基于CC2510的無(wú)線(xiàn)自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 孫 玥 魏 欣

基于CC2510的無(wú)線(xiàn)自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 孫 玥 魏 欣

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式形成的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)?？紤]到體積和節(jié)能等因素，對(duì)于很多應(yīng)用場(chǎng)合來(lái)說(shuō)，傳感器的發(fā)射功率不可能很大。為了保證傳感器節(jié)點(diǎn)間協(xié)作，提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，改善網(wǎng)絡(luò)的性能；采用了CC2510芯片來(lái)構(gòu)建無(wú)線(xiàn)自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)的方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，自組織網(wǎng)絡(luò)具有無(wú)中心、自組織、多跳路由、動(dòng)態(tài)拓?fù)涞葏^(qū)別于普通網(wǎng)絡(luò)的特性，提高了網(wǎng)絡(luò)的整體效用。

CC2510；自組織網(wǎng)絡(luò)；路由協(xié)議；無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)

1.引言

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)由無(wú)數(shù)個(gè)隨機(jī)分布的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)均集成有傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和通信模塊[1]。各個(gè)節(jié)點(diǎn)又通過(guò)自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)內(nèi)置的多樣化的傳感器測(cè)量所在周邊環(huán)境中的熱、紅外、聲、電磁波等信號(hào)，從而探測(cè)包括溫度、濕度、噪聲、光強(qiáng)度、壓力等相關(guān)信息。隨著無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和深化，其應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣，適用于軍事、環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)控制、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療護(hù)理、建筑物監(jiān)控等領(lǐng)域。由于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，要求其節(jié)點(diǎn)具有集成度高、低能耗和廉價(jià)等特點(diǎn)[2]。因此選擇一款合適的專(zhuān)用芯片，來(lái)構(gòu)建無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)至關(guān)重要。本文討論了采用TI公司出品的CC2510芯片來(lái)組建無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)和通信協(xié)議的研究。

2.CC2510芯片功能與結(jié)構(gòu)

TI公司推出的CC2510芯片是一種低成本的無(wú)線(xiàn)片上系統(tǒng)(SoC)，專(zhuān)為低功耗無(wú)線(xiàn)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。在CC2510芯片中主要集成了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051MCU，同時(shí)還包括了一個(gè)無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊CC2500芯片。整個(gè)芯片的尺寸只有6′6mm，尤其適合于對(duì)器件大小有限制的場(chǎng)合。

8051MCU自帶了32KB Flash和4KB RAM，還包含了8～14位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、定時(shí)器、AES128協(xié)處理器、看門(mén)狗定時(shí)器、32KHz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路、掉電檢測(cè)電路以及21個(gè)可編程I/O引腳。CC2510收發(fā)模塊則工作在2.4GHz免費(fèi)頻段上。

CC2510芯片的最大特點(diǎn)在于其低功耗的特性，CC2510采用了4種低功耗工作模式，并且可以通過(guò)外部中斷和計(jì)時(shí)器從休眠狀態(tài)快速喚醒，處于低功耗工作狀態(tài)時(shí)電路消耗在0.3-0.5uA[3，4，5]。

由此可見(jiàn)該芯片既能進(jìn)行常規(guī)無(wú)線(xiàn)通訊同時(shí)還能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，自帶的ADC為采集和利用外接傳感器數(shù)據(jù)提供了極大的便利。低功耗、低成本和小尺寸等一系列特點(diǎn)決定了該款芯片在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中有極大的應(yīng)用前景。

3.節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量的小尺寸、低成本、低功耗傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。一個(gè)最簡(jiǎn)節(jié)點(diǎn)的基本構(gòu)成包括了傳感單元(傳感器和數(shù)/模轉(zhuǎn)換)，處理單元(處理器和存儲(chǔ)器)，通信單元(無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊)以及電源單元(電池或直流電源)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示[6]：

相對(duì)于傳統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)有以下一些特點(diǎn)[1]：

（1）要求較高的散布密度，保證數(shù)據(jù)采集的全面和完善。

（2）采用電池供電，有些場(chǎng)合不便于經(jīng)常更換電池，因此要求無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)盡量做到低能耗，采用電池即能維持較長(zhǎng)的工作周期。

（3）較強(qiáng)的容錯(cuò)能力，保證了傳感器節(jié)點(diǎn)可以大范圍散布，并能工作在相對(duì)惡劣的環(huán)境中。

顯然，要滿(mǎn)足這些要求苛刻的要求，采用TI公司的CC2510芯片來(lái)組建無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)無(wú)疑是不二的選擇。

