發(fā)布時(shí)間：2014-09-30所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：在傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，優(yōu)異的服務(wù)質(zhì)量和帶寬的高效利用是路由協(xié)議追求的目標(biāo)，但是這是基于傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的Hoc通常是有源供電的，不需要考慮能量耗盡的問(wèn)題。但是在WSN中，傳感器節(jié)點(diǎn)的電源模塊一般都是體積較小的鋰電池，能量是極其有限的，怎么樣
摘要：在傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，優(yōu)異的服務(wù)質(zhì)量和帶寬的高效利用是路由協(xié)議追求的目標(biāo)，但是這是基于傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的Hoc通常是有源供電的，不需要考慮能量耗盡的問(wèn)題。但是在WSN中，傳感器節(jié)點(diǎn)的電源模塊一般都是體積較小的鋰電池，能量是極其有限的，怎么樣在有限的能量供應(yīng)下最大程度地延長(zhǎng)系統(tǒng)的工作時(shí)間是路由協(xié)議中需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。相較于傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，路由協(xié)議在WSN中具備下面六個(gè)特點(diǎn)。
能量?jī)?yōu)先、基于局部的拓?fù)湫畔ⅰ⒁詳?shù)據(jù)為中心、自組織特性、數(shù)據(jù)聚合特性、應(yīng)用相關(guān)。
WSN中的路由協(xié)議會(huì)依據(jù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同而不同，而網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)中的應(yīng)用而改變。本文的長(zhǎng)鏈?zhǔn)铰酚蓞f(xié)議的應(yīng)用十分廣泛，如在電力系統(tǒng)的高壓開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)時(shí)，可以根據(jù)街道上高壓開(kāi)關(guān)柜的分布情況劃分成多個(gè)鏈?zhǔn)降谋O(jiān)控支路。沿鐵道線或者公路線進(jìn)行環(huán)境的監(jiān)控也可以利用此鏈路結(jié)構(gòu)。本文重點(diǎn)探討在長(zhǎng)鏈?zhǔn)铰酚蓞f(xié)議的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。
1 長(zhǎng)鏈?zhǔn)铰酚蓞f(xié)議簡(jiǎn)介
1.1 長(zhǎng)鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
本文的長(zhǎng)鏈?zhǔn)铰酚蓞f(xié)議是根據(jù)圖1所示的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提出的。
在圖示的網(wǎng)絡(luò)中共有三種無(wú)線設(shè)備：匯聚終端、通信節(jié)點(diǎn)和采集節(jié)點(diǎn)。匯聚終端負(fù)責(zé)對(duì)整條鏈路進(jìn)行控制，并且通過(guò)串口與上位機(jī)進(jìn)行通信，通信節(jié)點(diǎn)控制采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。通信節(jié)點(diǎn)會(huì)把采集節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)逐跳地發(fā)送給匯聚終端。
1.2 長(zhǎng)鏈?zhǔn)铰酚蓞f(xié)議工作原理概述
網(wǎng)絡(luò)的工作分成四個(gè)過(guò)程：數(shù)據(jù)采集過(guò)程、鏈路建立過(guò)程、數(shù)據(jù)匯集過(guò)程和數(shù)據(jù)上傳過(guò)程。
(1)數(shù)據(jù)采集過(guò)程。由采集節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)。采集節(jié)點(diǎn)醒來(lái)后，采集數(shù)據(jù)，并發(fā)給同編號(hào)的通信節(jié)點(diǎn)，然后接收通信節(jié)點(diǎn)的確認(rèn)信號(hào)和控制命令(主要是下次數(shù)據(jù)采集的時(shí)間間隔即睡眠時(shí)間)。
(2)鏈路建立過(guò)程。由匯聚終端啟動(dòng)。在設(shè)定的數(shù)據(jù)匯集時(shí)間到來(lái)的時(shí)候，匯聚終端發(fā)送鏈路建立命令給最小編號(hào)的相鄰節(jié)點(diǎn)，并依次傳遞，直到編號(hào)最大的節(jié)點(diǎn)。不能通信的節(jié)點(diǎn)被越過(guò)，一個(gè)可以正常通信的鏈路被建立起來(lái)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)記錄已經(jīng)建立鏈路的前后相鄰節(jié)點(diǎn)編號(hào)，從而形成本次建立的鏈路的記錄。后續(xù)的數(shù)據(jù)匯集過(guò)程將沿著本次建立的鏈路反向傳回匯聚終端。
如果匯聚終端有一條以上采集鏈路，則輪流在采集支路上發(fā)送鏈路建立命令。
