混合多址接入的無線傳感器網絡設計及實現

鐘揚坤，向 新，劉在勇，孫 曄

(空軍工程大學航空航天工程學院，陜西 西安 710038)

責任編輯:薛 京

作為物聯網的重要組成部分，無線傳感器網絡技術備受關注。無線傳感器網絡應用前景廣泛，已有各種系統應用于軍事、醫療、家庭、工業等領域［1］。無線傳感器節點網絡接入網絡的方式可劃分為基于競爭和基于調度兩大類:基于競爭的接入能滿足面向事件驅動的應用需求，但是周期性采樣的應用中其能耗過大;基于調度的接入有睡眠調度方面的優勢，但是其實時響應性較差。基于兩種接入方式的優缺點，學者們提出了混合接入的思想。目前比較典型的有 Z－MAC［2］和 Funneling MAC［3］協議。兩者的思想均是采用CSMA和TDMA的混合接入，在信道資源較空閑的情況下使用CSMA，在資源緊張的情況下使用TDMA解決信道沖突問題。此外，Waharte S等人針對分簇型網絡簇間覆蓋區域重疊并引起簇間傳輸干擾的問題，提出了FDMA/TDMA 混合接入模型［4］。

在面向事件的監測場景中，需要對周遭環境進行監測，也需兼顧對事件的及時響應、報警。只采用TDMA的接入方式不能滿足其需求。在參考 Z－MAC［2］，TLTS［5］和Waharte S等人提出的模型［4］，設計一種混合多址接入的無線傳感器網絡。網絡采用FDMA和TDMA構成混合多址接入，簇間采用FDMA機制，各簇可并行工作。簇內采用TDMA機制，且在TDMA機制下，提供一個公共時隙，供節點監測、判決，在判斷為有事件發生時，能通過CSMA競爭與簇頭節點建立通信。本文所設計的網絡針對周期信息感知和事件檢測需求共存的應用場景，提出兼顧系統的節能性和實時響應性的折中方案。

1 系統架構

1.1 網絡拓撲

設計采用兩級簇結構的層次型網絡拓撲結構。分簇結構擴展性好，便于集中管理，可以降低系統建設成本，提高網絡覆蓋率和可靠性。采用區域劃分，不同區域中傳感器節點自成一簇，分配一個區域中心節點。整個設計由一個中心節點(匯聚節點)、多個區域中心節點(傳輸節點)和多個子節點(傳感節點)組成。中心節點與區域中心節點構成主簇，區域中心節點與子節點構成二級簇。子節點負責采集環境參量，將數據傳遞給區域中心節點;區域中心節點負責維持區域內子節點的時間同步、工作狀態監測，接收并轉發數據;中心節點將匯集的信息通過串口上傳至PC端，由上位機軟件進行解析。設計所用網絡拓撲如圖1所示。

圖1 系統網絡拓撲圖

1.2 接入技術應用

系統節點的多址接入是設計的重要部分。多址接入技術可分為TDMA，CDMA，FDMA。TDMA機制中，節點按照預分配的時隙與其他節點通信;CDMA機制為每個節點分配特定的具有正交性的地址碼以解決信道的共享;FDMA使用不同通信頻率實現多址接入［6］。

基于分區域檢測的思路，系統采用基于分簇結構的層次型網絡拓撲結構。但是，分簇型網絡簇間通信區域重疊會引起簇間傳輸干擾。如圖1中所示的網絡拓撲結構，對應區域分布時，區域相鄰或重疊時，簇與簇之間的通信會產生干擾。此時，簇與簇間也采用多址接入技術，考慮傳感器多工作于無須使用授權的ISM頻帶，且頻道上工作的民用通信設備多，在某一時刻某個頻點上可能出現過載，導致系統通信不暢通。因此基于認知無線電思想，利用頻率捷變的方式，避免干擾。設計中采用FDMA，將工作頻帶劃分為多個子工作頻道，由中心節點采用載波監聽的方式對工作信道進行優選，選擇主簇和子簇工作頻道。在FDMA的基礎上實現對單點頻率上干擾的規避。

