基于藍(lán)牙技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

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(1.湖南第一師范學(xué)院 信息科學(xué)與工程系，湖南長(zhǎng)沙410205;2.國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410073)

0 引言

藍(lán)牙技術(shù)具有抗干擾能力強(qiáng)、通信質(zhì)量穩(wěn)定、功耗低、成本低的優(yōu)點(diǎn)，能方便地集成到各種惡劣環(huán)境的設(shè)備中［1，2］，已被廣泛應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中［3，4］。

基于藍(lán)牙技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由傳感器件、數(shù)據(jù)處理單元和藍(lán)牙模塊組成的節(jié)點(diǎn)通過自組織方式組成的網(wǎng)絡(luò)，與其他無線傳感器網(wǎng)絡(luò)類似，具有節(jié)點(diǎn)密度高、節(jié)點(diǎn)的能量、計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力受限、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇赡芙?jīng)常變化等特點(diǎn)。由于藍(lán)牙具有低成本、低功耗、抗干擾性能好、組網(wǎng)方便、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，因此具有非常廣闊的應(yīng)用前景［5］。目前已有一些研究人員對(duì)基于藍(lán)牙技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)和組網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行了研究，并取得一些進(jìn)展，如，文獻(xiàn)［1］和文獻(xiàn)［6］提出了基于藍(lán)牙匹克網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，分別在傳感器節(jié)點(diǎn)與中繼點(diǎn)、中間件Sink節(jié)點(diǎn)與移動(dòng)終端構(gòu)成藍(lán)牙匹克網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了無線傳感器和互聯(lián)網(wǎng)的連接;文獻(xiàn)［7］在基于藍(lán)牙匹克網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，引入一種基于信息觸發(fā)的星型連接網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌档土司W(wǎng)絡(luò)的整體功耗;此外，文獻(xiàn)［8，9］等討論了基于樹型散列網(wǎng)與藍(lán)牙匹克網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。這些已有的工作只對(duì)基于藍(lán)牙技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)和路由等技術(shù)進(jìn)行了初步的研究，研究表明:節(jié)點(diǎn)的加入或刪除都將較大地影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信，網(wǎng)絡(luò)通信開銷大，網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)拓?fù)渥兓m應(yīng)性較差，魯棒性弱，易在藍(lán)牙根節(jié)點(diǎn)或橋節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生瓶頸，只適用于小范圍的傳感器網(wǎng)絡(luò)。

為此，本文設(shè)計(jì)了一種新型的基于藍(lán)牙技術(shù)的傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過構(gòu)建拓?fù)錁洹⒎峙浣巧确绞剑O(shè)計(jì)了一種構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)的快速、高效的藍(lán)牙分散網(wǎng)絡(luò)建立算法。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了一種能量感知路由算法，該算法用能量感知路由方法來平衡各節(jié)點(diǎn)電源的消耗率，用定時(shí)喚醒和多工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)制來延長(zhǎng)各節(jié)點(diǎn)的生存時(shí)間，仿真實(shí)驗(yàn)表明:本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能有效地改善上述方案的不足。

1 基于藍(lán)牙技術(shù)的傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

1.1 分散網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)算法

基于藍(lán)牙技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)過程為:首先，建立藍(lán)牙分散網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，然后，傳感節(jié)點(diǎn)開始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)用于采集所有傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，所有傳感器節(jié)點(diǎn)均須傳播其數(shù)據(jù)到網(wǎng)關(guān)，當(dāng)然，網(wǎng)關(guān)有充足的能量資源，有更強(qiáng)的處理數(shù)據(jù)或傳送數(shù)據(jù)的能力。組網(wǎng)算法具體分為3個(gè)階段:

1)鏈路建立算法

鏈路建立算法，由中心節(jié)點(diǎn)聚合一些節(jié)點(diǎn)組成局部網(wǎng)，并負(fù)責(zé)采集該局部網(wǎng)中所有節(jié)點(diǎn)的信息。為了達(dá)到這一目的，每個(gè)節(jié)點(diǎn)均需要維護(hù)一個(gè)用于記錄其所擁有節(jié)點(diǎn)信息的拓?fù)錁洌瑸榘l(fā)現(xiàn)并加入其他節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)均在詢呼(inquiry)與詢呼掃描(inquiry scan)2種狀態(tài)轉(zhuǎn)換，其鏈路建立算法描述為:如果節(jié)點(diǎn)是勝者(擁有更多節(jié)點(diǎn)或更大的藍(lán)牙設(shè)備地址)，則傳呼所有來自負(fù)者的新節(jié)點(diǎn)，并監(jiān)聽新節(jié)點(diǎn)是否有響應(yīng)，如果新節(jié)點(diǎn)有響應(yīng)，則將新節(jié)點(diǎn)移至勝者拓?fù)錁渲校⒈３止?jié)點(diǎn)在詢呼和詢呼掃描兩狀態(tài)間轉(zhuǎn)換，直到時(shí)間滿足結(jié)束條件;否則，負(fù)者進(jìn)入掃描模式。

