论文研究-低功耗远距离多跳无线传感器网络系统设计 .pdf

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低功耗远距离多跳无线传感器网络系统设计,马晓泉,,无线传感器网络由大量低成本、低功耗、多功能的微型无线传感器协同组织而成,综合了通信技术、嵌入式计算技术,分布式信息处理技
山国酗技论又在线 http://www.paper.edu.cn ATmcga28L是 ATMEL公司于2001年推出的采用低功耗 COMS T艺生产的基于AVR RISC结构的8位微控制器。支持C语言编程,采用了人型快速有取寄存器文件和快速单周 期指令,对目标代码人小、性能以及功耗进行了优化。内部采用 Harvard结构,在使用16M 时钟时,速度可达16MIPS。是日前AVR系列中功能最强大的单片机。 ATmega128L具有 吏加丰富的资源和极低的能耗。它貝有片内128KB的程序存储器( Flash),4KB的数据存储 器(SRAM)。可外扩到64KB和4KB的E2PROM。此外,它还有8个10位ADC通道,2 个8位和2个16位硬件定吋,计数器。并可在多种不同的模式下L作;8个PWM通道 可编程看门狗定时器和片上振荡器、片上模拟比较器;UARI、SPI、I2C总线接口;JTAG 口为开发和调试提供了方便的接口。除了正常操作模式外, ATmegal28L还具有6种不同等 级的低能耗栗作模式,每种模式具有不同的能耗。因此 ATmegal28L非常适合于低能耗的 应用场合。另外 ATmega128L外形很小。可以减小节点的尺小。 222射频通信模块 在无线传感器网络节点中,除了微处理器外,另外一个重要的部分就是射频通信部分 受尢线传感恭k络节点能量和处理能力方面的限制,尢线传感器內络一般选用使用ISM波 段的普通射频通信以及具有802.15.4协议和蓝牙通信协议的射频通信 nRF905工作于433868915MH2,3个SM(工业、科学和医学)频道,发射功率最大为 l0dBm,接收灵敏度为460dBm,在开阔地传输距离一般可达600m以上。攴持7个独立的 通信信道,各信道传输速率为50kbps nRF905采用SPI(串行外设接口)与微控制器通讯,它自动处理字头和CRC(循环冗余码 恔验),由硬件完成曼彻斯特编码解码,使用极为方便。另外,在发送数据时,nRF905尽 量减少数据量,保证最小的传输时间。以发送一个32bit的数据为例,nRF905信息包的组 成:8bit的前导码、32bit的地址信息、32bit的数据和8bit的CRC校验,一共需发送80bit 而IEEE802154标准总共要发送152bit数据。nRF905能有效减少发送时间,从而减小冲 突概率,提高带宽的利用率, nRF905适合用于低数据速率、低活动的网络。符合无线传感器网络的特点。我们选择 nRF05作为传感器网络节点的射频通信模块3 本文以 Atmega128为处理器,NRF905为射频心片,开发了低速率传感器节点,包含了 2个RS232接口,1个JG接口,射频模块接口,主处理器、外接贔振、电源等各部分。 在此节点基础上可以进一步设计并实现传感器网络通信协议 3.通信协议设计与实现 随着传感器网终的深入研究,研究人员提出了多个传感器节点上的协议栈4。图3所示 是早期提出的一个协议栈,这个协议栈包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层, 与互联网协议栈的五层协议相对应。另外,协议栈还包括能量管理平台、移动管理平台和任 务管理平台。这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作,在节点移动 的传感器网终中转发数据,并支持多任务和资源共享。 为组建一个多跳的无线传感器树终,本文设讣并实现∫物理层、数据链路层和內终层办 议 中国科技记文在线 http://www.paper.edu.cn 应用层 传输层 网络层 能量管理平台 移动管理平 任务管理平 数据链路层 口 物理层 图3无线传感器网络通信协议栈结构图 3.1物理层 物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术,负责载波信号频率选择、产生载波 射频、信号检测、调制解调及效据加密解密。由于选用了nRF905射频通信模块,物理层功 能都在nRF905射频通信模块硬件完成,只需做好nRF905射频通信模块初始化配置工作就 可以了。 nRF905射频通信模块初始化时,需要对工作频段、重发机制、节电模式、输出功率 发送接收地址宽度、发送接收冇效数据长度、接收地址、CRC校验和时钟频率等进行设置 在本系统中,节点上作在43.2MHz頻段;关闭重发机制,在物理层无重发,在数据链路 层实现重发:;丌启节电模式;输出功夲设为10db;发送接收地址宽度设为4字节;发送接 收有效数据长度设为31字节;接收地址设为0xE7E7E7E7,无线传感器网终中每个节点 的接收地址都设得相冋,是为了简化广播的实现,这里的接收地址是随意选择的一个值,可 以是仟何一个四字节的数;开启CRC校验,射频模块工作频率为16MHz。 nRF∞05有两种工作模式和两种节能模式。两种工作模式分别是 Shock Bursttm接收模 式和 Shockbtwsttm发送模式;两种节能模式分别是:掉电和SPⅠ编程模式,待机和SPI 编程模式 掉电和SP編程模式下心片进入节电模式在该模式下心片的收发模块均停止工作,要唤 酲收发模块需要转换到其它工作模式,在该模式下 Atmega128L可以通过SPI按∏向nRF905 发送指令或数据。 