标签: 无线传感网

城市道路照明越来越多采用LED照明技术代替传统的照明技术，其目的是为了降低对电能的消耗。由于LED使用低压直流电源，便于附加检测与控制电路，这对路灯网络的智能化管理，进一步节能降耗带来了方便。对于路灯网络的管理与控制，既可以采用电力载波通信技术，也可技术的快速发展，使得短距离无线通信技术在应用成本、可靠性与通信速率等方面均已优于电力载波通信技术，例如Zigbee短距离无线通信技术。本文提出一种解决方案，采用短距离无线通信技术构建LED路灯无线传感网络，能对LED路灯网络任意单盏灯或多盏灯或全网络所有灯进行开关、调光等控制，进行发光亮度、电流参数等检测，从而实现对LED路灯网络的智能化管理。作为无线传感网络，其体系结构应该包含四个基本层次：物理层和数据链路层、网络层以及应用层。LED路灯无线传感网络采用IEEE 802.15.4标准作为其物理层和数据链路层的技术标准，网络层与应用层集成在一起，采用单跳、双跳以及变跳3种接力通信模式作为网络协议的基础。本文围绕LED无线传感网络的体系结构，以网络拓扑及通信节点的组成为基础，论述了网络层的协议包格式、路由工作原理，以及节点通信的设计流程。 1 网络体系 LED无线传感网络的网络体系是网络层实现路由的基础，包括节点组成及网络拓扑结构。 1.1 LED路灯传感网络节点的组成 LED路灯网络由间隔均匀的若干盏路灯组成，每一盏LED路灯均为网络的一个通信节点，用来构建无线传感网络。图1所示，为构建无线传感网络LED路灯节点的组成，除了照明部分的电路外，还附加了对LED电流的采样、LED发光亮度的检测、以及对LED发光亮度的PWM控制等电路。每一盏LED路灯既是传感器节点也是网络路由节点；每一个节点包含一个微控制器（MCU，如cc2530），都具有射频通信功能，既能发送信号也能接收信号；每一个节点具有32bit（位）的唯一ID号。通过在物理层和MAC层采用IEEE 802.15.4协议标准，结合网络层与应用层的协议，所有这些节点有机地组合在一起，便构成了LED路灯无线传感网络。由于现有的一些网络层与应用层协议如Zigbee、RF4CE等并不是很适合LED路灯传感网络应用，因此，需要重新设计网络层与应用层协议。 图1 LED路灯节点的组成 1.2 网络拓扑 根据LED路灯的分布规律，每盏LED路灯作为网络节点构成无线通信网络，其拓扑结构如图2所示，（a）是信号逐点（单跳）接力传送拓扑结构图，（b）是信号隔点（双跳）接力传送拓扑结构图。为便于下文网络应用协议的设计与讨论，作出如下定义： （1）所有节点可分为2类，即LED路灯节点(简称LED节点，如a1 a2 … an , b1 b2 … bn)和路灯控制器节点(简称控制节点,如a,b)； （2）相邻节点之间的距离均为L，每个节点的无线信号覆盖半径大于等于2L； （3）根据节点的相对位置，节点可分为前驱节点与后继节点，离控制器近的是前趋节点，离控制器远的是后继节点。例如a1是a2前驱节点，a3是a2后继节点；同理b2是b4前驱节点，b6是b4后继节点，以此类推。 图2 网络拓扑结构示意图 （4）控制节点与LED节点之间，LED节点相互之间，只要无线信号可以覆盖到,都可以相互通信，不需要设基站或专门的路由协调装置。 （5）每个节点的32bit唯一ID号由两部分组成，分别为网络ID和节点地址（编号），均为16bit。同一路灯网络所有节点的网络ID相同；从控制节点开始，节点地址由小到大顺序编排。 【分页导航】 第1页： LED路灯无线传感网络体系 第2页： LED路灯传感网络协议包格式 第3页： LED路灯传感网络路由协议 第4页： LED无线网络节点工作流程 2 网络协议 LED路灯传感网络协议包括协议包的定义与路由协议的定义，其设计目标是简单、实用，易实现。 2.1 网络协议包格式 LED路灯传感网络协议传输的信息包共有3种类型，分别为命令包、参数包以及应答确认包。 图3 网络协议包格式 （1）命令包 图3(a)所示，为控制器节点对LED路灯节点下发的命令包格式。命令有三种类型：针对整个网络所有LED节点的广播命令、针对部分LED节点的群组命令以及针对单个LED节点的单点命令。 