在簇間采用FDMA的基礎上，考慮設計的節能性，引入節點狀態轉換機制，在簇內采用具有內在節能特性的TDMA機制，實現節點的睡眠輪換。此外，為了提高子節點與區域中心節點通信的公平性，在TDMA機制下分配一個時隙供簇內節點以CSMA方式共享此時隙的工作頻道。即簇間通信采用FDMA機制，簇內通信采用TDMA機制。

2 系統工作過程

系統的FDMA機制通過區域中心節點的頻率切換實現，如圖1所示。對頻道加標識以便區分，主簇工作在頻道0，子簇1工作在頻道1，子簇2工作在頻道2。主簇和子簇的信息交流以區域中心節點作為中介進行。系統工作過程如圖2所示。

圖2 網絡節點狀態轉移圖

1)初始化階段包括節點的初始化和網絡的初始化。節點的初始化主要指硬件的初始設置、使能。網絡的初始化主要指自組織成簇，系統以單晶方式構建簇，一簇內由簇頭節點發起形成，每個申請加入簇的節點向簇頭節點發出請求，根據簇頭節點的不同響應加入簇。

2)初始化結束后由中心節點進行頻道情況的感知和優選，通過頻道變換信息的發送，完成各級簇的頻道分配，節點切換頻道后，往上級發送確認信號，從下至上完成變換確認。

3)認知過程結束后，進入工作階段，所有的區域中心節點設置為中心節點的頻道，接收來自中心節點的時間基準信號(工作激活信號)，緊接著，區域中心節點將頻道切換到本簇的頻道，向簇內節點廣播時間基準信號，實現二級簇的同步及工作激活。

4)接收時間基準信號后，各簇內子節點進入監測模式，啟動傳感器模塊，對外部環境進行感知，進行簡單的條件判決:環境參數超過一定閾值，則判斷為有事件發生，通過CSMA競爭信道、上傳報警信號，完成后按照時序繼續工作;反之，存儲感知到的環境參數，按TDMA機制，依據所分配到的通信時隙進入睡眠模式或通信模式。

5)進入子節點周期工作時間時隙，當前時隙工作子節點處于通信狀態，其余子節點處于休眠狀態。

3 關鍵技術

3.1 信道劃分、感知、決策

圖3 信道劃分、感知、決策

3.2 具體時隙劃分及節點工作狀態

設計中，TDMA時隙劃分為:1)感知時隙;2)周期信號上傳時隙;3)時鐘同步等待時隙;4)區域周期監測信號上傳時隙。簇內子節點工作狀態分為:1)監測模式，MCU正常工作，傳感器模塊使能，射頻通信模塊關閉;2)通信模式，MCU正常工作，傳感器模塊關閉，射頻通信模塊使能;3)睡眠模式，MCU處于空閑模式(定時器正常工作，可響應定時中斷)，傳感器模塊關閉，射頻通信模塊使能。子節點各個時隙和工作狀態的對應關系如圖4所示。

圖4 子節點工作時隙

3.3 TDMA機制下的CSMA競爭時隙

TDMA機制在周期信息感知中有卓越的性能，但是其對事件的實時響應沒有CSMA等協議的響應快，事件發生時，節點仍需按照原本的時序等待上傳，導致節點對事件上傳的通信時機不公平。故本文在時間基準同步后分配監測時隙，供節點通過感知信息判斷事件是否發生，如有事件發生，則啟動通信模塊，以CSMA的方式競爭信道，與簇頭節點建立連接、上傳信息。系統中CSMA協議通過RSSI實現。

