GWSN—基于實用的433MHz無線傳感網(wǎng)實踐

【摘要】隨著Zigbee網(wǎng)絡(luò)的普及，為適應(yīng)國內(nèi)高樓通信環(huán)境，采用自有組網(wǎng)協(xié)議的433MHz無線傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)開始嶄露頭角。本文就433MHz的無線傳感網(wǎng)的實踐做些探討和總結(jié)。

【關(guān)鍵詞】無線傳感網(wǎng) 自組網(wǎng) Zigbee 433MHz

一、引言

2003年IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，2004年第一個具有無線自組織、自恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)——Zigbee網(wǎng)絡(luò)誕生。

實際上，zigbee就是一個具有雙向數(shù)據(jù)傳輸功能的無線自組網(wǎng)。而自從Zigbee誕生以來，Zigbee就逐漸成為無線傳感網(wǎng)、無線自組網(wǎng)的代名詞。根據(jù)Zigbee的規(guī)范，全球在北美以外地區(qū)，使用無線2.4GHz頻段，無線發(fā)射功率限定為1-10毫瓦（0-10dBm）。由于無線2.4GHz頻段基本上是一個視距通信頻段，繞射能力差，并不太適應(yīng)中國的使用環(huán)境。GWSN，格網(wǎng)通無線傳感網(wǎng)，是我公司自主研發(fā)的一個基于433MHz的無線傳感網(wǎng)。

二、無線傳感網(wǎng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

多年來，國內(nèi)眾多的大學(xué)、院校、生產(chǎn)廠家和用戶加入到Zigbee的開發(fā)應(yīng)用之中，Zigbee使用的領(lǐng)域、普及程度都有很大提高。

但遺憾的是，具有樹形和網(wǎng)狀網(wǎng)的Zigbee的大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用并不多見。究其原因，Zigbee點到點通信效果不能滿足用戶要求是主要問題。

近年來，Zigbee芯片廠家推出了一些Zigbee的簡化版，如TI的Z-Accel；Microchip的MiWi；Freescale的SimpleMAC（SMAC）；Atmel的MCU Wireless等。這些簡化版雖然給開發(fā)產(chǎn)品帶來了便利，但由于未能改變使用無線2.4GHz頻段的限制，通信效果并未根本改變，應(yīng)用仍然受限。

另一些Zigbee應(yīng)用廠家，為了改善Zigbee的通信效果，將Zigbee的無線射頻功率加大，如上海順舟的sz系列；深圳信立的WMZ系列；北京威易的MK系列等。這些產(chǎn)品的Zigbee通信效果有一定的改善，但由于射頻功率的加大，對環(huán)境的電磁污染，以及產(chǎn)品耗電也加大，違背了Zigbee的初衷，并不是一個長遠(yuǎn)的發(fā)展方向。

從無線通信的原理可知，無線通信頻率越低，其繞射（跨越障礙物）能力越強。長期以來，在國內(nèi)室內(nèi)安防領(lǐng)域無線通信多采用315MHz和433MHz，其原因就是315MHz和433MHz無線通信在樓內(nèi)通信效果較好。在相同發(fā)射功率情況下，433MHz和2.4GHz無線通信在自由空間的通信距離相當(dāng)，而在建筑物內(nèi)，特別是多層高樓，433MHz無線通信效果就明顯好于2.4GHz無線通信。所以，自2006年以后，國內(nèi)開始出現(xiàn)433MHz無線自組網(wǎng)，其無線自組網(wǎng)協(xié)議多是自有協(xié)議。如上海羅迅的SmartNode；深圳暢想的PyxisMesh；北京微網(wǎng)高通的WiMi-net。

三、國內(nèi)無線自組網(wǎng)的研究誤區(qū)

