混合多址接入的无线传感器网络设计及实现

钟扬坤，向 新，刘在勇，孙 晔

(空军工程大学航空航天工程学院，陕西 西安 710038)

责任编辑:薛 京

作为物联网的重要组成部分，无线传感器网络技术备受关注。无线传感器网络应用前景广泛，已有各种系统应用于军事、医疗、家庭、工业等领域［1］。无线传感器节点网络接入网络的方式可划分为基于竞争和基于调度两大类:基于竞争的接入能满足面向事件驱动的应用需求，但是周期性采样的应用中其能耗过大;基于调度的接入有睡眠调度方面的优势，但是其实时响应性较差。基于两种接入方式的优缺点，学者们提出了混合接入的思想。目前比较典型的有 Z－MAC［2］和 Funneling MAC［3］协议。两者的思想均是采用CSMA和TDMA的混合接入，在信道资源较空闲的情况下使用CSMA，在资源紧张的情况下使用TDMA解决信道冲突问题。此外，Waharte S等人针对分簇型网络簇间覆盖区域重叠并引起簇间传输干扰的问题，提出了FDMA/TDMA 混合接入模型［4］。

在面向事件的监测场景中，需要对周遭环境进行监测，也需兼顾对事件的及时响应、报警。只采用TDMA的接入方式不能满足其需求。在参考 Z－MAC［2］，TLTS［5］和Waharte S等人提出的模型［4］，设计一种混合多址接入的无线传感器网络。网络采用FDMA和TDMA构成混合多址接入，簇间采用FDMA机制，各簇可并行工作。簇内采用TDMA机制，且在TDMA机制下，提供一个公共时隙，供节点监测、判决，在判断为有事件发生时，能通过CSMA竞争与簇头节点建立通信。本文所设计的网络针对周期信息感知和事件检测需求共存的应用场景，提出兼顾系统的节能性和实时响应性的折中方案。

1 系统架构

1.1 网络拓扑

设计采用两级簇结构的层次型网络拓扑结构。分簇结构扩展性好，便于集中管理，可以降低系统建设成本，提高网络覆盖率和可靠性。采用区域划分，不同区域中传感器节点自成一簇，分配一个区域中心节点。整个设计由一个中心节点(汇聚节点)、多个区域中心节点(传输节点)和多个子节点(传感节点)组成。中心节点与区域中心节点构成主簇，区域中心节点与子节点构成二级簇。子节点负责采集环境参量，将数据传递给区域中心节点;区域中心节点负责维持区域内子节点的时间同步、工作状态监测，接收并转发数据;中心节点将汇集的信息通过串口上传至PC端，由上位机软件进行解析。设计所用网络拓扑如图1所示。

图1 系统网络拓扑图

1.2 接入技术应用

系统节点的多址接入是设计的重要部分。多址接入技术可分为TDMA，CDMA，FDMA。TDMA机制中，节点按照预分配的时隙与其他节点通信;CDMA机制为每个节点分配特定的具有正交性的地址码以解决信道的共享;FDMA使用不同通信频率实现多址接入［6］。

基于分区域检测的思路，系统采用基于分簇结构的层次型网络拓扑结构。但是，分簇型网络簇间通信区域重叠会引起簇间传输干扰。如图1中所示的网络拓扑结构，对应区域分布时，区域相邻或重叠时，簇与簇之间的通信会产生干扰。此时，簇与簇间也采用多址接入技术，考虑传感器多工作于无须使用授权的ISM频带，且频道上工作的民用通信设备多，在某一时刻某个频点上可能出现过载，导致系统通信不畅通。因此基于认知无线电思想，利用频率捷变的方式，避免干扰。设计中采用FDMA，将工作频带划分为多个子工作频道，由中心节点采用载波监听的方式对工作信道进行优选，选择主簇和子簇工作频道。在FDMA的基础上实现对单点频率上干扰的规避。

在簇间采用FDMA的基础上，考虑设计的节能性，引入节点状态转换机制，在簇内采用具有内在节能特性的TDMA机制，实现节点的睡眠轮换。此外，为了提高子节点与区域中心节点通信的公平性，在TDMA机制下分配一个时隙供簇内节点以CSMA方式共享此时隙的工作频道。即簇间通信采用FDMA机制，簇内通信采用TDMA机制。

2 系统工作过程

系统的FDMA机制通过区域中心节点的频率切换实现，如图1所示。对频道加标识以便区分，主簇工作在频道0，子簇1工作在频道1，子簇2工作在频道2。主簇和子簇的信息交流以区域中心节点作为中介进行。系统工作过程如图2所示。

图2 网络节点状态转移图

1)初始化阶段包括节点的初始化和网络的初始化。节点的初始化主要指硬件的初始设置、使能。网络的初始化主要指自组织成簇，系统以单晶方式构建簇，一簇内由簇头节点发起形成，每个申请加入簇的节点向簇头节点发出请求，根据簇头节点的不同响应加入簇。

2)初始化结束后由中心节点进行频道情况的感知和优选，通过频道变换信息的发送，完成各级簇的频道分配，节点切换频道后，往上级发送确认信号，从下至上完成变换确认。

3)认知过程结束后，进入工作阶段，所有的区域中心节点设置为中心节点的频道，接收来自中心节点的时间基准信号(工作激活信号)，紧接着，区域中心节点将频道切换到本簇的频道，向簇内节点广播时间基准信号，实现二级簇的同步及工作激活。

