李觀義, 肖堅(jiān), 陳府玉, 嚴(yán)錫君

(1.廣東省防汛保障與農(nóng)村水利中心,廣東,廣州 510635;2.河海大學(xué),計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院,江蘇,南京 211100)

0 引言

我國(guó)建設(shè)有大量的灌區(qū),灌區(qū)信息化系統(tǒng)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用[1]。在使用無線通信技術(shù)之前,灌區(qū)信息獲取普遍采用有線傳輸?shù)姆绞?這種方式容易受人為因素影響,且安裝、維護(hù)的成本太高,可擴(kuò)展性差。隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展,超短波通信普遍應(yīng)用于灌區(qū)自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng),它的信號(hào)傳輸比較穩(wěn)定,質(zhì)量較好,但通信距離有限,且易受高大建筑物阻擋。

隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的理論和技術(shù)已趨于成熟[2],因其具有通信便利、部署方便,以及安裝、維護(hù)、使用方便和擴(kuò)展性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)[3]。將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于灌區(qū)信息化,設(shè)置灌區(qū)監(jiān)測(cè)的無線傳感器,由此降低安裝和維護(hù)成本,提高系統(tǒng)可靠性和擴(kuò)展性。

1 星型灌區(qū)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議

在灌區(qū)監(jiān)測(cè)的無線傳感器中,匯聚節(jié)點(diǎn)位于閘站內(nèi),兩個(gè)水位節(jié)點(diǎn)、雨量節(jié)點(diǎn)位于閘站周圍,這兩種傳感器節(jié)點(diǎn)一般采用單跳方式與匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信,構(gòu)成星型結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。由于閘門控制直接與閘位傳感器相關(guān),在低功耗網(wǎng)絡(luò)(IMWSN)中不設(shè)計(jì)閘位節(jié)點(diǎn)。

1.1 基于調(diào)度的MAC協(xié)議

常用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議主要有基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議和基于調(diào)度的MAC協(xié)議(TDMA)兩種[4]。TDMA協(xié)議應(yīng)用相對(duì)廣泛,主要有BMA協(xié)議、DEE-MAC協(xié)議、R-MAC協(xié)議等3種。隨后國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者進(jìn)行了深入研究:周鋒等[5]在IEEE 802.11協(xié)議的基礎(chǔ)上,提出了用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能的MAC協(xié)議-S-MAC協(xié)議;萬江文等[6]提出了一個(gè)DEE-MAC協(xié)議,該協(xié)議也是一種基于TDMA機(jī)制的MAC協(xié)議。

BMA協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸階段由若干定長(zhǎng)會(huì)話組成,每個(gè)會(huì)話由爭(zhēng)用周期、數(shù)據(jù)傳輸周期和空閑周期組成,如圖1所示。爭(zhēng)用周期使用一個(gè)類似TDMA的機(jī)制,該周期長(zhǎng)度固定,網(wǎng)內(nèi)每一節(jié)點(diǎn)在這一周期內(nèi)被分配給一個(gè)時(shí)隙,用于預(yù)約時(shí)隙。數(shù)據(jù)傳輸周期被分為多個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)隙,用于節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。空閑周期則是定長(zhǎng)會(huì)話除去爭(zhēng)用周期、數(shù)據(jù)傳輸周期后剩余的時(shí)間。

圖1 BMA協(xié)議

BMA協(xié)議網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)收發(fā)數(shù)據(jù)的過程如下:發(fā)送節(jié)點(diǎn)若要發(fā)送數(shù)據(jù),則在爭(zhēng)用周期固定的時(shí)隙內(nèi)向接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制信息,預(yù)約時(shí)隙,若無數(shù)據(jù)發(fā)送,則將該時(shí)隙空閑;接收節(jié)點(diǎn)在爭(zhēng)用周期結(jié)束后,發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)隙分配給網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn),各節(jié)點(diǎn)在分配好的時(shí)隙向接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù),其他時(shí)隙則轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)。該協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸過程如圖2所示。這類協(xié)議需要節(jié)點(diǎn)之間比較嚴(yán)格的時(shí)間同步,多數(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)都使用了偵聽/睡眠的能量喚醒機(jī)制,增加了一定的網(wǎng)絡(luò)能耗。DEE-MAC和R-MAC協(xié)議,與BMA協(xié)議類似。