（1）關(guān)注“路由算法”比實際組網(wǎng)性能更多。其實，一個再好的路由算法若不能與物理層有機的結(jié)合，不可能得到很好的實現(xiàn)，而國內(nèi)產(chǎn)品的無線射頻物理層芯片往往都不是定制的。（2）關(guān)注無線模塊的“省電”更多于其實際產(chǎn)品的應(yīng)用。而一個再省電的無線模塊與一個根本不可能省電的傳感器組合，省電功能沒有意義和必要。（3）關(guān)注“網(wǎng)絡(luò)節(jié)點容量”多于網(wǎng)絡(luò)通信能力。讓一個空中速率有限的無線模塊去連通無限的節(jié)點數(shù)，當(dāng)出現(xiàn)平均1-10字節(jié)/節(jié)點秒時，通信實際上是不能算暢通、有效。（4）關(guān)注“對等網(wǎng)”、“多網(wǎng)關(guān)”多于單網(wǎng)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的實際應(yīng)用。而幾乎所有的無線傳感網(wǎng)的應(yīng)用都只需要一個無線網(wǎng)關(guān)來進行集中管理就可以了。（5）關(guān)注“自動分配節(jié)點地址”多于節(jié)點的物理位置。而幾乎所有的節(jié)點地址都需要人為綁定物理位置信息，自動地址的分配并不能帶來物理位置的自動識別。（6）一味強調(diào)模塊的省電能力，但所有具有網(wǎng)關(guān)和中繼功能的節(jié)點都不可能省電使用。（7）現(xiàn)有骨干網(wǎng)已經(jīng)解決了樓棟外的所有空間及遠(yuǎn)距離的連通，無線自組網(wǎng)應(yīng)當(dāng)解決低成本、低功耗的樓棟內(nèi)覆蓋，卻要費盡心機加大無線發(fā)射功率和耗電，而不管對環(huán)境的污染以及無線電頻率利用率的降低。總之，追求理論上的某一高性能，卻不管實際產(chǎn)品的總體性價比和實用型，在國內(nèi)無線自組網(wǎng)研究領(lǐng)域時有所見。

四、GWSN 433MHz無線傳感網(wǎng)的技術(shù)路線

基本的要求：（1）借鑒zigbee的優(yōu)缺點，吸收其有利于自組網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)的好的理念和做法，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的“自組網(wǎng)、自路由、自恢復(fù)”無線組網(wǎng)技術(shù)的實用通信系統(tǒng)。（2）它可以是一個單一目標(biāo)中心（目標(biāo)地址）、具有自組網(wǎng)功能的無線網(wǎng)狀網(wǎng)通信系統(tǒng)，同時是一個雙向通信系統(tǒng)。單一目標(biāo)中心與Zigbee的“對等”有很大的不同。“對等”是指各節(jié)點之間可以相互收發(fā)，每個節(jié)點需要知道網(wǎng)中其他節(jié)點的到達(dá)路徑，既多目標(biāo)中心。而在常規(guī)的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點之間并沒有應(yīng)用層面上通信的需求，所有的節(jié)點都僅須與管理中心的設(shè)備進行通信，并在管理中心的管理之下才能進行工作，我們稱之為單一目標(biāo)中心，這是大多數(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)的實際應(yīng)用情況。基于這樣一個單一目標(biāo)中心網(wǎng)絡(luò)，其路由的計算和管理都相對簡化。（3）作為一個單一目標(biāo)中心網(wǎng)絡(luò)主要由一個中心管理服務(wù)器、一個無線網(wǎng)關(guān)和若干各遠(yuǎn)端無線終端節(jié)點設(shè)備所組成。管理服務(wù)器通過無線網(wǎng)關(guān)可以發(fā)數(shù)據(jù)到無線終端節(jié)點設(shè)備，無線終端節(jié)點設(shè)備也可以發(fā)數(shù)據(jù)到網(wǎng)關(guān)及管理服務(wù)器。（4）一個實用的無線自組網(wǎng)產(chǎn)品的性價比還包括：射頻頻率、發(fā)射功率，符合國家無線電管理委員會的規(guī)范；射頻發(fā)射耗電；射頻接收耗電及省電能力；空中速率及一個網(wǎng)關(guān)下的節(jié)點容量；組網(wǎng)的穩(wěn)定性和靈活性；產(chǎn)品資源占用率及路由復(fù)雜性；產(chǎn)品是否必須省電使用等。

