羅孝兵，華濤，藍彥，呂敏，李冰，花生強

　　（南京南瑞集團公司， 江蘇 南京 211116）

       摘要：針對同步休眠機制無線傳感器MESH網絡，提出一種允許跨周期應答的信息傳輸方法，以提高數據傳輸成功概率，降低網絡中信息流量，從而降低路由通信工作時間，達到降低網絡中各節點功耗的目的。將跨周期應答應用到地質災害監測自動化系統中，較大程度地降低了無線傳感器節點的功耗。

　　關鍵詞：無線傳感器網絡；MESH網絡；同步休眠；跨周期應答；低功耗

　　中圖分類號：TP393.17文獻標識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.01.019

　　引用格式：羅孝兵，華濤，藍彥，等. 無線傳感器網絡跨周期應答的信息傳輸方法［J］.微型機與應用，2017,36（1）：62-65.

0引言

　　目前，無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN）技術應用越來越廣泛。 無線傳感器網絡是由大量低成本的傳感器節點組成的自組織網絡。無線傳感器網絡的組織形式也由需要中繼的星型、樹狀網絡發展到不需要中繼的全路由網狀網絡即MESH網［1］。在MESH網絡中的各節點不僅要負責環境信息的采集、處理，收、發自身數據信息，還需要轉發網絡中其他相關節點的數據信息，路由功耗開銷較大［2］。由于無線傳感器網絡常安裝于野外，各節點只能采用一次性電池供電，電池不便更換，要求各節點續航時間越長越好，因此最大限度地降低節點能耗是系統必須要解決的關鍵問題之一。

1基于同步機制的MESH網絡

　　隨著無線傳感器網絡技術的應用推廣和研究投入增加，已經有各種降低節點功耗的技術方法及產品，這些技術及產品主要涉及到WSN網絡的射頻模塊 MAC（介質接入控制）協議和路由協議、硬體功耗、軟體優化等方面內容。然而，大部分對WSN功耗要求較高的場合實際上也是數據發送量較少和發送頻率較低的場合，通常是在分鐘級別的發送頻率，每次單個節點發送數據量僅在幾個到幾十個字節范圍內，發送時隙較小。

　　針對此類應用場合，目前比較先進的是基于同步休眠機制的MESH網絡，如圖1所示。MESH網絡已沒有終端節點、路由節點之分別，各節點均具有路圖1基于同步休眠的MESH網絡圖由功能，可以實現所有節點之間任意自組網［34］，是一個徹底的自組網技術。在同步休眠的MESH網絡中，其節點內部均有RTC，可以實現全網同步休眠,并按設定時間間隔同步喚醒，并通過其狀態引腳同步喚醒無線傳感器中的數據采集MCU，響應遠程控制或進行數據采集和傳輸通信，最大限度地降低無線傳感器節點的功耗，實現網絡節點能在長期不更換電池的情況下工作。由于所有的節點只同時在規定的時間圖2跨周期應答機制的信息傳輸過程范圍內通信，其他時間節點進入深度睡眠，從而能夠保持最小的功耗，并且能夠長時間地穩定工作。同時，MESH網絡每個節點都具有路由功能，無需任何中繼就可以組成網狀網絡，當某一路由中斷時，可自動修改路由鏈路，具有很好的自愈能力［5］，提高了系統的網絡健壯性，特別適用于各類野外WSN系統的組網應用。

　　然而，與常規MESH網絡一樣，基于同步休眠機制的MESH網絡中每個節點需要為其余節點提供路由服務，因此其路由功耗開銷已不可忽視。雖然在基于同步休眠機制的MESH網絡里，對MAC（介質接入控制）協議和路由協議進行了優化設計，以降低節點功耗，但是，其缺乏對應用層中相關通信協議的規范，而不同的應用層通信協議對通信數據流量具有明確的影響，從而影響節點能耗量，因此，不同應用層通信協議給系統中各節點功耗帶來了不確定性影響。為此需要研究應用層協議，以更好地降低通信數據流量。

2降低通信數據流量的方法比較

　　目前已有的降低通信數據流量的方法較多，具有代表性的包括基于網絡編碼的數據重傳法［68］、請求重傳法 ［910］、數據壓縮法、數據聚合法等。基于網絡編碼的數據重傳法主要應用于大數據量的網絡傳輸，操作較復雜，各類組合幀字節較多，相對小數據量的無線傳感器網絡而言并不能有效降低數據流量。請求重傳法僅在一個通信周期內有效，不能跨周期操作，因而對于短時隙通信周期系統不太適用。其他如數據壓縮法、數據聚合法等均主要用于大數據量傳輸網絡，在這種小數據量的無線傳感器網絡中沒有明顯效果。

