無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)沖突檢測系統(tǒng)設(shè)計

肖廣兵 肖菁菁 陳勇

摘 要：無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點通過自組織網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交互。由于每個傳感節(jié)點僅能獲得局部信息，容易在數(shù)據(jù)信息交互過程中引發(fā)數(shù)據(jù)沖突，因此設(shè)計一種基于CSMA/CA協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)沖突檢測系統(tǒng)，主要包括TC35I電源模塊、傳感器節(jié)點檢測模塊、無線通信模塊、手持式檢測終端、主處理器STM32F103VB、無線打印機等。系統(tǒng)通過分析對比每個傳感節(jié)點對數(shù)據(jù)包的接收狀態(tài)，實時檢測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中潛在的數(shù)據(jù)沖突;同時，數(shù)據(jù)沖突檢測結(jié)果通過上位機軟件進(jìn)行實時顯示，具有結(jié)構(gòu)簡便、組網(wǎng)簡單等特點，可以方便地拓展到其它無線網(wǎng)絡(luò)中。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò);傳感器節(jié)點;數(shù)據(jù)沖突

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過自組織方式組建，具有便捷和成本低等特點，廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)感知層，能夠在軍事作戰(zhàn)、環(huán)境監(jiān)測、搶險救災(zāi)等場景中實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理和發(fā)送[1-3]。為提高節(jié)點能量利用率，延長網(wǎng)絡(luò)生存周期，有學(xué)者提出一種休眠/喚醒節(jié)能技術(shù)[4]，但是節(jié)點缺乏中心控制單元，存在數(shù)據(jù)沖突風(fēng)險，休眠節(jié)點被喚醒時可能與其它節(jié)點發(fā)生數(shù)據(jù)沖突，引發(fā)嚴(yán)重的數(shù)據(jù)包丟失。因此，如何提高無線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信的可靠性，對網(wǎng)絡(luò)中潛在的數(shù)據(jù)沖突進(jìn)行檢測，是當(dāng)前研究熱點和難點。

如圖1所示，假設(shè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)中有3個節(jié)點。其中，節(jié)點n3原處于休眠狀態(tài)，節(jié)點n1將其監(jiān)測到的數(shù)據(jù)信息傳輸給節(jié)點n2，若節(jié)點n3從休眠狀態(tài)被喚醒，與節(jié)點n1于同一時刻發(fā)送數(shù)據(jù)包至節(jié)點n2，則會在節(jié)點n2處產(chǎn)生數(shù)據(jù)沖突，導(dǎo)致其無法接收到節(jié)點n1的數(shù)據(jù)包，造成嚴(yán)重的數(shù)據(jù)包丟失。

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點休眠能夠提高能量利用率，延長網(wǎng)絡(luò)生存壽命，但也存在數(shù)據(jù)沖突風(fēng)險。在無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點隨機休眠模式下，檢測數(shù)據(jù)沖突的主要方法可分為建模算法分析和冗余機制兩類。

建模算法分析數(shù)據(jù)沖突最具代表性模型是 Bianchi[5]在 2000 年提出的離散時間馬爾科夫鏈模型。其以不定長時隙為基礎(chǔ)，按照二進(jìn)制退避算法計算并總結(jié)節(jié)點某一時刻可能存在的狀態(tài)和轉(zhuǎn)移關(guān)系，推導(dǎo)出馬爾科夫鏈模型，通過分析可計算出節(jié)點在某一時刻各狀態(tài)的概率，從而檢測出數(shù)據(jù)沖突，但原始馬爾科夫鏈模型有傳輸次數(shù)限制，在掛起過程中存在問題等，因此提出了一種基于馬爾科夫模型的異常節(jié)點檢測策略[6]。該策略將自組織網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程作為一個馬爾科夫過程并采用馬爾科夫模型預(yù)測節(jié)點狀態(tài)，檢測節(jié)點異常狀態(tài)，判斷節(jié)點處是否存在數(shù)據(jù)沖突。隨后有大量文獻(xiàn)對馬爾科夫鏈模型作出改進(jìn)。如Felemban& Ekici[7]在馬爾科夫鏈模型的基礎(chǔ)上增加了退避掛起的概率計算。首先利用Bianchi提出的離散時間馬爾科夫鏈模型計算各個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包的概率，其次將信道分為3種狀態(tài)，分別為沖突、空閑、成功傳輸，最后將退避掛起概率帶入原始馬爾科夫鏈中，計算新的發(fā)送數(shù)據(jù)包概率后帶入信道3種狀態(tài)模型中，重新檢測數(shù)據(jù)沖突。但該方案較復(fù)雜且不適宜于系統(tǒng)中長期檢測。