圖2 BMA協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸過程

1.2 協(xié)議描述

在星型結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,匯聚節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)之間、采用分簇結(jié)構(gòu)的簇首和簇成員之間,都采用基于TDMA協(xié)議。針對(duì)IMWSN的特點(diǎn),采用以下網(wǎng)絡(luò)模型:① 采用星型結(jié)構(gòu)部署網(wǎng)絡(luò);② 匯聚節(jié)點(diǎn)位置固定,且能量不限;③ 傳感器節(jié)點(diǎn)的初始能量相同,且具有唯一的ID。

對(duì)基于TDMA協(xié)議進(jìn)行改進(jìn),基本思想為:匯聚節(jié)點(diǎn)始終處于發(fā)送狀態(tài)—接收狀態(tài)的循環(huán)過程,在發(fā)送階段時(shí),廣播一定數(shù)目信標(biāo)幀對(duì)網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步,并分配時(shí)隙,欲發(fā)送數(shù)據(jù)的傳感器節(jié)點(diǎn)接收任一幀信標(biāo)幀,建立同步,待匯聚節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)后,在規(guī)定時(shí)隙向匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。TDMA協(xié)議如圖3所示。

圖3 改進(jìn)MAC協(xié)議

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)建立和使用過程中,位于監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的傳感器節(jié)點(diǎn)都要經(jīng)歷加入網(wǎng)絡(luò)、工作和退出網(wǎng)絡(luò)等3個(gè)步驟。

(1) 節(jié)點(diǎn)的加入。由于灌區(qū)監(jiān)測(cè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有可部署性,節(jié)點(diǎn)可依次加入網(wǎng)絡(luò),匯聚節(jié)點(diǎn)廣播的信標(biāo)幀中具有專門的時(shí)隙,供新節(jié)點(diǎn)的加入使用。

新節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí),首先接收匯聚節(jié)點(diǎn)廣播的信標(biāo)幀,建立同步;然后延遲一定時(shí)間,在下一周期的第0時(shí)隙向匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求幀,申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)。

匯聚節(jié)點(diǎn)接收到新節(jié)點(diǎn)的加入申請(qǐng)后,若同意其加入,在發(fā)送狀態(tài)的開始階段回復(fù)一個(gè)確認(rèn)幀給新節(jié)點(diǎn),同時(shí)各傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)隙分配。

(2) 節(jié)點(diǎn)的退出。傳感器節(jié)點(diǎn)在工作一定的時(shí)間后,因電池能量消耗到一定程度,無法進(jìn)行采集、接收和發(fā)送數(shù)據(jù)等正常工作而退出網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)某個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)電池電量到達(dá)一個(gè)閾值后,用剩余的能量在當(dāng)前周期向匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送1個(gè)數(shù)據(jù)幀,該數(shù)據(jù)幀包含的信息為電池低電量告警。管理節(jié)點(diǎn)(信息中心)收到告警信息后,進(jìn)行相應(yīng)的處理?；蛘?設(shè)定1個(gè)心跳幀,每隔24 h上報(bào)1個(gè)最新的數(shù)據(jù)幀,當(dāng)信息中心接收不到某一節(jié)點(diǎn)的心跳幀時(shí),就知該節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障或“死亡”,必須補(bǔ)充電能或排除故障。

1.3 幀格式定義

協(xié)議中定義了信標(biāo)幀、確認(rèn)幀、數(shù)據(jù)幀等3種幀格式,它們都采用固定長(zhǎng)度,在發(fā)送1幀數(shù)據(jù)時(shí),還需要增加前導(dǎo)碼和同步詞語(yǔ),以便可靠地傳輸數(shù)據(jù)。

