基于SimpliciTI的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)要點(diǎn)探析

陳浩

（國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司六安供電公司 安徽六安 237000）

基于SimpliciTI的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)要點(diǎn)探析

陳浩

（國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司六安供電公司 安徽六安 237000）

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了信息化的發(fā)展，同時(shí)作為信息獲取最為重要和最基本的一項(xiàng)技術(shù)--傳感器技術(shù)也得到了很大的發(fā)展，現(xiàn)階段由于無線傳感技術(shù)的優(yōu)越性使得這項(xiàng)技術(shù)廣泛的應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、以及軍事等行業(yè)領(lǐng)域，無線傳感器的使用將信息世界和客觀物理世界有效的融合在一起，很大程度上改變了人和自然的交互方式，而SimpliciTI作為一種組網(wǎng)簡(jiǎn)單的低功耗無線通信協(xié)議，在很多方面都有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，本文以此為背景，對(duì)基于SimpliciTI的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的分析。

SimpliciTI；無線傳感器；技術(shù)要點(diǎn)

前言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要是由很多個(gè)有著通信和計(jì)算能力的衛(wèi)星傳感器節(jié)點(diǎn)組成的，這些微小的階段通過無線通信的形式連接在一起，最終形成了一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)，正是由于這種微小的傳感器節(jié)點(diǎn)非常多，所以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無處不在，為了能夠有效的實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信功能，還需要配套的通信協(xié)議，例如GPRS、WIFI以及藍(lán)牙等，但是這些配套的通信協(xié)議實(shí)際的價(jià)格非常昂貴，同時(shí)諸如這些協(xié)議本身的系統(tǒng)非常龐大，所以對(duì)于系統(tǒng)硬件的要求非常高，而SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議本身組網(wǎng)相對(duì)簡(jiǎn)單，并且屬于低功耗的無線通信協(xié)議，這種協(xié)議能夠最大限度的簡(jiǎn)化無線網(wǎng)絡(luò)的整體設(shè)計(jì)難度，最大限度的實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的優(yōu)化配置，文章就是在此基礎(chǔ)上對(duì)這種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行介紹。

1 SimpliciTI協(xié)議概述

1.1 SimpliciTI協(xié)議網(wǎng)絡(luò)組成和網(wǎng)絡(luò)管理

首先SimpliciTI協(xié)議基本的協(xié)議棧提供的是簡(jiǎn)單的無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送處理功能，其次協(xié)議中其他的模塊可以根據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)使用者的實(shí)際需求進(jìn)行具體的添加，圖1顯示的是SimpliciTI協(xié)議網(wǎng)絡(luò)組成。

圖1 SimpliciTI協(xié)議網(wǎng)絡(luò)組成

SimpliciTI協(xié)議網(wǎng)絡(luò)管理功能主要是屬于AP節(jié)點(diǎn)獨(dú)有的一種功能，這種功能能夠支持為協(xié)議睡眠節(jié)點(diǎn)提供數(shù)據(jù)保存和轉(zhuǎn)發(fā)操作，同時(shí)還能夠提供數(shù)據(jù)加密管理和頻率跳變操作。SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)管理的主要功能特點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）SimpliciTI協(xié)議網(wǎng)絡(luò)管理能夠始終處于開啟狀態(tài)，只要系統(tǒng)的主電源以及備用電能能夠始終處于一種供電狀態(tài)，同時(shí)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)僅僅需要一個(gè)AP節(jié)點(diǎn)；

（2）如果網(wǎng)絡(luò)管理作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心存在的時(shí)候，通過公共網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)服務(wù)器進(jìn)行連接能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)信息的實(shí)施傳輸，同時(shí)如果通過串口進(jìn)行連接還能夠?qū)?shù)據(jù)信息直接傳送給現(xiàn)場(chǎng)控制器；

（3）無線網(wǎng)關(guān)主要負(fù)責(zé)管理網(wǎng)絡(luò)地址，能夠幫助網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)有效的分配連接標(biāo)識(shí)符。

