基于CC2510的无线自组织传感器网络构建

2012-07-12南京信息职业技术学院

电子世界 2012年13期

南京信息职业技术学院孙玥魏欣

南京信息职业技术学院孙玥魏欣

无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个网络系统。考虑到体积和节能等因素，对于很多应用场合来说，传感器的发射功率不可能很大。为了保证传感器节点间协作，提高网络的吞吐量，改善网络的性能；采用了CC2510芯片来构建无线自组织传感器网络的方法，实验结果表明，自组织网络具有无中心、自组织、多跳路由、动态拓扑等区别于普通网络的特性，提高了网络的整体效用。

CC2510；自组织网络；路由协议；无线传感器网络

1.引言

无线传感器网络由无数个随机分布的节点构成，每个节点均集成有传感器模块、数据处理模块和通信模块[1]。各个节点又通过自组织的方式构成网络，通过内置的多样化的传感器测量所在周边环境中的热、红外、声、电磁波等信号，从而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力等相关信息。随着无线传感器网络技术的不断发展和深化，其应用范围也越来越广，适用于军事、环境监测、工业控制、农业生产、医疗护理、建筑物监控等领域。由于无线传感器网络的特点，要求其节点具有集成度高、低能耗和廉价等特点[2]。因此选择一款合适的专用芯片，来构建无线传感器节点至关重要。本文讨论了采用TI公司出品的CC2510芯片来组建无线传感器网络和通信协议的研究。

2.CC2510芯片功能与结构

TI公司推出的CC2510芯片是一种低成本的无线片上系统(SoC)，专为低功耗无线应用而设计的。在CC2510芯片中主要集成了一个标准的增强型8051MCU，同时还包括了一个无线收发模块CC2500芯片。整个芯片的尺寸只有6´6mm，尤其适合于对器件大小有限制的场合。

8051MCU自带了32KB Flash和4KB RAM，还包含了8～14位模/数转换器（ADC）、定时器、AES128协处理器、看门狗定时器、32KHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路以及21个可编程I/O引脚。CC2510收发模块则工作在2.4GHz免费频段上。

CC2510芯片的最大特点在于其低功耗的特性，CC2510采用了4种低功耗工作模式，并且可以通过外部中断和计时器从休眠状态快速唤醒，处于低功耗工作状态时电路消耗在0.3-0.5uA[3，4，5]。

由此可见该芯片既能进行常规无线通讯同时还能对数据进行处理，自带的ADC为采集和利用外接传感器数据提供了极大的便利。低功耗、低成本和小尺寸等一系列特点决定了该款芯片在无线传感器网络中有极大的应用前景。

3.节点设计与网络构建

无线传感器网络由大量的小尺寸、低成本、低功耗传感器节点构成。一个最简节点的基本构成包括了传感单元(传感器和数/模转换)，处理单元(处理器和存储器)，通信单元(无线收发模块)以及电源单元(电池或直流电源)，其结构如图1所示[6]：

相对于传统的传感器网络，无线传感器网络有以下一些特点[1]：

（1）要求较高的散布密度，保证数据采集的全面和完善。

（2）采用电池供电，有些场合不便于经常更换电池，因此要求无线传感器节点尽量做到低能耗，采用电池即能维持较长的工作周期。

（3）较强的容错能力，保证了传感器节点可以大范围散布，并能工作在相对恶劣的环境中。

显然，要满足这些要求苛刻的要求，采用TI公司的CC2510芯片来组建无线节点无疑是不二的选择。

3.1 无线传感器节点的设计

图1 无线传感器节点的基本构成

表1 无线传感器网络路由表

表2 广播数据包格式

表3 发送广播数据包

表4 回应数据包格式

表5 数据包格式

表6 数据包格式实例

表7 数据包格式1

表8 数据包格式2

表9 数据包格式3

图2 基于CC2510的无线传感器节点结构

图3 无线传感器网络结构图

根据上文提到的无线传感器节点的基本构成可以看出，采用传统设计，除去独立的传感器至少要采用两片芯片，其中一片负责数据的采集和处理，另一片则负责无线通信。由于CC2510芯片将2.4GHz的无线接收机与工业级高性能8051单片集成到了一起，同时还自带了ADC，因此采用一片CC2510芯片即能胜任数据处理和无线通信两大主要功能。其节点构成如图2所示，可见其结构相对图1而言大大简化[7，8]。

