程凱韜，高 超，葛泉波

(杭州電子科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，浙江杭州310018)

0 引 言

現(xiàn)代火災(zāi)己呈現(xiàn)出立體化、復(fù)雜化、多樣化的趨勢(shì)，對(duì)人民的生命和財(cái)產(chǎn)造成很大的威脅和損失［1］。本文提出將無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到無(wú)線消防應(yīng)急燈中，但是這對(duì)如何使用合適的無(wú)線路由協(xié)議提出了要求［2］。現(xiàn)有的通信協(xié)議雖然技術(shù)上大多已經(jīng)足夠成熟，但因?yàn)槭艿接布患嫒荨f(xié)議不開(kāi)源、協(xié)議實(shí)現(xiàn)過(guò)于困難等原因，很難將現(xiàn)有協(xié)議在短期內(nèi)應(yīng)用到應(yīng)急燈系統(tǒng)中［3］。而應(yīng)急燈系統(tǒng)的特點(diǎn)是燈具分布固定且較為稀疏，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)對(duì)節(jié)點(diǎn)功耗及鏈路的穩(wěn)定性要求較高，由此本文提出利用擴(kuò)展星狀網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議擴(kuò)大傳輸范圍并提高傳輸穩(wěn)定性。

1 通信協(xié)議系統(tǒng)架構(gòu)

基于無(wú)線應(yīng)急燈系統(tǒng)的通信協(xié)議的目的是建立一個(gè)以上位機(jī)為數(shù)據(jù)包最終傳輸目的地，以基站節(jié)點(diǎn)為根節(jié)點(diǎn)，以中繼節(jié)點(diǎn)為指定域內(nèi)匯聚節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)展星狀網(wǎng)絡(luò)。在該通信協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)在保證穩(wěn)定性的前提下，對(duì)每一個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)以最短的傳輸延遲，較少的功耗下完成數(shù)據(jù)包的傳輸。

基于無(wú)線應(yīng)急燈系統(tǒng)的通信協(xié)議作為無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的整套系統(tǒng)的通信協(xié)議，根據(jù)通信介質(zhì)的不同，分為基站與上位機(jī)通信有線協(xié)議和節(jié)點(diǎn)間通信的無(wú)線協(xié)議。通信協(xié)議系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。圖1中系統(tǒng)可分為節(jié)點(diǎn)、基站和客戶(hù)端3個(gè)層次。節(jié)點(diǎn)間通信處在節(jié)點(diǎn)層，無(wú)線節(jié)點(diǎn)根據(jù)該協(xié)議將采集到的參數(shù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸給基站。基站再根據(jù)處在基站和客戶(hù)端層的節(jié)點(diǎn)間通信協(xié)議將數(shù)據(jù)包傳遞給服務(wù)器和個(gè)人電腦機(jī)［4］。

圖1 基于無(wú)線應(yīng)急燈系統(tǒng)的通信協(xié)議系統(tǒng)架構(gòu)

2 通信協(xié)議原理

通信協(xié)議實(shí)質(zhì)是將無(wú)線節(jié)點(diǎn)采集到的參數(shù)通過(guò)穩(wěn)定安全的方式傳輸?shù)接脩?hù)的電腦上。但由于數(shù)據(jù)包在傳輸過(guò)程中必須經(jīng)歷無(wú)線和有線兩種傳輸方式，所以由此延伸出節(jié)點(diǎn)間路由協(xié)議和基站與上位機(jī)通信協(xié)議這兩種協(xié)議。這兩種協(xié)議都是為了完成數(shù)據(jù)包有效傳輸，但原理各不相同。

2.1 基站與上位機(jī)通信協(xié)議

無(wú)線節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)通信依靠基站節(jié)點(diǎn)上傳和下發(fā)數(shù)據(jù)完成，而基站節(jié)點(diǎn)則通過(guò)有線串口協(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行通信。

協(xié)議運(yùn)行機(jī)制。協(xié)議根據(jù)實(shí)際需要提出以下3種數(shù)據(jù)包:心跳數(shù)據(jù)包。由于無(wú)需上傳任何其他多余數(shù)據(jù)，故心跳數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)區(qū)域?yàn)榭?，而樓層?hào)、節(jié)點(diǎn)號(hào)、組號(hào)等信息都與基站節(jié)點(diǎn)自身有關(guān)，發(fā)送心跳包的目的是為了告訴上位機(jī)基站節(jié)點(diǎn)的連接情況;傳感器數(shù)據(jù)包。根據(jù)設(shè)備類(lèi)型的不同，上傳的傳感器數(shù)據(jù)包格式及內(nèi)容將有所不同;命令包。即是有上位機(jī)對(duì)整個(gè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制包［5］。

2.2 節(jié)點(diǎn)間路由協(xié)議

實(shí)際協(xié)議位于無(wú)線路由協(xié)議的路由層，而數(shù)據(jù)鏈路層由半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室公司研發(fā)的開(kāi)源路由協(xié)議構(gòu)成。在應(yīng)用層部分，用戶(hù)可以根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同嵌入相應(yīng)的功能。