待机和SPI编程模式下芯片进入待机状态,收发模块可以以比掉电模式更快的速度转换 到接收或发送模式,在该模式下 Atmcga128L也可以通过SPI接口向nRF905发送指令或数 据,该模式的耗电量要人于掉电和SPI编程模式,但小于接收或发送模式的耗电量。 3,2数据链路层 数据链路层负责效据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制。无线传感器网终主要依靠介 质访问控制( Medium access control,MAC)协议。 无线传感网络中的MAC协议是物理层上面的第层,属于薮据链路层。它规定了无 线信道的使用方式,决定如何在节点之间分配有限的通信资源,构建传感器网络系统的底层 中国科技记文在线 http://www.paper.edu.cn 基础结构,对传感器网络的性能有较大影响。本文MAC层参考 IEEES02.DCF,在其基础 上做了一些修改,使其实现尽量简单,适应传感器节点低处理能力,低速率特点 321MAC层帧格式设计 本文的节点射频模块选用nRF905,nRF905具有片上处理MAC层协议的功能。nRF905 封装的MAC层帧格式如表1所示,包括4字节的目的地卦,8字节的有效数据以及1字节 的CRC校验码。有效数据是在nRF905初始化时设置的,最人可达32字节。另外,每发送 一桢,之前会先发送1字节的前导码 表1MAC格式 字节 MAC帧格式「前导码「目的地址有效数据|CRC校验 322MAC层处理过程 MAC协议`要有四个模块:广播数据接口;沖突检测/避免( CDMA/CA)接口;发包 接口;随机退避接口。广播数据接口向一跳范围的所有节点广播一个数据报文,这是网络层 实验浃泛的基础。冲突检测/避免( CDMA/CA)接口对多个发送方共享的信道进行冲突检测 发现冲突则调用随机退避接口来进行冲突避免。发包接口先将nRF905设成待机状态, Alegal128L通过SPI接口将发送的数据和该报文的目的地址写入nRF905的数据寄存器 和地址寄存器,之后使nRF905进入发送模式,完成物理层发包的准备工作 MAC层协议的发包过程可分为:数据准备,载波监听,数据发送三阶段。MAC层协 议发送数据报文的流程如图图4所示 当节点有数据需要发送时,先创建一个新的包,并填好报文头各字段,如目的地址,源 地址,包类型,包序列号等。然后在报文的数据域填上要发送的数据。然后将整个包文内容 作为物理层数据部分,通过SPI串口写入nRF905的发送数据寄存器,到此完成数据准备工 作。数据准备在函数 MACBroadcast和 sendData中实现 待发送的包准备好后,就转到载波监听部分。完成载波监听功能,需要将射频模块的状 态转到接收模式,然后通过循环査询射频模块载波监听位CD来判断信道是否空闲。如果 CD位为0,表示信道空闲,可以发送数据了。如果CD位为1,则需要执行随杌退避算法, 然后再继续监听CD位,如果重复查询CD的次数超过上限值 Resend max时,发送失败 载泼监听在函数 CSMA CA中实现。 中国科技记文在线 http://www.paper.edu.cn 开始 报文头初始化 填写报文内容 转到接收模式 <Resendmax 随机退避 转到发送模式 否 调用物理层 发送报文接口 结束 图4MAC层协议发送流程图 检测到信道空闪,就进入数据发送阶段。因为婁发送的数据已经在数据准备阶段存入∫ 发送寄存器,所以在这旦只需要将nRF905状态置为发送模式,并等待发送完毕即可。发送 完成后,需要马上将nRF905状态转到接收模式,以免nRF905在其他工作模式停留太长时 间而影响接收。数据发送在函数 sendData中实现 退避机制是一种无线信道竞争解决方法,它通过确定节点每次在发送报文前所需经历的 退避时间来保证接入的冇效性,达到合理和用系统资源的目的。退避算法既要尽量降低各节 点间的冲突概率,又要避免因退避时间过长而降低信道利用率,同时还要保证各节点信道接 入的公平性。本文参考IEES02.DCF,采用二进制指数退避算法( Binary Exponential Backof’,BEB)来解决节点的退避时间计算问题。生成随机数的算法是MAC层协议的一个关 键算法,需要在 Atmega128L上实现生成随机数的算法 33网络层 网络层主要负责路由生成与路由选择。文中网络层协议采用经典洪泛算法,使得每个节 点具有报文转发多跳互联能力。 如图5所示,当接收到一·个正确的包后,需要先判断是否需要转发。只有目的节点不是 本地节点,并且是第一次接收到的包才需要转发。将包文头部的日的节点地址字段与本地节 点的MAC地址比较。如果一致,表示此包就是发往本地节点的,无需再转发。如果包文头 部的目的节点地址字段与本地节点的MAC地址不一致,则需要进一步判断是否是第一次接 收到此包。包文头部的源地址,目的地址,序列号三个字段合起来,可唯一区分网络中的 个报文。MAC层协议只实现了广播发送数据报文,目的地址都一样。所以只需用到源地址 序列号两个字段来唯一标识一个报文。每个节点中会维护一张表,记录最近收到的20个包 文的(源地址,序列号)点对。当节点收到一个报文时,将它的(源地址,序列号)点对提 中国科技记文在线 http://www.paper.edu.cn 取出来,在表屮查找。