3.4 功率控制

設計中功率控制的基本思想是在保證網絡覆蓋率和連通度的前提下，通過降低子節點發射功率，使得網絡中節點的能量消耗最小，延長網絡末端的生命期。具體實現為:初始化階段，成簇后，簇頭節點與子節點進行點對點通信，由子節點向簇頭節點發送測試信號，簇頭節點進行RSSI，給定滿足一定連通度的RSSI值上限和下限，子節點通過簇頭節點發送的功率控制幀動態來調整自己的發射功率，使得子節點對簇頭節點單向通信的RSSI值落在上限和下限之間。

4 系統實現

4.1 硬件設計

對上述的無線傳感器網絡設計，構建系統予以實現。根據上文所述系統機制，系統節點在進行硬件設計時，需考慮不同節點所完成任務不同，配置要求也不同，考慮系統實現的性價比以及分工不同。主節點和分節點選擇不同的微處理器和硬件構造，主節點選擇AVR系列單片機ATmega16L［8］，子節點微處理器則選擇體積較小、引腳較少的 ATmega8L［9］。節點無線通信模塊采用 CYRF6936［10］射頻芯片。Cypress公司的CYRF6936是基于WirelessUSB LP［11］技術的射頻芯片，采用直接序列擴頻(DSSS)，片內資源多、功耗低、抗干擾能力強、成本低。傳感器模塊采用DS18B20溫度傳感器。系統節點實物及原理框圖如圖5所示。

4.2 結合硬件的網絡跨層設計

基于CYRF6936的硬件結構，實現上文的通信機制。通信芯片的DSSS通信機制有助于提高通信的抗干擾性能;利用芯片的多頻道和頻道快切換用于實現FDMA調度機制。CYRF6936具有98個工作頻道，其中25個為可快速啟動信道，其切換時間小于100 μs。系統的FDMA工作頻道在6936快速頻道中選擇。芯片的快速喚醒功能有利于實現TDMA調度，實現節點工作狀態轉換。同時利用MCU的計時器保持子節點的內部時鐘，維持節點對工作時隙的正常接入。在每一工作周期起始，一簇內的節點利用簇內廣播的時間基準校準內部時鐘，保持簇內節點時鐘的相對同步。信道參數的檢測和通信質量測量利用芯片內置的RSSI功能實現。

4.3 試驗及系統測試性能

4.3.1 節點點對點通信性能測試

CYRF6936的RSSI功能，是系統協議實現的重要部分之一，不同條件RSSI值需要精確界定。因此，本文設計試驗，測量不同條件下接收端節點的RSSI數值。使用4節AA電池為節點供電，頻率設置為2.4 GHz，利用串口通信將RSSI值上傳至PC機，結果如表1所示。

表1 固定距離、不同功率RSSI測試

此外，對節點的通信距離進行了性能測試，結果如表2所示。

表2 節點通信距離測試

子節點各個工作狀態的耗能測試結果如表3所示。

表3 節點工作狀態工作電流測試

4.3.2 系統整體測試

將應用場景設定為室內有限空間環境的監測，利用設計的硬件平臺分別采用設計的網絡協議棧、2層TDMA(TLTS)、CSMA進行無線傳感器網絡實現。信號發送時間為300 ms，周期信號的發送周期為30 s，工作時隙為5 s，突發信號的響應時間為5 s。測試結果如圖6所示。對比可知，文中設計的網絡協議的能量損耗介乎TDMA和CSMA之間。節點密集分布、簇工作區域重疊時，系統能正常工作，簇間的FDMA機制解決了簇間干擾問題。

圖6 系統能量消耗測試結果對比

5 結論

文中設計了一種FDMA/TDMA混合多址接入的無線傳感器網絡，且在TDMA機制中加入以CSMA機制競爭與簇頭節點通信的公共時隙，增強網絡對事件消息上傳的時序的公平性和實時響應性。測試表明，文中設計的網絡系統適用于既需要周期信息感知又有事件檢測需求的應用場景，相比于CSMA協議減少了能量消耗，延長了網絡生存周期。

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