3.2 无线传感器网络的结构

无线传感器网络构成通常包括了一个中心节点和若干个子节点构成。子节点主要负责对传感器的管理、数据采集和传输，同时还要负责将来自低一级子节点的数据传输到高一级子节点或是中心节点。中心节点的任务主要是对各级节点进行管理同时收集来自各级节点的检测数据，并与PC机进行通信，将数据传输到基站或是因特网，对所测数据进行综合处理。其基本结构如图3所示。

4.无线传感器网络通信协议

4.1 节点的自组织

首先，打开所有节点电源，保证其均处于交互状态。然后，将它们随机散布到待检测区域，但要保证至少有一个节点在中心节点的通信范围呢，同时任一个节点通信范围内至少有一个节点。每个节点通信范围以及自组织形式如上图3所示。

在完成节点的随机散布之后，中心节点开始发送命令进行节点的自组织。首先，中心节点（0级0号节点）进行广播，3号和5号节点收到广播后回应中心节点，将其自身节点定义为1级节点。根据3号和5号节点的回应信号，中心节点更新其路由表。接着，3号和5号节点开始广播，并根据回应信号更新路由表。当2号和6号节点收到来自1级节点的广播后，将自身定义为2级节点。依次类推，各节点定义自身级别，并完成路由表的更新。各节点路由表如表1所示。

在自组织网络之前，数据包的路由表是空的。在进行自组织过程中，各节点只有通过广播相互联系，进行广播时的数据包格式由表2所示。

发送广播数据包时由于目标和最终地址不确定，因此采用“FFH”表示。“From”表示进行广播的地址，同时传输数据为空。当节点收到此广播将更新“From”的数据。如表3所示。

当收到广播数据后，回应的数据包格式如表4所示

表中，“To”表示回应的目标地址，“From”表示回应的地址，“FFH”等待建立路由之后更新，“00H”依旧表示传输数据为空。根据接受到的路由表，收到回应的节点将更新路由表。

在自组织过程中，有些节点可能会收到来自不同级别节点的广播，这样便会造成节点级别的不确定性。通常情况下，系统将会选择最高级作为自身的级别，从而缩短信号传输的次数。在传输信号时，如果各节点同时发送将有可能造成通信阻塞，因此通常会给每个节点定义一个延迟时间，保证通信的畅通。

4.2 数据包格式

在无线传感器网络数据传输过程中，均采用统一的格式。其数据包格式为面向字节的协议。如表5所示。

受到地址和数据属性长度的限制，在整个网络中包括中心节点最多只能有32个节点，每次最多可以传输15个字节的数据，最多经过16次传输。因此在通讯协议的格式中，地址(包括“To”、“Final”、“From”)的格式为：高3位表示表示节点的级别，低5位表示节点的编号。数据属性(“Atrribute”)的格式为：高4位表示数据传输的次数，低4位表示有效数据的长度。通过下面的例子可以明确包格式的含义，如表6所示。

从这个数据包里，我们可以看出：本数据包由1级4号节点发送2字节数据：F1H和F5H到中心节点(0级0号节点)。传输的目的地址为00H(即00000000，表示的是0级0号节点——中心节点)，最终地址也是00H，源地址为23H(即00100011，表示的是1级3号节点)。数据属性是02H(即数据传输次数0次，有效数据长度为2个字节)。其数据最终接受地址同样也是中心节点，共发送了0次。最后一位为数据相加去符号，作为校验和。如果在传输过程中超过16次，而仍未到达最终目的地，这数据包自动丢失。

4.3 数据传输过程

通常无线传感器网络各节点收集到的传感器信号都要送至中心节点处理，但并非每个节点都能与中心节点进行直接通信。只有1级节点才能与中心节点直接通信，其他级别节点则必须先与上一级节点通信，通过一级级的跳跃才能到达中心节点。例如1号节点如果需要与中心节点通信，首先要将数据传输到2级节点，然后是1级节点，最后才能到达中心节点，期间需要经过3次传输。注意在各级别中都有2个节点，通常会依次选择其中的一个进行通信，保持各节点电能的平衡延长整个网络的工作周期。例如1号节点与2号节点进行通信时期数据包格式如表7所示。

当2号节点收到数据完成校验之后，MCU发现数据的最终地址是中心节点。根据路由表，2号节点的上一级节点为1级3号和5号节点，MCU更新数据包的目标地址和传输次数，选择5号节点进行数据传输，如表8所示。

当5号节点收到数据并完成校验后，在对数据进行重新打包向中心节点发送，如表9所示。

最终数据通过2号和5号节点送达中心节点，同样来自于中心节点的控制信号若要发送到每个子节点，也需要按照同样的步骤进行。