(1) 信標(biāo)幀。在匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送階段,等待發(fā)送數(shù)據(jù)的傳感器節(jié)點(diǎn)醒來后隨機(jī)接收1幀信標(biāo)幀,用來建立時(shí)間同步。信標(biāo)幀的長(zhǎng)度固定為1 Byte,包括幀類型和幀序號(hào)兩部分,幀序號(hào)用來識(shí)別先后發(fā)送的不同信標(biāo)幀,用以支持多個(gè)傳感器的同步和數(shù)據(jù)傳輸。傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)接收到1幀信標(biāo)幀后,提取信標(biāo)幀序號(hào),根據(jù)該序號(hào)以及規(guī)定的時(shí)隙確定延時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)來避免數(shù)據(jù)的碰撞。

(2) 數(shù)據(jù)幀。數(shù)據(jù)幀用于承載數(shù)據(jù),匯聚節(jié)點(diǎn)處于接收狀態(tài)時(shí)在不同時(shí)隙接收來自不同節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)幀。1幀完整的數(shù)據(jù)幀包括幀類型、數(shù)據(jù)類型、節(jié)點(diǎn)地址和數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度固定為3 Byte,包括幀類型、數(shù)據(jù)類型、節(jié)點(diǎn)地址和數(shù)據(jù)等4部分。

(3) 確認(rèn)幀。在傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送告警數(shù)據(jù)幀或申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)幀時(shí),匯聚節(jié)點(diǎn)需要在下一周期開始時(shí)作出應(yīng)答。確認(rèn)幀的長(zhǎng)度固定為1 Byte,包含幀類型、應(yīng)答參數(shù)和參數(shù)值等3部分。

1.4 粗粒度的時(shí)間同步

IMWSN實(shí)時(shí)性要求不高,不需要代價(jià)較高的、精確的時(shí)間同步,粗粒度的時(shí)間同步就能滿足應(yīng)用要求。匯聚節(jié)點(diǎn)在發(fā)送階段向全網(wǎng)廣播一定數(shù)目的信標(biāo)幀,作為網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步的依據(jù)。在匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送階段,等待發(fā)送數(shù)據(jù)的傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)醒來后接收1幀信標(biāo)幀,用來建立時(shí)間同步。由于各傳感器節(jié)點(diǎn)在建網(wǎng)初期已經(jīng)分配好發(fā)送時(shí)隙,這些節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送準(zhǔn)備時(shí)只需獲得一個(gè)依據(jù)來確定自己所在的時(shí)隙。粗粒度的時(shí)間同步如圖4所示。

圖4 粗粒度時(shí)間同步

假設(shè)匯聚節(jié)點(diǎn)在發(fā)送階段共向全網(wǎng)廣播0～n個(gè)信標(biāo)幀,全網(wǎng)供傳感器節(jié)點(diǎn)分配的時(shí)隙共0～j個(gè)。若某一節(jié)點(diǎn)用接收到的第i幀信標(biāo)幀建立自己的時(shí)間同步,而該節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙分配為第k個(gè)時(shí)隙,匯聚節(jié)點(diǎn)一個(gè)完整的發(fā)送/接收周期為T,那么該節(jié)點(diǎn)在接收完成該信標(biāo)幀后的延遲時(shí)間如下:

(1)

傳統(tǒng)的基于TDMA的通信協(xié)議,在爭(zhēng)用周期固定的時(shí)隙內(nèi)向接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送1 bit的控制信息,預(yù)約時(shí)隙。因此,必須進(jìn)行精確同步,否則就會(huì)因同步誤差而無法接收控制信息,降低通信的可靠性。由于改進(jìn)協(xié)議的匯聚節(jié)點(diǎn)每次發(fā)送若干個(gè)信標(biāo)幀,而非一個(gè)信標(biāo)幀,傳感器節(jié)點(diǎn)只要獲得其中一個(gè)信標(biāo)幀就可以實(shí)現(xiàn)同步,大大提高了數(shù)據(jù)通信的可靠性,增強(qiáng)了抗干擾能力。

2 協(xié)議實(shí)現(xiàn)

