基于双频无线传感器网络汇聚节点设计

曹惠茹，张晓军，陈　放

(1．中山大学南方学院，广东广州　510970；2．广东工业大学华立学院，广东广州　511325)

0　引言

随着电子技术和无线通信技术的不断发展，出现了无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)技术。无线传感器网络作为一种新技术，在现代社会的各个方面得到了广泛应用。无线传感器网络是一种自组织网络，通过大量传感节点，协同完成特定检测任务的网络系统。无线传感器网络是以数据为中心的网络，通过布置在监测区域的节点采集数据信息，以无线通信的方式传输[1-2]。传统无线传感器网络是采集例如湿度、温度、光强、压力等数据量较小的感知网络[3-11]；随着人们对数据信息要求的不断提高，采集机场、路况、工厂、农田、果园等区域的图片、音频、视频等较大数据量的需求增加，随之无线传感器网络作出了很多调整和改进[12-13]。

无线传感器网络典型的工作频段为：315 M、433 M、868 M、915 M以及2.4 G、3 G、5.8 G等频段，其中具有代表性的频段为低频段的433 M和高频段的2.4 G．传统的无线传感器网络基本都工作在特定的ISM频段上，但是随着无线传感器网络的不断发展，从最初的感知、传输、处理较小数据量，到现在通过无线传感器网络来完成较大数据量的操作，这就对无线传感网络提出了更高的要求。

对于无线传感器网络，使用较多的频段是433 M和2.4 G，这2个频段也集中反映了低频段和高频段的特性。433 M的特点是传输距离较远，组网简单、传输速率较低等，适合拓扑结构简单传输数据量低的无线传感器网络；而2.4 G适合于网络拓扑结构复杂、传输数据较大的场合。在文献[14-15]中提出以ZigBee为基础来处理采集数据量较大的问题。由于433 M和2.4 G各有特点，因此在收集多个传感参数时可以将两者结合起来。在一个无线传感器网络中同时采用多个频段，不仅可以发挥各个频段技术的优势，而且简化网络拓扑结构，同时还可以有效提高整个网络的数据传输速率，进而可以很好地解决由于数据量较大而引起的漏斗效应[16]。

1　双频传感器网络总体设计

1．1总体设计

传统Leach是一种层次无线传感器网络结构，具有方便管理、通行质量可靠、功耗较小等特点。但是协议采用随机机制选取簇头，路由算法复杂，在选取簇头过程中容易造成节点的能耗浪费。在该双频无线传感器网络系统中采用典型分层次的网路拓扑结构，其路由协议采用改进型的Leach协议。在选择汇聚节点(簇头)时，该网络采用固定簇头的方案。汇聚节点有2个频段的接收装置，可以与433 M和2．4 G的节点进行通信。这样就可以充分利用二者的优势。图1给出双频无线传感网络的拓扑结构。

图1　无线传感网络拓扑的设计

1．2节点的设计

对于采集数据量小、传输距离较远的节点，可采用433 M频段作为工作频段，采用CC1101射频(RF)芯片、节点以ATmege128为处理芯片，用以采集温度、湿度及光强等数据量较小的参数。而要采集数据量大、传输较近的场合，则可采用2.4 G为载波，采用CC2530(RF)芯片和MPS430F2131处理芯片的模式，由于处理芯片内部存储空间有限，同时加入SD卡为外部存储器，用以满足存放较大数据的要求。

2　汇聚节点的设计

对于该双频无线传感器网络系统，要采集2个频段数据信息，其要求汇聚节点能够与多个频段节点通信，同时能够实现不同频段切换的目的。所以汇聚节点的设计、MAC协议的设计、睡眠时间设计等成为重点。

2．1汇聚节点的硬件设计

汇聚节点由射频部分、电源部分、存储部分、处理芯片等部分组成，图2为汇聚节点的框图。433 M和2.4 G分别采用CC1101和CC2500作为射频芯片。由于汇聚节点长时间处于无线的收发状态，电源部分采用蓄电池+太阳能电磁板的自供电系统。在太阳能和充电电池之间加入以TP4055芯片为基础充电电路；通过处理芯片对充电系统的管理可以更好地利用和保护太阳能转换装置。同时为更好保护芯片工作在稳定的3.3 V电压下，在系统中加入变压稳压模块。

