肖廣兵 肖菁菁 陳勇

摘 要：無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交互。由于每個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)僅能獲得局部信息，容易在數(shù)據(jù)信息交互過(guò)程中引發(fā)數(shù)據(jù)沖突，因此設(shè)計(jì)一種基于CSMA/CA協(xié)議的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)沖突檢測(cè)系統(tǒng)，主要包括TC35I電源模塊、傳感器節(jié)點(diǎn)檢測(cè)模塊、無(wú)線通信模塊、手持式檢測(cè)終端、主處理器STM32F103VB、無(wú)線打印機(jī)等。系統(tǒng)通過(guò)分析對(duì)比每個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)包的接收狀態(tài)，實(shí)時(shí)檢測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中潛在的數(shù)據(jù)沖突;同時(shí)，數(shù)據(jù)沖突檢測(cè)結(jié)果通過(guò)上位機(jī)軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便、組網(wǎng)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，可以方便地拓展到其它無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò);傳感器節(jié)點(diǎn);數(shù)據(jù)沖突

0 引言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過(guò)自組織方式組建，具有便捷和成本低等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)感知層，能夠在軍事作戰(zhàn)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、搶險(xiǎn)救災(zāi)等場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理和發(fā)送[1-3]。為提高節(jié)點(diǎn)能量利用率，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存周期，有學(xué)者提出一種休眠/喚醒節(jié)能技術(shù)[4]，但是節(jié)點(diǎn)缺乏中心控制單元，存在數(shù)據(jù)沖突風(fēng)險(xiǎn)，休眠節(jié)點(diǎn)被喚醒時(shí)可能與其它節(jié)點(diǎn)發(fā)生數(shù)據(jù)沖突，引發(fā)嚴(yán)重的數(shù)據(jù)包丟失。因此，如何提高無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信的可靠性，對(duì)網(wǎng)絡(luò)中潛在的數(shù)據(jù)沖突進(jìn)行檢測(cè)，是當(dāng)前研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

如圖1所示，假設(shè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中有3個(gè)節(jié)點(diǎn)。其中，節(jié)點(diǎn)n3原處于休眠狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)n1將其監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)信息傳輸給節(jié)點(diǎn)n2，若節(jié)點(diǎn)n3從休眠狀態(tài)被喚醒，與節(jié)點(diǎn)n1于同一時(shí)刻發(fā)送數(shù)據(jù)包至節(jié)點(diǎn)n2，則會(huì)在節(jié)點(diǎn)n2處產(chǎn)生數(shù)據(jù)沖突，導(dǎo)致其無(wú)法接收到節(jié)點(diǎn)n1的數(shù)據(jù)包，造成嚴(yán)重的數(shù)據(jù)包丟失。

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)休眠能夠提高能量利用率，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存壽命，但也存在數(shù)據(jù)沖突風(fēng)險(xiǎn)。在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)休眠模式下，檢測(cè)數(shù)據(jù)沖突的主要方法可分為建模算法分析和冗余機(jī)制兩類(lèi)。

建模算法分析數(shù)據(jù)沖突最具代表性模型是 Bianchi[5]在 2000 年提出的離散時(shí)間馬爾科夫鏈模型。其以不定長(zhǎng)時(shí)隙為基礎(chǔ)，按照二進(jìn)制退避算法計(jì)算并總結(jié)節(jié)點(diǎn)某一時(shí)刻可能存在的狀態(tài)和轉(zhuǎn)移關(guān)系，推導(dǎo)出馬爾科夫鏈模型，通過(guò)分析可計(jì)算出節(jié)點(diǎn)在某一時(shí)刻各狀態(tài)的概率，從而檢測(cè)出數(shù)據(jù)沖突，但原始馬爾科夫鏈模型有傳輸次數(shù)限制，在掛起過(guò)程中存在問(wèn)題等，因此提出了一種基于馬爾科夫模型的異常節(jié)點(diǎn)檢測(cè)策略[6]。該策略將自組織網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程作為一個(gè)馬爾科夫過(guò)程并采用馬爾科夫模型預(yù)測(cè)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，檢測(cè)節(jié)點(diǎn)異常狀態(tài)，判斷節(jié)點(diǎn)處是否存在數(shù)據(jù)沖突。隨后有大量文獻(xiàn)對(duì)馬爾科夫鏈模型作出改進(jìn)。如Felemban& Ekici[7]在馬爾科夫鏈模型的基礎(chǔ)上增加了退避掛起的概率計(jì)算。首先利用Bianchi提出的離散時(shí)間馬爾科夫鏈模型計(jì)算各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包的概率，其次將信道分為3種狀態(tài)，分別為沖突、空閑、成功傳輸，最后將退避掛起概率帶入原始馬爾科夫鏈中，計(jì)算新的發(fā)送數(shù)據(jù)包概率后帶入信道3種狀態(tài)模型中，重新檢測(cè)數(shù)據(jù)沖突。但該方案較復(fù)雜且不適宜于系統(tǒng)中長(zhǎng)期檢測(cè)。