命令包各字段定义如下： 包类型：为1； 目的地址：为指定LED节点的地址； 包序列号：为向指定节点发送的包编号； 接力模式：为1时，表示单跳模式；为2时，表示双跳模式偶链；为3时，表示双跳模式奇链； 命令字段的定义方法见表1，表1只列出了部分命令，实际中可以根据需要增加命令； 表1 命令包命令字段定义 命令参数字段：用来表示调光的亮度，数值越小LED发光亮度越低，耗电越少，数值为 0时表示关灯； 跳数：命令传送到目的地址所需经过的节点数，最大值为路灯网络所有LED节点的数量。传送命令包时，每经转发一次则跳数减1，当跳数值为0时，命令包不再被转发。 （2）参数包 图3(b)所示，为LED路灯网络节点上传的参数包格式。控制节点可采用定时轮询或即时查询方式获取网络内各LED节点的状态参数，如电流值、发光亮度值等，各LED节点只有在接到读取参数的命令后才会向控制节点发送参数包。参数包各字段定义如下： 包类型：为2； 源地址：为上传参数LED节点的地址； 包序列号：为上传参数LED节点发出的参数包编号； 接力模式：由于只有在节点收到读取状态参数命令后才会发送参数包，因此，参数包的接力模式由命令包的接力模式确定； 状态标志：为0，表示对应LED节点无故障；为1，表示对应节点有故障；为2，表示对应节点及后继节点有故障； 状态参数1－3：为LED节点的有关参数，如电流值、电压值以及LED的发光亮度值等。 （3）应答确认包 图3(c)所示，为应答确认包格式。为了实现可靠传输，每个节点在收到命令包或参数包后需要发送应答确认信息包。如果信息包的发送（转发）方在设定的时间内没有收到应答确认包，则会启动对该信息包的重新发送。应答确认包各字段的数值定义如下： 包类型：为3； 节点地址：发出确认应答包节点的地址。 确认类型：收到信息包的包类型； 确认号：为节点收到信息包的包序列号； 【分页导航】 第1页： LED路灯无线传感网络体系 第2页： LED路灯传感网络协议包格式 第3页： LED路灯传感网络路由协议 第4页： LED无线网络节点工作流程 2.2 网络路由协议 LED路灯传感网络路由协议的核心是各节点对信息包的转发机制。由于每一个节点的信号覆盖范围有限，其信息只能向邻近的节点发送，如要将信息送往远处节点则只能依赖中间节点的多次转发。根据前述1.2定义的条件，节点转发信息包可以分为三种模式,即单跳接力模式，双跳接力模式和变跳接力模式，各LED节点将根据信息包中接力模式字段的定义进行选择。 2.2.1 单跳接力模式 图2（a）所示，为单跳接力模式的拓扑结构图。它是一个比较简单的转发模式，要求每个节点无线信号覆盖的半径范围大于节点间距L即可，信息包只需往邻近的前驱节点或后继节点转发。在这种模式下，节点处理收到信息包的方法如下： ①节点接收一个命令包（如图3(a)）后，向前驱节点发送接收确认应答包；将命令包中的跳数减1；比较节点自身地址（NA）与命令包中目标地址的大小，相等则执行包中的命令且无须转发命令包，不等则向后继节点转发该包；如果是广播命令(目标地址值为0xffff)，既在本节点执行该命令同时也向后继节点转发该命令包。转发时的路由地址为:NA+1。当命令包传送到网络中的最后一个LED节点时，跳数减1后将为0，包将不再被转发。 ②节点接收到参数包（如图3(b)）后，只需向后继节点发送接收确认包和向前驱节点转发，转发参数包的路由地址为：NA-1。 ③节点收到命令包或参数包后，必须发送接收确认包（如图3(c)），当收到命令包时，确认类型值为1,发送应答确认包的路由地址为NA-1；当收到参数包时确认类型值为2, 发送应答确认包的路由地址为NA+1。 2.2.2 双跳接力模式 图2（b）所示，为双跳接力模式的拓扑结构图。这种模式要求每一个节点的无线信号覆盖半径范围≥2L。从图2可知，双跳接力模式每次跨越两个节点，传送信息包到指定节点的转发次数比单跳接力模式要少一半，因此其传送时延也要小。在双跳接力模式下，将整个网络所有LED节点按照其地址值的奇偶性分成2个接力链，即奇地址节点链和偶地址节点链。