協(xié)議運(yùn)行機(jī)制。節(jié)點(diǎn)間路由協(xié)議網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用擴(kuò)展星狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，拓?fù)湫螤罟潭?。網(wǎng)絡(luò)葉子節(jié)點(diǎn)數(shù)小于1000個(gè)，中繼節(jié)點(diǎn)跳數(shù)小于兩跳。為了降低傳輸延遲，并提高通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性，協(xié)議利用不同載波頻率來(lái)劃定系統(tǒng)內(nèi)的傳輸區(qū)域，不同傳輸區(qū)域間數(shù)據(jù)傳輸同時(shí)進(jìn)行。節(jié)點(diǎn)間路由協(xié)議拓?fù)錁?gòu)成如圖2所示。

節(jié)點(diǎn)間路由協(xié)議的形成可分為拓?fù)浣?、中繼轉(zhuǎn)發(fā)和數(shù)據(jù)上報(bào)3個(gè)部分。

在系統(tǒng)啟動(dòng)之初，首先是拓?fù)浣?。上位機(jī)預(yù)先知道準(zhǔn)確的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且整套系統(tǒng)根據(jù)規(guī)定好的通信鏈路進(jìn)行傳播。首先葉子節(jié)點(diǎn)將根據(jù)傳輸區(qū)域的不同直接或通過(guò)中繼節(jié)點(diǎn)間接向基站節(jié)點(diǎn)發(fā)送入網(wǎng)申請(qǐng)包，基站節(jié)點(diǎn)根據(jù)路由表大小及是否出現(xiàn)重復(fù)節(jié)點(diǎn)判斷葉子節(jié)點(diǎn)是否能夠入網(wǎng)。一旦葉子節(jié)點(diǎn)通過(guò)入網(wǎng)審核，基站將向葉子節(jié)點(diǎn)發(fā)送同意入網(wǎng)應(yīng)答包，否則發(fā)送不同意入網(wǎng)應(yīng)答包。

葉子節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)后，協(xié)議進(jìn)入數(shù)據(jù)上報(bào)部分。葉子節(jié)點(diǎn)通過(guò)自身的實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能，定義一定的時(shí)間間隔(1s至1h)進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)采集，采集完成后將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送給基站節(jié)點(diǎn)。同時(shí)基站節(jié)點(diǎn)根據(jù)路由表對(duì)非入網(wǎng)的傳感包進(jìn)行過(guò)濾，對(duì)入網(wǎng)的傳感包上發(fā)給上位機(jī)［6］。

中繼轉(zhuǎn)發(fā)部分只針對(duì)中繼節(jié)點(diǎn)而言。只要系統(tǒng)處于開(kāi)啟狀態(tài)，中繼節(jié)點(diǎn)一直在工作，其間歇性工作在基站節(jié)點(diǎn)和自身傳輸區(qū)域的載波頻率。中繼節(jié)點(diǎn)首先在自身傳輸區(qū)域內(nèi)收集到所有該傳輸區(qū)域內(nèi)葉子節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包，再更改其載波頻率將采集到的所有數(shù)據(jù)一一上傳給基站節(jié)點(diǎn)。

圖2 節(jié)點(diǎn)間路由協(xié)議拓?fù)錁?gòu)成

3 通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)分析

基于無(wú)線應(yīng)急燈系統(tǒng)的通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)通過(guò)基站、中繼和葉子3種節(jié)點(diǎn)設(shè)備構(gòu)成。由于功能不同，所以?xún)?nèi)部實(shí)現(xiàn)方式也不相同。

就像前面描述的那樣，基站節(jié)點(diǎn)管理網(wǎng)絡(luò)，收集葉子節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)包，并將其轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī)。當(dāng)基站節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)包后首先將其歸類(lèi)，區(qū)別出入網(wǎng)請(qǐng)求包和數(shù)據(jù)包。對(duì)入網(wǎng)請(qǐng)求包進(jìn)行過(guò)濾，最終判斷是否需要更新網(wǎng)絡(luò)表，并發(fā)送應(yīng)答包。對(duì)數(shù)據(jù)包同樣進(jìn)行過(guò)濾，并發(fā)送應(yīng)答包，同時(shí)將有效的數(shù)據(jù)包上報(bào)給上位機(jī)?；竟?jié)點(diǎn)為了定時(shí)更新網(wǎng)絡(luò)表，開(kāi)設(shè)一個(gè)定時(shí)器以一定的周期(500ms)定時(shí)淘汰超時(shí)未上傳數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)。并且基站節(jié)點(diǎn)開(kāi)設(shè)一個(gè)中斷入口檢測(cè)是否收到數(shù)據(jù)包。

電源打開(kāi)后子節(jié)點(diǎn)還沒(méi)接入到網(wǎng)絡(luò)中。它會(huì)發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求入網(wǎng)數(shù)據(jù)包給主節(jié)點(diǎn)，并且等待主節(jié)點(diǎn)的回復(fù)一個(gè)時(shí)間周期。主節(jié)點(diǎn)的回復(fù)不是接受就是拒絕。請(qǐng)求入網(wǎng)數(shù)據(jù)包包含了一個(gè)入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的ID號(hào)和所處的樓層號(hào)，它用來(lái)區(qū)分同一時(shí)間不同的請(qǐng)求入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)。

