低功耗远距离多跳无线传感器网络系统设计

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1、精品论文推荐低功耗远距离多跳无线传感器网络系统设计马晓泉 北京邮电大学信息与通信工程学院，北京（100876） E-mail: nemoqd摘要：无线传感器网络由大量低成本、低功耗、多功能的微型无线传感器协同组织而成，综合了通信技术、嵌入式计算技术，分布式信息处理技术和传感技术，使机器能感知外界环 境并做出反应，使人们能随时随地获取详实可靠的信息，让无处不在的计算成为可能，是具有广阔前景的新兴技术。在无线传感器网络中，传感器节点是组成无线传感器网络的基本单位。本文根据节点设计技术和性能要求，选择 Atmega128 为处理器，nRF905 为射频芯片， 开发了低功耗无线传感器节点，并设计、实现

2、了多跳无线传输的通信协议，包括物理层、数 据链路层和网络层协议，将多个传感器节点组织成一个无线多跳传感器网络系统，并在实验 场景中对其进行了功能和性能验证，得到了预想的实验结果。该系统能耗低，简单易部署， 可应用于车位检测、环境监测等系统中。关键词：低功耗；多跳；无线传感器网络1.引言无线传感器网络(wireless sensor network, WSN)由大量低成本、低功耗、多功能的微型 无线传感器协同组织而成，综合了通信技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和传感 技术，使机器能感知外界环境并做出反应，使人们能随时随地获取详实、可靠的信息，让“无 处不在的计算”成为可能，是具有庞大生命

3、力的新兴技术。无线通传感器网络将在人们的生 产、生活中扮演越来越重要的角色,有着广泛应用前景。传感器节点是组成无线传感器网络 的基本单位。本文以 Atmega128 为处理器，NRF905 为射频芯片开发了低速率传感器节点，并设计、 实现了传感器网络物理层到网络层通信协议，将多个传感器节点组织成一个无线多跳传感器 网络，最后将此网络应用于车位检测系统中。2.传感器节点系统设计传感器网络系统通常包括传感器节点(sensor node)、汇聚节点(sink node)和管理节点。 如图 1 所示，大量传感器节点随机部署在监测区域(sensor field)内部或附近，能够通过自组 织方式构成网络。

4、传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输，经过多跳后 路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。图 1 无线传感器网络处理任务过程图- 8 -无线传感器网络的节点系统是构成无线传感器网络的基础，是承载无线传感器网络的信息感知、数据处理和网络功能的基本单元。所有与传感器网络相关的协议、机制和算法等都 需要在节点上得到实现并加以优化才具有实际意义。传感器网络节点的开发，主要是传感器 节点和汇聚节点的开发。2.1 节点设计技术要素在节点设计过程中，主要需要考虑以下几个因素1：1 硬件成本要低廉 无线传感器网络一般都是大范围、高密度部署。在目标环境中需要使用几百到数千个节点，就需要

5、将每个节点的硬件成本降到足够低，使这种大规模应用成为可能。2 足够的数据处理及存储能力 无线传感器网络节点负责采集数据并传输，需要有一定存储空间缓存数据；无线发送时要对数据进行处理，需要节点有一定的处理能力；传感器网络节点还担负路由功能，对处理 及存储能力也有需求。在节点设计时，需要结合应用，让节点具有足够的数据处理和存储能 力，能同时完成数据采集和数据传输功能。3 低功耗 无线传感器网络节点一般采用电池供电，并且大多数被部署在野外或人不易到达的地方，更换电池是很困难的。需要节点具有低功耗特点，延长节点工作时间2。4 配置灵活 根据不同的应用，需要使用不同的传感器。无线传感器网络节点设计时，需

6、要考虑通用性，节点提供通用接口，方便更换不同传感器，达到灵活配置的目的2.2 无线传感器网络节点体系结构通常无线传感器节点硬件平台包括以下几个基本单元：处理器单元、存储器单元、射频 单元、扩展接口单元、传感器以及电源。本文实现的无线传感器节点硬件平台也采用了这一 结构，节点硬件的组成如图 2 所示。处理器单元和射频单元是核心部分。下面详细介绍这两 部分的设计。图 2 无线传感器网络节点硬件组成图2.2.1 处理器处理器决定了节点的数据处理能力、路由算法的运行速度以及无线传感器网络形式的复 杂程度。同时，不同处理器工作频率不同，在不同状态下功率也不同，处理器的选择直接影 响到节点处理能力，还影响