控制节点发送广播命令时，需要针对奇地址节点链和偶地址节点链分别发送，命令信息包分别在奇地址节点链和偶地址节点链上同时传播。在双跳接力模式下，节点处理收到信息包的方法如下： ①节点接收到命令包后的处理方法与单跳接力模式基本相同，但包转发时的路由地址变为：NA+2。 ②同样节点接收到数据包后的处理方法也与单跳接力模式基本相同，只是在包转发时的路由地址变为：NA-2。 ③节点收到命令包或参数包后，必须发送接收确认包，当收到命令包时，确认类型值为1,发送应答确认包的路由地址为NA-2；当收到参数包时确认类型值为2, 发送应答确认包的路由地址为NA+2。 无论是单跳接力模式还是双跳接力模式，节点发送命令信息包或参数信息包后，在规定的时间内未收到确认信息包，则需要重发，重发次数一般不超过3次。 2.2.3 变跳接力模式 变跳接力模式实际上是单跳接力模式和双跳接力模式的一种补充，主要用于下一跳节点出现通信故障时。在单跳接力模式或双跳接力模式工作时，如果在多次重发后仍收不到下一跳节点的应答确认信息包，说明下一跳节点出现了通信故障。这时通过改变接力模式，由单跳变双跳或者由双跳变单跳可以绕开下一跳有通信故障的节点，继续信息包的接力传送。同时，将故障节点的相关信息反馈到控制节点。变跳接力模式要求每一个节点的无线信号覆盖半径范围≥2L。变跳接力模式分为两种情况： （1）初始传送为单跳接力模式 设LED节点i的地址为NAi，当LED节点i以单跳模式转发命令包（或参数包）时，即使重发，仍然收不到LED节点i+1（或i-1）的确认包，于是断定下一跳节点出现故障。这时如果传送的是命令包则从①开始执行，如果传送的是参数包则执行②，因为故障节点在传命令包时已遇上，传送参数包时遇故障节点无须重复报告故障信息。 ①LED节点i向控制节点报告故障节点信息。此时，节点i向控制节点发送参数包，包的状态参数置为1，源地址为故障节点的地址，即NAi+1，发送参数包的路由地址为NAi-1。 ②改变接力模式为双跳模式，将信息包转发给节点i+2（或i-2），以绕开故障节点，路由地址为NAi+2（或NAi-2），若能收到应答确认包，则本节点转发完成，否则说明遇上了两个或两个以上连续故障节点，需继续执行③。 ③如果此时传送的是命令包，则LED节点i需向控制节点报告故障节点状态信息，状态参数包的状态标志置为2，源地址为故障节点的地址，即NAi+2，发送参数包的路由地址为NAi-1。随后，转发中止。 （2）初始传送为双跳接力模式 当LED节点i（地址为NAi）欲以双跳接力模式转发命令包（或参数包）时，必须对包进行分析，根据接力模式字段的值为2或3，可以判定当前为偶地址链或奇地址链接力模式。当NAi的值为奇数，跳变模式为奇链，或者NAi的值为偶数，跳变模式为偶链时，执行如下步骤①；当NAi的值为奇数，跳变模式为偶链，或者NAi的值为偶数，跳变模式为奇链时，执行如下步骤②； ①节点i以双跳接力模式转发命令包（或参数包），路由地址为NAi+2（或NAi-2），如果收不到应答确认，则下一跳节点出现故障。如果这时转发的是命令包，则需向控制节点报告故障，往其前驱节点i-2发送故障信息参数包，路由地址为NAi-2，故障信息参数包的源地址（即故障节点的地址）为NAi+2,状态标志为1。同时，改用单跳接力模式将信息包转发给节点i+1（或i-1），以绕开故障节点，转发的路由地址为NAi+1（或NAi-1）；若能收到确认包，则本节点转发完成，否则执行③； ②节点i改为单跳接力模式转发命令包（或参数包），路由地址为NAi+1（或NAi-1），若能收到确认包，则本节点转发完成,否则，再改用双跳接力模式转发，将信息包转发给节点i+2（或i-2），以绕开故障节点，转发的路由地址为NAi+2（或NAi-2）；若能收到确认包，则本节点转发完成，否则执行③； ③说明遇上了两个或两个以上连续故障节点，LED节点i需向控制节点报告故障节点信息。此时，节点i向控制节点发送故障参数包的状态标志为2，源地址为故障节点的地址，即NAi+1，发送参数包，路由地址为NAi-1。随后转发中止。 上述变跳接力模式能解决分散的单个通信故障节点接力传送问题。