在IMWSN中,匯聚節(jié)點(diǎn)位于閘站內(nèi),可直接供電;水位、雨量等傳感器節(jié)點(diǎn)位于閘站周圍,由電池供電,必須采用低功耗工作模式,以延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)壽命。

2.1 匯聚節(jié)點(diǎn)

匯聚節(jié)點(diǎn)正常工作后進(jìn)入發(fā)送狀態(tài),根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量和狀態(tài),廣播一定數(shù)目的信標(biāo)幀,對(duì)網(wǎng)內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步并分配時(shí)隙;然后切換到接收狀態(tài),按時(shí)隙接收傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息或者請(qǐng)求加入、退出網(wǎng)絡(luò)的信息;再重復(fù),始終處于發(fā)送/接收狀態(tài)的循環(huán)。完整的通信協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖5所示。匯聚節(jié)點(diǎn)工作流程如圖6所示。

圖5 完整的通信協(xié)議結(jié)構(gòu)

2.2 傳感器節(jié)點(diǎn)

網(wǎng)絡(luò)建立后,網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點(diǎn)初始化。傳感器節(jié)點(diǎn)開始采集數(shù)據(jù),采集完后進(jìn)入休眠狀態(tài),通過定時(shí)喚醒在某一時(shí)刻同時(shí)醒來,進(jìn)入周期性的偵聽狀態(tài),等待接收來自匯聚節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)幀。

若傳感器節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息或加入、退出網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求信息,在其休眠周期結(jié)束時(shí)立即進(jìn)入接收狀態(tài),接收匯聚節(jié)點(diǎn)廣播的信標(biāo)幀。隨后切換到發(fā)送狀態(tài),并根據(jù)接收到的信標(biāo)幀號(hào)及本身的屬性進(jìn)行延時(shí),在相應(yīng)的時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)幀,發(fā)送完成后再進(jìn)入休眠狀態(tài)。傳感器節(jié)點(diǎn)具體工作流程如圖7所示。

圖7 傳感器節(jié)點(diǎn)工作流程圖

3 仿真與實(shí)驗(yàn)

在傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)完成設(shè)計(jì)后,對(duì)協(xié)議通信進(jìn)行可靠性測(cè)試,分別測(cè)試一對(duì)一和一對(duì)三情況下的平均數(shù)據(jù)丟包率。

用1個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信,傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送3000個(gè)數(shù)據(jù)包,根據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)實(shí)際接收到的數(shù)據(jù)包數(shù)得到數(shù)據(jù)丟包率數(shù)據(jù)。具體測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 一對(duì)一測(cè)試

用1個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)和3個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)一對(duì)多通信,每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)同樣發(fā)送3000個(gè)數(shù)據(jù)包,根據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)接收到的實(shí)際數(shù)據(jù)包數(shù),得到每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)丟包率數(shù)據(jù)。具體測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 一對(duì)三測(cè)試

單個(gè)節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)通信時(shí),沒有其他節(jié)點(diǎn)的干擾,主要受定時(shí)器定時(shí)精度、硬件元器件的性能以及同步詞語(yǔ)長(zhǎng)度等因素的影響,所以數(shù)據(jù)包的丟失率比較低,基本保持在0.5%以下;多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)與一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)通信時(shí),還存在不同節(jié)點(diǎn)間的串?dāng)_,使得數(shù)據(jù)丟包率略微下降,但仍能保持在1%以內(nèi),能夠滿足通信的要求。

4 總結(jié)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)正以其杰出的優(yōu)點(diǎn)得到越來越廣泛的應(yīng)用,它的應(yīng)用研究也成為當(dāng)前的熱門研究領(lǐng)域。將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于灌區(qū)自動(dòng)化系統(tǒng),降低了系統(tǒng)的成本,提高了系統(tǒng)的擴(kuò)展性,改善了系統(tǒng)的性能,使用簡(jiǎn)單、方便。實(shí)驗(yàn)表明,系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,為準(zhǔn)確高效地開展水資源調(diào)度、防汛指揮等水利活動(dòng)提供了技術(shù)支持。