CN101521953B - 三射频无线传感器网络节点及其信道分配方法 - Google Patents

Abstract

三射频无线传感器网络节点及其信道分配方法，其特征是其构成包括微控制器芯片U4，在其内部Flash程序存储器中存储通信协议栈代码；三只采用802.15.4协议、并分别带有陶瓷天线的射频收发芯片，每只射频收发芯片都在802.15.4协议频段内的16个频点进行选择，并确定一个频点作为工作频率，以工作频率为各自的工作信道，每个射频收发芯片具有16个工作信道；微控制器芯片选择通过任何一个射频收发芯片所处的工作信道与其他的同信道节点进行数据传输。本发明有效解决了无线传感器网络中的竞争和冲突问题，提高了网络数据吞吐量，降低了数据包的平均传输时延。

Description

三射频无线传感器网络节点及其信道分配方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络、多射频多信道通信以及嵌入式传感器网络节点。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，简称为WSN)广泛采用IEEE 802.15.4协议标准，其研究的一个重要方向是在能量受限的微型节点上如何高效地实现简单的环境数据采集、传输与处理。近年来，在WSN上进行流媒体数据传输的需求越来越大，这种特性不仅能够增强商业、工业、以及医疗领域的现有应用，而且能够导致很多新应用的出现。与一般WSN不同，面向流媒体数据传输的WSN要求网络具有很强的实时性和较高的吞吐量，以适应不同的应用需求。

对于较大容量数据或者流媒体数据传输，WSN由于自身的特点对单射频IEEE 802.15.4协议网络的性能提出了挑战。这主要是因为单射频IEEE 802.15.4协议网络始终无法从根本上解决多跳环境下的隐藏终端和暴露终端问题，节点密度的增加将加剧节点间的竞争和发送分组之间的冲突，大量的节点退避降低了信道利用率并导致吞吐量的迅速下降。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存的问题，提供一种三射频无线传感器网络节点及其信道分配方法，以期有效解决单射频IEEE 802.15.4传感器网络中存在的隐藏终端和暴露终端、数据吞吐量低的问题。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明三射频无线传感器网络节点的特点是所述网络节点的构成包括：

微控制器芯片U4，在其内部Flash程序存储器中存储通信协议栈代码；

三只采用802.15.4协议、并分别带有陶瓷天线的射频收发芯片，包括1号射频收发芯片U1、2号射频收发芯片U2和3号射频收发芯片U3；每只射频收发芯片都在802.15.4协议频段内的16个频点进行选择，并确定一个频点作为工作频率，以所述工作频率为各自的工作信道，每个射频收发芯片具有0号工作信道～15号工作信道的共16个工作信道；

所述微控制器芯片选择通过任何一个射频收发芯片所处的工作信道与其他的同信道节点进行数据传输。

本发明三射频无线传感器网络节点的特点也在于：

以所述微控制器芯片为主机端，以所述三只射频收发芯片为从机端，在所述主机端与从机端之间设置同步、全双工总线SPI进行数据交换；以所述主机端向从机端发送一字节数据、并且从机端向主机端返回一字节数据作为一次数据传输过程；所述SPI总线时钟信号由作为主机端的微控制器芯片控制产生。

设置：

所述微控制器芯片U4通过硬件SPI接口与1号射频收发芯片U1的数据输入/输出端口相连构成SPI总线；

所述微控制器芯片U4通过硬件SSP接口与2号射频收发芯片U2的数据输入/输出端口相连，并且所述硬件SSP接口被配置为兼容SPI总线工作模式；

所述微控制器芯片U4通过通用I/O端脚与3号射频收发芯片U3的数据输入/输出端口相连构成SPI总线；以所述通用I/O端脚模拟SPI时序形成软SPI接口；

所述三组SPI总线采用的工作时序是：数据按字节传输，在每字节数据传输过程中，最高有效位数据优先传输，最高有效位数据在时钟信号SCLK的第一个上升沿之前输出到数据线SI和数据线SO上，而其他位数据在SCLK的下降沿输出并在下一个SCLK的上升沿被采样。

本发明三射频无线传感器网络节点的信道分配方法的特点是：

a、数据在两个节点之间传输，发送数据的节点为源节点，接收数据的节点为目的节点；源节点和目的节点上电后，微控制器芯片在内部执行Flash程序存储器中的通信协议栈代码；

b、节点空闲时将3号射频收发芯片切换到作为管理信道的0号工作信道进行等待；当有数据需要发送时，源节点的微控制器芯片先通过获取自身1号射频收发芯片表示信道是否繁忙的CCA信号(U1的管脚28)和2号射频收发芯片上表示信道是否繁忙的CCA信号(U2的管脚28)，根据1号射频收发芯片、2号射频收发芯片的信道占用情况和繁忙程度在1号射频收发芯片和2号射频收发芯片之间选定一个即将传输数据的业务信道；

c、源节点的微控制器芯片通过3号射频收发芯片将所选定业务信道的信道标号SCN发送出去并切换自身1号射频收发芯片或者2号射频收发芯片中的某一个到SCN对应的工作信道，目的节点收到SCN后数据后也切换自身的1号射频收发芯片或者2号射频收发芯片中的某一个到SCN对应的业务信道，此后源节点和目的节点通过SCN对应的业务信道完成数据传输。