3跨周期應答的信息傳輸方法

　　3.1總體方案

　　針對前述降低通信數據流量方法的缺陷，通過研究實驗，可以采用一種基于跨周期應答機制的無線傳感網絡信息傳輸方法來解決。其總體方案是通過一種允許跨越休眠周期進行應答的機制，如果傳感器節點在前一個通信周圖3跨周期應答機制的信息幀格式

　　期已成功發送數據，但直到新的通信周期的接收時隙仍未收到網關的數據接收成功應答信息，相關數據才會在新周期的發送時隙被重傳一次。本方法可減少數據重傳次數，進而減少通信數據流量，可最大化縮短通信時隙，降低路由開銷，達到降低無線傳感器網絡各節點能耗的目的。

　　3.2通信周期時隙劃分

　　在跨周期應答機制中，將無線傳感網絡的每一個通信周期分為蘇醒期和休眠期，將網關的蘇醒期從起始時刻依次劃分為發送時隙、延遲時隙、接收時隙，將無線傳感器節點的蘇醒期從起始時刻依次劃分為接收時隙、延遲時隙、發送時隙和路由時隙，如圖2所示。

　　從圖2可以看出，網關的發送時隙與無線傳感節點的接收時隙時間相同；網關的延遲時隙與無線傳感節點的延遲時隙時間相同；網關的接收時隙為無線傳感節點的發送時隙和路由時隙之和。

　　其中，網關的發送時隙用于發送應答信息幀，無線傳感節點的發送時隙用于發送數據幀。網關與無線傳感節點的延遲時隙用于進行發送和接收狀態切換，對于無線傳感節點的延遲時隙還可用于幫助各設備間具體分配數據發送時間，當某一傳感器節點發送時間需要延后，僅需增大延遲時隙即可。

　　網關的接收時隙用于接收數據幀，無線傳感節點的接收時隙用于接收應答信息幀。無線傳感節點的路由時隙用于為以本無線傳感節點為路由的相關設備提供數據發送時間間隙。這種時隙的劃分可實現系統設備的分時發送數據，有效降低網絡中數據沖突，提高通信成功概率，降低數據重傳次數，進而降低節點能耗。在一個通信周期中，各時隙長度可根據具體系統情況來靈活配置，使整個網絡在通信通暢穩定之下，盡可能縮短蘇醒期時長，降低能耗。同時網關的發送時隙設置在每個通信周期的蘇醒期起始階段，不會因為射頻模塊進入休眠而丟失上一周期內未完成的信息通信，從而減少數據重傳次數，進而減少通信數據量，可最大化縮短通信時隙，減輕各節點的路由開銷，降低無線傳感器網絡各節點的能耗。

　　3.3跨周期應答機制的信息幀格式

　　跨周期應答中所傳輸的信息幀包括數據幀和應答信息幀，如圖3所示。

　　數據幀包括：幀頭、保留字、幀類型、地址（ADDRESS）、數據編號（DATA ID）、數據（DATA）、幀尾、驗證碼；應答信息幀包括：幀頭、保留字、幀類型、地址（ADDRESS）、數據編號（DATA ID）、幀尾、驗證碼。在幀中均含有地址（ADDRESS）和數據編號（DATA ID），這兩個關鍵信息可避免在有多條數據或數據接收成功應答信息時出現信息混亂，為實現跨周期應答提供信息支撐。

　　3.4跨周期應答機制的信息傳輸過程

　　跨周期應答機制的信息傳輸過程如圖2所示。跨周期應答要求無線傳感節點在一個通信周期發送一個DATA圖5跨周期應答機制的信息傳輸流程

　　后，允許在下一個通信周期起始階段的接收時隙獲得本數據發送成功的ACK信息，即傳感器節點的DATA發送和接收ACK信息可不在同一個通信周期完成；對于網關，在一個通信周期成功接收一個DATA后，允許在下一個通信周期的起始階段的發送時隙回送本接收成功的ACK信息；同時無線傳感節點在同一個通信周期不進行數據重傳，如果無線傳感節點在一個通信周期已成功發送一個DATA，直到下一個通信周期的接收時隙結束仍未收到本DATA發送成功的ACK信息，本DATA才會在隨后一個通信周期的發送時隙被重傳一次。而網關在數據幀接收成功后，其發送的數據接收成功應答信息幀在之后任意一個通信周期內發送均有效。

4跨周期應答機制的應用

　　4.1無線傳感器網絡系統的建立

　　在地質災害監測系統中，其大量的地下水位、表面位移、表面傾斜、深部位移、土壤含水量、滑坡孔隙水壓力、土壓力等監測量傳感器分布于監測區域的各個點位，其分布范圍廣；因其在野外不便于采用有線電源供電，且因樹蔭、山體遮擋等因素，也不便于采用太陽能供電，因此常常采用一次性電池供電；其監測量主要反映各類物理量的變化過程及趨勢，通常不需要密集的數據集采集以及實時性要求。