3.1 無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

圖1 無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的基本構(gòu)成

表1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)路由表

表2 廣播數(shù)據(jù)包格式

表3 發(fā)送廣播數(shù)據(jù)包

表4 回應(yīng)數(shù)據(jù)包格式

表5 數(shù)據(jù)包格式

表6 數(shù)據(jù)包格式實(shí)例

表7 數(shù)據(jù)包格式1

表8 數(shù)據(jù)包格式2

表9 數(shù)據(jù)包格式3

圖2 基于CC2510的無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

圖3 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)上文提到的無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的基本構(gòu)成可以看出，采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，除去獨(dú)立的傳感器至少要采用兩片芯片，其中一片負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和處理，另一片則負(fù)責(zé)無(wú)線(xiàn)通信。由于CC2510芯片將2.4GHz的無(wú)線(xiàn)接收機(jī)與工業(yè)級(jí)高性能8051單片集成到了一起，同時(shí)還自帶了ADC，因此采用一片CC2510芯片即能勝任數(shù)據(jù)處理和無(wú)線(xiàn)通信兩大主要功能。其節(jié)點(diǎn)構(gòu)成如圖2所示，可見(jiàn)其結(jié)構(gòu)相對(duì)圖1而言大大簡(jiǎn)化[7，8]。

3.2 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成通常包括了一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)和若干個(gè)子節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。子節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)對(duì)傳感器的管理、數(shù)據(jù)采集和傳輸，同時(shí)還要負(fù)責(zé)將來(lái)自低一級(jí)子節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁咭患?jí)子節(jié)點(diǎn)或是中心節(jié)點(diǎn)。中心節(jié)點(diǎn)的任務(wù)主要是對(duì)各級(jí)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理同時(shí)收集來(lái)自各級(jí)節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)數(shù)據(jù)，并與PC機(jī)進(jìn)行通信，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)交净蚴且蛱鼐W(wǎng)，對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理。其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

4.無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議

4.1 節(jié)點(diǎn)的自組織

首先，打開(kāi)所有節(jié)點(diǎn)電源，保證其均處于交互狀態(tài)。然后，將它們隨機(jī)散布到待檢測(cè)區(qū)域，但要保證至少有一個(gè)節(jié)點(diǎn)在中心節(jié)點(diǎn)的通信范圍呢，同時(shí)任一個(gè)節(jié)點(diǎn)通信范圍內(nèi)至少有一個(gè)節(jié)點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)通信范圍以及自組織形式如上圖3所示。

在完成節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)散布之后，中心節(jié)點(diǎn)開(kāi)始發(fā)送命令進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的自組織。首先，中心節(jié)點(diǎn)（0級(jí)0號(hào)節(jié)點(diǎn)）進(jìn)行廣播，3號(hào)和5號(hào)節(jié)點(diǎn)收到廣播后回應(yīng)中心節(jié)點(diǎn)，將其自身節(jié)點(diǎn)定義為1級(jí)節(jié)點(diǎn)。根據(jù)3號(hào)和5號(hào)節(jié)點(diǎn)的回應(yīng)信號(hào)，中心節(jié)點(diǎn)更新其路由表。接著，3號(hào)和5號(hào)節(jié)點(diǎn)開(kāi)始廣播，并根據(jù)回應(yīng)信號(hào)更新路由表。當(dāng)2號(hào)和6號(hào)節(jié)點(diǎn)收到來(lái)自1級(jí)節(jié)點(diǎn)的廣播后，將自身定義為2級(jí)節(jié)點(diǎn)。依次類(lèi)推，各節(jié)點(diǎn)定義自身級(jí)別，并完成路由表的更新。各節(jié)點(diǎn)路由表如表1所示。

在自組織網(wǎng)絡(luò)之前，數(shù)據(jù)包的路由表是空的。在進(jìn)行自組織過(guò)程中，各節(jié)點(diǎn)只有通過(guò)廣播相互聯(lián)系，進(jìn)行廣播時(shí)的數(shù)據(jù)包格式由表2所示。

發(fā)送廣播數(shù)據(jù)包時(shí)由于目標(biāo)和最終地址不確定，因此采用“FFH”表示?！癋rom”表示進(jìn)行廣播的地址，同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)為空。當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到此廣播將更新“From”的數(shù)據(jù)。如表3所示。

當(dāng)收到廣播數(shù)據(jù)后，回應(yīng)的數(shù)據(jù)包格式如表4所示

表中，“To”表示回應(yīng)的目標(biāo)地址，“From”表示回應(yīng)的地址，“FFH”等待建立路由之后更新，“00H”依舊表示傳輸數(shù)據(jù)為空。根據(jù)接受到的路由表，收到回應(yīng)的節(jié)點(diǎn)將更新路由表。

在自組織過(guò)程中，有些節(jié)點(diǎn)可能會(huì)收到來(lái)自不同級(jí)別節(jié)點(diǎn)的廣播，這樣便會(huì)造成節(jié)點(diǎn)級(jí)別的不確定性。通常情況下，系統(tǒng)將會(huì)選擇最高級(jí)作為自身的級(jí)別，從而縮短信號(hào)傳輸?shù)拇螖?shù)。在傳輸信號(hào)時(shí)，如果各節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送將有可能造成通信阻塞，因此通常會(huì)給每個(gè)節(jié)點(diǎn)定義一個(gè)延遲時(shí)間，保證通信的暢通。