2)分配角色與建立局部網(wǎng)

本階段主要是調(diào)整拓?fù)錁洌峙浣巧孕纬删植糠稚⒕W(wǎng)絡(luò)。拓?fù)錁渲忻總€(gè)父節(jié)點(diǎn)作為主站，子節(jié)點(diǎn)作為從站。

步驟1:如果節(jié)點(diǎn)沒有子節(jié)點(diǎn)，則終止其運(yùn)行;

步驟2:如果節(jié)點(diǎn)所屬子節(jié)點(diǎn)數(shù)小于8，則該節(jié)點(diǎn)傳呼其所屬節(jié)點(diǎn)以形成一微網(wǎng)，對(duì)每個(gè)子節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)至步驟1進(jìn)一步調(diào)整分配角色;

步驟3:如果節(jié)點(diǎn)所屬子節(jié)點(diǎn)數(shù)均大于等于8，選擇一個(gè)有較少子節(jié)點(diǎn)的非孤立節(jié)點(diǎn)，并根據(jù)其深度遞增順序搜尋所有的兄弟節(jié)點(diǎn)，若有一個(gè)節(jié)點(diǎn)響應(yīng)其傳呼，則將其子樹加入到該非孤立節(jié)點(diǎn)中，返回步驟1繼續(xù)傳呼。

由以上步驟就建立了一個(gè)藍(lán)牙局部網(wǎng)。

3)連接局部網(wǎng)

本階段連接以上形成的所有局部網(wǎng)。為了發(fā)現(xiàn)其他局部網(wǎng)，每個(gè)局部網(wǎng)中所有節(jié)點(diǎn)均在詢呼和詢呼掃描模式下交替工作，局部網(wǎng)中所有節(jié)點(diǎn)使用相同時(shí)間間隔作為根節(jié)點(diǎn)在詢呼和詢呼掃描模式下交替工作，以避免得到同一局部網(wǎng)上已存在信息。若有任一節(jié)點(diǎn)對(duì)此作出響應(yīng)，就發(fā)送一個(gè)包給根節(jié)點(diǎn)，而使同一局部網(wǎng)中其他節(jié)點(diǎn)停止在詢呼和詢呼掃描模式下交替工作，同時(shí)檢查響應(yīng)節(jié)點(diǎn)所屬階段。如果響應(yīng)節(jié)點(diǎn)處于階段1，則忽略該響應(yīng)，繼續(xù)保持在詢呼和詢呼掃描模式下交替工作。如果處于階段3，則連接其他節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)局部網(wǎng)，該局部網(wǎng)中所有節(jié)點(diǎn)將試圖發(fā)現(xiàn)其他局部網(wǎng)。

經(jīng)歷階段3之后，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)擁有整個(gè)拓?fù)湫畔ⅲ㈤_始做一次調(diào)整。將所有通信范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)作為其直接子節(jié)點(diǎn)(第1層)，并將這些子節(jié)點(diǎn)置為暫停模式，對(duì)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，被上層節(jié)點(diǎn)暫停后，其子節(jié)點(diǎn)也被置為暫停模式，傳感器這時(shí)開始工作。如此反復(fù)直至建立整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)。

1.2 能量感知路由算法

由于節(jié)點(diǎn)能量有限且補(bǔ)充困難，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的首要設(shè)計(jì)目標(biāo)是能量的高效利用。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的路由機(jī)制通常選擇源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù)單徑路由傳輸數(shù)據(jù)，但在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，頻繁使用同一條路徑傳輸數(shù)據(jù)容易導(dǎo)致該路徑上節(jié)點(diǎn)能耗過快而提前失效，從而整個(gè)網(wǎng)絡(luò)分割成互不連接的孤立網(wǎng)絡(luò)，造成網(wǎng)絡(luò)壽命縮短。Rahul C等人［9］提出了基于多路徑的能量感知路由算法。該算法在源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)建立了多條路徑，根據(jù)路徑上節(jié)點(diǎn)通信能耗和剩余能量狀況給每條路徑賦予一定選擇概率，由于該概率與能量相關(guān)，可將通信能耗分散到多條路徑上，從而使得數(shù)據(jù)傳輸可以均衡消耗整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量，最大限度延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。該多路徑能量感知路由協(xié)議包括3個(gè)階段:路由建立階段、數(shù)據(jù)通信或數(shù)據(jù)傳播階段和路由維護(hù)階段。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都知道到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的所有下一跳節(jié)點(diǎn)，需要計(jì)算選擇每個(gè)下一跳節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的概率，該概率與節(jié)點(diǎn)能量通信代價(jià)的倒數(shù)成正比。概率的計(jì)算是通過節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的通信代價(jià)來估算的。為解決距離基站較遠(yuǎn)的傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)消耗的能量代價(jià)太高，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)很快死亡的問題。本文采用Rahul C等人［9］提出了基于多路徑的能量感知路由算法。

