基于无线应急灯系统的通信协议设计

程凯韬，高 超，葛泉波

(杭州电子科技大学自动化学院，浙江杭州310018)

0 引 言

现代火灾己呈现出立体化、复杂化、多样化的趋势，对人民的生命和财产造成很大的威胁和损失［1］。本文提出将无线传感网络技术应用到无线消防应急灯中，但是这对如何使用合适的无线路由协议提出了要求［2］。现有的通信协议虽然技术上大多已经足够成熟，但因为受到硬件不兼容、协议不开源、协议实现过于困难等原因，很难将现有协议在短期内应用到应急灯系统中［3］。而应急灯系统的特点是灯具分布固定且较为稀疏，当发生火灾时对节点功耗及链路的稳定性要求较高，由此本文提出利用扩展星状网络路由协议扩大传输范围并提高传输稳定性。

1 通信协议系统架构

基于无线应急灯系统的通信协议的目的是建立一个以上位机为数据包最终传输目的地，以基站节点为根节点，以中继节点为指定域内汇聚节点的扩展星状网络。在该通信协议中，节点在保证稳定性的前提下，对每一个叶子节点以最短的传输延迟，较少的功耗下完成数据包的传输。

基于无线应急灯系统的通信协议作为无线传感网络的整套系统的通信协议，根据通信介质的不同，分为基站与上位机通信有线协议和节点间通信的无线协议。通信协议系统架构如图1所示。图1中系统可分为节点、基站和客户端3个层次。节点间通信处在节点层，无线节点根据该协议将采集到的参数通过无线网络传输给基站。基站再根据处在基站和客户端层的节点间通信协议将数据包传递给服务器和个人电脑机［4］。

图1 基于无线应急灯系统的通信协议系统架构

2 通信协议原理

通信协议实质是将无线节点采集到的参数通过稳定安全的方式传输到用户的电脑上。但由于数据包在传输过程中必须经历无线和有线两种传输方式，所以由此延伸出节点间路由协议和基站与上位机通信协议这两种协议。这两种协议都是为了完成数据包有效传输，但原理各不相同。

2.1 基站与上位机通信协议

无线节点与上位机通信依靠基站节点上传和下发数据完成，而基站节点则通过有线串口协议与上位机进行通信。

协议运行机制。协议根据实际需要提出以下3种数据包:心跳数据包。由于无需上传任何其他多余数据，故心跳数据包中的数据区域为空，而楼层号、节点号、组号等信息都与基站节点自身有关，发送心跳包的目的是为了告诉上位机基站节点的连接情况;传感器数据包。根据设备类型的不同，上传的传感器数据包格式及内容将有所不同;命令包。即是有上位机对整个无线传感网络进行控制包［5］。

2.2 节点间路由协议

实际协议位于无线路由协议的路由层，而数据链路层由半导体实验室公司研发的开源路由协议构成。在应用层部分，用户可以根据应用场合的不同嵌入相应的功能。

协议运行机制。节点间路由协议网络拓扑结构采用扩展星状网络结构，拓扑形状固定。网络叶子节点数小于1000个，中继节点跳数小于两跳。为了降低传输延迟，并提高通信系统的稳定性，协议利用不同载波频率来划定系统内的传输区域，不同传输区域间数据传输同时进行。节点间路由协议拓扑构成如图2所示。

节点间路由协议的形成可分为拓扑建立、中继转发和数据上报3个部分。

在系统启动之初，首先是拓扑建立。上位机预先知道准确的拓扑结构，并且整套系统根据规定好的通信链路进行传播。首先叶子节点将根据传输区域的不同直接或通过中继节点间接向基站节点发送入网申请包，基站节点根据路由表大小及是否出现重复节点判断叶子节点是否能够入网。一旦叶子节点通过入网审核，基站将向叶子节点发送同意入网应答包，否则发送不同意入网应答包。

叶子节点加入网络后，协议进入数据上报部分。叶子节点通过自身的实时时钟功能，定义一定的时间间隔(1s至1h)进行传感器数据采集，采集完成后将传感器数据发送给基站节点。同时基站节点根据路由表对非入网的传感包进行过滤，对入网的传感包上发给上位机［6］。

中继转发部分只针对中继节点而言。只要系统处于开启状态，中继节点一直在工作，其间歇性工作在基站节点和自身传输区域的载波频率。中继节点首先在自身传输区域内收集到所有该传输区域内叶子节点的数据包，再更改其载波频率将采集到的所有数据一一上传给基站节点。