1.2 頻率捷變

SimpliciTI協(xié)議主要使用的是2.4GHz的頻段，同時(shí)協(xié)議中一共有16個(gè)可以選擇的信道，如果這16個(gè)信道中出現(xiàn)某一個(gè)信道的質(zhì)量比較差的現(xiàn)象，那么SimpliciTI協(xié)議可以根據(jù)頻率表的變動(dòng)來進(jìn)行頻率跳變，所以能夠有效的避免信道堵塞和質(zhì)量差帶來的數(shù)據(jù)接收和傳送問題。

1.3 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分層結(jié)構(gòu)

SimpliciTI協(xié)議能夠?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行相對(duì)簡(jiǎn)單的劃分，主要分為三層，分別是硬件邏輯層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層，如圖2所示。

圖2 SimpliciTI協(xié)議網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)示意圖

如圖2所示，硬件邏輯層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層可以分別表示為MRFI、NWK以及APP層。

（1）從圖2可以看出應(yīng)用層包含了一個(gè)TCP/IP協(xié)議中比較典型的端口機(jī)制，這個(gè)端口是網(wǎng)絡(luò)自身使用和用戶可以使用的端口，APP層僅僅需要接收建立網(wǎng)絡(luò)連接的有效信息，信息接收之后只需要直接利用經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)層處理好的連接參數(shù)即可；

（2）網(wǎng)絡(luò)層主要的任務(wù)是處理相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，例如收發(fā)網(wǎng)絡(luò)信息管理以及加密算法管理等，協(xié)議中的網(wǎng)絡(luò)連接參數(shù)也是由網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行處理；

（3）對(duì)于不同的射頻設(shè)備來說，物理層和鏈路層操作有著一定的區(qū)別，而SimpliciTI協(xié)議通過硬件邏輯層能夠?qū)ξ锢韺右约版溌穼拥牟煌僮鬟M(jìn)行統(tǒng)一的設(shè)置和管理，同時(shí)通過信道清理功能能夠?qū)崿F(xiàn)信道接入和數(shù)據(jù)包收發(fā)等功能。

2 基于SimpliciTI的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)要點(diǎn)

2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)要求

（1）傳感器，根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用需求，合理的無線傳感器的類型、精度以及信息采樣的頻率等參數(shù)。

（2）電源管理，因?yàn)闊o線傳感器節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)信息通訊的過程中，對(duì)系統(tǒng)能耗的要求非常高，所以在選擇電源和進(jìn)行電源管理的過程中必須選擇合適的電壓管理芯片，這樣能夠最大限度的利用輸入電壓源的電流輸出能力，通過電壓源電流輸出能力的有效發(fā)揮能夠延長(zhǎng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)的作業(yè)時(shí)間。

（3）無線收發(fā)器，通常情況下，任何一個(gè)無線通信系統(tǒng)自身的射頻部位都是通過射頻收發(fā)芯片來進(jìn)行無線信道信息數(shù)據(jù)的傳輸，所以無線收發(fā)器所需要的是一種低成本的射頻收發(fā)芯片。

2.2 基于SimpliciTI的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)

SimpliciTI協(xié)議網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信主要是建立在信息連接的基礎(chǔ)上，所以這種協(xié)議應(yīng)用在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中必須建立相應(yīng)的連接節(jié)點(diǎn)，只有這樣才能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。通常情況下基于SimpliciTI的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)如果使用AP和ED進(jìn)行組網(wǎng)鏈接的話，首先需要AP和很多個(gè)ED進(jìn)行正確的通信鏈接，然后AP會(huì)向每一個(gè)ED分配具體的特定地址，之后通過特定的地址進(jìn)行通信連接和數(shù)據(jù)接收，如果在這個(gè)過程中某一個(gè)ED出現(xiàn)如電源問題等狀況和AP之間斷開鏈接的話，AP不會(huì)將之前分配給ED的特定地址刪除，所以當(dāng)出現(xiàn)問題的ED再次恢復(fù)正常重新申請(qǐng)網(wǎng)絡(luò)地址的時(shí)候，AP仍然會(huì)在通過檢測(cè)之后將之前分配好的地址重新分配給ED。如果系統(tǒng)中有新的ED出現(xiàn)，AP會(huì)分配一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)地址給ED，總之AP會(huì)保證每一個(gè)ED都有一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)地址。