冗余機(jī)制是近年來(lái)檢測(cè)數(shù)據(jù)沖突的主流方法，包括數(shù)據(jù)重發(fā)與重復(fù)偵聽(tīng)。Gollakota等[8]提出用ZigZag策略處理數(shù)據(jù)沖突問(wèn)題，研究人員利用節(jié)點(diǎn)重發(fā)數(shù)據(jù)包后沖突位置不同的特性檢測(cè)是否存在數(shù)據(jù)沖突，通過(guò)重發(fā)機(jī)制解決數(shù)據(jù)沖突，但該方法浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò)資源，網(wǎng)絡(luò)延時(shí)嚴(yán)重; Fu等[9]提出密集網(wǎng)絡(luò)載波偵聽(tīng)機(jī)制，該機(jī)制基于疊加干擾模型且擴(kuò)大了偵聽(tīng)范圍、提高了增聽(tīng)能力，通過(guò)重復(fù)偵聽(tīng)信號(hào)功率增量可判斷是否存在數(shù)據(jù)沖突，從而避免密集網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)沖突問(wèn)題，但該方案缺乏實(shí)際系統(tǒng)的驗(yàn)證且能量消耗過(guò)多。

針對(duì)上述方法的不足，本文提出一種基于載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突避免機(jī)制（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA）的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)沖突檢測(cè)系統(tǒng)。該檢測(cè)系統(tǒng)引入傳感器節(jié)點(diǎn)檢測(cè)模塊，對(duì)數(shù)據(jù)沖突進(jìn)行檢測(cè)與診斷，利用對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)接收其鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包狀態(tài)的檢測(cè)，判斷是否存在數(shù)據(jù)沖突，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將檢測(cè)信息傳輸至檢測(cè)終端、上機(jī)位與無(wú)線打印機(jī)進(jìn)行協(xié)作管理。該系統(tǒng)僅需節(jié)點(diǎn)的局部信息即可有效檢測(cè)并解決無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中休眠節(jié)點(diǎn)喚醒時(shí)引發(fā)的數(shù)據(jù)沖突問(wèn)題，具有可靠的特點(diǎn)且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、易于安裝、成本較低、效率較高，可實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布環(huán)境下數(shù)據(jù)沖突檢測(cè)，為避免數(shù)據(jù)沖突問(wèn)題提供有效依據(jù)，可提高無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與工作原理

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)沖突檢測(cè)系統(tǒng)由TC35I電源模塊、傳感器節(jié)點(diǎn)檢測(cè)模塊、無(wú)線傳感模塊、手持式檢測(cè)終端、主處理器STM32F103VB、無(wú)線打印機(jī)等組成。系統(tǒng)采用雙處理器結(jié)構(gòu)優(yōu)化、處理相應(yīng)數(shù)據(jù)，根據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包接收狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)分析，診斷無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是否存在數(shù)據(jù)沖突。數(shù)據(jù)沖突檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)均由TC35I電源模塊供電。

當(dāng)數(shù)據(jù)沖突檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包接收狀態(tài)進(jìn)行在線檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)終端通過(guò)主處理器STM32F103VB對(duì)每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送檢測(cè)指令。各傳感器節(jié)點(diǎn)在接收檢測(cè)指令后分別檢測(cè)每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)包的狀態(tài)，并將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)信息通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至檢測(cè)終端，再由主處理器STM32F103VB對(duì)接收到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、處理、存儲(chǔ)與無(wú)線打印，完成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)沖突檢測(cè)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要包含以下模塊：TC35I電源模塊、STM32F103VB主處理器模塊、CC2530無(wú)線傳感模塊。

2.1 電源模塊設(shè)計(jì)

TC35I模塊為直流電源，其電源范圍為3.3～5.0V，典型值為 4.2V[10]。在休眠狀態(tài)時(shí)，模塊平均電流消耗為3.5mA，在空閑狀態(tài)時(shí)為 25mA，而在發(fā)射狀態(tài)時(shí)為300mA，峰值時(shí)為 2.5A。其芯片支持雙12位A/D轉(zhuǎn)換器，電流于數(shù)據(jù)傳輸時(shí)達(dá)到峰值，此時(shí)，若送入模塊的電源電壓高于3.3V或電壓下降值超過(guò)0.4V，模塊將會(huì)自動(dòng)關(guān)斷[11-12]。TC35I 模塊通過(guò)一個(gè) ZIF（Zero Insertion Force，零阻力插座）連接器引出 40 個(gè)引腳，將其劃分為電源、數(shù)據(jù)輸入/輸出、SIM卡、音頻接口和控制5個(gè)部分。其中，引腳1-5為正電源輸入腳，引腳6-10為電源地，引腳24-29分別為 CCIN、CCRST、CCIO、CCCLK、CCVCC 和CCGND[13]。此外，通過(guò)啟動(dòng)管腳將TC35I模塊進(jìn)行啟動(dòng)后，需對(duì)其進(jìn)行工作模式、波特率等一系列參數(shù)值的設(shè)定。