图2 节点间路由协议拓扑构成

3 通信协议实现分析

基于无线应急灯系统的通信协议实现通过基站、中继和叶子3种节点设备构成。由于功能不同，所以内部实现方式也不相同。

就像前面描述的那样，基站节点管理网络，收集叶子节点发送过来的数据包，并将其转发给上位机。当基站节点接收到数据包后首先将其归类，区别出入网请求包和数据包。对入网请求包进行过滤，最终判断是否需要更新网络表，并发送应答包。对数据包同样进行过滤，并发送应答包，同时将有效的数据包上报给上位机。基站节点为了定时更新网络表，开设一个定时器以一定的周期(500ms)定时淘汰超时未上传数据的节点。并且基站节点开设一个中断入口检测是否收到数据包。

电源打开后子节点还没接入到网络中。它会发送一个请求入网数据包给主节点，并且等待主节点的回复一个时间周期。主节点的回复不是接受就是拒绝。请求入网数据包包含了一个入网节点的ID号和所处的楼层号，它用来区分同一时间不同的请求入网节点。

一旦子节点进入入网模式，它会周期性地给主节点发送数据。发送完一个数据包后，子节点等待主节点的回复。如果回复是确定的，子节点进入睡眠模式，到发送下一个数据包时醒来。如果回复是否定的，意味着根据主节点，子节点没有入网，子节点将回到未入网模式。这种情况发生在上位机长时间没收到来自子节点的数据包。这时，上位机会将相应子节点从网络中移除。如果连一个告知收到的数据包都没有，子节点将增加一个错误记数。当错误记数达到设定的值时，子节点回到未入网模式，这表明子节点与主节点的连接中断［7］。

当中继节点启动时设定为自身传输区域的载波频率，接收所有叶子节点的数据包。直到数据包接收完毕后，节点改变为基站节点载波频率，并将接收到的节点数据一一上报给基站［8］。

4 通信协议性能测试

测试项目:传输延迟、传输丢包率、传输范围、叶子节点单位能耗。

无线传感网络传输设备:30个叶子节点，一个中继节点、一个基站节点、一台联想台式电脑。

测试地点:5 000m2的单个楼层内。

测试方法:设定叶子节点以1min为周期，20dbm为发射功率，433MHz为载波频率发送数据包。所有叶子节点均匀分布在楼层中，设定1－15号节点为传输区域1，16－30号节点为传输区域2，中继节点位于传输区域2中。基站节点通过通用串行总线口与联想电脑相连。

如表1所示4组参数分别为4组参数测得数据，从数据中可以看出以本文研发的通信协议建立的无线传感网络传输延迟时间短，信号数据丢包率低，信号覆盖范围广且能耗低，完全能够满足实际测量的需要。该协议使用中继节点方式扩展传输范围，同时利用不同的载波频率划定传输区域，这样在传输范围扩大的同时优化了传输延迟。同时，协议本身的实现比较简单，对节点计算和存储资源的消耗都非常少。

表1 传输延迟性能数据

5 结束语

本文介绍了一种在无线消防应急灯背景下提出的新型无线传感网络通信协议。该协议规定了整个无线传感网系统的通信方式，根据有线和无线将通信协议划分成基站与上位机的通信协议和节点间的路由协议。叶子节点利用传感器采集环境参数后遵循该通信协议将数据包通过无线方式经过中继或直接传输给基站节点，之后基站节点再将滤除后的可用数据通过有线方式传输给上位机。协议本身实现简单，对节点计算、存储资源和功率消耗都非常少。本文最后通过无线网络的实际部署，从传输延迟、传输丢包率、传输范围、叶子节点单位能耗4个方面证实了该通信协议符合实际测量需要。

［1］ 吕大蔚.消防报警系统的设计与实现［D］.大连:大连理工大学，2007.

［2］ 肖昕宇.基于ZigBee技术的无线消防报警定位系统［D］.长沙:湖南大学，2007.

［3］ Elson J，Estrin D.Wireless Sensor Networks:A Bridge to the Physical World［M］.Wireless:Sensor Networks，2004:3－20.

［4］ Foschini G.Layered Space－Time Architecture for Wireless Communication in a Fading Environment When Using Multiple Antennas［J］.Bell Laboratories Technical Journal，1996，(1):41 －59.

［5］ 王雷，徐振明，陈英革，等.XMesh组网技术的应用研究［J］.常熟理工学院学报，2009，23(10):89－118.

［6］ 朱晓静，胡伟武，马可，等.Xmesh:一个mesh—like片上网络拓扑结构［J］.软件学报，2007，18(9):2 194－2 204.

［7］ Frodigh M，Johansson P.Wireless Ad Hoc Networking－the Art of Networking withouta Network［J］.Ericsson Review，2000，(4):248－262.

［8］ 刘丹娟，梁光胜，郝福珍.基于无线抄表系统的Zigbee网络节点的设计［J］.中国电力教育，2009，(增刊):471－473.