冗余機制是近年來檢測數(shù)據(jù)沖突的主流方法，包括數(shù)據(jù)重發(fā)與重復(fù)偵聽。Gollakota等[8]提出用ZigZag策略處理數(shù)據(jù)沖突問題，研究人員利用節(jié)點重發(fā)數(shù)據(jù)包后沖突位置不同的特性檢測是否存在數(shù)據(jù)沖突，通過重發(fā)機制解決數(shù)據(jù)沖突，但該方法浪費網(wǎng)絡(luò)資源，網(wǎng)絡(luò)延時嚴(yán)重; Fu等[9]提出密集網(wǎng)絡(luò)載波偵聽機制，該機制基于疊加干擾模型且擴大了偵聽范圍、提高了增聽能力，通過重復(fù)偵聽信號功率增量可判斷是否存在數(shù)據(jù)沖突，從而避免密集網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)沖突問題，但該方案缺乏實際系統(tǒng)的驗證且能量消耗過多。

針對上述方法的不足，本文提出一種基于載波偵聽多路訪問/沖突避免機制（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA）的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)沖突檢測系統(tǒng)。該檢測系統(tǒng)引入傳感器節(jié)點檢測模塊，對數(shù)據(jù)沖突進(jìn)行檢測與診斷，利用對傳感器節(jié)點接收其鄰居節(jié)點數(shù)據(jù)包狀態(tài)的檢測，判斷是否存在數(shù)據(jù)沖突，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將檢測信息傳輸至檢測終端、上機位與無線打印機進(jìn)行協(xié)作管理。該系統(tǒng)僅需節(jié)點的局部信息即可有效檢測并解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中休眠節(jié)點喚醒時引發(fā)的數(shù)據(jù)沖突問題，具有可靠的特點且結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、易于安裝、成本較低、效率較高，可實現(xiàn)節(jié)點隨機分布環(huán)境下數(shù)據(jù)沖突檢測，為避免數(shù)據(jù)沖突問題提供有效依據(jù)，可提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性。

1 系統(tǒng)設(shè)計與工作原理

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)沖突檢測系統(tǒng)由TC35I電源模塊、傳感器節(jié)點檢測模塊、無線傳感模塊、手持式檢測終端、主處理器STM32F103VB、無線打印機等組成。系統(tǒng)采用雙處理器結(jié)構(gòu)優(yōu)化、處理相應(yīng)數(shù)據(jù)，根據(jù)節(jié)點數(shù)據(jù)包接收狀態(tài)進(jìn)行檢測分析，診斷無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是否存在數(shù)據(jù)沖突。數(shù)據(jù)沖突檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，每個節(jié)點均由TC35I電源模塊供電。

當(dāng)數(shù)據(jù)沖突檢測系統(tǒng)對傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)包接收狀態(tài)進(jìn)行在線檢測時，檢測終端通過主處理器STM32F103VB對每個傳感器節(jié)點發(fā)送檢測指令。各傳感器節(jié)點在接收檢測指令后分別檢測每個傳感器節(jié)點接收數(shù)據(jù)包的狀態(tài)，并將檢測到的數(shù)據(jù)信息通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至檢測終端，再由主處理器STM32F103VB對接收到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、處理、存儲與無線打印，完成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)沖突檢測。

2 硬件電路設(shè)計

本文設(shè)計的無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要包含以下模塊：TC35I電源模塊、STM32F103VB主處理器模塊、CC2530無線傳感模塊。

2.1 電源模塊設(shè)計

TC35I模塊為直流電源，其電源范圍為3.3～5.0V，典型值為 4.2V[10]。在休眠狀態(tài)時，模塊平均電流消耗為3.5mA，在空閑狀態(tài)時為 25mA，而在發(fā)射狀態(tài)時為300mA，峰值時為 2.5A。其芯片支持雙12位A/D轉(zhuǎn)換器，電流于數(shù)據(jù)傳輸時達(dá)到峰值，此時，若送入模塊的電源電壓高于3.3V或電壓下降值超過0.4V，模塊將會自動關(guān)斷[11-12]。TC35I 模塊通過一個 ZIF（Zero Insertion Force，零阻力插座）連接器引出 40 個引腳，將其劃分為電源、數(shù)據(jù)輸入/輸出、SIM卡、音頻接口和控制5個部分。其中，引腳1-5為正電源輸入腳，引腳6-10為電源地，引腳24-29分別為 CCIN、CCRST、CCIO、CCCLK、CCVCC 和CCGND[13]。此外，通過啟動管腳將TC35I模塊進(jìn)行啟動后，需對其進(jìn)行工作模式、波特率等一系列參數(shù)值的設(shè)定。

