無線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析技術(shù)分析與實(shí)現(xiàn)

林春雷

隨著最近這幾年不斷發(fā)展的社會(huì)整體經(jīng)濟(jì)情況，加上不斷擴(kuò)大應(yīng)用范圍的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)手段，令人們的日常生活當(dāng)中網(wǎng)絡(luò)得到了非常普遍的應(yīng)用。同時(shí)經(jīng)濟(jì)水平的發(fā)展和進(jìn)步也令科學(xué)技術(shù)有了飛速的發(fā)展。它們?nèi)诤掀饋恚钊祟惿鐣?huì)逐漸踏上信息時(shí)代的道路。在這樣的環(huán)境下，傳感器也成為了人們獲得信息比較主要的技術(shù)手段，它的發(fā)展速度也漸漸地不斷提升。無線傳感技術(shù)是一種新的網(wǎng)絡(luò)手段，能夠顯著拉動(dòng)社會(huì)發(fā)展水平。因此，在本文當(dāng)中將立足于無線傳感的技術(shù)，分析其在目前社會(huì)環(huán)境下的發(fā)展情況以及實(shí)際應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析 無線傳感技術(shù) 實(shí)現(xiàn)

無線傳感技術(shù)在軍事領(lǐng)域、生產(chǎn)行業(yè)、環(huán)保事業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)等方面都有非常廣泛的實(shí)際應(yīng)用，和傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)模式不同，無線傳感網(wǎng)絡(luò)較好地融合了處理信息、傳感器、網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，而這也就成為目前信息科學(xué)領(lǐng)域當(dāng)中新的探索方向。所以為了可以有效地促進(jìn)傳感器技術(shù)有更好的實(shí)際應(yīng)用，對(duì)其進(jìn)行研究是非常重要的。

1 在無線傳感網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中所包含的關(guān)鍵性技術(shù)分析

伴隨著最近這幾年有關(guān)人員針對(duì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行技術(shù)研究的深入和發(fā)展，我們可以發(fā)現(xiàn)，就階段性發(fā)展角度而言，可以把無線傳感的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)分成以下兩個(gè)不同的階段：其第一階段忠實(shí)于借助微電子科技來對(duì)形態(tài)比較小的一些節(jié)點(diǎn)設(shè)備予以設(shè)計(jì)；第二階段則主要針對(duì)傳感網(wǎng)絡(luò)自身所存在的一些問題以及未來發(fā)展可能會(huì)出現(xiàn)的一些問題予以關(guān)注以及研究。

就各個(gè)階段的發(fā)展情況而言，針對(duì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)自身展開研究的時(shí)候，研究人員必須要從三個(gè)角度入手進(jìn)行分析，借助比較全面、充分的對(duì)網(wǎng)絡(luò)管理以及和網(wǎng)絡(luò)相關(guān)協(xié)議等技術(shù)了解的過程來對(duì)該網(wǎng)絡(luò)體系進(jìn)行全面理解。同時(shí)，借助對(duì)目前的傳感網(wǎng)絡(luò)的發(fā)現(xiàn)狀況和專家學(xué)者對(duì)于網(wǎng)絡(luò)支撐技術(shù)的研究狀況而言，其主要的研究點(diǎn)大多都是集中在和時(shí)間保持同步、定位兩項(xiàng)技術(shù)點(diǎn)上。另外，目前在實(shí)際的生產(chǎn)和生活當(dāng)中，針對(duì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)體系進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用的過程當(dāng)中的情況，作為工作人員，必須要去完成的工作就是正確處理并妥善管理傳感設(shè)備采集的信息和數(shù)據(jù)；同時(shí)，就存儲(chǔ)以及信息數(shù)據(jù)整理的角度而言，因?yàn)闊o線傳感網(wǎng)絡(luò)是分布形態(tài)的數(shù)據(jù)庫，因此，它對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理的形式也和數(shù)據(jù)庫管理基本一致。

2 如何系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 監(jiān)測節(jié)點(diǎn)

就實(shí)際應(yīng)用情況而言，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)需要具備監(jiān)聽頻道設(shè)置、監(jiān)聽數(shù)據(jù)資料包以及轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包三個(gè)功能。

例如，Telosb節(jié)點(diǎn)當(dāng)中IEEE802.15.4協(xié)議在2.4GHz頻段當(dāng)中每間隔5Hz就會(huì)設(shè)置一個(gè)頻道，總共有16個(gè)不同的頻道，使用11到26進(jìn)行代指。想要令射頻模塊在頻道K當(dāng)中工作需要把節(jié)點(diǎn)寄存器FSCTRL.FREQ設(shè)置為FSCTRL.FREQ=357+5（k-11）。檢測工作者需要對(duì)頻道數(shù)值予以串口數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)封裝起來，之后發(fā)送至監(jiān)測節(jié)點(diǎn)當(dāng)中。監(jiān)測節(jié)點(diǎn)在接受到數(shù)據(jù)包之后進(jìn)行解封裝提，取頻道數(shù)值，同時(shí)設(shè)置頻道。

CC2420射頻芯片處于默認(rèn)模式下，僅僅接收目的地址為目前節(jié)點(diǎn)（或者廣播）的數(shù)據(jù)包，且需要把接收模式設(shè)成混雜模式。TinyOS 2.x提供在Makefile配置文件當(dāng)中設(shè)置選項(xiàng)CC2420-NO-ACKNOWLEDG EMENT，能夠令CC2420順利接受其可以接受得到的數(shù)據(jù)包；同時(shí)，設(shè)置選項(xiàng)CC2420-NO-ADDRESS-RECOGNITION，回應(yīng)數(shù)據(jù)包不發(fā)送；TOSH-DATA-LENGTH選項(xiàng)使用在接收數(shù)據(jù)包最大長度的設(shè)置。

