019267267100 1026726710020286286100

表7 不同情況下的成功率比較

節(jié)點發(fā)送數據/條接收數據/條成功率/（%）節(jié)點發(fā)送數據/條接收數據/條成功率/（%） 138237497.9111382382100.00 238238199.741238238199.74 338238199.741338237999.21 4382382100.001438237397.64 5382382100.001538238099.48 6382382100.001638238099.48 738237197.121738238199.74 838238099.481838238099.48 938238199.7419382382100.00 1038238199.7420382382100.00

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2095－6835（2019）01－0093－04

TP273

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.01.093

祝嘉東（1993—），男，研究方向為Mesh網絡的路由協(xié)議。

〔編輯：張思楠〕