基于時分多址機制的無線傳感數(shù)據(jù)采集網絡系統(tǒng)設計

梁楠楠，高銘悅，盧 彪

(宿州學院 信息工程學院，安徽 宿州 234000)

隨著云計算、物聯(lián)網和大數(shù)據(jù)等技術的快速發(fā)展，利用無線傳感器技術搭建的無線傳感網深入到各行各業(yè)[1].在無線傳感網中，眾多傳感器具備數(shù)據(jù)收集周期固定、設備安裝定點和數(shù)據(jù)傳送低等特點(如智能煤氣、智能水表、智能環(huán)境監(jiān)測等).傳統(tǒng)無線組網數(shù)據(jù)采集技術(ZigBee等)已經不能滿足網絡建設成本低和運營成本低的原則，而且會造成大量數(shù)據(jù)基站的能源消耗[2].

時分多址具備單一頻率使用率高、頻譜資源占用少、數(shù)據(jù)接收節(jié)點和數(shù)據(jù)發(fā)射節(jié)點搭建容易等優(yōu)點，非常適合在無線傳感采集網絡中使用.本文利用時鐘同步SIM6835T芯片設計了一套基于時分多址技術的無線傳感數(shù)據(jù)采集網絡系統(tǒng)，該系統(tǒng)設計了精準的時分多址時鐘同步機制系統(tǒng)，實現(xiàn)了利用高精度時鐘系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)傳輸通道的時分復用機制[3].

1 無線傳感數(shù)據(jù)采集網絡系統(tǒng)

1.1 網絡拓撲設計

無線傳感數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的網絡拓撲采用星形設計結構，主節(jié)點承載全網的時分基準搭建、從節(jié)點數(shù)據(jù)的回傳采集存儲和全網拓撲結構的維護等功能[4].從節(jié)點完成無線傳感器的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳送等功能.該無線傳感網絡由主節(jié)點(負責整個傳感區(qū)域的數(shù)據(jù)收集與回傳)、從節(jié)點(只能與主節(jié)點進行數(shù)據(jù)通訊，從節(jié)點之間不能互相通訊)、無線傳輸網絡和監(jiān)控中心構成.無線傳感數(shù)據(jù)采集網絡拓撲結構如圖1所示.

圖1 無線傳感數(shù)據(jù)采集網絡拓撲圖

1.2 網絡參數(shù)設計

無線傳感數(shù)據(jù)采集網絡參數(shù)設計內容主要包括：時片、時鐘同步周期和主從節(jié)點硬件地址(MAC地址)等[5].

(1)時片：時片指數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)切割的時隙值，它控制著單從節(jié)點占用無線數(shù)據(jù)傳輸通道的時間長短.

(2)時鐘同步周期：指無線采集網絡的主節(jié)點完成全網工作時鐘同步的周期時間.傳感從節(jié)點實現(xiàn)休眠狀態(tài)與數(shù)據(jù)采集狀態(tài)的轉換是利用時鐘同步周期來進行的，這樣才能保障數(shù)據(jù)采集的完整性與實效性.

(3)主從節(jié)點的硬件地址(MAC地址)：MAC地址是無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點傳感器的唯一標識，從節(jié)點通過MAC實現(xiàn)ARP二層地址與主節(jié)點的地址解析，并根據(jù)地址計算出自身可以傳輸數(shù)據(jù)的通訊時隙.

1.3 數(shù)據(jù)節(jié)點幀結構設計

(1)時鐘同步幀設計

時鐘同步幀主要完成時鐘指令的定時周期發(fā)布，主要包括[6]：①幀頭，控制數(shù)據(jù)傳送的方向；②廣播地址，廣播消息的傳播終點；③時標數(shù)據(jù)，完成無線從節(jié)點時隙同步；④數(shù)據(jù)采集標識，休眠與工作狀態(tài)的轉換；⑤幀尾，采集數(shù)據(jù)的差錯性校驗.時鐘同步幀如圖2(a)所示.

