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無線傳感器網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)建方法論文
引言
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，投資成本低、體積小、性價(jià)比高，以監(jiān)測(cè)物理世界為主要目標(biāo)，專注于從外界獲取有效信息[1]。但是感知節(jié)點(diǎn)有限的硬件資源使得能量、計(jì)算、存儲(chǔ)及通信能力也大大受限[2-3]。而網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞亩嘧冃院途W(wǎng)絡(luò)環(huán)境狀況以及外在環(huán)境又要求無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有自組織的能力，能夠自動(dòng)組網(wǎng)運(yùn)行、自行配置維護(hù)以及適時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[4]。因此為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的融合和通信的可靠傳輸，整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的建立和維護(hù)至關(guān)重要。在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可靠性高，故障修復(fù)能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)可靈活多變，特別適用于隨機(jī)布置，需要隨機(jī)構(gòu)建無線網(wǎng)絡(luò)的場(chǎng)合。但是相對(duì)其他網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建立和管理更為復(fù)雜[5]，路由算法也更為復(fù)雜。現(xiàn)針對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)周期工作采集環(huán)境數(shù)據(jù)信息的特點(diǎn)，提出一種無線傳感器網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的建立和管理的方案。各節(jié)點(diǎn)依據(jù)隨機(jī)形成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和通信環(huán)境來構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，最終在通信連通域（指一片區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)的集合，且其中任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠直接或多跳的方式進(jìn)行通信）內(nèi)形成一個(gè)整體的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。其中將網(wǎng)絡(luò)的部分維護(hù)工作和應(yīng)用功能相結(jié)合，從而達(dá)到減少網(wǎng)絡(luò)管理上和路由更新的開銷，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)維護(hù)工作的目的。
1問題分析
1.1上電過程中問題
1）當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)上電開始工作時(shí)，先確定是否為第一個(gè)上電節(jié)點(diǎn)或者周圍可通信范圍內(nèi)有無其他已上電的感知節(jié)點(diǎn)，若無則此節(jié)點(diǎn)應(yīng)該自己確定一系列網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。否則說明已經(jīng)存在其他網(wǎng)絡(luò)，則此節(jié)點(diǎn)應(yīng)該申請(qǐng)加入現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)。
2）當(dāng)有網(wǎng)絡(luò)時(shí)可能存在多個(gè)網(wǎng)絡(luò)的情況（如圖1所示），此時(shí)節(jié)點(diǎn)不僅需要申請(qǐng)加入優(yōu)先級(jí)高的網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)還需要告知優(yōu)先級(jí)低的網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)更改網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，加入到高優(yōu)先級(jí)的網(wǎng)絡(luò)，合并成一個(gè)整體無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
3）若多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)上電且沒有可用網(wǎng)絡(luò)，則這些節(jié)點(diǎn)完成網(wǎng)絡(luò)初始化配置后也應(yīng)該處于同一網(wǎng)絡(luò)中，而不是各自建立不同網(wǎng)絡(luò)。
1.2周期工作過程中的問題