1.3 定時(shí)喚醒機(jī)制

傳感器節(jié)點(diǎn)的主要任務(wù)是根據(jù)具體應(yīng)用的需求監(jiān)測(cè)其周圍發(fā)生的事件，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，然后將其傳輸給主站。所以，節(jié)點(diǎn)的能耗主要由三部分構(gòu)成:數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理。相對(duì)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理，一個(gè)節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)傳輸方面消耗的能量最多，數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芎陌〝?shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收2個(gè)方面。通過在實(shí)際系統(tǒng)中監(jiān)測(cè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)在大部分時(shí)間內(nèi)處于“空閑”狀態(tài)，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的通信信息都很少。因此，提出一種用定時(shí)喚醒機(jī)制來降低節(jié)點(diǎn)的能量損耗，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都支持多種工作模式，包括“運(yùn)行”、“空閑偵聽”和“睡眠”3種狀態(tài)。采用信息觸發(fā)的機(jī)制，當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，通過定時(shí)中斷喚醒相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)入“運(yùn)行”狀態(tài)，與主站通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在其他時(shí)間傳感器節(jié)點(diǎn)處理于“空閑偵聽”或“睡眠”狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)表明:采用這種定時(shí)喚醒、多工作狀態(tài)輪轉(zhuǎn)的技術(shù)可降低無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量損耗。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

基于藍(lán)牙Spec1.1規(guī)范在NS—2網(wǎng)絡(luò)仿真器和IBM開放源代碼的藍(lán)牙擴(kuò)展模塊仿真器BlueHoc上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，本文仿真器對(duì)藍(lán)牙跳頻物理層和詢呼程序進(jìn)行了仿真。每個(gè)藍(lán)牙設(shè)備使用詢呼和傳呼程序采集信息和進(jìn)行連接。同時(shí)在詢呼和傳呼過程中使用查詢?cè)L問碼(inquiry access code，IAC)和跳頻同步(frequency hopping synchronization，F(xiàn)HS)包。設(shè)定階段1(信息采集與聚合)和階段3(連接局部網(wǎng))的超時(shí)限制均為3.5 s，用仿真器估計(jì)了網(wǎng)絡(luò)擁有30，90個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)建立藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)所花時(shí)間，如圖1所示。從圖1可以發(fā)現(xiàn)，在不限定節(jié)點(diǎn)數(shù)或不限定區(qū)域大小時(shí)，本方案可在10 s內(nèi)有效組建一個(gè)藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)。

圖1 藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建時(shí)間Fig 1 Time of constructing Bluetooth network

假定每個(gè)節(jié)點(diǎn)以規(guī)則的時(shí)間間隔(實(shí)驗(yàn)中取300 s)產(chǎn)生數(shù)據(jù)包，除網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)擁有無限能量外，開始時(shí)所有節(jié)點(diǎn)有相同的能量。現(xiàn)給定隨機(jī)分布在30 m×30 m的32個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有10 m的通信半徑。圖2給出了使用能量感知和未使用能量感知的路由選擇性能對(duì)比。從圖中可以看出:與使用能量感知的路由方法相比，采用未使用能量感知路由方法時(shí)，第一節(jié)點(diǎn)耗完其能量的時(shí)間要早得多，這將導(dǎo)致其無法采集傳感器數(shù)據(jù)并將其傳送至網(wǎng)關(guān)，同時(shí)也造成其下屬節(jié)點(diǎn)無法路由到網(wǎng)關(guān)。

圖2 能量感知路由性能Fig 2 Performance of power-aware routing

方案中采用定時(shí)喚醒、多工作狀態(tài)輪轉(zhuǎn)的技術(shù)的目的是為了減少主結(jié)點(diǎn)能量消耗，仿真實(shí)驗(yàn)中通過分析用于發(fā)送和接收包的主時(shí)槽數(shù)來驗(yàn)證其性能，如圖3所示。結(jié)果表明:當(dāng)包速率較低時(shí)，采用這種機(jī)制有助節(jié)省傳感器網(wǎng)絡(luò)中主站能量。

圖3 定時(shí)喚醒機(jī)制性能Fig 3 Performance of timing wake-up mechanism

3 結(jié)束語

本文針對(duì)已有的基于藍(lán)牙技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)通信方面所存在的問題，設(shè)計(jì)了一種新型的基于藍(lán)牙技術(shù)的傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，其關(guān)鍵技術(shù)包括:1)設(shè)計(jì)了一種快速、高效的分散網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)算法;2)改進(jìn)了基于藍(lán)牙技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)協(xié)議棧，在網(wǎng)絡(luò)層中引入一種能量感知路由策略來平衡各節(jié)點(diǎn)能量消耗速率，然后在鏈路管理層，引入定時(shí)喚醒和多工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)制來延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)生命周期。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方案是可行的，能快速有效地組建一個(gè)藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)，并有效均衡各節(jié)點(diǎn)能耗和延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

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