(2)消息確認幀結構設計

當從節(jié)點采集數(shù)據(jù)并傳送結束后，主節(jié)點需要發(fā)送一條數(shù)據(jù)采集完成的確認回應幀.該幀同樣包括幀頭幀尾、從節(jié)點MAC地址和幀號、主節(jié)點幀號和指令數(shù)據(jù)以及指令長度.數(shù)據(jù)確認幀結構如圖2(b)所示.

(3)從節(jié)點幀結構設計

從節(jié)點主要任務是負責傳感節(jié)點的數(shù)據(jù)采集與上傳，從節(jié)點數(shù)據(jù)幀主要包括主節(jié)點MAC地址、主從節(jié)點幀號、數(shù)據(jù)DATA和采集指令完成的標識等，該幀實現(xiàn)了從節(jié)點數(shù)據(jù)采集到傳輸?shù)恼麄€過程.從節(jié)點幀的結構如圖2(c)所示.

圖2(a) 時鐘同步幀結構

圖2(b) 數(shù)據(jù)確認幀結構

圖2(c) 從節(jié)點幀結構

2 時分多址時鐘同步硬件系統(tǒng)設計

時分多址技術將無線網絡中的數(shù)據(jù)傳送時間劃分成若干細小的時間間隔，不同的網絡傳感節(jié)點獨自占用固定時間間隔進行數(shù)據(jù)傳輸.無線傳感網絡中的傳感節(jié)點能利用各自的時間間隔分別實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、采集和分析的工作[7].

2.1 SIM6835T實時時鐘芯片

SIM6835T芯片是一款實時時分多址時鐘同步機制芯片，具備能耗小、抗惡劣環(huán)境、誤差小、寬電壓范圍、無外圍組件和晶振頻率高等特點.在使用過程中，除控制電阻和電源耦合電容外無其他電子外圍組件[8].時分多址時鐘芯片硬件電路如圖3所示.

圖3 時分多址時鐘芯片硬件電路

圖3中R6(4.7 kΩ)和R7(4.7 kΩ)為電平控制調節(jié)電阻，C12(0.1 uF)為電源耦合電阻，F(xiàn)OUT為時鐘信號輸出電路，F(xiàn)OE引腳為時鐘信號輸出邏輯控制功能.當FOE=1時，F(xiàn)OUT輸出時鐘，完成時鐘同步機制.當FOE=0時，F(xiàn)OUT處于阻塞狀態(tài)，控制傳感從節(jié)點休眠狀態(tài).

2.2 從節(jié)點設備硬件設計結構

無線傳感數(shù)據(jù)采集網路中，主節(jié)點主要是完成數(shù)據(jù)存儲上傳、從節(jié)點信息維護和時分多址控制等功能，主節(jié)點硬件成本無需過多控制.假設主節(jié)點時鐘是完全精準的，而從節(jié)點由于數(shù)量大和不易維護等特點，所以從節(jié)點對硬件成本和硬件的功耗都有極高的要求，此處采用低價位低功耗的無源晶振從節(jié)點系統(tǒng).從節(jié)點硬件結構如圖4所示.

無線傳感從節(jié)點的內部芯片負責整個節(jié)點的控制與計算，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與傳輸控制，傳感器系統(tǒng)采集當前數(shù)據(jù).8025T系統(tǒng)負責時分多址實時時鐘定時與時間校準，無線模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與上傳的無線通信功能.

圖4 從節(jié)點硬件結構設計圖

3 主從節(jié)點時鐘同步機制設計

3.1 正常時鐘同步機制設計

當從節(jié)點處于數(shù)據(jù)采集休眠狀態(tài)時，由于無傳輸采集，主節(jié)點利用時鐘同步機制周期性的向從節(jié)點發(fā)送廣播時鐘校正，從節(jié)點接收到時間校正指令后執(zhí)行時鐘校正但不需要進行應答確認.無線采集網的正常時鐘校正流程設計如圖5所示.