但当网络中出现连续2个或2个以上通信故障节点时，则只能报告故障节点位置而不能再继续接力传送。若要解决连续多故障节点的问题，既需要改变接力算法，也需要各节点的无线信号覆盖半径范围更大。 【分页导航】 第1页： LED路灯无线传感网络体系 第2页： LED路灯传感网络协议包格式 第3页： LED路灯传感网络路由协议 第4页： LED无线网络节点工作流程 3 网络节点工作流程与协议实现 LED路灯传感网络上的每一个节点，既是命令执行与状态参数采集的终端节点，也是路由协调工作节点。各节点除了接收到信息包进入处理流程外，其余时间几乎都处在监听查询状态，检查是否收到信息包。图4所示为LED路灯传感网络节点的工作流程，它是网络协议在节点上实现过程的描述。 图4 LED传感网络节点的工作流程 4 结束语 通过网络体系、网络协议、网络节点工作流程与协议实现等几个部分的详细介绍，析构了LED路灯无线传感网络的组成，希望能为LED路灯无线传感网络的应用起到抛砖引玉的作用。LED路灯无线传感网络构建的基础是点到点的通信技术，命令信息要覆盖全网络需要点到点的通信技术来完成，良好的网络协议是组建传感网络的关键所在，简易可行的网络协议是实用化的前提。实际应用表明，上述方法构建的LED路灯无线传感网络具有良好的实时性，能稳定、可靠地工作，能满足对LED路灯网络的智能化管理要求。 【分页导航】 第1页： LED路灯无线传感网络体系 第2页： LED路灯传感网络协议包格式 第3页： LED路灯传感网络路由协议 第4页： LED无线网络节点工作流程

一、 无线传感器网络是工业自动化的新热点             无线传感器网络的出现 引起了全世界范围的广泛关注，被称为二十一世纪最具影响的技术之一。改变世界的10大新技术之一。全球未来的四大高技术产业之一。而无线传感器网络技术很快也将进入工业自动化和工业测控领域，大多数工业仪表和自动化产品都将很快嵌入无线传输功能，完成从有线到无线过渡。              图1是一个典型的工业用无线传感器网络示意图，核心部分是低功耗的传感器节点（可以使用电池长期供电、太阳能电池供电，或风能、机械振动发电等），网络路由器 （具有网状网络路由功能）和无线网关（将信息传输到工业以太网和控制中心，或者传输通过互联网联网）。           图1 典型的工业用无线传感器网络             由于市场巨大，许多在工业自动化领域的老牌劲旅，如GE、Honeywell等，都推出了各种工业无线传感器网络产品和系统，国内也有不少研究机构和大型公司在进行相关研究，但是，涉及无线传感器网络的技术都是高度保密的东西，我们这些普通的工程师们，很难了解其中的细节和有机会参与任何设计工作。              那么我们作为从事自动化和工业控制的普通工程师们，能否有机会自己动手，来设计适合自己应用需要的工业用无线传感器网络产品？来开发我们自己需要的无线工业自动化项目？              无线SoC技术的发展，将使我们的梦想，将变为现实，目前应该是一个明显的转折点和交汇点。              回答的肯定的：我们完全可能自己动手，设计适合自己应用特点的工业用无线传感器网络。     二、选择合适的微控制器和开发平台             工业环境中的射频通信条件较为恶劣，厂房中遍布的各种大型器械、金属管道等对信号的反射、散射造成的多径效应，以及马达、器械运转时产生的电磁噪声，都会干扰无线信号的正确接收，同时，工业环境强烈的电磁干扰，也对使用在工业无线传感器网络的核心微处理器提出了新的挑战。我们自己动手设计在这样环境中运行的工业网络系统，首先需要选择合适的微处理器和高频电路。             图2是一个典型的工业无线传感器网络节点硬件结构示意图。             图2   工业无线传感器网络节点示意图            目前TI公司和FREESCALE公司推出的3套最新无线单片机解决方案：MC13224, CC2530, MSP430F5437+CC2520， 都是很好的SoC 微控制器解决方案（见表1） ，这些方案的特点是，高度集成化设计，微处理器和无线收发部分在同一芯片内部，需要电路板面积小于2平方厘米，外围只小于很少零件，就有很强抗干扰能力。