4.2 數(shù)據(jù)包格式

在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，均采用統(tǒng)一的格式。其數(shù)據(jù)包格式為面向字節(jié)的協(xié)議。如表5所示。

受到地址和數(shù)據(jù)屬性長(zhǎng)度的限制，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中包括中心節(jié)點(diǎn)最多只能有32個(gè)節(jié)點(diǎn)，每次最多可以傳輸15個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，最多經(jīng)過(guò)16次傳輸。因此在通訊協(xié)議的格式中，地址(包括“To”、“Final”、“From”)的格式為：高3位表示表示節(jié)點(diǎn)的級(jí)別，低5位表示節(jié)點(diǎn)的編號(hào)。數(shù)據(jù)屬性(“Atrribute”)的格式為：高4位表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇螖?shù)，低4位表示有效數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度。通過(guò)下面的例子可以明確包格式的含義，如表6所示。

從這個(gè)數(shù)據(jù)包里，我們可以看出：本數(shù)據(jù)包由1級(jí)4號(hào)節(jié)點(diǎn)發(fā)送2字節(jié)數(shù)據(jù)：F1H和F5H到中心節(jié)點(diǎn)(0級(jí)0號(hào)節(jié)點(diǎn))。傳輸?shù)哪康牡刂窞?0H(即00000000，表示的是0級(jí)0號(hào)節(jié)點(diǎn)——中心節(jié)點(diǎn))，最終地址也是00H，源地址為23H(即00100011，表示的是1級(jí)3號(hào)節(jié)點(diǎn))。數(shù)據(jù)屬性是02H(即數(shù)據(jù)傳輸次數(shù)0次，有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為2個(gè)字節(jié))。其數(shù)據(jù)最終接受地址同樣也是中心節(jié)點(diǎn)，共發(fā)送了0次。最后一位為數(shù)據(jù)相加去符號(hào)，作為校驗(yàn)和。如果在傳輸過(guò)程中超過(guò)16次，而仍未到達(dá)最終目的地，這數(shù)據(jù)包自動(dòng)丟失。

4.3 數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程

通常無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)收集到的傳感器信號(hào)都要送至中心節(jié)點(diǎn)處理，但并非每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能與中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行直接通信。只有1級(jí)節(jié)點(diǎn)才能與中心節(jié)點(diǎn)直接通信，其他級(jí)別節(jié)點(diǎn)則必須先與上一級(jí)節(jié)點(diǎn)通信，通過(guò)一級(jí)級(jí)的跳躍才能到達(dá)中心節(jié)點(diǎn)。例如1號(hào)節(jié)點(diǎn)如果需要與中心節(jié)點(diǎn)通信，首先要將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?級(jí)節(jié)點(diǎn)，然后是1級(jí)節(jié)點(diǎn)，最后才能到達(dá)中心節(jié)點(diǎn)，期間需要經(jīng)過(guò)3次傳輸。注意在各級(jí)別中都有2個(gè)節(jié)點(diǎn)，通常會(huì)依次選擇其中的一個(gè)進(jìn)行通信，保持各節(jié)點(diǎn)電能的平衡延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的工作周期。例如1號(hào)節(jié)點(diǎn)與2號(hào)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信時(shí)期數(shù)據(jù)包格式如表7所示。

當(dāng)2號(hào)節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)完成校驗(yàn)之后，MCU發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的最終地址是中心節(jié)點(diǎn)。根據(jù)路由表，2號(hào)節(jié)點(diǎn)的上一級(jí)節(jié)點(diǎn)為1級(jí)3號(hào)和5號(hào)節(jié)點(diǎn)，MCU更新數(shù)據(jù)包的目標(biāo)地址和傳輸次數(shù)，選擇5號(hào)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，如表8所示。

當(dāng)5號(hào)節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)并完成校驗(yàn)后，在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重新打包向中心節(jié)點(diǎn)發(fā)送，如表9所示。

最終數(shù)據(jù)通過(guò)2號(hào)和5號(hào)節(jié)點(diǎn)送達(dá)中心節(jié)點(diǎn)，同樣來(lái)自于中心節(jié)點(diǎn)的控制信號(hào)若要發(fā)送到每個(gè)子節(jié)點(diǎn)，也需要按照同樣的步驟進(jìn)行。

5.結(jié)語(yǔ)

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是傳感器網(wǎng)絡(luò)的一次革命性的變革，隨著專(zhuān)用芯片的出現(xiàn)這種變革正在不斷的深化。TI公司的CC2510芯片，由于其高集成度、低功耗、低成本和小尺寸的特點(diǎn)，必將在自組織無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域中得到更為廣泛的應(yīng)用。

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孫玥（1982—），女，江蘇泰州人，碩士，講師，工程師，研究方向：光傳輸。

魏欣（1981—），男，江蘇揚(yáng)州人，碩士，講師，工程師，研究方向：嵌入式系統(tǒng)。