圖5 正常時鐘校正流程設計

3.2 校時并抄讀數(shù)據(jù)流程設計

主節(jié)點進行采集數(shù)據(jù)的存儲過程中，需要利用標識技術實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的標記.從節(jié)點收到數(shù)據(jù)采集指令后，開始進行實時數(shù)據(jù)采集與上傳.從節(jié)點采集順序利用MAC地址的大小順序，通過時隙間隔完成從節(jié)點數(shù)據(jù)的順序上傳.當主節(jié)點收到數(shù)據(jù)后，要進行數(shù)據(jù)字段ACK機制確認.主節(jié)點時鐘同步與數(shù)據(jù)收集存儲的流程如圖6所示.

3.3 主節(jié)點讀寫數(shù)據(jù)和指令傳送流程

當網絡主節(jié)點完成數(shù)據(jù)的收集后，會向相關從節(jié)點發(fā)送“數(shù)據(jù)確認幀”指令.當數(shù)據(jù)采集網絡的從節(jié)點收到確認幀的ACK字段后，會執(zhí)行額外休眠指令進行傳輸通道阻塞狀態(tài).無線傳感采集網的時鐘校準、主節(jié)點讀寫數(shù)據(jù)和指令傳送過程如圖7所示.

圖6 校時與數(shù)據(jù)抄讀流程

圖7 主節(jié)點讀寫數(shù)據(jù)和指令傳送

3.4 從節(jié)點時鐘同步校正流程設計

從節(jié)點時鐘校準主要是通過單片機、8025T 和傳感器共同來實現(xiàn)的，時鐘校正流程如圖8所示.當從節(jié)點完成傳感器數(shù)據(jù)采集時，通過32.768 kHz的信號輸出關閉和打開，完成單片機芯片時鐘的校準和計數(shù).

圖8 從節(jié)點時鐘同步校準流程

4 無線傳感數(shù)據(jù)采集網絡的節(jié)點容量

無線傳感數(shù)據(jù)采集網的節(jié)點數(shù)據(jù)存儲容量影響因素主要有：①數(shù)據(jù)采集周期，主節(jié)點通過指令控制從節(jié)點的休眠狀態(tài)與工作狀態(tài)，從節(jié)點數(shù)據(jù)采集與上傳的時間間隔；②從節(jié)點發(fā)送第一個字節(jié)到收到主節(jié)點確認ACK最后一個字節(jié)所用的時隙；③時片的控制值，每個從節(jié)點使用數(shù)據(jù)采集時片固定值的長短與頻率.節(jié)點容量與從節(jié)點數(shù)據(jù)采集上傳成反比，與數(shù)據(jù)采集的頻率和時片成正比.節(jié)點容量與約束因素的關系如下：

(1)

S>=T×N.

(2)

其中:Q為節(jié)點容量，T為時段值，t為從節(jié)點上傳數(shù)據(jù)用時，γ為任意從節(jié)點最大時鐘誤差，S為無線網的數(shù)據(jù)采集周期，N為網絡從節(jié)點容量.

假設數(shù)據(jù)采集頻率為6小時，時片值為1秒，從節(jié)點數(shù)據(jù)采集上傳與確認用時300毫秒為例，任意兩個從節(jié)點的最大時隙誤差值是基礎誤差的2倍，例如5*10-6*2=10-5，由式(1)計算可得節(jié)點容量為30 000個；由式(2)可得從節(jié)點容≤32 200個.綜合計算，該無線采集網絡的從節(jié)點容量最大為30 000個.計算結果表明，該無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)特別適用于數(shù)據(jù)采集周期長、從節(jié)點數(shù)量大等網絡部署環(huán)境中.

5 結束語

基于時分多址計數(shù)的無線傳感數(shù)據(jù)采集網絡系統(tǒng)進行了網絡拓撲、網絡參數(shù)數(shù)據(jù)節(jié)點幀，時鐘硬件及從節(jié)點設備硬件系統(tǒng)設計和正常時鐘校準、校時抄讀數(shù)據(jù)、校時抄讀數(shù)據(jù)與指令下發(fā)和從節(jié)點時鐘同步校準等流程設計.該無線傳感數(shù)據(jù)采集網絡系統(tǒng)具備功耗低、硬件成本低、易于實現(xiàn)和支持從節(jié)點部署數(shù)量大等優(yōu)點，在智能電表、智能水表和智能氣表等環(huán)境具備良好的應用推廣價值.