4)接收时间基准信号后，各簇内子节点进入监测模式，启动传感器模块，对外部环境进行感知，进行简单的条件判决:环境参数超过一定阈值，则判断为有事件发生，通过CSMA竞争信道、上传报警信号，完成后按照时序继续工作;反之，存储感知到的环境参数，按TDMA机制，依据所分配到的通信时隙进入睡眠模式或通信模式。

5)进入子节点周期工作时间时隙，当前时隙工作子节点处于通信状态，其余子节点处于休眠状态。

3 关键技术

3.1 信道划分、感知、决策

图3 信道划分、感知、决策

3.2 具体时隙划分及节点工作状态

设计中，TDMA时隙划分为:1)感知时隙;2)周期信号上传时隙;3)时钟同步等待时隙;4)区域周期监测信号上传时隙。簇内子节点工作状态分为:1)监测模式，MCU正常工作，传感器模块使能，射频通信模块关闭;2)通信模式，MCU正常工作，传感器模块关闭，射频通信模块使能;3)睡眠模式，MCU处于空闲模式(定时器正常工作，可响应定时中断)，传感器模块关闭，射频通信模块使能。子节点各个时隙和工作状态的对应关系如图4所示。

图4 子节点工作时隙

3.3 TDMA机制下的CSMA竞争时隙

TDMA机制在周期信息感知中有卓越的性能，但是其对事件的实时响应没有CSMA等协议的响应快，事件发生时，节点仍需按照原本的时序等待上传，导致节点对事件上传的通信时机不公平。故本文在时间基准同步后分配监测时隙，供节点通过感知信息判断事件是否发生，如有事件发生，则启动通信模块，以CSMA的方式竞争信道，与簇头节点建立连接、上传信息。系统中CSMA协议通过RSSI实现。

3.4 功率控制

设计中功率控制的基本思想是在保证网络覆盖率和连通度的前提下，通过降低子节点发射功率，使得网络中节点的能量消耗最小，延长网络末端的生命期。具体实现为:初始化阶段，成簇后，簇头节点与子节点进行点对点通信，由子节点向簇头节点发送测试信号，簇头节点进行RSSI，给定满足一定连通度的RSSI值上限和下限，子节点通过簇头节点发送的功率控制帧动态来调整自己的发射功率，使得子节点对簇头节点单向通信的RSSI值落在上限和下限之间。

4 系统实现

4.1 硬件设计

对上述的无线传感器网络设计，构建系统予以实现。根据上文所述系统机制，系统节点在进行硬件设计时，需考虑不同节点所完成任务不同，配置要求也不同，考虑系统实现的性价比以及分工不同。主节点和分节点选择不同的微处理器和硬件构造，主节点选择AVR系列单片机ATmega16L［8］，子节点微处理器则选择体积较小、引脚较少的 ATmega8L［9］。节点无线通信模块采用 CYRF6936［10］射频芯片。Cypress公司的CYRF6936是基于WirelessUSB LP［11］技术的射频芯片，采用直接序列扩频(DSSS)，片内资源多、功耗低、抗干扰能力强、成本低。传感器模块采用DS18B20温度传感器。系统节点实物及原理框图如图5所示。

4.2 结合硬件的网络跨层设计

基于CYRF6936的硬件结构，实现上文的通信机制。通信芯片的DSSS通信机制有助于提高通信的抗干扰性能;利用芯片的多频道和频道快切换用于实现FDMA调度机制。CYRF6936具有98个工作频道，其中25个为可快速启动信道，其切换时间小于100 μs。系统的FDMA工作频道在6936快速频道中选择。芯片的快速唤醒功能有利于实现TDMA调度，实现节点工作状态转换。同时利用MCU的计时器保持子节点的内部时钟，维持节点对工作时隙的正常接入。在每一工作周期起始，一簇内的节点利用簇内广播的时间基准校准内部时钟，保持簇内节点时钟的相对同步。信道参数的检测和通信质量测量利用芯片内置的RSSI功能实现。

4.3 试验及系统测试性能

4.3.1 节点点对点通信性能测试

CYRF6936的RSSI功能，是系统协议实现的重要部分之一，不同条件RSSI值需要精确界定。因此，本文设计试验，测量不同条件下接收端节点的RSSI数值。使用4节AA电池为节点供电，频率设置为2.4 GHz，利用串口通信将RSSI值上传至PC机，结果如表1所示。

表1 固定距离、不同功率RSSI测试

此外，对节点的通信距离进行了性能测试，结果如表2所示。

表2 节点通信距离测试

子节点各个工作状态的耗能测试结果如表3所示。

表3 节点工作状态工作电流测试

4.3.2 系统整体测试

将应用场景设定为室内有限空间环境的监测，利用设计的硬件平台分别采用设计的网络协议栈、2层TDMA(TLTS)、CSMA进行无线传感器网络实现。信号发送时间为300 ms，周期信号的发送周期为30 s，工作时隙为5 s，突发信号的响应时间为5 s。测试结果如图6所示。对比可知，文中设计的网络协议的能量损耗介乎TDMA和CSMA之间。节点密集分布、簇工作区域重叠时，系统能正常工作，簇间的FDMA机制解决了簇间干扰问题。

图6 系统能量消耗测试结果对比

5 结论

文中设计了一种FDMA/TDMA混合多址接入的无线传感器网络，且在TDMA机制中加入以CSMA机制竞争与簇头节点通信的公共时隙，增强网络对事件消息上传的时序的公平性和实时响应性。测试表明，文中设计的网络系统适用于既需要周期信息感知又有事件检测需求的应用场景，相比于CSMA协议减少了能量消耗，延长了网络生存周期。

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