節(jié)點ni進(jìn)行數(shù)據(jù)包傳輸時，當(dāng)檢測到的數(shù)據(jù)信息為1時，分為兩種情況：第一種情況為節(jié)點nj成功接收節(jié)點ni傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)通信正常;第二種情況為節(jié)點ni與節(jié)點nt同時傳輸數(shù)據(jù)包，節(jié)點nj接收nt數(shù)據(jù)包失敗，但該種情況發(fā)生概率較小。當(dāng)檢測到的數(shù)據(jù)信息為0時，需將節(jié)點ni進(jìn)行隨機退避，隨機退避后若未檢測出同時傳輸，則說明節(jié)點nj處未產(chǎn)生數(shù)據(jù)沖突，導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失的原因分為3類：節(jié)點休眠、通信鏈路不穩(wěn)以及初始時隙無其它節(jié)點。節(jié)點休眠丟失數(shù)據(jù)包指由于處于休眠狀態(tài)的節(jié)點電源關(guān)閉，無線電收發(fā)器不再進(jìn)行工作，導(dǎo)致節(jié)點既無法發(fā)送數(shù)據(jù)包也無法接收數(shù)據(jù)包，即使處于節(jié)點ni廣播范圍內(nèi)也不能接收到對方發(fā)出的數(shù)據(jù)包;通信鏈路不穩(wěn)丟失數(shù)據(jù)包指由于通信鏈路質(zhì)量處于無規(guī)律變化狀態(tài)，節(jié)點ni廣播時，節(jié)點ni與節(jié)點nj的通信鏈路質(zhì)量可能急劇下降，導(dǎo)致節(jié)點nj無法接收到節(jié)點ni的數(shù)據(jù)包，造成數(shù)據(jù)包丟失;初始時隙無其它節(jié)點丟失數(shù)據(jù)包指由于節(jié)點nj不處于節(jié)點ni廣播范圍內(nèi)，無法接受到數(shù)據(jù)包。隨機退避后若檢測出同時傳輸，則說明該節(jié)點處存在數(shù)據(jù)沖突，具體原因是由于節(jié)點nt處于休眠狀態(tài)，致使節(jié)點ni偵聽到信道空閑進(jìn)行廣播，節(jié)點ni于t時刻發(fā)送數(shù)據(jù)包至節(jié)點nj時，節(jié)點nt喚醒同時發(fā)送數(shù)據(jù)包至節(jié)點nj，節(jié)點nj處產(chǎn)生數(shù)據(jù)沖突，導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失。本文檢測系統(tǒng)主要功能是檢測數(shù)據(jù)沖突的情況，即檢測到數(shù)據(jù)信息為“0”時，節(jié)點進(jìn)行退避后再偵聽并同時傳輸。

數(shù)據(jù)具體軟件流程如圖7所示。CC2530軟件需先進(jìn)行系統(tǒng)上電，主程序運行后將網(wǎng)絡(luò)初始化，若未初始化，則重新初始化網(wǎng)絡(luò);若初始化成功，則接收節(jié)點檢測信息。將檢測信息進(jìn)行存儲和上傳后，判斷是否繼續(xù)接收節(jié)點信息。STM32F103VB軟件同樣需先進(jìn)行系統(tǒng)上電與網(wǎng)絡(luò)初始化，準(zhǔn)備就緒后，發(fā)送檢測指令，讀取E2PROM的存儲數(shù)據(jù)，為STM32F103VB主處理器分析處理數(shù)據(jù)提供依據(jù)，節(jié)點數(shù)據(jù)包接收、分析狀態(tài)檢測信息后，將進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、存儲與無線打印，最后判斷是否結(jié)束檢測，未結(jié)束則繼續(xù)發(fā)送指令進(jìn)行檢測。

4 結(jié)語

文中結(jié)合傳感器節(jié)點接收數(shù)據(jù)包狀態(tài)檢測和無線通信技術(shù)，設(shè)計了基于CSMA/CA通信協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)沖突檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)采用STM32F103VB主處理器和CC2530無線傳感節(jié)點雙處理器結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了傳感器節(jié)點在線檢測及節(jié)點自身狀態(tài)信息的實時傳輸與數(shù)據(jù)處理能力優(yōu)化。利用 TC35I模塊為傳感節(jié)點供電，確保傳感器節(jié)點正常工作。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、運作靈活、不受地形條件控制，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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（責(zé)任編輯：江 艷）