所以說基于SimpliciTI的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)過程首先必須啟動(dòng)AP，然后協(xié)議在經(jīng)過初始化協(xié)議棧之后才能夠進(jìn)入到信息接收過程中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組需要等到每一個(gè)ED加入到網(wǎng)絡(luò)中之后才能夠接收數(shù)據(jù)信息，ED啟動(dòng)之后，首先會(huì)向AP發(fā)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)建立的請(qǐng)求信息，直到每一個(gè)ED都通過AP網(wǎng)絡(luò)建立請(qǐng)求。

2.3 基于SimpliciTI的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)

目前基于SimpliciTI的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位最常用的技術(shù)算法主要有三遍測(cè)量法、三角形測(cè)量法和極大似然估計(jì)算法。如果根據(jù)不同節(jié)點(diǎn)算法中是否和節(jié)點(diǎn)之間的距離有關(guān)聯(lián)進(jìn)行劃分可以將定位算法劃分為基于距離的定位算法和距離無關(guān)定位算法，下面我們兩種節(jié)點(diǎn)定位測(cè)量方法：

2.3.1 節(jié)點(diǎn)間距離測(cè)量

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，通常情況下使用最為普遍的節(jié)點(diǎn)距離測(cè)量方法是RSSI測(cè)距方法，這種方法的使用原理首先需要知道無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射頻率表，然后在接收點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)信息的實(shí)際接收功率和數(shù)據(jù)信息傳播的系統(tǒng)損耗，最后通過經(jīng)驗(yàn)信號(hào)等方式將數(shù)據(jù)信息的傳播損耗轉(zhuǎn)換成實(shí)際的距離。這種節(jié)點(diǎn)間距離測(cè)量的方法使用的方法主要是射頻信號(hào)，因?yàn)槎鄶?shù)情況下，射頻芯片都能夠支持RSSI，所以在和處理器進(jìn)行通信連接的時(shí)候，能夠?qū)⑾到y(tǒng)每一次接收到的數(shù)據(jù)信息自動(dòng)的形成RSSI信息，再加上在實(shí)際的測(cè)量過程中，并不需要將處理器中斷，所以能夠在成功接收數(shù)據(jù)信息包的狀況下有效的實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)距離測(cè)量的效果。

2.3.2 節(jié)點(diǎn)定位的方法

除了上面提到的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位的測(cè)量方法，還可以通過測(cè)量以及估算的方式來大致的計(jì)算每一個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離，這種方法計(jì)算出的節(jié)點(diǎn)之間的距離和上面的測(cè)量方法得到的結(jié)果并沒有太大的誤差，主要是通過幾何關(guān)系首先來推算每一個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的位置和相互之間的關(guān)系，然后確定具體的節(jié)點(diǎn)空間點(diǎn)位置，空間點(diǎn)位置判斷的方法主要有三邊定位發(fā)和角度定位法，由于這種方法是通過實(shí)際的幾何關(guān)系計(jì)算出來的，所以和實(shí)際的距離誤差相對(duì)較小。

3 結(jié)論

文章對(duì)研究課題的分析首先介紹了SimpliciTI協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)組成，通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)管理、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成結(jié)構(gòu)的介紹簡(jiǎn)要的分析了SimpliciTI協(xié)議的具體優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，然后結(jié)合SimpliciTI協(xié)議的具體特點(diǎn)介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的構(gòu)成和通訊實(shí)現(xiàn)，總的來說，SimpliciTI協(xié)議應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中能夠更好地發(fā)揮SimpliciTI協(xié)議的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置，降低無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)成本。

[1]魏蔚，張?zhí)禊i，李冰.一種用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基于距離的節(jié)點(diǎn)自定位算法[J].鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012.

[1]馮秀芳，李海林.Euclidean節(jié)點(diǎn)定位算法改進(jìn)及其仿真[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2013.

[3]李長(zhǎng)庚，盛利元.基于Monte Carlo的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法[J].傳感器與微系統(tǒng)，2014.

[4]孫澤宇，魏巍.一種改進(jìn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法的研究[J].計(jì)算機(jī)仿真，2013.

[5]王子璇，王宗欣.一種網(wǎng)絡(luò)生長(zhǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法[J].復(fù)旦學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012.

TP212.9

A

1004-7344（2016）23-0090-02

2016-8-1