基于以上的這些要求和實用性，GWSN的技術(shù)路線是：（1）選用433MHz業(yè)余無線電頻段，利用其良好射頻繞射能力，并且全網(wǎng)無線設(shè)備同頻半雙工工作以提高無線電頻率利用率；（2）滿足低功耗、微功率，射頻功率選定在10-50mW，工作電流控制在DC50mA/3V以下；（3）主節(jié)點設(shè)備250個左右，射頻空中速率250kbps，每節(jié)點單向空中速率約50字節(jié)/秒；（4）數(shù)據(jù)空中加密，保障較好的保密性；（5）選用性能良好的軟件無線電收發(fā)一體射頻芯片CCll2x，為自組網(wǎng)提供物理層支撐；（6）選用低成本8位CPU。在網(wǎng)絡(luò)層的管理方面，不采用Zigbee的協(xié)議棧，因為物理層完全不一樣，所以確定自主研發(fā)簡約、實用，與物理層有機結(jié)合的GWT-R路由識別算法和組網(wǎng)方式，滿足單一目標(biāo)中心快速、穩(wěn)定組網(wǎng)需求。

五、GWSN組網(wǎng)通信過程及機制要點

（1）網(wǎng)絡(luò)部件。

網(wǎng)關(guān)：類似于Zigbee的協(xié)調(diào)點。管理全網(wǎng)無線終端節(jié)點，匯接各無線終端節(jié)點采集來的數(shù)據(jù)到管理中心；分發(fā)管理中心來的控制數(shù)據(jù)到各無線終端節(jié)點。通過無線通信方式與無線終端通信；通過有線通信方式與管理中心通信。網(wǎng)關(guān)可以管理253個主節(jié)點。

主節(jié)點：類似于Zigbee的路由節(jié)點。以自組網(wǎng)方式與網(wǎng)關(guān)通信，采集傳感器、控制器或外部設(shè)備數(shù)據(jù)并上報網(wǎng)關(guān)及管理中心；接收網(wǎng)關(guān)及管理中心數(shù)據(jù)，管理傳感器、控制器和外部設(shè)備。每個主節(jié)點還可以管理254個副節(jié)點。

副節(jié)點：非路由節(jié)點。以星型方式與主節(jié)點或網(wǎng)關(guān)通信，采集傳感器、控制器或外部設(shè)備數(shù)據(jù)并上報主節(jié)點或網(wǎng)關(guān)及管理中心；接收主節(jié)點或網(wǎng)關(guān)及管理中心數(shù)據(jù)，管理傳感器、控制器和外部設(shè)備。副節(jié)點可以有省電功能。全網(wǎng)共6.4萬個副節(jié)點。

（2）組網(wǎng)過程

GWSN是一個基于時鐘的網(wǎng)絡(luò)，因為在一個實用的網(wǎng)絡(luò)中，對時鐘的需求無處不在，所以組網(wǎng)時，GWSN的網(wǎng)關(guān)是在管理中心的管理下才能工作。

網(wǎng)關(guān)上電后，首先向管理中心請求獲得系統(tǒng)時間，在獲得系統(tǒng)時間后才啟動無線組網(wǎng)工作。

網(wǎng)關(guān)啟動無線組網(wǎng)工作后，定時發(fā)出無線信標(biāo)，在無線通信覆蓋區(qū)域內(nèi)的主節(jié)點在感知到網(wǎng)關(guān)的無線信標(biāo)后，就以網(wǎng)關(guān)為中心由里到外，使用GWT-R路由算法，自動尋找最佳路徑，逐跳（層）入網(wǎng)，并告知網(wǎng)關(guān)及管理中心該主節(jié)點的上層節(jié)點（入網(wǎng)）地址、接收場強和入網(wǎng)跳數(shù)（深度）。

主節(jié)點在入網(wǎng)后依據(jù)GWT-R路由算法，也定時發(fā)送無線信標(biāo)，還會根據(jù)自身周圍的無線通信環(huán)境按GWT-R路由算法自動調(diào)整路由（路由調(diào)整時間間隔設(shè)計為10秒），并上報網(wǎng)關(guān)及管理中心新的入網(wǎng)地址、接收場強和入網(wǎng)跳數(shù)。主節(jié)點在感知自己不能和上層主節(jié)點有效通信時，會自動脫離通信，按GWT-R路由算法重新尋找入網(wǎng)路徑。主節(jié)點脫網(wǎng)后，它的上層主節(jié)點會及時感知到并通報給網(wǎng)關(guān)及管理中心。