工业无线传感器网络的网关，路由器和传感器节点，都可以使用同一微处理器来设计。     主要参数 MC13224无线单片机 CC2530无线单片机 CC2520+MSP430F5437 MCU结构 单芯片，ARM7内核，32位MCU 单芯片8051内核     8位MCU 两片16位MCU 无线高频前端 IEEE802.15.4 IEEE802.15.4 IEEE802.15.4 无线网络协议     ZigBee PRO     开源和免费 ZigBee PRO     开源和免费 ZigBee PRO     开源和免费 无线连接链路 100 DBM 100 DBM 100 DBM 内置闪存 128K 256K 256K 低功耗时电池寿命 10年 5年 5年 芯片大量采购价格 每片4美元 每片3美元 每套7美元 软件开发平台 IAR EWARM IAR EW8051 IAR EW430 硬件开发系统 ARMRF-MC13224-PK C51RF-CC2530-PK MSPRF-430F5437 在线仿真器 ARM WXL-CC2530 TI  430 网络测试工具 网络分析仪 网络分析仪 网络分析仪              采用上述方案，在保证系统可靠性的前提下，最大的特点是经济和方便，因为无线单片机芯片价格很低，甚至已经低于许多类型普通单片机，设计者可以放手进行设计和调试，不必担心芯片损坏等。另外目前国内嵌入式设计的知识已经相当普及，设计工业用无线传感器网络网关，路由器，节点和设计我们熟悉的普通单片机系统，核心技术没有什么不同，而且IAR编译，调试系统是目前世界是最强大的商业化嵌入式C语言软件设计工具，配合成都无线龙通讯提供的无线单片机开发平台，样板工程设计，JTAG在线仿真器，你可以精确的将故障定位到每一行指令，将无线组网和通讯，实现慢动作式的重放，并随时捕获空中无线数据包装。整个无线通讯软件硬件设计的过程，在这些高级调试开发工具的帮助下，完全透明化，可控制化，使你像开发你的其它单片机系统一样，快捷容易的完成设计任务。 三、ZigBee PRO 符合工业无线网络设计要求           与面向家庭的无线网络技术（ZigBee2004到ZigBee 2006属于这类面向家庭的技术）不同，面向工业自动化应用的无线网络技术需要满足以下五个方面需求。     ■ 高可靠性：大部分的工业控制应用要求数据的可靠传输率要超过95%。为了实现在工业现场使用无线通信来实现高可靠传输面临以下挑战，ZigBee PRO协议栈采用2.4 GHz物理层都基于DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列扩频）技术（包括数据的调制，激活和休眠射频收发器,信道能量检测,信道接收数据包的链路质量指示,空闲信道评估,收发数据等）具有很强抗干扰能力，而且MAC层和应用层(APS部分)有应答重传功能，另外MAC层的CSMA机制使节点发送之前先监听信道，也可以起到避开干扰的作用。网络层采用了网状网的组网方式，从源节点到达目的节点可以有多条路径，路径的冗余加强了网络的健壮性，如果原先的路径出现了问题，比如受到干扰，或者其中一个中间节点出现故障，ZigBee PRO可以进行路由修复，另选一条合适的路径来保持通信。同时ZigBee PRO最新增加的频率捷变(frequency agility)，也大大加强其作为工业网络使用的可靠性，ZigBee PRO网络受到外界干扰，比如各种工业现场的无线干扰，无法正常工作时，整个ZigBee PRO网络可以自动动态的切换到全部16个频道的一个干净工作信道上（实现FHSS跳频功能）。和其它目前采用DSSS+FHSS的工业无线网络协议比较，ZigBee PRO可靠性和抗干扰性更胜一筹。采用表1无线单片机，都可以支持ZigBee PRO无线网络协议栈。       ■ 严格实时性：对于工业闭环控制应用，数据传输延迟应低于1.5倍的传感器采样时间。