無線傳感器網狀網絡系統構建方法論文
引言
無線傳感器網絡作為一種測控網絡，投資成本低、體積小、性價比高，以監測物理世界為主要目標，專注于從外界獲取有效信息[1]。但是感知節點有限的硬件資源使得能量、計算、存儲及通信能力也大大受限[2-3]。而網絡拓撲的多變性和網絡環境狀況以及外在環境又要求無線傳感器網絡具有自組織的能力，能夠自動組網運行、自行配置維護以及適時轉發監測數據[4]。因此為了實現數據的融合和通信的可靠傳輸，整個無線傳感器網絡的建立和維護至關重要。在網絡拓撲結構中，網狀拓撲結構可靠性高，故障修復能力強，結構可靈活多變，特別適用于隨機布置，需要隨機構建無線網絡的場合。但是相對其他網絡拓撲結構，網狀網絡系統的建立和管理更為復雜[5]，路由算法也更為復雜�，F針對傳感器網絡周期工作采集環境數據信息的特點，提出一種無線傳感器網狀網絡的建立和管理的方案。各節點依據隨機形成的拓撲結構和通信環境來構建網絡，最終在通信連通域（指一片區域內節點的集合，且其中任意兩個節點能夠直接或多跳的方式進行通信）內形成一個整體的網絡系統。其中將網絡的部分維護工作和應用功能相結合，從而達到減少網絡管理上和路由更新的開銷，簡化網絡維護工作的目的。
1問題分析
1.1上電過程中問題
1）當一個節點上電開始工作時，先確定是否為第一個上電節點或者周圍可通信范圍內有無其他已上電的感知節點，若無則此節點應該自己確定一系列網絡參數，建立一個網絡系統。否則說明已經存在其他網絡，則此節點應該申請加入現有網絡。
2）當有網絡時可能存在多個網絡的情況（如圖1所示），此時節點不僅需要申請加入優先級高的網絡，同時還需要告知優先級低的網絡的節點更改網絡參數，加入到高優先級的網絡，合并成一個整體無線網絡系統。
3）若多個節點同時上電且沒有可用網絡，則這些節點完成網絡初始化配置后也應該處于同一網絡中，而不是各自建立不同網絡。
1.2周期工作過程中的問題
1）新一輪周期開始時，很可能存在新的節點加入或者某些節點故障而丟失（如圖2所示），此時通信環境已經發生變化，對某些通信鏈路已經造成影響，因此路由表需要做出相應調整。
2）系統工作中受外界環境影響，節點間可能受障礙物遮擋，原本連通的鏈路失效了，此時路由表也應該相應進行維護，發現新的可行路由（如圖3所示）。
3）多個無線網絡在一開始可能處于不同的通信連通域，但環境改變后處于同一通信域里面了，也應該合并成一個大的網絡，從而能夠收集匯聚更大的地理區域的環境信息。
2上電啟動過程
1）節點上電后，首先完成硬件的初始化，包括配置各個接口，以及給GPS模塊發送初始控制命令等。
2）硬件初始化完成后，從flash芯片里讀取啟動方式（CPU的非易失性存儲flash保存上次工作時的狀態信息），確定此次上電是全新上電模式還是繼續工作模式。全新上電是指節點開始進行新的感知測量任務。繼續工作模式是指節點已經有某個感知任務，由于故障等原因需要重新上電，此時節點需要繼續之前的工作任務。全新上電的節點需要對當前網絡環境進行掃描，獲取最新網絡信息，做出相應的反應。繼續工作模式的節點則需要恢復故障前的工作狀態，并嘗試與其他節點恢復通信。全新上電模式啟動過程可分為以下幾步：
a.獲取GPS定位信息。無線傳感器網絡具有周期采集信息，在完成此次應用任務后通過休眠的方式來節省能量的.特點。當一個節點上電時，其他節點可能處于休眠狀態，為了能與其它節點同步通信，先需要在周期上保持同步，可以從GPS模塊的輸出信息中提取當前時間。
b.休眠。獲取GPS時間后節點進入休眠態，直至與其他節點同時喚醒，以此保持周期上的同步。
