无线自组网体系设计

韩玉争

引言：近些年来，随着科学技术的发展和人们对物联网需求的日益提高，短距离无线的应用也在不断地扩大。ISM频段的单芯片无线数据通信IC的性能和优点逐渐显露出来，优异的无线收发IC层出不穷，但无线通讯所带来的缺点和危害也凸现出来，如通讯的安全性、稳定性和传输距离等。所以，如何在现有的基础上，设计出一套即安全又稳定可靠的无线通讯体系变的尤为重要。本文介绍了SI4432为无线通讯IC，介绍了自组网，无线跳频，冲突避免，网络管理，中继等功能的实现方法，力求实现高性能，高可靠性，低成本的无线通讯体系。

一、引言

无线通信技术的飞速发展，为物联网的实现又增加了一种新的通信手段。现有通讯手段的特点是通讯费用高，传输数据量大，技术成熟，稳定。而在一些传输数据量不大，又需要低成本的领域，采用这些技术显然不合时宜。而蓝牙等成熟的方案，其成本又比较贵，因此采用ISM频段的无线射频方案的低成本特点就显现出来了1。在这些领域里，可通过ISM无线自组网把节点数据汇集给主机，由主机通过因特网或3G，4G网络传送到远端服务器，这样既可节省成本，由实现了所需功能。接下来对无线自组网做详细描述。

二、自组网概念、特征和应用

在自组网中，节点兼备设备和路由器两种角色。一方面阶段最为设备运行相关应用程序；另一方面，节点作为路由器运行特定协议，进行路由发现，维护等路由的操作2。对接收的数据为自己的子节点数据进行分组以转发。因为自组网是一个多跳网络，主机节点间可能不能直接进行通讯。图1描述了一个简单的自组网。

图1 一个简单的自组网

节点4不在主机的无线覆盖范围内，如果节点4与主机间进行数据交换，就需要节点1，为它们转发，因为节点1即在节点4的覆盖范围内，也在主机的覆盖范围内。3自组网与现有的网络对比有以下特征：

1.动态的拓扑结构：由于网络中的节点可以任意变化，加上无线信道的互相干扰等因素，节点间的拓扑可以随时发生改变，发生的方式和速度都是无法预测的。

2.安全性差：自组网络是一种无线移动网络，容易遭到窃听，伪造，攻击等。

3.分布式控制网络，自组网中的每个节点都具备独立的路由功能，不存在集中控制点，这样增强了鲁棒性和抗毁性。

4.网络可扩展性不强：相对于TCP/IP协议而言，自组网无法应用子网技术，所以其扩展性不如INTERNET网。

自组网作为现有网络的一种扩展，在特定场合可发挥其做大的作用。在日常生活和工业领域有广阔的发展空间。4

三、自组网的体系结构

如上所述，自组网体系由主机和节点组成，主机和节点都由硬件抽象层，数据管理层，应用层，网络管理层这几部分组成。硬件管理层实现MCU初始化和外围硬件的初始化工作。数据管理层的作用是实现数据管理工作，它连接硬件抽象层和网络管理层，实现数据交换。网络管理层实现对网络的管理工作，实现自动组网，跳频，中继等功能。应用层实现数据和命令的交换。实现数据的收发等功能。具体实现内容按类型不同，其实现功能也不尽相同。

（一）主机

主机的作用是实现组网和网络管理功能这两大主要功能。为避免因单个节点因故障而造成复位后对整个系统带来影响，每个主机都有一个固定的数据存储区，用来存放网络数据。

主机组网过程：主机首先读取存数区的网络数据，其中包括组网网段频率，网路号，子节点地址。读取数据后，主机首先监听此网段是否有其他网络在使用，如有其他网络在使用，则根据特点算法，跳到另一段，再进行监听，判断，直到搜索到闲置的网段为止，然后把此网段写入存储区。

（二）节点

节点的作用是实现入网，网络管理和数据转发和数据转换等操作。为避免因单个节点因故障而造成复位后对整个系统带来影响，每个主机都有一个固定的数据存储区，用来存放网络数据。

节点入网过程：节点首先读取存储区的网络数据，包括网络ID，网络频段值，本节点ID，父节点ID和子节点ID。在设定频段内发送入网请求，如长时间未收到请求确认，则根据跳频算法选择下个频段，再次发送入网请求，直到收到入网确认信息为止，然后把父节点ID和网络频段值写入存储区保存。

节点网络管理：节点动态监测网络状态，当节点收到子节点的入网请求时，此节点会根据信号强弱判断是否要经过此节点加入到网络。如果信号符合要求则把子节点ID存入存储区，并发送入网确认信息。当节点的父节点丢失或长时间无法收到父节点的信息时，则从新寻找父节点并发送入网请求，如长时间无法收到入网确认，则根据跳频算法跳到下一频段再次申请入网，直到从新找到父节点为止。同时节点也具备网络监听功能，当发现有其他网络工作于此频段，则向主节点发送冲突消息，进而使整个网络跳频到下一个网段。

四、硬件概述

图2和图3为系统硬件结构图，其中图2主机硬件结构，图3为节点应将结构。其中，射频收发模块均采用SI4432模块，此模块具有很多优点，包括高灵敏度，工作频率范围宽，并且具有信号强度评估和跳频功能，通过SPI连接到主控芯片，主控芯片可根据需要自行选择如STM32系列，AVR系列等。

五、结论

相比传统的网络系统，本网络有功耗低，体积下，成本低，易查找故障点等特点。自组网具有动态变化的拓扑结构。自组网作为现有网络的一种扩展，在特定场合可发挥其做大的作用。在日常生活和工业领域有广阔的发展空间。

参考文献

[1]罗春彬，彭龑，易彬.RFID技术发展与应用[J].通信技术，2009，42（12）：112-114.

[2]沈文，LEE Eagle，詹卫前.AVR单片机C语言开发入门指导[M].北京：清华大学出版社，2003：2-3.

[3]A dam son B1Tactical Radio F requency Communication Requirements fo r IPng1RFC 1667，A ugust 1994.

[4]Hedrick C1Routing Info rmation P ro toco l1Internet RFC 1058， June 1988.

（作者单位：珠海兴业绿色建筑科技有限公司）