7、到节点的整体能耗及工作寿命。选用处理器时，一般根据处理器工作频率、功率、内部程序存储空间大小、内存大小、 接口数量以及数据处理能力来选择。ATmega128L 是 ATMEL 公司于 2001 年推出的采用低功耗 COMS 工艺生产的基于 AVRRISC 结构的 8 位微控制器。支持 C 语言编程，采用了大型快速存取寄存器文件和快速单周 期指令，对目标代码大小、性能以及功耗进行了优化。内部采用 Harvard 结构，在使用 16M 时钟时， 速度可达 16MIPS。是目前 AVR 系列中功能最强大的单片机。ATmega128L 具有 更加丰富的资源和极低的能耗。它具有片内 128KB 的程序存

8、储器(Flash)，4KB 的数据存储 器(SRAM)。可外扩到 64KB 和 4KB 的 E2PROM。此外它还有 8 个 10 位 ADC 通道，2 个 8 位和 2 个 16 位硬件定时，计数器。并可在多种不同的模式下工作；8 个 PWM 通道、 可编程看门狗定时器和片上振荡器、片上模拟比较器；UART、SPI、I2C 总线接口；JTAG 口为开发和调试提供了方便的接口。除了正常操作模式外，ATmega128L 还具有 6 种不同等 级的低能耗操作模式每种模式具有不同的能耗。因此 ATmega128L 非常适合于低能耗的 应用场合。另外 ATmega128L 外形很小。可以减小节点的尺寸

9、。2.2.2 射频通信模块 在无线传感器网络节点中，除了微处理器外，另外一个重要的部分就是射频通信部分。受无线传感器网络节点能量和处理能力方面的限制，无线传感器网络一般选用使用 ISM 波段的普通射频通信以及具有 802.15.4 协议和蓝牙通信协议的射频通信。nRF905 工作于 433/868/915MHz，3 个 ISM(工业、科学和医学)频道，发射功率最大为10dBm，接收灵敏度为 460dBm，在开阔地传输距离一般可达 600m 以上。支持 7 个独立的 通信信道，各信道传输速率为 50kbps。nRF905 采用 SPI(串行外设接口)与微控制器通讯，它自动处理字头和 CRC(循环

10、冗余码 校验)，由硬件完成曼彻斯特编码/解码，使用极为方便。另外，在发送数据时，nRF905 尽 量减少数据量，保证最小的传输时间。以发送一个 32bit 的数据为例，nRF905 信息包的组 成：8bit 的前导码、32bit 的地址信息、32bit 的数据和 8bit 的 CRC 校验，一共需发送 80bit； 而 IEEE802.15.4 标准总共要发送 152bit 数据。nRF905 能有效减少发送时间，从而减小冲 突概率，提高带宽的利用率。nRF905 适合用于低数据速率、低活动的网络。符合无线传感器网络的特点。我们选择nRF905 作为传感器网络节点的射频通信模块3。本文以 At

11、mega128 为处理器，NRF905 为射频芯片，开发了低速率传感器节点，包含了2 个 RS232 接口，1 个 JTEG 接口，射频模块接口，主处理器、外接晶振、电源等各部分。 在此节点基础上可以进一步设计并实现传感器网络通信协议。3.通信协议设计与实现随着传感器网络的深入研究，研究人员提出了多个传感器节点上的协议栈4。图 3 所示 是早期提出的一个协议栈，这个协议栈包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层， 与互联网协议栈的五层协议相对应。另外，协议栈还包括能量管理平台、移动管理平台和任 务管理平台。这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作，在节点移动 的传感器网络

12、中转发数据，并支持多任务和资源共享。为组建一个多跳的无线传感器网络，本文设计并实现了物理层、数据链路层和网络层协 议。3.1 物理层图 3 无线传感器网络通信协议栈结构图物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术，负责载波信号频率选择、产生载波射频、信号检测、调制解调及数据加密解密。由于选用了 nRF905 射频通信模块，物理层功 能都在 nRF905 射频通信模块硬件完成，只需做好 nRF905 射频通信模块初始化配置工作就 可以了。nRF905 射频通信模块初始化时，需要对工作频段、重发机制、节电模式、输出功率、 发送接收地址宽度、发送接收有效数据长度、接收地址、CRC 校验和时钟频率等

13、进行设置。 在本系统中，节点工作在 433.2MHZ 频段；关闭重发机制，在物理层无重发，在数据链路 层实现重发；开启节电模式；输出功率设为 10db；发送接收地址宽度设为 4 字节；发送接 收有效数据长度设为 31 字节；接收地址设为 0xE7 E7 E7 E7，无线传感器网络中每个节点 的接收地址都设得相同，是为了简化广播的实现，这里的接收地址是随意选择的一个值，可 以是任何一个四字节的数；开启 CRC 校验，射频模块工作频率为 16MHz。nRF905 有两种工作模式和两种节能模式。两种工作模式分别是 ShockBurstTM 接收模 式和 ShockBtwstTM 发送模式；两种节能模