一旦子節(jié)點(diǎn)進(jìn)入入網(wǎng)模式，它會(huì)周期性地給主節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。發(fā)送完一個(gè)數(shù)據(jù)包后，子節(jié)點(diǎn)等待主節(jié)點(diǎn)的回復(fù)。如果回復(fù)是確定的，子節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠模式，到發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)醒來(lái)。如果回復(fù)是否定的，意味著根據(jù)主節(jié)點(diǎn)，子節(jié)點(diǎn)沒(méi)有入網(wǎng)，子節(jié)點(diǎn)將回到未入網(wǎng)模式。這種情況發(fā)生在上位機(jī)長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)收到來(lái)自子節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包。這時(shí)，上位機(jī)會(huì)將相應(yīng)子節(jié)點(diǎn)從網(wǎng)絡(luò)中移除。如果連一個(gè)告知收到的數(shù)據(jù)包都沒(méi)有，子節(jié)點(diǎn)將增加一個(gè)錯(cuò)誤記數(shù)。當(dāng)錯(cuò)誤記數(shù)達(dá)到設(shè)定的值時(shí)，子節(jié)點(diǎn)回到未入網(wǎng)模式，這表明子節(jié)點(diǎn)與主節(jié)點(diǎn)的連接中斷［7］。

當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)時(shí)設(shè)定為自身傳輸區(qū)域的載波頻率，接收所有葉子節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包。直到數(shù)據(jù)包接收完畢后，節(jié)點(diǎn)改變?yōu)榛竟?jié)點(diǎn)載波頻率，并將接收到的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)一一上報(bào)給基站［8］。

4 通信協(xié)議性能測(cè)試

測(cè)試項(xiàng)目:傳輸延遲、傳輸丟包率、傳輸范圍、葉子節(jié)點(diǎn)單位能耗。

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備:30個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)，一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)、一個(gè)基站節(jié)點(diǎn)、一臺(tái)聯(lián)想臺(tái)式電腦。

測(cè)試地點(diǎn):5 000m2的單個(gè)樓層內(nèi)。

測(cè)試方法:設(shè)定葉子節(jié)點(diǎn)以1min為周期，20dbm為發(fā)射功率，433MHz為載波頻率發(fā)送數(shù)據(jù)包。所有葉子節(jié)點(diǎn)均勻分布在樓層中，設(shè)定1－15號(hào)節(jié)點(diǎn)為傳輸區(qū)域1，16－30號(hào)節(jié)點(diǎn)為傳輸區(qū)域2，中繼節(jié)點(diǎn)位于傳輸區(qū)域2中。基站節(jié)點(diǎn)通過(guò)通用串行總線口與聯(lián)想電腦相連。

如表1所示4組參數(shù)分別為4組參數(shù)測(cè)得數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)中可以看出以本文研發(fā)的通信協(xié)議建立的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲時(shí)間短，信號(hào)數(shù)據(jù)丟包率低，信號(hào)覆蓋范圍廣且能耗低，完全能夠滿(mǎn)足實(shí)際測(cè)量的需要。該協(xié)議使用中繼節(jié)點(diǎn)方式擴(kuò)展傳輸范圍，同時(shí)利用不同的載波頻率劃定傳輸區(qū)域，這樣在傳輸范圍擴(kuò)大的同時(shí)優(yōu)化了傳輸延遲。同時(shí)，協(xié)議本身的實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，對(duì)節(jié)點(diǎn)計(jì)算和存儲(chǔ)資源的消耗都非常少。

表1 傳輸延遲性能數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種在無(wú)線消防應(yīng)急燈背景下提出的新型無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。該協(xié)議規(guī)定了整個(gè)無(wú)線傳感網(wǎng)系統(tǒng)的通信方式，根據(jù)有線和無(wú)線將通信協(xié)議劃分成基站與上位機(jī)的通信協(xié)議和節(jié)點(diǎn)間的路由協(xié)議。葉子節(jié)點(diǎn)利用傳感器采集環(huán)境參數(shù)后遵循該通信協(xié)議將數(shù)據(jù)包通過(guò)無(wú)線方式經(jīng)過(guò)中繼或直接傳輸給基站節(jié)點(diǎn)，之后基站節(jié)點(diǎn)再將濾除后的可用數(shù)據(jù)通過(guò)有線方式傳輸給上位機(jī)。協(xié)議本身實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，對(duì)節(jié)點(diǎn)計(jì)算、存儲(chǔ)資源和功率消耗都非常少。本文最后通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際部署，從傳輸延遲、傳輸丟包率、傳輸范圍、葉子節(jié)點(diǎn)單位能耗4個(gè)方面證實(shí)了該通信協(xié)議符合實(shí)際測(cè)量需要。

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