監(jiān)測節(jié)點(diǎn)所抓取到的數(shù)據(jù)包會(huì)被封裝于串行數(shù)據(jù)包當(dāng)中，監(jiān)測工作站所接受到的數(shù)據(jù)包會(huì)依照串口數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)負(fù)載部分提取，并予以分析。TinyOS 2.x串口通訊使用的是主動(dòng)消息模式，而串行數(shù)據(jù)包則使用和HDLC基本相似的編碼形式，0x7E為定界符、0x7D為轉(zhuǎn)義符。串口數(shù)據(jù)包的主要結(jié)構(gòu)為“定界符→協(xié)議→序列號(hào)→包格式解析字段→負(fù)載部分→CRC→定界符”。

2.2 監(jiān)測工作站

大部分監(jiān)測工作站的軟件均使用VisualC++進(jìn)行開發(fā)，為了能夠支撐協(xié)議擴(kuò)展，使用XML Schema標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行協(xié)議數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)的定義。針對(duì)新協(xié)議或者是用戶自擬協(xié)議，用戶僅需對(duì)協(xié)議定義文件當(dāng)中結(jié)構(gòu)描述的部分進(jìn)行修改就能夠?qū)ζ溥M(jìn)行有效的解析處理。以下內(nèi)容為ZigBee2007協(xié)議定義文件當(dāng)中的Mac層數(shù)據(jù)包當(dāng)中的一個(gè)片段，如圖1所示。

在整個(gè)協(xié)議當(dāng)中，均由系列層layer所構(gòu)成，其中每個(gè)層又都是由字段field所構(gòu)成，字段長度均可以使用表達(dá)式或者是數(shù)值進(jìn)行描述。比方說在協(xié)議文件當(dāng)中DestPANID長度因目前數(shù)據(jù)包當(dāng)中的DestAddres sin gMode字段值所決定，字段引用使用@作為開頭，同時(shí)以所在層的開始層次型路徑字符串進(jìn)行表示。在XML當(dāng)中upperLayer節(jié)點(diǎn)為上下兩層間的切換，結(jié)合switchBegin以及switchLength屬性值來進(jìn)行上層數(shù)據(jù)區(qū)比特?cái)?shù)值預(yù)取，之后結(jié)合數(shù)值進(jìn)行上層XML節(jié)點(diǎn)跳轉(zhuǎn)，繼續(xù)予以解析。

2.3 協(xié)議文件預(yù)處理

因?qū)嶋H環(huán)境當(dāng)中需要同時(shí)對(duì)多節(jié)點(diǎn)收發(fā)數(shù)據(jù)予以監(jiān)聽，因此解析效率也成為了對(duì)用戶體驗(yàn)產(chǎn)生影響的重要因素。XML文件解析效率比較低，且協(xié)議文件當(dāng)中含有很多公式，在公式當(dāng)中含有路徑字符串所體現(xiàn)出來的字段，同時(shí)在解析的過程當(dāng)中也經(jīng)常會(huì)有依照字段層次路徑字符串來獲取字段值的具體操作步驟，假如每次進(jìn)行一個(gè)數(shù)據(jù)包的獲取都要重新依照XML定義對(duì)逐個(gè)字段予以解析，將會(huì)造成極大的延遲。

為了能夠切實(shí)有效地提升解析的效率，在啟動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)候可以預(yù)先進(jìn)行協(xié)議文件的加載，具體可以分成以下兩個(gè)階段，即XML文件分析以及預(yù)處理。

（1）將XML文件當(dāng)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)（Layer、Field）均加載至內(nèi)存，進(jìn)而轉(zhuǎn)化內(nèi)存對(duì)象，之后依照XML定義構(gòu)建起對(duì)象層次關(guān)系。

（2）為每個(gè)字段分配協(xié)議字段號(hào)，和字段路徑之間構(gòu)建起哈希映射。針對(duì)同樣的具體數(shù)據(jù)包，相同路徑字段值僅出現(xiàn)一次，并不會(huì)發(fā)生歧義。

（3）在分析數(shù)據(jù)的時(shí)候需要建立起協(xié)議字段號(hào)和數(shù)據(jù)包字段號(hào)映射。

（4）公式當(dāng)中，參數(shù)使用對(duì)應(yīng)字段協(xié)議自短號(hào)進(jìn)行替換，同時(shí)編譯為逆波蘭式在字段屬性當(dāng)中進(jìn)行存放。

3 結(jié)語

總的來說，無線傳感作為一種全新的現(xiàn)代化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)手段，它會(huì)在未來社會(huì)當(dāng)中贏得比較廣泛的實(shí)際應(yīng)用空間，同時(shí)還可以深入人類社會(huì)生活當(dāng)中，為人們提供方便。這種發(fā)展趨勢(shì)令很多國家相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和高校均已經(jīng)展開了針對(duì)性的研究分析。結(jié)合當(dāng)前的實(shí)際情況而言，我國在該領(lǐng)域和發(fā)達(dá)國家間并沒有存在非常顯著的差異，因此，這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于國家發(fā)展而言有非常重大的實(shí)際意義。

參考文獻(xiàn)

[1]盧良進(jìn)，徐向華，童超.無線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2009（12）.

[2]吳義三.無線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)研究[J].湖北函授大學(xué)學(xué)報(bào)，2016（01）.

[3]胡仕強(qiáng).無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議分析研究[J].機(jī)械與電子，2010（s1）.

[4]劉兆偉，楊波，張遠(yuǎn)，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究分析[J].信息技術(shù)與信息化，2008（05）.

作者單位

海南師范大學(xué) 海南省?？谑?571127