14、式分别是：掉电和 SPI 编程模式，待机和 SPI 编程模式。掉电和 SPI 编程模式下芯片进入节电模式在该模式下芯片的收发模块均停止工作，要唤 醒收发模块需要转换到其它工作模式，在该模式下 Atmega128L 可以通过 SPI 接口向 nRF905 发送指令或数据。待机和 SPI 编程模式下芯片进入待机状态，收发模块可以以比掉电模式更快的速度转换 到接收或发送模式，在该模式下 Atmega128L 也可以通过 SPI 接口向 nRF905 发送指令或数 据，该模式的耗电量要大于掉电和 SPI 编程模式，但小于接收或发送模式的耗电量。3.2 数据链路层数据链路层负责数据成帧、帧检测、媒体访问

15、和差错控制。无线传感器网络主要依靠介 质访问控制(Medium Access Control, MAC) 协议。无线传感网络中的 MAC 协议是物理层上面的第一层，属于数据链路层。它规定了无 线信道的使用方式，决定如何在节点之间分配有限的通信资源，构建传感器网络系统的底层基础结构, 对传感器网络的性能有较大影响。本文 MAC 层参考 IEEES02.11DCF，在其基础上做了一些修改，使其实现尽量简单，适应传感器节点低处理能力，低速率特点5。3.2.1 MAC 层帧格式设计本文的节点射频模块选用 nRF905，nRF905 具有片上处理 MAC 层协议的功能。nRF905 封装的 MAC 层帧

16、格式如表 1 所示，包括 4 字节的目的地址，8 字节的有效数据以及 1 字节 的 CRC 校验码。有效数据是在 nRF905 初始化时设置的，最大可达 32 字节。另外，每发送 一帧，之前会先发送 1 字节的前导码。表 1 MAC 帧格式字节1481前导码目的地址有效数据CRC 校验MAC 帧格式3.2.2 MAC 层处理过程MAC 协议主要有四个模块：广播数据接口；冲突检测/避免（CDMA/CA）接口；发包 接口；随机退避接口。广播数据接口向一跳范围的所有节点广播一个数据报文，这是网络层 实验洪泛的基础。冲突检测/避免（CDMA/CA）接口对多个发送方共享的信道进行冲突检测， 发现冲突则调

17、用随机退避接口来进行冲突避免。发包接口先将 nRF905 设成待机状态， Atmega128L 通过 SPI 接口将发送的数据和该报文的目的地址写入 nRF905 的数据寄存器 和地址寄存器，之后使 nRF905 进入发送模式，完成物理层发包的准备工作。MAC 层协议的发包过程可分为：数据准备，载波监听，数据发送三阶段。MAC 层协 议发送数据报文的流程如图图 4 所示：当节点有数据需要发送时，先创建一个新的包，并填好报文头各字段，如目的地址，源 地址，包类型，包序列号等。然后在报文的数据域填上要发送的数据。然后将整个包文内容 作为物理层数据部分，通过 SPI 串口写入 nRF905 的发送数

18、据寄存器，到此完成数据准备工 作。数据准备在函数 MACBroadcast 和 sendData 中实现。待发送的包准备好后，就转到载波监听部分。完成载波监听功能，需要将射频模块的状 态转到接收模式，然后通过循环查询射频模块载波监听位 CD 来判断信道是否空闲。如果 CD 位为 0，表示信道空闲，可以发送数据了。如果 CD 位为 1，则需要执行随机退避算法， 然后再继续监听 CD 位，如果重复查询 CD 的次数超过上限值 Resend_MAX 时，发送失败。 载波监听在函数 CSMA_CA 中实现。图 4 MAC 层协议发送流程图检测到信道空闲，就进入数据发送阶段。因为要发送的数据已经在数据准

19、备阶段存入了 发送寄存器，所以在这里只需要将 nRF905 状态置为发送模式，并等待发送完毕即可。发送 完成后，需要马上将 nRF905 状态转到接收模式，以免 nRF905 在其他工作模式停留太长时 间而影响接收。数据发送在函数 sendData 中实现。退避机制是一种无线信道竞争解决方法，它通过确定节点每次在发送报文前所需经历的 退避时间来保证接入的有效性，达到合理利用系统资源的目的。退避算法既要尽量降低各节 点间的冲突概率，又要避免因退避时间过长而降低信道利用率，同时还要保证各节点信道接 入的公平性。本文参考 IEEES02.11DCF，采用二进制指数退避算法(Binary Expone