ZigBee PRO网络针对工业通信对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。设备搜索时延典型值为毫秒级别，休眠激活时延典型值是15ms，活动设备信道接入时延为15ms，加上ZIGBEEPRO新的路由算法，大大提高了网络路由效率。在通过多跳接力的方式进行传输的延迟大幅度降低，完全能够保证端到端通信实时性。     ■ 低能耗：用于对工业全流程进行泛在感知的无线传感器网络节点由于成本的限制和安装条件限制，通常不采用外接电源的方式，而是靠自身携带的电池供电。由于表一中列出的新型无线单片机和ZIGBEEPRO 无线前端的一系列革命性的新设计，，节点的电池寿命应达到3至10年。能够实现使用最少的能源的工业用无线传感器网络。     ■ 安全性：随着工业控制系统网络化进程的推进，网络安全和数据安全问题日益突出，一些安全漏洞将给工业控制应用造成巨大的损失。无线通信由于信道的开放特征更容易受到攻击，其安全保障机制将更加复杂。              为了工业网络应用设计了高安全模式(High Security Mode)，就是当节点加入网路时，信托中心(Trust Center, TC) 会先配一把万能金钥(Master Key)给新加入的节点，然后，新加入的节点再用这把万能金钥透过SKKE 的流程，与网路中的任何节点建立连结金钥(Link Key)，最后再利用连结金钥加密后产生一把网路共用的网路金钥，网路金钥(NWK Key)放在应用层有效载荷中传送给对方，然后再通过网路传输加密资料。ZigBee PRO安全设计，完全能够实现工业无线网络对安全通讯主要要求。            而且如表1所示的新的16位，32位无线单片机具有强大的数据处理能力，已经完全具有能力实现复杂的安全算法的能力，对应工业无线传感器网络提出挑战。     ■ 兼容性：为了保护用户的原有投资，基于工业无线传感器网络要具有与工厂原有的有线控制系统互连和互操作的能力。采用ZigBee PRO设计的无线网关，能够实现和目前工业以太网，CAN总线，各种工业控制总线的无缝连接，和互联网的IP通讯。ZigBee也是全球无线传感器网络的重要标准，是具有很好兼容性的工业无线传感器网络网络协议软件。              综上所述，以传感和控制为目标ZigBee PRO无线网络，具有加强版商业级和工业的协议栈，完全可以满足上述五个方面的要求，使用ZigBee PRO协议栈，完全可以设计出图2所示结构那样，满足自己特别应用要求的工业无线传感器网络项目和产品。                               四、有线到无线，我们笑迎新的技术挑战           通过上面的简单介绍，我们看到任何工程师， 都有机会来进入这个全新的技术领域，入门并不难，精通也办得到。这是因为我们生活在互联网时代，也是因为国内在这个领域已经有像成都无线龙通讯这样的一批先行者，他们出版了相关中文书籍（北航出版《无线单片机丛书》十本，最新一册是《ZigBee 2007PRO入门与实战》），提供相关C51RF、 MSPRF、 ARMRF 系列低价格无线单片机开发工具，同时对ZigBee PRO这样的协议栈的应用提供相关技术支持，提供高频模块等服务，这样，就使我们入门进行设计开发时，更加方便容易，另外，TI/Freescale公司，提供了廉价的无线单片机芯片，高性能的免费无线网络协议栈。这些，都为我们投入这个全线的技术领域――相对复杂的工业自动传感器网络和无线工业自动控制领域，打开了方便之门。              本文重点介绍的是工业无线传感器网络部分的实现，其实，在已经实现工业无线传感器网络和节点间双向通讯的前提下，实现对工业设备的无线控制控制，包括继电器，I/O, 开关控制，电机控制，都已经是很容易实现的，水到渠成的事情，只需要在软件和硬件上进行一些小的扩展就可以了。            从有线到无线，从传统有线工业自动化系统，到新的工业无线传感器网络系统，我们面对全新的挑战，让我们现在就出发，在这些设计开发的挑战中，去完成我们技术更新和升华。