基于帶狀自組網路由算法的誘導風機通信系統(tǒng)的設計

胡圣堯，張解放，景海南，王心恬

(常州工學院 電氣信息工程學院，江蘇 常州 213032)

隨著我國經濟的高速發(fā)展，汽車工業(yè)不斷進步，汽車保有量越來越大，汽車在地下停車場運行時，發(fā)動機排放的尾氣中CO等有毒氣體大量聚集。這些有毒氣體若不及時排出，會對人們的生命造成很大的威脅[1-2]。誘導風機排風系統(tǒng)具有使地下車庫內的空氣形成氣流并排出的功能。

目前，誘導風機的聯網通信方案有以下三種：一是采用RS485數據通信方式進行數據傳輸[3]。該方案的材料成本雖低，但施工和后期維護成本較高。二是采用電力線載波的通信方式進行數據傳輸[3-4]。該方案施工成本雖低，但材料成本較高。三是采用自組網的通信方式進行數據傳輸。該方案一般采用無線自組網按需平面矩離矢量路由協議(Ad hoc on-demand distance vector routing，AODV)[5]。網絡建立路由后，一方面AODV中的路由發(fā)現和路由維護算法占用了有限的系統(tǒng)資源，加大了數據傳輸的時延；另一方面集成AODV的自組網芯片售價略高[5-6]。因此，針對誘導風機控制系統(tǒng)的特點，本研究設計了一種適用于誘導風機控制系統(tǒng)的快速路由的自組網路由協議。

1 誘導風機無線控制系統(tǒng)

誘導風機無線控制系統(tǒng)由集中控制器和誘導風機控制器兩部分組成：集中控制器的主要功能是向管理人員提供人機界面，通過無線網絡與誘導風機控制器進行數據通信，獲取CO傳感器和誘導風機的狀態(tài)信息，控制排風機和送風機的運轉，并將排風機和送風機的狀態(tài)信息傳遞給樓宇自控系統(tǒng)(building automation system，BAS)；誘導風機控制器的主要功能是采集誘導風機周邊的CO濃度、溫度等信息，通過自組網傳輸至集中控制器，并執(zhí)行集中控制器的指令控制風機運轉。誘導風機及其控制器安裝在一起，按照通風要求分布在地下車庫內，集中控制器安裝在BA終端附近。智能誘導風機排風系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 智能誘導風機排風系統(tǒng)示意圖

2 帶狀自組網路由算法

1)某地下車庫無線誘導風機系統(tǒng)按照送風機、排風機、防火分區(qū)分成若干組固定風路，誘導風機節(jié)點分布在固定風路上，呈帶狀分布。在無線誘導風機系統(tǒng)分布的基礎上，本研究將無線誘導風機通信網絡分成若干個帶狀子網，各個子網間在進行數據傳輸時，逐步建立和更新路由，實現整個網絡內節(jié)點間的數據傳輸。

2)在同一個子網內采用相同的通信信道，相鄰的子網通信信道不同。正常工作狀態(tài)下，改變通信信道，任何節(jié)點集合的真子集間都可形成至少一條通信鏈路，即任意兩個子集內的節(jié)點是互通的，這樣相鄰的帶狀子網可以同時進行路由發(fā)現和維護，并能避免大規(guī)模的廣播風暴。系統(tǒng)通過調整誘導風機節(jié)點的發(fā)射功率，改變誘導風機節(jié)點的覆蓋半徑，確保任意一個誘導風機節(jié)點都能覆蓋相鄰的誘導風機節(jié)點。

3)在同一個帶狀網絡內，當有一個節(jié)點要求發(fā)送點對點的單播數據時，該節(jié)點向其覆蓋范圍內的其他節(jié)點發(fā)送數據，這些節(jié)點收到數據后按照通信協議對數據進行解析，判斷是否有權接收數據。如果該節(jié)點有權接收數據，則立即向源節(jié)點發(fā)送響應；如果該節(jié)點發(fā)送的數據是廣播數據，則發(fā)送完成后立即轉入接收狀態(tài)。