節(jié)點(diǎn)ni進(jìn)行數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)，當(dāng)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)信息為1時(shí)，分為兩種情況：第一種情況為節(jié)點(diǎn)nj成功接收節(jié)點(diǎn)ni傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)通信正常;第二種情況為節(jié)點(diǎn)ni與節(jié)點(diǎn)nt同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)包，節(jié)點(diǎn)nj接收nt數(shù)據(jù)包失敗，但該種情況發(fā)生概率較小。當(dāng)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)信息為0時(shí)，需將節(jié)點(diǎn)ni進(jìn)行隨機(jī)退避，隨機(jī)退避后若未檢測(cè)出同時(shí)傳輸，則說(shuō)明節(jié)點(diǎn)nj處未產(chǎn)生數(shù)據(jù)沖突，導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失的原因分為3類(lèi)：節(jié)點(diǎn)休眠、通信鏈路不穩(wěn)以及初始時(shí)隙無(wú)其它節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)休眠丟失數(shù)據(jù)包指由于處于休眠狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)電源關(guān)閉，無(wú)線電收發(fā)器不再進(jìn)行工作，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)既無(wú)法發(fā)送數(shù)據(jù)包也無(wú)法接收數(shù)據(jù)包，即使處于節(jié)點(diǎn)ni廣播范圍內(nèi)也不能接收到對(duì)方發(fā)出的數(shù)據(jù)包;通信鏈路不穩(wěn)丟失數(shù)據(jù)包指由于通信鏈路質(zhì)量處于無(wú)規(guī)律變化狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)ni廣播時(shí)，節(jié)點(diǎn)ni與節(jié)點(diǎn)nj的通信鏈路質(zhì)量可能急劇下降，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)nj無(wú)法接收到節(jié)點(diǎn)ni的數(shù)據(jù)包，造成數(shù)據(jù)包丟失;初始時(shí)隙無(wú)其它節(jié)點(diǎn)丟失數(shù)據(jù)包指由于節(jié)點(diǎn)nj不處于節(jié)點(diǎn)ni廣播范圍內(nèi)，無(wú)法接受到數(shù)據(jù)包。隨機(jī)退避后若檢測(cè)出同時(shí)傳輸，則說(shuō)明該節(jié)點(diǎn)處存在數(shù)據(jù)沖突，具體原因是由于節(jié)點(diǎn)nt處于休眠狀態(tài)，致使節(jié)點(diǎn)ni偵聽(tīng)到信道空閑進(jìn)行廣播，節(jié)點(diǎn)ni于t時(shí)刻發(fā)送數(shù)據(jù)包至節(jié)點(diǎn)nj時(shí)，節(jié)點(diǎn)nt喚醒同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)包至節(jié)點(diǎn)nj，節(jié)點(diǎn)nj處產(chǎn)生數(shù)據(jù)沖突，導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失。本文檢測(cè)系統(tǒng)主要功能是檢測(cè)數(shù)據(jù)沖突的情況，即檢測(cè)到數(shù)據(jù)信息為“0”時(shí)，節(jié)點(diǎn)進(jìn)行退避后再偵聽(tīng)并同時(shí)傳輸。

數(shù)據(jù)具體軟件流程如圖7所示。CC2530軟件需先進(jìn)行系統(tǒng)上電，主程序運(yùn)行后將網(wǎng)絡(luò)初始化，若未初始化，則重新初始化網(wǎng)絡(luò);若初始化成功，則接收節(jié)點(diǎn)檢測(cè)信息。將檢測(cè)信息進(jìn)行存儲(chǔ)和上傳后，判斷是否繼續(xù)接收節(jié)點(diǎn)信息。STM32F103VB軟件同樣需先進(jìn)行系統(tǒng)上電與網(wǎng)絡(luò)初始化，準(zhǔn)備就緒后，發(fā)送檢測(cè)指令，讀取E2PROM的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，為STM32F103VB主處理器分析處理數(shù)據(jù)提供依據(jù)，節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包接收、分析狀態(tài)檢測(cè)信息后，將進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)與無(wú)線打印，最后判斷是否結(jié)束檢測(cè)，未結(jié)束則繼續(xù)發(fā)送指令進(jìn)行檢測(cè)。

4 結(jié)語(yǔ)

文中結(jié)合傳感器節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)包狀態(tài)檢測(cè)和無(wú)線通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于CSMA/CA通信協(xié)議的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)沖突檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用STM32F103VB主處理器和CC2530無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)雙處理器結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了傳感器節(jié)點(diǎn)在線檢測(cè)及節(jié)點(diǎn)自身狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)傳輸與數(shù)據(jù)處理能力優(yōu)化。利用 TC35I模塊為傳感節(jié)點(diǎn)供電，確保傳感器節(jié)點(diǎn)正常工作。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、運(yùn)作靈活、不受地形條件控制，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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（責(zé)任編輯：江 艷）