一种基于蓝牙的无线传感网络智能组网算法的研究与实现

2021-07-31施陈俊曾献辉黄家续

物联网技术 2021年7期

施陈俊，曾献辉,2，黄家续

（1.东华大学信息科学与技术学院，上海 201620；2.数字化纺织服装技术教育部工程研究中心，上海 201620）

0 引言

无线传感网络（WSN）是一种通过无线组网方式，把数量众多的信息感知节点按需求有序部署在应用环境中，同时具有环境信息感知和无线数据传输能力的多跳网络。WSN融合了嵌入式系统、现代感应技术和计算机技术，可在一块集成电路上完成信息获取、传输并处理的过程，实现对物理世界的数字感知[1]。WSN在智能交通、自然环境无人防护、智慧医疗、应急抢险救灾等领域具有广阔的应用前景[2]。

1 无线传感网络概述

数字信息化高速发展，无线传感网络已成为物联网的核心技术与重点研究方向。WSN与一般的无线网络存在很大的不同，具体如下：

（1）网络规模大、节点数量多：无线节点设备部署便捷，网络覆盖范围较大，但这需要大量节点设备支撑，设备的数量优势提高了网络数据采集精度，节点间的冗余机制使得网络拥有良好的容错性[3]；

（2）变化频繁的网络拓扑结构：WSN内部包含数量庞大的无线传感节点，实际需求随时在发生变化，加之设备老化、受外界不可抗拒因素等影响，节点数量不固定，网络拓扑结构频繁变化，且变化无规律可循，无法建立数学模型进行预测[4]；

（3）单个传感节点功能不强：WSN中的网络传感节点通常功耗较低，使得单个设备的计算能力和存储容量受到极大限制，导致它们无法承担过于繁杂的任务[5]。

针对现有无线传感网络组网技术在应对网络拓扑变化时的局限性，提出了基于蓝牙监听广播的智能组网技术：

（1）由于无线传感网络在部分应用情景下稳定性不足，特提出了基于蓝牙监听广播机制的通信算法，该算法以轮询方式与节点交换数据，可有效保证网络长期稳定运行；

（2）在（1）的通信基础上，通过云平台与智能网关相互配合，实现WSN的智能自组网，减少由于网络节点变化带来的人为维护网络的负担，使得边缘传感网络能够智能应对动态变化的网络。

2 无线组网技术相关研究

在实际项目中主要应用的短距离无线通信技术[6]有蓝牙、WiFi、ZigBee、NFC和ANT等。在无线传感网络中，主要运用ZigBee与蓝牙技术。ZigBee技术因其通信功耗低、芯片成本低、容量较大、安全性较高等优势在诸多领域被广泛运用。蓝牙的整体性能相比ZigBee稍逊一筹，但低功耗蓝牙的出现以及蓝牙5.0的发布，使得其与ZigBee间的差距缩小。蓝牙5.0的理论传输速率相对BLE提高了1倍，传输距离增加了2倍，抗干扰能力更强，能够更好地支持Mesh网络[7]。移动设备大都支持蓝牙，因此在软件开发上相比ZigBee更具优势。

无线Mesh网络有效覆盖范围大。在Mesh网络中，2个距离较远的节点设备虽然无法通信，但可以通过节点间多跳传输、层层转发来实现数据的传输[8]。虽然无线BLE Mesh网相比传统蓝牙无线网络理论上在覆盖范围、稳定性、部署灵活性等方面具有明显优势，但Mesh网络作为一种新型技术在实际应用时存在不少问题。Mesh网络对于数据通信算法要求高，因为网络中的每个节点都承担着网络通信数据包的处理与转发任务，如果算法设计不合理，那么将导致数据包重复转发，增加节点的运行压力，功耗也随之提升，甚至由于网络数据找不到目标节点而在其他节点间不停转发，最终导致网络瘫痪。目前在一些应用中，网络维护还需专业维护人员手持管理移动终端，对新增节点进行相关配置操作，极大地浪费了人力资源。

3 无线传感网络智能组网算法的实现

3.1 蓝牙无线传感网络架构设计

基于蓝牙的无线传感网络系统由蓝牙通信网络、智能中心管理网关、远程服务管理云平台、移动客户端等组成。系统结构如图1所示。

图1 无线传感网络系统结构

蓝牙通信网络主要负责保存并向智能网关传递子节点采集的数据，同时负责向网络中的子节点传递智能网关的控制指令。智能中心管理网关一方面与云平台保持通信，向云平台传输底层蓝牙网络采集的数据，接收云平台发送的管理信息；另一方面，智能网关管理着底层蓝牙网络。智能网关不仅要接收底层网络采集的数据和发送的控制指令，还管理着底层的网络变化。远程服务管理云平台负责存储底层无线传感网络采集的数据与网络的拓扑结构信息。移动客户端主要为用户提供可视化操作界面。用户得到相关权限后，可以对网络结构信息进行相应的管理操作。

以往的蓝牙无线传感网络在实现长期数据监控与节点设备管理过程中存在网络通信不稳定的问题，同时在应对网络动态变化时需要人工操作辅助底层网络运行。基于蓝牙的智能组网算法以智能网关为核心，通过云平台远程更新网络结构，大大优化了动态网络的管理操作，减少了人工作业。