(3)數(shù)據(jù)匯集過(guò)程。當(dāng)鏈路建立命令傳送到采集支路的最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)后，此節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)數(shù)據(jù)匯集過(guò)程，沿著本次建立的鏈路逆序傳向匯聚終端的方向。每個(gè)通信節(jié)點(diǎn)在收到匯聚過(guò)程的數(shù)據(jù)包后，都會(huì)把自己采集的數(shù)據(jù)附在數(shù)據(jù)包的尾部，再接力傳向匯聚終端方向。
(4)數(shù)據(jù)上傳過(guò)程。由匯聚終端啟動(dòng)，通過(guò)串口把采集的所有數(shù)據(jù)一次傳輸給上位機(jī)。此過(guò)程不涉及本文的協(xié)議核心部分。具體執(zhí)行過(guò)程不再討論。
2 長(zhǎng)鏈?zhǔn)铰酚蓞f(xié)議實(shí)現(xiàn)中的關(guān)鍵問(wèn)題
2.1 數(shù)據(jù)采集過(guò)程的時(shí)間同步問(wèn)題
采集節(jié)點(diǎn)初始化后首先按照5分鐘一次主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)給相同編號(hào)的通信節(jié)點(diǎn)，并要求通信節(jié)點(diǎn)給予確認(rèn)并下達(dá)控制命令。子網(wǎng)初始化后，通信節(jié)點(diǎn)會(huì)把采集間隔等參數(shù)在下一個(gè)采集過(guò)程的通信中發(fā)送給采集節(jié)點(diǎn)。
采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)給通信節(jié)點(diǎn)時(shí)，如果連續(xù)5次通信不成功，則放棄本次數(shù)據(jù)采集過(guò)程進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下一次數(shù)據(jù)采集過(guò)程的時(shí)間到來(lái)，若連續(xù)6個(gè)采集過(guò)程無(wú)法與通信節(jié)點(diǎn)取得聯(lián)系，則主動(dòng)把數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔設(shè)為120分鐘。這樣做，一方面可以保證采集節(jié)點(diǎn)先開(kāi)機(jī)或通信節(jié)點(diǎn)暫時(shí)故障或者信道短期出現(xiàn)強(qiáng)干擾的情況下，采集節(jié)點(diǎn)可以減少醒來(lái)的次數(shù)以節(jié)省電量;另一方面，在上述問(wèn)題得到解決后仍可以在最長(zhǎng)兩個(gè)小時(shí)的時(shí)間后自動(dòng)回復(fù)到正常工作狀態(tài)。
通信節(jié)點(diǎn)在收到匯聚終端傳來(lái)的鏈路建立命令后，記錄收到命令的時(shí)刻TCommand和命令中的數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔Interval。若在TAquisition時(shí)刻采集節(jié)點(diǎn)報(bào)送數(shù)據(jù)，通信節(jié)點(diǎn)就把再次醒來(lái)的時(shí)間延遲Delay發(fā)送給采集節(jié)點(diǎn)。
Delay=[Interval-Mod(TAquisition-TCommand，Interval)]-[Mod(N，10)+1]該計(jì)算式中，右邊第一項(xiàng)是為了保證通信節(jié)點(diǎn)在收到一次鏈路建立命令后，后續(xù)的命令收不到的情況下，仍然可以規(guī)范采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集時(shí)間。右邊第二項(xiàng)是為了使相鄰的節(jié)點(diǎn)不在相同的時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以避免有可能的相互干擾。
同時(shí)為了使采集節(jié)點(diǎn)和通信節(jié)點(diǎn)成功通信一次，而后面無(wú)法正常通信的情況下，采集節(jié)點(diǎn)仍然按照固定的采集時(shí)間間隔醒來(lái)，通信節(jié)點(diǎn)的每次發(fā)送確認(rèn)幀時(shí)還把Interval的值發(fā)送給采集節(jié)點(diǎn)。采集節(jié)點(diǎn)從收到通信節(jié)點(diǎn)的確認(rèn)幀，到隨后第一次醒來(lái)的時(shí)間延遲，是根據(jù)確認(rèn)幀中的時(shí)間延遲值計(jì)時(shí)。若隨后節(jié)點(diǎn)醒來(lái)不能與通信節(jié)點(diǎn)取得聯(lián)系，則根據(jù)原來(lái)接收的Interval值進(jìn)行定時(shí)。這樣可以保證通信節(jié)點(diǎn)和采集節(jié)點(diǎn)在不能正確通信的情況下不會(huì)打亂采集節(jié)點(diǎn)的休眠規(guī)律。