20、ntial Backof，BEB)来解决节点的退避时间计算问题。生成随机数的算法是 MAC 层协议的一个关 键算法，需要在 Atmega128L 上实现生成随机数的算法。3.3 网络层网络层主要负责路由生成与路由选择。文中网络层协议采用经典洪泛算法，使得每个节 点具有报文转发多跳互联能力。如图 5 所示，当接收到一个正确的包后，需要先判断是否需要转发。只有目的节点不是 本地节点，并且是第一次接收到的包才需要转发。将包文头部的目的节点地址字段与本地节 点的 MAC 地址比较。如果一致，表示此包就是发往本地节点的，无需再转发。如果包文头 部的目的节点地址字段与本地节点的 MAC 地址不一致，则需要

21、进一步判断是否是第一次接 收到此包。包文头部的源地址，目的地址，序列号三个字段合起来，可唯一区分网络中的一 个报文。MAC 层协议只实现了广播发送数据报文，目的地址都一样。所以只需用到源地址， 序列号两个字段来唯一标识一个报文。每个节点中会维护一张表，记录最近收到的 20 个包 文的（源地址，序列号）点对。当节点收到一个报文时，将它的（源地址，序列号）点对提取出来，在表中查找。如果找不到，就表明此报文是第一次接收的，需要转发，同时将它的（源地址，序列号）点对加入表中。如果找到了，直接丢弃此包不做处理。转发包的过程与 发送一个包过程相似。只是不需要再创建一个包并初始化报文头了。但仍需要将包通过

22、SPI 写入 nRF905 的数据寄存器，再进行载波监听，待信道空闲时发送。图 5 洪泛算法实现流程图表 2 网络层数据包字节11114目的地址地址类型编号数据MAC 帧格式4.试验设计及结果分析在本章中，将在 WINAVR 开发平台下，用 C 语言实现 S-MAC 协议和 IEEE802.11MAC 协议，并在以 Atmega128 为处理器，NRF905 为射频芯片的传感器节点上运行这两种 MAC 协议，通过实验收集这两种 MAC 协议网络的主要性能数据。通过对实验数据的分析达到以 下三个目的:(l)验证代码是否能完成 MAC 协议要求的功能;(2)研究 MAC 协议对真实无线传感器网络性

23、能的影响; (3)通过实验找出对 S-MAC 协议进一步改进的方向和建议。sleep sleepECRTSARTSBDFCTSCTSDATA图 6 功能验证实验场景图5.结论图 7 性能测试实验场景图实验表明，该节点在试验中应用良好，电路板可以实现两个节点间的通信。节点还可以通过插接不同类型传感器来达成不同的感测应用，具有高度的弹性。在建立这样一个硬件后。 我们便可以依照研究目的的不同，更改传感器及应用程序。为进一步的无线传感器协议研究、 安全性研究等打下了坚实的基础。参考文献1 李建中，李金宝，石胜飞传感器网络性能评价指标J软件学报，Vol.14，No.102 L. M. Feeney，M.

24、 NilssonInvestigating the energy consumption of a wireless network interface in an ad hoc networking environmentCIEEE INFOCOM, 20013 李治龙，曾碧nRF905 模块和 SPI 接口的点对点无线通信系统J计算机科学，2007，Vol.32 No.54 崔莉，苗勇，赵泽无线传感器研究进展J计算机研究与发展，2005 年5 安红章，谢上明移动 Ad Hoc 网络 MAC 协议综述J通信技术，2005，9Energy-Efficient Long-Distance Mul

25、ti-Hop Wireless SensorNetwork DesignMa XiaoquanBeijing University of Posts and Telecommunications, Beijing, PRC (100876)AbstractWireless sensor network is made up of many low-cost energy-efficient multi-functional wirelesssensors. It is based on the technology of communication, computing, informatio

26、n-management and sensor, so that devices can detect the environment and respond and people can get reliable information anytime and anywhere. It has a bight prospect. In the wireless sensor network, sensor node is the basic unit. This paper provides a design of energy-efficient wireless sensor based

27、 on Atmegal128 and nRF905 according to the request of function and capability. It designed and realized the communication protocol of multi-hop wireless transmission, including the protocol of physical layer, data-link layer and network layer. This system organizes several nodes to shape a wireless multi-hop sensor network. The function and performance have been verified in test environment and proper result was gained. It is energy-efficient and easy to adopt. It can be used in parking-space detection, environment or other systems.Keywords: Energy-Efficient；Multi-Hop；Wireless Sensor Network