1）新一輪周期開始時(shí)，很可能存在新的節(jié)點(diǎn)加入或者某些節(jié)點(diǎn)故障而丟失（如圖2所示），此時(shí)通信環(huán)境已經(jīng)發(fā)生變化，對(duì)某些通信鏈路已經(jīng)造成影響，因此路由表需要做出相應(yīng)調(diào)整。
2）系統(tǒng)工作中受外界環(huán)境影響，節(jié)點(diǎn)間可能受障礙物遮擋，原本連通的鏈路失效了，此時(shí)路由表也應(yīng)該相應(yīng)進(jìn)行維護(hù)，發(fā)現(xiàn)新的可行路由（如圖3所示）。
3）多個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)在一開始可能處于不同的通信連通域，但環(huán)境改變后處于同一通信域里面了，也應(yīng)該合并成一個(gè)大的網(wǎng)絡(luò)，從而能夠收集匯聚更大的地理區(qū)域的環(huán)境信息。
2上電啟動(dòng)過程
1）節(jié)點(diǎn)上電后，首先完成硬件的初始化，包括配置各個(gè)接口，以及給GPS模塊發(fā)送初始控制命令等。
2）硬件初始化完成后，從flash芯片里讀取啟動(dòng)方式（CPU的非易失性存儲(chǔ)flash保存上次工作時(shí)的狀態(tài)信息），確定此次上電是全新上電模式還是繼續(xù)工作模式。全新上電是指節(jié)點(diǎn)開始進(jìn)行新的感知測(cè)量任務(wù)。繼續(xù)工作模式是指節(jié)點(diǎn)已經(jīng)有某個(gè)感知任務(wù)，由于故障等原因需要重新上電，此時(shí)節(jié)點(diǎn)需要繼續(xù)之前的工作任務(wù)。全新上電的節(jié)點(diǎn)需要對(duì)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進(jìn)行掃描，獲取最新網(wǎng)絡(luò)信息，做出相應(yīng)的反應(yīng)。繼續(xù)工作模式的節(jié)點(diǎn)則需要恢復(fù)故障前的工作狀態(tài)，并嘗試與其他節(jié)點(diǎn)恢復(fù)通信。全新上電模式啟動(dòng)過程可分為以下幾步：
a.獲取GPS定位信息。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有周期采集信息，在完成此次應(yīng)用任務(wù)后通過休眠的方式來節(jié)省能量的特點(diǎn)。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)上電時(shí)，其他節(jié)點(diǎn)可能處于休眠狀態(tài)，為了能與其它節(jié)點(diǎn)同步通信，先需要在周期上保持同步，可以從GPS模塊的輸出信息中提取當(dāng)前時(shí)間。
b.休眠。獲取GPS時(shí)間后節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠態(tài)，直至與其他節(jié)點(diǎn)同時(shí)喚醒，以此保持周期上的同步。
c.掃描網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)喚醒后由離線狀態(tài)（未加入任何網(wǎng)絡(luò)）進(jìn)入掃描狀態(tài)（掃描周圍網(wǎng)絡(luò)），若節(jié)點(diǎn)在達(dá)到超時(shí)時(shí)間Ttime-out時(shí)還沒有檢測(cè)到可用的網(wǎng)絡(luò)，則進(jìn)入建立網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，自己創(chuàng)建一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)。其中Ttime-out是關(guān)于節(jié)點(diǎn)地址n的單調(diào)遞增的函數(shù)，多節(jié)點(diǎn)同時(shí)上電時(shí)地址最低的節(jié)點(diǎn)最先進(jìn)入建立網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)建立網(wǎng)絡(luò)后，就可被其他節(jié)點(diǎn)掃描并申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)。從而防止多個(gè)節(jié)點(diǎn)建立多個(gè)網(wǎng)絡(luò)。
d.若掃描到可用的網(wǎng)絡(luò)（可能存在多個(gè)可用網(wǎng)絡(luò)），則選定優(yōu)先級(jí)高的為目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)（規(guī)則可擬定），同時(shí)給處于低優(yōu)先級(jí)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息通知改變他們的網(wǎng)絡(luò)配置，用以將多個(gè)網(wǎng)絡(luò)合并成一個(gè)大的網(wǎng)絡(luò)。
e.然后此節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)入尋求入網(wǎng)狀態(tài)，申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)，若加入成功，則獲取網(wǎng)絡(luò)信息并存入flash存儲(chǔ)起來，然后開始周期工作。
f.若加入網(wǎng)絡(luò)失敗（如地址沖突），則節(jié)點(diǎn)自己?jiǎn)为?dú)周期工作，避免影響已經(jīng)工作的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