2.2 鏈路建立過(guò)程的通信過(guò)程 鏈路建立過(guò)程由匯聚終端啟動(dòng)。匯聚終端產(chǎn)生鏈路建立命令幀，并送往1號(hào)節(jié)點(diǎn)。命令幀帶有源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)編號(hào)，及采集時(shí)間間隔和采集支路總的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，只有目的節(jié)點(diǎn)會(huì)接收。1號(hào)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生新的命令幀，送往下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，以此類推，直到最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)。最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)收到命令幀后，產(chǎn)生數(shù)據(jù)幀，并啟動(dòng)數(shù)據(jù)匯聚過(guò)程，根據(jù)鏈路建立過(guò)程產(chǎn)生的路徑，逆向傳回匯聚終端。
如果鏈路建立過(guò)程中某節(jié)點(diǎn)暫時(shí)失效，或者由于信道干擾無(wú)法成功通信，則本次鏈路建立過(guò)程將越過(guò)此節(jié)點(diǎn)。如果3號(hào)通信節(jié)點(diǎn)無(wú)法正常工作，則2號(hào)通信節(jié)點(diǎn)無(wú)法聯(lián)系上3號(hào)通信節(jié)點(diǎn)，將嘗試聯(lián)系4號(hào)通信節(jié)點(diǎn)，如果4號(hào)節(jié)點(diǎn)也無(wú)法正常工作，則嘗試聯(lián)系5號(hào)節(jié)點(diǎn)，以此類推。
連接成功的節(jié)點(diǎn)號(hào)被記錄在本節(jié)點(diǎn)，同時(shí)，鏈路建立命令由哪個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)過(guò)來(lái)也會(huì)被記錄，這樣整個(gè)鏈路建立過(guò)程經(jīng)過(guò)的節(jié)點(diǎn)組成的臨時(shí)傳輸路徑被分布記錄，并用于隨后的數(shù)據(jù)匯集過(guò)程。
在鏈路建立過(guò)程中，如果N節(jié)點(diǎn)與N+1節(jié)點(diǎn)通信不成功，則延遲LinkCreatDelay后再次試著通信，重復(fù)LinkCreatRepeat次后仍不成功則放棄。然后與N+1節(jié)點(diǎn)通信，依次類推。如果與N+MaxNeigh
bors仍然無(wú)法通信，則認(rèn)為鏈路出現(xiàn)故障，把自己作為此次通信的最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)，產(chǎn)生數(shù)據(jù)匯集過(guò)程數(shù)據(jù)幀，并啟動(dòng)數(shù)據(jù)匯集過(guò)程。
LinkCreatDelay的設(shè)置是根據(jù)數(shù)據(jù)采集過(guò)程傳輸?shù)淖畲髸r(shí)間需求確定。鏈路建立過(guò)程中N節(jié)點(diǎn)與N+X節(jié)點(diǎn)通信不成功最大的可能是與N+X節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集過(guò)程沖突。考慮到數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，數(shù)據(jù)采集過(guò)程優(yōu)先，采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送不成功立即重發(fā)，重發(fā)次數(shù)為5。而鏈路建立過(guò)程在應(yīng)該讓出5+1次重復(fù)采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間后再嘗試新的連接。
LinkCreatRepeat可以設(shè)置為3-5。
MaxNeighbors的值可設(shè)置為3-5。這個(gè)值要根據(jù)射頻芯片的傳輸距離以及通信節(jié)點(diǎn)的間隔距離綜合決定。
2.3 數(shù)據(jù)匯集過(guò)程的時(shí)間同步
數(shù)據(jù)匯集過(guò)程是這一個(gè)工作周期的最后一個(gè)階段，是鏈路建立過(guò)程的逆過(guò)程。在鏈路建立過(guò)程中，每一個(gè)成功傳遞過(guò)鏈路建立命令的通信節(jié)點(diǎn)都保存了其前面一個(gè)通信節(jié)點(diǎn)的地址UPADDRESS和后面一個(gè)通信節(jié)點(diǎn)的地址DOWNADDRESS。當(dāng)鏈路建立命令傳遞到最后一個(gè)通信節(jié)點(diǎn)，該通信節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)采集階段后，就產(chǎn)生數(shù)據(jù)匯集命令幀，并且啟動(dòng)數(shù)據(jù)匯集過(guò)程。
數(shù)據(jù)匯集過(guò)程是鏈路建立過(guò)程的逆過(guò)程，不需要再對(duì)鏈路進(jìn)行處理。但是也有可能鏈路建立過(guò)程建好的鏈路在隨后的數(shù)據(jù)匯集過(guò)程中出現(xiàn)中斷。為避免數(shù)據(jù)匯集和隨后的鏈路建立過(guò)程相沖突，通信節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)匯集過(guò)程中按照以下方式進(jìn)行處理。
節(jié)點(diǎn)N在把鏈路建立命令傳送到節(jié)點(diǎn)N+X后，即等待N+X節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)匯集命令幀。當(dāng)收到數(shù)據(jù)匯集命令幀時(shí)，記錄當(dāng)前時(shí)間TCurrent，并計(jì)算TCurrent-TCommand>Interval-11s?