網(wǎng)關(guān)和主節(jié)點存有上、下行路由表，當(dāng)主節(jié)點入網(wǎng)或脫網(wǎng)時路由表自動更新。

GWSN是--+同頻半雙工無線網(wǎng)絡(luò)，無線通信的碰撞在所難免。為提高通信的可靠性，GWT-R組網(wǎng)方式采取TDM通信和隨機通信混和使用方式，用TDM通信維護路由，隨機通信用于應(yīng)用數(shù)據(jù)，這樣既減少碰撞又提供通信效率。

（3）機制要點

GWSN網(wǎng)關(guān)與網(wǎng)內(nèi)的節(jié)點通信采用一對一或廣播方式。整個通信分為鏈路層和應(yīng)用層，而基于簡約的原則，通信地址并未分層，只采用鏈路層地址。

鏈路層完成鏈路管理，載波幀聽、防碰撞重發(fā)（芯片級），控制幀的轉(zhuǎn)發(fā)，進行幀的CRC校驗，設(shè)備掉線識別。應(yīng)用層完成設(shè)備出、入網(wǎng)控制，設(shè)備配置，數(shù)據(jù)和報警上傳等。

各數(shù)據(jù)包的總長度為≤50字節(jié)/包。

a.地址分配與管理

網(wǎng)關(guān)有兩個地址，一個是無線側(cè)地址，與主節(jié)點進行通信；另一個是有線側(cè)地址，與管理中心通信。網(wǎng)關(guān)無線地址：用一個字節(jié)表示，為Ox01。網(wǎng)關(guān)在無線一側(cè)地址和主節(jié)點地址是統(tǒng)一編址的。

主節(jié)點無線地址：用一個字節(jié)表示，為2-254，地址為Ox02-0xfe。共253個。

副節(jié)點地址：1-16382，地址為0x0001-Ox3ffe，用兩個字節(jié)表示。副節(jié)點地址由主節(jié)點管理，僅與所屬主節(jié)點進行星型通信，地址為0x0001-0x00fe，共254個。這類地址各個主節(jié)點可以復(fù)用，全網(wǎng)共有64262個。

GWSN網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點地址并沒有使用自動分配方式，而是采用出廠默認(rèn)和工程現(xiàn)場配置方式。在大多數(shù)實際使用當(dāng)中，終端節(jié)點的物理位置是管理人員必須關(guān)心的。終端節(jié)點地址的自動分配并不能省去管理人員到現(xiàn)場獲得其物理位置的過程，反而會因為其地址的自動變更帶來管理上的不便。

b.基本通信

網(wǎng)關(guān)和主節(jié)點配置有路由表，可以識別、管理和自動選擇通信路由。同時還配置有鄰節(jié)點感知功能，可以感知網(wǎng)關(guān)、主節(jié)點和副節(jié)點的脫網(wǎng)狀態(tài)，并上報。

副節(jié)點沒有路由表，不能自動選擇路由。副節(jié)點具有感知網(wǎng)關(guān)和主節(jié)點的功能，不能感知其他副節(jié)點。

c.GWT-R

GWT-R是GWSN路由算法和組網(wǎng)方式的統(tǒng)稱。GWSN路由管理并未遵循某一特定的路由算法，而是結(jié)合Ad hoc路由算法和表驅(qū)動路由協(xié)議的各自有用的部分，根據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層的實際管理需要以及整個網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和靈活性的需求自主研發(fā)的。

在整個組網(wǎng)方式中，跳數(shù)最少并不意味著路徑最優(yōu)，所以維護網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和靈活性是兩個及其重要且對立的路由指標(biāo)。路由的穩(wěn)定性可防止節(jié)點過度調(diào)整路由而不能正常收發(fā)應(yīng)用數(shù)據(jù)；路由的靈活性可增強節(jié)點調(diào)整路由的頻繁度以改變網(wǎng)絡(luò)的深度從而增加網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。節(jié)點在什么情況下可以調(diào)整路由，通常是根據(jù)節(jié)點現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)深度和接收場強來確定的。調(diào)整接收場強的路由調(diào)整閥值將直接影響網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和靈活性（見圖1）。路由調(diào)整的最短間隔時間設(shè)計為10秒。

d.通信轉(zhuǎn)發(fā)

GWSN網(wǎng)絡(luò)中的主節(jié)點擔(dān)當(dāng)無線通信的轉(zhuǎn)發(fā)器作用，為避免無線通信碰撞，其轉(zhuǎn)發(fā)的延時時間是隨機的，設(shè)計為8-250ms。

e.節(jié)點脫網(wǎng)