如果找不到,就表明此报文是第一次接收的,需要转发,同时将它的 (源地址,序列号)点对加入表中。如果找到了,直接丢弃此包不做处理。转发包的过稈与 发送一个包过程相似。只是不需要再创建一个包并初始化报文头了。但仍需要将包通过SPI 写入nRF905的数据寄存器,雨进行载波监听,待信道空闲时发送 开始 接收一个 数据包 包从本节 发出 是否经过转发 是 广播转发 该报文 结束 图5洪泛算法实现流程图 表2网络层数据包 节 MAC帧格式「目的地址:地址类型编号 数据 4.试验设计及结果分析 在木章中,将在 WINAVR井发平台下,用C语言实现SMAC协议和IEEE802.1MAC 协议,并在以 Atmega128为处理器,NRF905为射频芯片的传感器节点上运行这两种MAC 协议,通过实验收集这两种MAC协议网络的主要性能数据。通过对实验数据的分析达到以 下三个目的 (1)验证代码是否能完成MAC协议要求的功能; (2)研究MAC协议对真实无线传感器网终性能的影响; (3)通过实验找出对SMAC协议进一步改进的方向和建议 sleep sleep E B D CTS DATA 图6功能验证实验场景图 中国科技记文在线 http://www.paper.edu.cn D B E 图7性能测试实验场景图 5.结论 实验表明,该节点在试验中应用良好,电路板可以实现两个节点间的通信。节点还可以 通过插接不同类型传感器来达成不同的感测应用,具有高度的弹性。在建立这样一个硬件后。 我们便可以依照研究目的的不同,更改传感器及应用程序。为进一步的无线传感器协议研究、 安仝性研究等打下了坚实的基础。 参考文献 「11李建中,李金宝,石胜飞,传感器网络性能评价指标J.软件学报,Vol.14,No.10 [2] L. M. Feeney, M. Nilsson. Investigating the energy consumption of a wireless network interface in an ad hoc networking environment C]. IEEE INFOCOM, 2001 3]李治龙,曾碧,nRF905模块和SPI接口的点对点无线通信系[J计算机科学,2007,Vo32No,5. 41往莉,苗勇,赵泽,无线传感器研究进展门.训算机研究与发展,2005年, [5]安红章,谢上明.移动 Ad Hoc网络MAC协议综述团.通信技术,2005,9 Energy-Efficient Long-Distance Multi-Hop Wireless Sensor Network design Ma Xiaoquan Beijing Universily of Posts and Telecommunications, Beijing, PRC(100876) Abstract Wireless sensor network is made up of many low-cost energy-efficient multi-functional wireless sensors. It is based on the technology of communication, computing, information-management and sensor, so that devices can detect the environment and respond and people can get reliable information anytime and anywhere. It has a bight prospect. In the wireless sensor network, sensor node is the basic unit. This paper provides a design of energy-efficient wireless sensor based on Atmegal128 and nRF905 according to the request of function and capability. It designed and realized the communication protocol of multi-hop wireless transmission, including the protocol of physical layer, data-link layer and network layer This system organizes several nodes to shape a wireless multi-hop sensor network The function and performance have been verified in test environment and proper result was gained. It is energy-efficient and easy to adopt. It can be used in parking-space detection, environment or other systems Keywords: Energy-Efficient Multi-Hop: Wireless Sensor Network

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