图2　汇聚节点设计框图

大量节点的数据传输给汇聚节点，这就要求汇聚节点要有较大的存储空间。芯片内部的空间非常有限，所以可将数据放在外部存储器SD卡中的方案来解决此问题。处理芯片采用MSP430F1611，该芯片是16位低功耗处理芯片，而且有多种低功耗模式，其接口丰富、性能稳定。

2．2软件设计

汇聚节点作为整个双频无线传感网络重要部分，起着承上启下的作用。具体来说汇聚节点有2个主要的任务要完成，即通过无线模块将不同频段节点采集的数据收集起来，再将数据打包发送给无线传感网络基站或网关。在整个汇聚节点的软件设计中，降低功耗是非常重要的，它不仅关系到汇集节点本身的功耗，而且影响子节点和整个网络的寿命。图3为汇集节点程序的流程图。首先汇聚节点初始化后进入低功耗模式，如果等待时间结束，汇聚节点向该簇广播同步时间，接着开始与节点之间进行数据通信。

图3　汇聚节点程序流程图

3　MAC协议和睡眠机制的设计

3．1MAC协议设计

对于无线器传感网络来说，能量是有限的，所以大部分无线传感器网络节点都采用睡眠机制来处理能量问题。该网络MAC协议也采用同样的机制。通信信道的使用成为汇聚节点设计的关键。该文采用先汇聚433 M节点采集的数据信息，当所有的433 M节点信息采集完成后再采集2.4 G数据量较大节点信息。在网络整个汇聚过程中采用，汇聚一个频段数据时另一频段采用睡眠机制来降低功耗。图4为双频段数据采集的总体时序图。

图4　汇聚节点总体时序图

当同频段内节点传输数据时，采用竞争方式简化的SMAC协议，图5显示了整个MAC协议的方案。首先节点1和节点2同时向接受节点发出占用无线信道的Request信号，接受节点对其中1个节点2做出应答，而对节点1的要求不予回应，此时节点1进入周期睡眠与请求状态；节点2在接受到应答信息后开始传输数据。在完成数据传输后，接受节点发出数据传输完成的信息。然后在接下来的周期中以同样的方法完成节点1的数据汇聚。

图5　同频段内具体节点数据传输时序图

3．2网络时间设计

在整个双频无线传感器网络中，时间设计分为同步时间设计和睡眠时间设计。为了达到整个网络的时间同步，降低功耗，在完成一定数据汇聚次数后，整个网络进行时间同步。首先汇聚节点从服务器得到1个时间，然后再广播给簇群里的每个节点，节点在接受到同步时间对自身的时钟进行修正。

该网络采用频段外分时汇聚的方案，即采集低频段数据时高频段的节点整体睡眠。睡眠时间成为高频节点的一个重要参数。汇聚节点在收集完整个低频段数据汇聚后记录其花费时间，然后和上一次时间比较取较大值，再将此时间发送给高频段的节点。高频段的节点以此为睡眠时间。

4　相关试验

汇聚节点睡眠时的功耗为100 μA，当433 M在10 dB发射功率的工作时，其最大功耗为50.3 mA；而在2.4 G频段0 dB发射功率下工作时，最大功耗为30.4 MA．选用增益为3 dBi的天线离地面为1 m，在开阔地进行了该方案2.4 G节点丢包率相关试验。5个433 M节点和5个2.4 G为节点构建了无线传感器网络。其中5个433 M节点固定在80 m左右的位置上；4个2.4 G节点固定在距离基站10 m左右范围内；变换其中1个2.4 G节点的距离，进行了丢包率的测试。对试验数据进行处理得到了图6所示的所有节点信道竞争方式(SMAC)和该方案下2.4 G节点丢包率的测试曲线。

图6　载波频率2.4 G节点丢包率

试验结果表明，在该设计方案下2.4 G频段节点平均丢包率在10%以下。汇聚节点采用此MAC协议节点丢包率明显低于传统信道竞争方式，同时从图中可以看出采用不同频段分时复用汇聚节点设计方案可以延长整个无线传感器网络的使用寿命。

5　结束语

通过分析典型传感器网络拓扑结构和433 M与2.4 G频段的各自特点，以MSP430F1611为处理芯片以及CC1101和CC2530作为射频芯片设计了适应于小范围检测的双频段层次结构无线传感器网络汇聚节点。为了节省整个网络的能量，采用频段外分时复用、频段内竞争的MAC协议。通过试验验证了该方案满足设计要求，提高了通信质量，延长了整个网络的寿命。

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