3.2 无线传感网络相关硬件设计

系统的关键在于底层的蓝牙无线网络。系统采用BK3431蓝牙芯片，支持蓝牙4.0。如图2所示，中心管理设备（智能网关）由4G模块、串口模块、电源模块、射频模块与BK3431核心微处理器构成。子设备主要由核心微处理器、串口模块与各类接口（如ADC、I2C、SPI）组成。丰富的外围接口便于子设备采集数据。

图2 系统相关硬件设计框图

3.3 基于蓝牙的无线网络智能组网算法实现

3.3.1 底层网络拓扑结构设计

底层蓝牙无线网络采用星型网络，结构如图3所示。星型网络结构具有如下优点：

图3 底层蓝牙网络结构

（1）控制简单：单个子设备只与中央设备相连接，访问控制方法简单，易于网络监控和管理；

（2）故障诊断与隔离容易：单个设备出现故障并不会影响整个网络的通信；

（3）重新配置灵活：中心设备与子设备一对一通信，中心设备易于与子设备进行重新配置与信息更新[9]。

3.3.2 网络节点间蓝牙通信机制优化

传统的无线蓝牙星型网络中心设备始终处于监听状态，当网络中有子设备在广播时，就与相应设备发起建立通信请求，二者建立通信后就可以进行数据交换。该通信机制的优点在于子设备可以在只有数据需要发送时发送广播信号，以降低能耗。但它也存在缺点：多个子设备同时广播将造成信道拥堵。蓝牙有3个射频通道，主从设备成功连接的前提是从设备的广播射频通道和主设备扫描射频通道是同一个通道，且二者的射频窗口匹配。但由于蓝牙扫到子设备的用时不定，因此，数量众多的子设备在争抢与主设备通信机会时容易造成某个或几个子设备始终无法成功建立通信，导致网络稳定性变差，使得网络无法很好地处理对于数据传输实时性要求不高但对于长期稳定性有较高要求的情况。

为改善这一缺点，组网算法将主设备设置为广播者、子设备设置为监听者，从主设备被动等待广播转变为主设备主动查找子设备的模式，轮询网络内部节点。改进后的蓝牙网络内部通信流程如图4所示。

图4 无线蓝牙网络通信流程

主设备或智能网关进入通信状态后，首先需要确定连接的网络节点，然后在网络中广播寻找节点。之后判断连接是否成功。如果超时则上报异常，如果连接成功则传输数据。最后确定下一个连接节点，如果无节点需要通信则等待下一次通信。对于子节点而言，只需保持监听，随时准备与主设备进行数据传输即可。

3.3.3 基于蓝牙广播监听的智能组网算法设计

为有效减少人为的网络维护工作，本文基于蓝牙监听广播通信机制提出了一种无线设备智能组网算法，中心管理设备根据网络结构信息寻找需要入网的新设备，实现设备的自动入网与传感网络的自组织功能。算法流程如图5所示。

图5 蓝牙网络组网算法流程

（1）中心设备在发现网络结构信息表发生变化后，在网络中广播特定的广播包寻找新设备；

（2）中心设备不断广播等待新设备回应，如果长时间没有新设备回应便上报异常；

（3）中心设备得到子设备回应后与新设备建立通信，对新设备的身份信息进行验证；

（4）中心设备验证新设备无误后允许新设备入网，然后继续寻找下一个节点；

（5）待所有新设备入网后，主设备退出组网状态回归正常的通信状态。

中心管理设备一般不会主动广播寻找需要入网的新设备，待自身存储的网络结构信息由云平台远程更新发生变化后，开始发送特殊的广播包，找寻新的节点。由此实现网络的自组织功能，减少维护网络的人工工作量。

4 智能组网算法的实验

本文针对无线传感网络中蓝牙组网的稳定性与灵活性提出了一种智能组网算法，对星型网络下的节点间通信算法与基于蓝牙监听广播的智能组网算法进行了详细介绍，并在实验平台进行验证。实验中，在实验室区域范围内部署了1个智能网关，即中心管理设备及20个蓝牙节点。设计好算法与通信协议后，将相关程序提前烧录至网关设备与其余节点设备，设备实物如图6所示。

图6 设备实物

为验证优化的蓝牙节点间通信算法，在网络中放入一定数量的设备。此时，中心设备中存储的网络拓扑信息未发生变化，未发送组网的广播包，与网络内的蓝牙节点进行一对一轮询通信，通过串口打印设备状态，节点间通信正常，证明了优化的算法能够实现网络数据传输。

为验证基于蓝牙监听广播机制的智能组网算法，通过云平台向中心设备发送网络拓扑结构的变化信息以及节点的身份信息，同时中心管理设备在发现相应信息发生改变后采取组网动作，向外广播寻找需要入网设备的信息包，新节点在监听到广播包后二者建立连接。中心管理设备在确定新设备身份信息无误后允许其入网，至此组网完成，网络拓扑结构发生变化，串口打印的信息显示组网过程未出现异常。实验结果证明，该算法使得设备的组网过程更智能，中心管理设备能够根据存储的网络拓扑信息自主维护网络，有效应对网络结构的动态变化，大幅减少了人工维护工作。相关数据见表1所列。