　　根據上述地質災害監測系統實際工程環境，采用基于同步休眠機制的MESH網絡來建立各傳感器節點與遠程數據采集與通信模塊之間的局域網絡，如圖1所示，使用跨周期應答機制作為數據采集局域網絡內部的通信機制。

　　系統中包括一個網關和若干無線傳感節點。傳感器節點電路框圖如圖4（a）所示，網關電路框圖如圖4（b）所示。

　　網關負責網內各節點協調管理，同時負責與外界的通信聯系；各無線傳感節點均可作為其余節點的路由，可自由組網，進行數據傳輸。網絡中所有節點及網關均按設定休眠周期同步休眠和同步自動喚醒，并且均按照跨周期應答機制運行。

　　4.2系統的運行流程

　　在地質災害監測系統中，網關向無線傳感節點傳輸應答信息幀的流程如圖5（a）所示，其通信步驟如下：

　　（1）網關與無線傳感器節點在一個通信周期的休眠期結束時同時被MESH網絡射頻模塊喚醒。

　　（2）網關進入發送時隙，在發送時隙中發送未發送的數據接收成功應答信息幀，發送完畢后刪除此數據編號的應答信息幀，然后繼續發送應答信息幀；如果所有的應答信息幀發送結束，而發送時隙還未結束，則直接結束發送時隙，進入延遲時隙；當本發送時隙結束時，如果還有應答信息幀未發送，則終止發送，進入延遲時隙，未發送的應答信息幀留待下一周期發送。

　　（3）網關經過設定的延遲時隙，轉入接收時隙，接收來自各無線傳感器節點的數據幀，如接收到數據，則保存數據至存儲器，同時編碼并保存數據接收成功應答信息幀至存儲器，直到接收時隙結束。

　　（4）網關在接收時隙結束后，MESH網絡射頻模塊立即進入休眠狀態，如果MCU還有任務，則繼續進行任務處理，否則進入休眠狀態。

　　無線傳感節點向網關傳輸數據幀的流程如圖5（b）所示，其通信步驟如下：

　　（1）無線傳感器節點與網關在一個通信周期的休眠期結束時同時被MESH網絡射頻模塊喚醒。

　　（2）無線傳感器節點在接收時隙，等待接收來自網關的數據接收成功應答信息幀，當接收到來自網關的數據接收成功應答信息幀時，立即刪除數據發送區中相應數據編號的數據記錄，直到接收時隙結束。

　　（3）無線傳感器節點經過設定的延遲時隙，進入發送時隙，無線傳感器節點在發送時隙，節點將測量數據以數據幀格式自報給網關；如果發送時隙結束還有未發送的數據，則留待下一周期進行，進入路由時隙；如果本節點無數據需要發送，則直接進入路由時隙。

　　（4）無線傳感器節點在路由時隙，將本節點MESH網絡射頻模塊的通信資源留給以本節點為路由的相關聯節點，同時監聽和接收來自網關的信息。

　　（5）路由時隙結束后，MESH網絡射頻模塊立即進入休眠狀態，如果MCU還有任務，則繼續進行任務處理，否則進入休眠狀態。

　　4.3系統通信測試

　　在地質災害系統中，采用基于同步休眠的MESH網絡建立250個無線傳感器節點，測量周期設定為1 h，測試時長30天，測量數據采用自報模式，自報失敗重傳次數為3次，超過3次數據不再重傳。分別采用基于跨周期應答機制的通信方式和請求重傳法的通信方式，系統耗時與數據傳輸成功率比較如表1所示。

　　從測試結果可見，采用跨周期應答機制的通信方式比采用請求重傳法的通信方式在小通信時隙情況下，可提高接近2倍的效率，有效縮短無線網絡通信時間，降低網絡中各節點的路由功耗。

5結論

　　針對基于同步休眠的無線傳感器MESH網絡，跨周期應答機制從應用層著手，通過允許跨越休眠周期進行應答，來降低信息重發次數，提高數據傳輸成功概率，降低無線傳感器網絡中的信息傳輸量，最終起到降低系統功耗的目的。

　　隨著無線傳感器網絡在防災賑災領域的推廣應用越來越多，特別是應用于野外的無線傳感器網絡對功耗要求較高，對于一些實時性要求不高的應用場景，可采用目前比較先進的基于同步休眠的無線傳感器MESH網絡。在這類網絡中，采用跨周期應答機制，可提高系統通信成功率，最大化降低系統功耗，實現系統長期在線監測。

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