其中TCommand是收到鏈路建立命令的時(shí)間，Interval是系統(tǒng)休眠時(shí)間。
如果計(jì)算結(jié)果為假說(shuō)明即將開(kāi)始下一輪數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程，通信節(jié)點(diǎn)N不再轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)匯集命令幀，以防和數(shù)據(jù)采集過(guò)程及下一輪的鏈路建立過(guò)程沖突。公式中右邊加入的11s是為了避開(kāi)采集節(jié)點(diǎn)提前開(kāi)始采集的最大時(shí)間10s。
如果計(jì)算結(jié)果為真，則立即將數(shù)據(jù)匯集命令幀傳送給有效鏈路中的N-X節(jié)點(diǎn)。
3 長(zhǎng)鏈?zhǔn)铰酚蓞f(xié)議數(shù)據(jù)幀格式簡(jiǎn)介
由于需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不同，各個(gè)過(guò)程使用的數(shù)據(jù)幀格式也不同。數(shù)據(jù)采集過(guò)程中的發(fā)送幀和確認(rèn)幀格式都比較簡(jiǎn)單這里就不做介紹了。重點(diǎn)解釋一下鏈路建立過(guò)程請(qǐng)求幀，幀格式如下表1。
在該命令幀中，Syn是同步字;Bran是采集支路編號(hào)，半個(gè)字節(jié);Sty是幀類型，1個(gè)字節(jié);Sor是發(fā)送請(qǐng)求幀節(jié)點(diǎn)編號(hào)，1個(gè)字節(jié);Dest接收請(qǐng)求幀節(jié)點(diǎn)編號(hào)，1個(gè)字節(jié);N是本采集支路最大節(jié)點(diǎn)編號(hào)，1個(gè)字節(jié);Req是鏈路建立請(qǐng)求幀發(fā)送輪次，1個(gè)字節(jié)，設(shè)置該參數(shù)的主要目的有兩個(gè)。
(1)通信節(jié)點(diǎn)N發(fā)送命令給通信節(jié)點(diǎn)N+1，通信節(jié)點(diǎn)N+1正確接收了并且回復(fù)了確認(rèn)信號(hào)，但通信節(jié)點(diǎn)N沒(méi)有收到，于是重復(fù)發(fā)送鏈路建立命令。這種情況下，若N+1判斷是同一輪次的鏈路建立命令，則不進(jìn)行重復(fù)處理(因?yàn)殒溌方⒚钜呀?jīng)轉(zhuǎn)發(fā))，只是再次向N節(jié)點(diǎn)發(fā)送確認(rèn)信號(hào)。
(2)通信節(jié)點(diǎn)N重復(fù)發(fā)送鏈路建立命令給通信節(jié)點(diǎn)N+3，但是N+3節(jié)點(diǎn)僅最后一次正確接收了，且回復(fù)了確認(rèn)信號(hào)給N節(jié)點(diǎn)，但是，由于信道臨時(shí)的干擾，N節(jié)點(diǎn)并沒(méi)有接收到確認(rèn)信號(hào)，于是把自己作為最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)，啟動(dòng)了數(shù)據(jù)匯集過(guò)程。這種情況下，N+1及后面的通信節(jié)點(diǎn)很可能隨后再把數(shù)據(jù)匯集幀發(fā)送給N節(jié)點(diǎn)，造成混亂。解決方法是：N節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)數(shù)據(jù)匯集過(guò)程后，即把Req加1，隨后凡是與Req不相符的數(shù)據(jù)匯集幀不再響應(yīng)。
4 結(jié)語(yǔ)
本文根據(jù)長(zhǎng)鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的規(guī)律設(shè)計(jì)了一種長(zhǎng)鏈?zhǔn)降穆酚蓞f(xié)議，首先簡(jiǎn)單介紹了本協(xié)議的應(yīng)用場(chǎng)景和工作原理。重點(diǎn)對(duì)長(zhǎng)鏈?zhǔn)铰酚蓞f(xié)議中的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了探討，并且給出了優(yōu)良的解決方案。本協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸，而且具有較低的功耗，適合大規(guī)模使用。
