建筑用位置固定节点的无线传感器网络的设计

2013-06-13张永刚

电子测试 2013年6期

关键词：网络地址智能建筑单片机

张永刚王斌胡欢

（1.住房和城乡建设部IC卡应用服务中心/中外建设信息有限责任公司，北京 100081；2.嘉兴学院，浙江嘉兴 523001）

0 引言

随着集成电路、传感器、无线通信以及微机电系统等技术的迅猛发展和日益成熟，智能建筑领域应用的无线传感器网络也越来越多，如建筑照明，安防监控等[1～3]。通常每个房间都会有一个或多个节点，因而，智能建筑中的无线传感器网络具有以下特点：

节点位置相对固定；

节点数量庞大，密集度高。

所以，智能建筑的无线传感器网络的拓扑信息是已知的，并且拓扑结构变化很少，目前的传感器网络大都，忽略了这一有用信息。通过能量强度动态的构建自组织网络，造成通讯协议复杂，稳定性差等缺陷[4～6]。为此，本文设计了特殊地址编码的智能建筑专用无线传感器网络。

1 智能建筑拓扑模型

智能建筑的信息节点可以被简化为一个“魔方”模型，魔方的每一格代表一个房间。如图1所示。

图中，Z方向为垂直方向，代表层高；X方向与房间的走廊方向平行，代表房间的行数；Y代表房间的列数。 Z方向的单位为每层为1；X,Y方向的单位为房间个数，房间无论大小，单位均为1。因为无线信号通过墙壁的衰减，远比房间尺寸变化的大小要大的多。因而无线传感器网络的魔方模型具有以下特点：

1.1 一个房间是一个立体的网状网的信息拓扑单位；

1.2 每个房间至少有1个或多个信息节点。

智能建筑的“魔方”模型中的网络拓扑信息，是用网络地址来表达的。网络地址是在网络通讯时网络层上使用的地址，由于网络地址是由软件实现的，所以又可以称为逻辑地址，并没有一个相应的硬件和其对应，硬件地址的存在是为了在生产过程中区别单片机用的。而在实际使用过程中，用的都是网络的地址。而在整个网络初始化的时候，需要对网络地址进行设定。而网络地址的形式如下表所示

图1 魔方模型

表1 网络地址的规定

在网络初始化的过程中，可以根据实际使用的需要，把带有固定的硬件地址的单片机解析成网络地址。

2 通讯协议设计

为了实现数据在转发过程中能够实现时分复用，需要在程序中实现中继地址转发时，只有一个节点进行转发。其他节点不发送任何的数据，为了使数据能够最快的到达目的地址，需要使转发的次数达到最少，从而引入了最短路径的算法。如果在某一个子节点正在发送数据的时候，另一个子节点也需要发送数据。此时，后一个需要发送数据的子节点必须禁声，既不能发送，只有当前一个节点数据发送完毕之后才能让下一个子节点发送数据。

2.1 地址解析及其协议

在实际生产过程，地址分为网络地址和硬件地址。硬件地址已经固化在单片机的ROM中，所以也可以被称为物理地址。通过烧写的时候进行分片固化，既在集控器烧写程序的时候，每一个单片机要有一个唯一的硬件地址。为了方便辨识和使用，可以将该地址打印出来贴在集控器上。硬件地址占4个字节。中央控制单元软件依据硬件地址对集控器进行初始化参数，既设定IP地址。

地址解析的作用是，把单片机生产过程中固化在单片机内部的物理地址（即ID标识）转化为实际使用的IP地址。除了IP地址之外，还需要对跳级范围进行初始化设定。地址解析的过程包括两个阶段。

第一阶段、把收到的数据进行解析，解析出所需要设定的物理地址（包括三个ID标识），并且和单片机内部固化的ID标识进行比对。如果有所不同，则程序返回主函数，不进行其他的任何操作。如果完全一样，则进入下一阶段。

第二阶段、继续对收到的数据进行解析，解析出需要最终设定的IP地址（包括三个坐标）以及跳级的范围。把IP地址写入ROM，在以后的通讯过程中，就使用这个IP地址。并且可以具有掉电不消失的功能，以便在意外掉电或者重启之后，能够继续正常使用。