c.掃描網絡。節點喚醒后由離線狀態（未加入任何網絡）進入掃描狀態（掃描周圍網絡），若節點在達到超時時間Ttime-out時還沒有檢測到可用的網絡，則進入建立網絡狀態，自己創建一個新的網絡。其中Ttime-out是關于節點地址n的單調遞增的函數，多節點同時上電時地址最低的節點最先進入建立網絡狀態。當一個節點建立網絡后，就可被其他節點掃描并申請加入網絡。從而防止多個節點建立多個網絡。
d.若掃描到可用的網絡（可能存在多個可用網絡），則選定優先級高的為目標網絡（規則可擬定），同時給處于低優先級網絡的節點發送信息通知改變他們的網絡配置，用以將多個網絡合并成一個大的網絡。
e.然后此節點轉入尋求入網狀態，申請加入網絡，若加入成功，則獲取網絡信息并存入flash存儲起來，然后開始周期工作。
f.若加入網絡失�。ㄈ绲刂窙_突），則節點自己單獨周期工作，避免影響已經工作的網絡系統。
g.若沒有掃描到可用的網絡，則節點根據自己的地址信息確定網絡信道、網絡ID等參數，建立一個新的網絡，開始周期工作，并且管理此網絡，接收其他節點的申請。
繼續工作模式啟動過程可分為以下幾步：
a.從flash芯片讀取之前的工作狀態和網絡信息，包括網絡信道、網絡ID、節點數據存儲情況、路由表信息等。根據這些信息恢復寄存器信息，將節點配置成斷電前的工作狀態。
b.獲取GPS信息，獲得當前時間，并休眠至下一個喚醒時間點，保持工作周期的同步。c.嘗試與其他節點建立通信。在整體網絡不出現故障的情況下，此故障節點可完全恢復所有功能，繼續周期地工作。
3周期工作過程
合理的周期工作過程不僅可以保證應用任務的良好完成，同時也能保證系統的穩定運行，周期工作過程可分為以下幾個步驟：
1）喚醒。節點喚醒后先等待一段時間，用來完全恢復各個模塊功能，同時也給新上電的節點掃描網絡信息。
2）應用任務。接下來可以根據不同的應用，執行用戶所需的任務。例如采集外部溫濕度環境，由GPS模塊獲取位置信息，無線通信進行數據的融合等。
3）網絡維護。在無線網絡運行中，受環境、節點位置等因素影響，通信鏈路可能中斷，也可能出現新的鏈路，因此需要不停地檢查網絡，根據最新的網絡狀態更新路由路徑、節點數量等等網絡信息。網絡維護是保證整個網絡實時更新、檢查排除網絡錯誤、更新路由表的關鍵步驟。網絡維護的方法分為以下幾步：
a.各個節點按地址先后順序，掃描所有信道，確定當前周圍網絡情況。當一個節點掃描時，其他節點可根據接收到的掃描信息幀來確定哪些節點可與自己直接通信（即不需多跳來交互數據），為更新路由做準備。
b.若發現新的網絡則先判斷哪個網絡優先級更高，然后通知低級別網絡中的所有節點更改網絡配置，合并入優先級高的網絡形成一個大的網絡。
c.根據之前記載下來的直接通信信息，更新自己的鏈路情況，并廣播自己鏈路信息。d.根據所有節點的鏈路情況可計算出最新的路由表，例如根據迪杰斯特拉提出的最短路徑算法計算最短路徑路由協議。
4）休眠。節點周期性的休眠可以大大降低功耗，若有不定時長的或實時性要求不高的用戶任務也可在這段時間執行，執行完后再休眠。
4結論
筆者使用TI公司的CC2530無線收發芯片為核心搭建硬件平臺，以zigbee無線通訊方式，編程實現了上述上電啟動過程和周期工作過程，實驗表明上述方法能使多節點在隨機拓撲結構和隨機上電順序的情況下，最終加入同一網絡。運行中出現鏈路問題時路由表和其它網絡信息也能及時得到維護。節點故障修復后也能通過保存的網絡信息恢復至之前工作狀態。整個無線系統具有良好的穩定性。
【無線傳感器網狀網絡系統構建方法論文】相關文章：