g.若沒有掃描到可用的網(wǎng)絡(luò)，則節(jié)點(diǎn)根據(jù)自己的地址信息確定網(wǎng)絡(luò)信道、網(wǎng)絡(luò)ID等參數(shù)，建立一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)，開始周期工作，并且管理此網(wǎng)絡(luò)，接收其他節(jié)點(diǎn)的申請(qǐng)。
繼續(xù)工作模式啟動(dòng)過程可分為以下幾步：
a.從flash芯片讀取之前的工作狀態(tài)和網(wǎng)絡(luò)信息，包括網(wǎng)絡(luò)信道、網(wǎng)絡(luò)ID、節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)情況、路由表信息等。根據(jù)這些信息恢復(fù)寄存器信息，將節(jié)點(diǎn)配置成斷電前的工作狀態(tài)。
b.獲取GPS信息，獲得當(dāng)前時(shí)間，并休眠至下一個(gè)喚醒時(shí)間點(diǎn)，保持工作周期的同步。c.嘗試與其他節(jié)點(diǎn)建立通信。在整體網(wǎng)絡(luò)不出現(xiàn)故障的情況下，此故障節(jié)點(diǎn)可完全恢復(fù)所有功能，繼續(xù)周期地工作。
3周期工作過程
合理的周期工作過程不僅可以保證應(yīng)用任務(wù)的良好完成，同時(shí)也能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，周期工作過程可分為以下幾個(gè)步驟：
1）喚醒。節(jié)點(diǎn)喚醒后先等待一段時(shí)間，用來完全恢復(fù)各個(gè)模塊功能，同時(shí)也給新上電的節(jié)點(diǎn)掃描網(wǎng)絡(luò)信息。
2）應(yīng)用任務(wù)。接下來可以根據(jù)不同的應(yīng)用，執(zhí)行用戶所需的任務(wù)。例如采集外部溫濕度環(huán)境，由GPS模塊獲取位置信息，無線通信進(jìn)行數(shù)據(jù)的融合等。
3）網(wǎng)絡(luò)維護(hù)。在無線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中，受環(huán)境、節(jié)點(diǎn)位置等因素影響，通信鏈路可能中斷，也可能出現(xiàn)新的鏈路，因此需要不停地檢查網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)最新的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)更新路由路徑、節(jié)點(diǎn)數(shù)量等等網(wǎng)絡(luò)信息。網(wǎng)絡(luò)維護(hù)是保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)更新、檢查排除網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)誤、更新路由表的關(guān)鍵步驟。網(wǎng)絡(luò)維護(hù)的方法分為以下幾步：
a.各個(gè)節(jié)點(diǎn)按地址先后順序，掃描所有信道，確定當(dāng)前周圍網(wǎng)絡(luò)情況。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)掃描時(shí)，其他節(jié)點(diǎn)可根據(jù)接收到的掃描信息幀來確定哪些節(jié)點(diǎn)可與自己直接通信（即不需多跳來交互數(shù)據(jù)），為更新路由做準(zhǔn)備。
b.若發(fā)現(xiàn)新的網(wǎng)絡(luò)則先判斷哪個(gè)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先級(jí)更高，然后通知低級(jí)別網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)更改網(wǎng)絡(luò)配置，合并入優(yōu)先級(jí)高的網(wǎng)絡(luò)形成一個(gè)大的網(wǎng)絡(luò)。
c.根據(jù)之前記載下來的直接通信信息，更新自己的鏈路情況，并廣播自己鏈路信息。d.根據(jù)所有節(jié)點(diǎn)的鏈路情況可計(jì)算出最新的路由表，例如根據(jù)迪杰斯特拉提出的最短路徑算法計(jì)算最短路徑路由協(xié)議。
4）休眠。節(jié)點(diǎn)周期性的休眠可以大大降低功耗，若有不定時(shí)長的或?qū)崟r(shí)性要求不高的用戶任務(wù)也可在這段時(shí)間執(zhí)行，執(zhí)行完后再休眠。
4結(jié)論
筆者使用TI公司的CC2530無線收發(fā)芯片為核心搭建硬件平臺(tái)，以zigbee無線通訊方式，編程實(shí)現(xiàn)了上述上電啟動(dòng)過程和周期工作過程，實(shí)驗(yàn)表明上述方法能使多節(jié)點(diǎn)在隨機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和隨機(jī)上電順序的情況下，最終加入同一網(wǎng)絡(luò)。運(yùn)行中出現(xiàn)鏈路問題時(shí)路由表和其它網(wǎng)絡(luò)信息也能及時(shí)得到維護(hù)。節(jié)點(diǎn)故障修復(fù)后也能通過保存的網(wǎng)絡(luò)信息恢復(fù)至之前工作狀態(tài)。整個(gè)無線系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性。
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