表2 路由数据帧

2.2 最短路径算法

在实际使用工程中节点的摆放是有很多种的，而必须对节点的摆放进行假设和抽象才能进行实际的分析。

2.2.1 假设和抽象

如图1是实际使用中的网络模型图（在此我们只分析二维的，三维的可同理得到），我们就可以假设某个节点的坐标为（i ，j）而它的四个附近的节点为（i - H, j）,(i , j - H),（i + H,j）,(i , j + H)。（i - H, j）,(i , j - H),称为低邻居节点，（i+ H, j）,(i , j + H)称为高邻居节点。其中H为正整数，是通信协议中的一个内容称为最大跳。

图1

图2

图3

而（i ，j）节点所能接收的信息只能来自（i - H, j）,(i, j - H),（i + H, j）,(i , j + H)。这四个节点，如果不是这四个节点来的信息则会因为距离的原因而接收不到，这是在程序书写过程中要尽量避免的。所以在这个假设条件下我们可以把实际的网络模型抽象成如图3-2所示的一个网络结构。数据再能在连线的两个节点中传输。

2.2.2 实现方法

由上述的假设和抽象，我们可以知道数据只能在连线的两个节点中传输，不能从（0,0）传输到（1,1）。既任意节点（i ，j）在传输过程中只能传输到高邻居节点或低邻居节点中的任意一点。而最短路径的传输要求每跳一次，即接近目标节点一次。有了这些原则不难得到最短路径的传输方法如图3-3所示：

需要说明的是这里分析的是二维的情况，而在编程中使用的是三维的指标系。原理相同，可以由二维的情况推导出三维的情况。并且在使用过程中有引入最大跳的概念，这个情况是最大跳H=1的情况，而H的数值为其他值的情况会在后文中进行分析。最后就是优先的问题，图示的为X优先的情况，X，Z优先的情况也会在后文中进行分析

3 简单功能

在实际的生产应用之中，有可能出现单个的传感器网络的节点出现故障，而致使整个传感器网络或者是传感器网络的一部分不能接受或发送出信息。根据这个设计的思路，我们可以想象出ping功能的基本工作过程，就是想要检验一条固定的无线传感器网络传输路径能否通路，就可先由一个起始节点发送出一个传输指令，该指令必须包括一个字符是指出不是普通的命令而是一个ping命令，该ping命令通过传输，最终到达目标地址，而该目标地址对得到的数据进行解码，最终的又生成一个指令，该指令的目标地址为ping命令的起始地址，为reping命令，该reping命令通过传输又回到了起始的地址，也就是ping命令的发出地址，只要该发出地址能够接收到这个reping命令，地址就为通路，而如果没有接收到这个命令就为断路。

表3-4 通讯协议格式

各部分如下表所示

表3-5 各部分含义

ping功能的作用与工作方式，可以将ping功能的协议制定如下。定长16字节。根据前文中提到的地址设定等要求汇总与此表：

着重强调其中类型与数据表示的意义为中央控制单元与控制器之间的命令，格式为如下，共3个字节

表3-5 中央控制单元与控制器之间的命令

含义如下

协议类型

1代表Ping

2代表Re ping

3代表灯控/灯状态，使用数据状态

4代表控制回复

4 应用

本无线网络应用于智能建筑内部的灯光控制，节点单元采用cc1101的无线模芯片，通过STC89C52实现通讯协议。节点的实物如下。

上位机采用串行口和网络连接，通过计算机实现了对整栋大楼的集中控制。控制软件采用C++Builder2010开发。

5 总结

本文设计了一种应用于智能建筑的无线传感器网络，建立了智能建筑的网“魔方”信息网络拓扑模型，并用三维地址编码法，描述网络的拓扑信息，在此基础上提出了最短路径算法。形成的通讯协议在以CC1101无线控制器+STC89C52单片机的硬件系统验证，最终应用于某建筑的灯光集中控制。实验证明，本设计切实可行，具有协议栈简单可靠的优点。