一种无线传感器网络自组网协议的研究与实现.docx

一种无线传感器网络自组网协议的研究与实现无线传感器网络是由一些功耗低、体积小的传感器节点，以无线通讯方式自组成一个网络。这些分散的节点能够协作地实施监测、感知和采集各种环境对象的信息，具有非常广阔的应用前景[1]。近年来，无线传感器网络的研究进展十分迅速，取得了较为丰富的研究成果。自组织算法是无线传感器网络的核心技术之一，通过自组织算法自动生成的良好的网络拓扑结构，能够提高路由协议和MAC协议的效率，可为数据融合、时间同步和目标定位等很多方面奠定基础，也有利于节省节点的能量以延长网络的生存期。国内外研究者们从ad hoc网络借鉴了宝贵经验，提出了形式多样、侧重点不同的自组织算法。 文献[2]给出一种传统的洪泛算法（Flooding），也是最早、最简单的路由协议。节点以广播的形式发送消息，接收到消息的节点再以广播形式转发数据包给所有的邻节点，这个过程重复执行，直到数据包到达目的地或者达到预先设定的最大跳数。文献[3]提出了最具代表性的层次型自组织算法（LEACH，low energy adaptive clustering hierarchy)。LEACH是MIT的Heinzelman等人为无线传感器网络设计的低功耗自适应聚类路由算法。主要通过随机选择聚类首领，平均分摊中继通信业务来实现。文献[4]给出以数据为中心的自组织算法SPIN（Sensor Protocols for Information Via Negotiation）。它的主要思想是通过高层的描述方式——元数据来命名传感数据。在发送真实的数据之前，传感器节点广播采集数据的描述信息元数据，当有相应的请求时，才有目的地发送数据信息。这些研究均在无线传感器网络的自组织算法上取得进展，但是，Flooding存在消息“内爆”和“重叠”的缺陷。LEACH的动态分簇带来了拓扑变换和大量广播这样的额外开销。SPIN中的元数据没有统一的形式，SPIN的拓扑变化是局部性的，因此不适用于需要高可靠性的应用。还有很多其它相关算法停留在理论研究阶段。这些研究均在无线传感器网络的自组织算法上取得进展，但没有考虑实际应用的诸多因素，如不易实现，算法的收敛性，如何减小外界因素对通讯的干扰，以及节点失效后如何追加等。 针对目前无线传感器网络中自组织算法的研究现状，本文首先提出一种简单易实现的自组织协议，选用MSP430F149单片机作为处理器，设计了微型传感器节点，并实现了一种低功耗无线网络。节点使用提出的协议能自动生成多级网状网，同时按能量优先的原则确定数据的传输路径并包含多条备用路径。开发的上位机处理软件可自动显示网络的拓扑结构，反映传感器节点的状态突变，并实时显示网络数据传输的路径，还可远程控制网络内传感器节点。当网络拓扑结构发生变化，上位机软件也会及时反映出来。采用智能控制策略大大降低了系统功耗。?2??自组织协议?在协议中，通过定义数据包的格式和关键字来实现节点的自组织。数据包中包含一个关键字和多个字节的数据，只要根据数据包的格式填入相应信息，就可实现自组织功能。多个字节中包括了节点自身信息、数据包跳数、数据路由等信息；关键字表示不同性质的包，区分各种情况的数据，提升网络的通讯能力。只需要改变数据包中的标志位，就可以对信息进行加密。?2.1?协议格式?自组织协议格式如下表示。PreKeyFromFinalDataCheckFlag其中Pre表示前导码，这些字符杂波不容易产生，通过测试和试验发现，噪声中不容易产生像0x55和0xAA非常有规律的信号；Key表示关键字，来区分各种情况下的数据，接收节点会根据这些关键字分别进入不同的数据处理单元；From表示源地址，是发送数据的节点自身信息；Final表示数据的目标地址；Data表示有效数据，这些数据随着字符Key的不同采用不同的格式，可携带不同的信息；Check表示检验位，可避免接收错误的数据包；Flag表示数据包的结束标志位。?根据协议格式中的Key可以将节点通讯时捎带的数据包分为自组网信息、环境突变信息、上位机的控制命令、广播信息等。例如下给出了节点在发送状态突变时的数据包格式。0x550xAA0xFF0x110x000x010x010x150x200x030x00…0x000x3A0xBB其中0x55和0xAA为数据前导码，0xFF为传感器节点在感测到其状态突变时向外发送数据的关键字，0x11表示发送节点的地址，0x00为数据包要到达的目标地址，0x01表示数据包在网络传输中的跳数，接着的0x01表示节点在当前网络中的级别，0x15表示节点当时采集的温度，0x20表示节点当时采集的电源电压值，0x03表示节点的状态量, 0x00…0x00为11个字节的有效数据，可记录数据包经过节点的地址，0x3A为前面核心数据和的低8位，作为数据包的检