主節(jié)點在“掉線確認(rèn)時間（設(shè)計為30秒）”到來時仍未收到自己的上一級主節(jié)點的“通信標(biāo)識”，將認(rèn)為自己與上一級主節(jié)點已經(jīng)脫離通信，將退出工作狀態(tài)，重新尋找路由。

主節(jié)點在“掉線確認(rèn)時間（設(shè)計為45秒）”到來時仍未收到自己的下一級主節(jié)點或所屬副節(jié)點的“通信標(biāo)識”，將認(rèn)為自己的下一級主節(jié)點或所屬副節(jié)點已經(jīng)脫離通信，將上報“設(shè)備撤銷”給管理中心。

六、GWSN的實用性能及存在的問題

（1）工廠內(nèi)測試

表1是在工廠環(huán)境下對GWSN通信狀況的測試分析。

基本測試環(huán)境及要求：頻率433.199MHz；設(shè)計發(fā)射功率為10毫瓦（10dBm）；四分之一波長鞭天線；空中速率250kbps；數(shù)據(jù)包字節(jié)數(shù)小于等于35字節(jié)；數(shù)據(jù)空中加密傳送；數(shù)據(jù)收發(fā)無差錯。

雖然測試看似有定量的數(shù)據(jù)，然而實際上這仍然只是一個數(shù)量級別上的趨勢。因為就工廠環(huán)境來說，一個250kbps速率的短數(shù)據(jù)無線通信來說，一包數(shù)據(jù)的發(fā)送時間不會超過3ms，測量的準(zhǔn)確度有限。

（2）實際用戶使用情況

從2008年起，GWSN的相關(guān)產(chǎn)品格網(wǎng)通“節(jié)能管理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)”、“能耗采集無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)”開始在用戶安裝使用。表2對2011年至2012年期間使用GWSN\"節(jié)能管理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)”和“能耗采集無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)”的43個用戶的網(wǎng)絡(luò)通信狀況做了統(tǒng)計分析。其中單個網(wǎng)絡(luò)最大網(wǎng)絡(luò)深度達(dá)13跳，最多節(jié)點數(shù)近200個。

（3）GWSN存在的問題及改進方向

a.硬件成本。GWSN 433MHz無線傳感網(wǎng)射頻模塊與zigbee射頻模塊在硬件成本上并無數(shù)量級上的優(yōu)勢，除非將網(wǎng)絡(luò)協(xié)議一并集成到射頻芯片中。b.工廠研發(fā)更注重實用性，但簡約的自有組網(wǎng)協(xié)議規(guī)范性較差，不像Zigbee標(biāo)準(zhǔn)更易讓用戶接受。自有組網(wǎng)協(xié)議需要得到院校的支持來完善。c.由于采用同頻半雙工和隨機通信工作方式，通信的碰撞在所難免，這是造成數(shù)據(jù)丟包的主要原因。原有射頻芯片的防碰撞重發(fā)機制并不完善，需要再增加“鏈路層數(shù)據(jù)未收到重發(fā)機制”。d.雖然無線433MHz比2.4GHz通信繞射能力好，但實用中GWSN 433MHz無線傳感網(wǎng)節(jié)點樓層間通信繞射能力并不富裕，建議將射頻發(fā)射功率再提高3dB，即達(dá)到20毫瓦，實用性更佳。e.GWSN的數(shù)據(jù)空中加密并不符合規(guī)范，這在一些對數(shù)據(jù)加密敏感的用戶環(huán)境不宜采用。￡無論是GWSN還是zigbee，無線多跳自組網(wǎng)都存在數(shù)據(jù)傳輸延時長的特點，在一些對數(shù)據(jù)傳輸延時要求高（100ms級以內(nèi)）的自動化控制系統(tǒng)并不適宜。

七、結(jié)束語

433MHz無線傳感網(wǎng)是近幾年來才面世的新的無線通信系統(tǒng)，其性能還有待進一步完善，自有組網(wǎng)協(xié)議及其測試也有待更加規(guī)范和嚴(yán)謹(jǐn)。但它仍不失為一個很有發(fā)展空間的通信系統(tǒng)，具有廣闊的實際應(yīng)用前景。