4)節(jié)點通信協議開始字符為兩個字節(jié)，由于源節(jié)點地址、中間節(jié)點地址、目標節(jié)點地址、數據序號、數據長度均為固定值，所以可以僅通過數據頭和數據長度確保數據的完整性。源節(jié)點地址是源節(jié)點的身份標志，全網絡唯一。中間節(jié)點地址是最后一個轉發(fā)節(jié)點的身份標志，若無轉發(fā)點，則中間節(jié)點地址是源節(jié)點的身份標志。目標節(jié)點收到數據后，可建立或更新逆向路由，將自己的身份標志與目標節(jié)點地址比較，如果相等，則有權處理數據。數據序號是數據在總數據分組中的編號，每個節(jié)點在發(fā)送數據時，執(zhí)行媒體介入控制。節(jié)點數據發(fā)送及路由算法如圖2所示。

5)帶狀子網并不采用類似于AODV中的Hello報文進行廣播，而是在數據傳輸時發(fā)現路由。故障節(jié)點路由的更新是通過數據傳遞的結果進行的，當某一節(jié)點發(fā)送數據時，其覆蓋范圍內的所有節(jié)點接收到數據后，根據節(jié)點模型可知逆向路由，從而實現路由的更新。該協議可以減少數據傳輸轉發(fā)節(jié)點的數量，縮短網絡傳輸時延，同時算法簡單可靠，降低了網絡和終端維護成本。節(jié)點數據接收及路由更新算法如圖3所示。

圖2 節(jié)點數據發(fā)送及路由算法

圖3 節(jié)點數據接收及路由更新算法

3 網絡性能測試

3.1 通信硬件介紹

通信硬件的處理器采用51內核的STC15W204單片機，該單片機內置1%精度的RC內部時鐘，內置看門狗和復位電路，芯片性價比高。RF芯片采用TI公司的CC1100無線收發(fā)芯片，沒有內置自組網協議，具有價格低、可靠性高等特點。STC15W204單片機通過SPI接口向CC1100無線收發(fā)芯片寫入配置字，控制CC1100無線收發(fā)芯片進行數據收發(fā)工作。CC1100無線收發(fā)芯片電路圖如圖4所示。

圖4 CC1100無線收發(fā)芯片電路圖

STC15W204單片機與CC1100無線收發(fā)芯片的SPI讀寫程序如下：

3.2 網絡測試方法

某地下車庫誘導風機系統(tǒng)分為14個區(qū)，分別標為A區(qū)、B區(qū)……N區(qū)，共238個誘導風機節(jié)點。其中A區(qū)有17個誘導風機節(jié)點，B區(qū)有19個誘導風機節(jié)點，D區(qū)有22個誘導風機節(jié)點。

本研究通過網絡測試三組誘導風機節(jié)點的通信數據，分別是節(jié)點A00到A09，節(jié)點A00到B07，節(jié)點A00到D08。節(jié)點A00與A09屬于同一個分區(qū)，距離比較近；節(jié)點A00與B07處于相鄰分區(qū)，距離稍遠；節(jié)點A00與D08跨了兩個分區(qū)，距離最遠。

由于每個誘導風機節(jié)點的時間不同步，因此測試采用從發(fā)送測試數據開始計時，到接收完測試數據結束。由于測試數據長度固定為128個字節(jié)，每個節(jié)點的數據發(fā)送波特率固定，因此計時的長短可以反映自組網的時延性能。節(jié)點A00與A09、A00與B07、A00與D08通信時延參數測試結果如表1所示。

表1 節(jié)點A00與A09、A00與B07、A00與D08通信時延參數測試結果

由表1可知，帶狀自組網路由算法在進行初次數據傳輸時，耗時較長，經過的路由節(jié)點數量較多 。在進行8次數據傳輸后，兩節(jié)點間的路由逐步得到優(yōu)化，經過路由節(jié)點的數量趨于恒定，所用時間趨于一致。

4 結論

與現有系統(tǒng)化的自組網協議軟件包或集成在芯片上的自組網協議相比，帶狀自組網路由算法簡單，適用于誘導風機通信系統(tǒng)。系統(tǒng)測試表明，帶狀自組網路由算法能夠滿足誘導風機的通信功能需求，該系統(tǒng)已經成功應用于商業(yè)大廈地下車庫排風工程中，具有良好的通風效果且成本較低。