本发明信道分配方法的特点也在于：

所述对于射频收发芯片的信道占用情况和繁忙程度采用以下方法进行评估：

a、节点之间采用CSMA机制进行传输，网络中每个节点都具有唯一的一个标识自己身份的ID号，每个节点维护两个邻居节点列表，所述两个邻居节点列表分别保存一跳邻居和两跳邻居所使用业务信道的信道标号SCN及对应的相关信息IC_average；节点每隔1秒广播自己的ID号、所使用的业务信道标号SCN及相关信息IC_average，每个节点及时更新自己的一跳邻居列表；同时，节点每隔2秒广播自己的当前一跳邻居使用的业务信道标号SCN及相关信息IC_average，以使其它节点得到自己的两跳邻居当前正在使用的业务信道标号SCN及相关信息IC_average；

b、节点采用采样侦听模式，采样间隔为t秒，节点每隔t秒侦听一次当前数据传输使用的业务信道；定义变量a记录当前信道是否繁忙，变量a的初始值为0，如果信道繁忙则使a＝a+1；采样周期为T秒，在一个周期内共采样b＝t次；IC_current为当前周期测量的信道拥塞指数，IC_current＝a/b；

c、利用一维自回归滑动平均ARMA(β)模型算法对所述当前周期测量的信道拥塞指数IC_current值进行平滑计算后得到更新的信道拥塞指数IC_average，设第N个采样周期完毕并计算IC_average值，则IC_average(N)＝β×IC_current+(1-β)×IC_average(N-1)，若计算出的IC_average(N)超过预先设定的门限值IC_threshold，则判断在该信道上的负载过大，此时节点切换信道；

d、设置所有节点的3号射频收发芯片固定工作在管理信道，1号射频收发芯片和2号射频收发芯片用于进行数据传输，所述1号射频收发芯片和2号射频收发芯片使用除管理信道之外的其他15个信道中的任何一个；在检测到1号射频收发芯片或者2号射频收发芯片的信道负载过大，即IC_average＞IC_threshold时，判定为过载射频收发芯片，并将过载射频收发芯片的工作信道切换到其它负载较轻的信道；

e、寻找负载较轻信道的方法是节点遍历其所有一跳邻居和两跳邻居表中使用的信道，并按IC_average大小排序；如果某个信道未被使用，则其IC_average为0，过载射频切换到IC_average值最小的信道，如果有多个相同的最小IC_average值，则随机切换到其中一个；

f、节点在切换信道时，对于1号射频收发芯片和2号射频收发芯片当前只有一个正在进行数据传输，为避免信道切换时延，节点在当前没有数据传输业务的射频收发芯片中设置信道，并停止过载射频收发芯片的数据传输；对于两个射频收发芯片都在进行数据传输的情况，则在原射频收发芯片上根据IC_average值最小原则切换信道。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

本发明提供了一种三射频WSN节点及信道分配方法，以解决WSN中的竞争和冲突问题。使用多射频的益处在于：减小网络中数据包的平均传输时延；多射频环境下允许邻居范围内的多个节点使用不同信道通信，所以能够有效降低干扰和提高系统通信容量。本发明三射频无线传感器网络节点的MAC层和物理层协议均采用IEEE 802.15.4协议，网络各节点之间可以拥有16个信道，可以依据信道评估参数进行切换，有效地解决了隐藏终端和暴露终端问题，提高了网络数据吞吐量；本发明的基本原理和方法可以扩展到三射频以上的多射频多信道无线传感器网络应用中去。

附图说明

图1为本发明三射频无线传感器网络节点的组成结构。

图2为本发明节点中SPI总线时序图(CPHA＝0、CPOL＝0)。

图3为本发明以通用I/O管脚模拟SPI时序发送一字节的流程图。

图4为本发明信道分配方法中节点发布邻居信息过程的示意图。

图5为本发明信道分配方法流程图。

图6为本发明信道分配软件模块之间的关系图。

图7为本发明三射频无线传感器网络节点电路原理图。

具体实施方式

参见图1，本实施例网络节点的构成包括：

微控制器芯片U4，在其内部Flash程序存储器中存储通信协议栈代码；

三只采用802.15.4协议、并分别带有陶瓷天线的射频收发芯片，包括1号射频收发芯片U1、2号射频收发芯片U2和3号射频收发芯片U3；每只射频收发芯片都在802.15.4协议频段内的16个频点进行选择，并确定一个频点作为工作频率，以工作频率为各自的工作信道，每个射频收发芯片具有0号工作信道～15号工作信道的共16个工作信道；

微控制器芯片选择通过任何一个射频收发芯片所处的工作信道与其他的同信道节点进行数据传输。

具体实施中，以微控制器芯片为主机端，以三只射频收发芯片为从机端，在主机端与从机端之间设置同步、全双工总线SPI进行数据交换；以主机端向从机端发送一字节数据、并且从机端向主机端返回一字节数据作为一次数据传输过程；SPI总线时钟信号由作为主机端的微控制器芯片控制产生。

微控制器芯片和各射频收发芯片的硬件连接关系参见图7，说明如下：

设置微控制器芯片U4通过硬件SPI接口(29脚、30脚、27脚和58脚)与1号射频收发芯片U1的数据输入/输出端口(34脚、33脚、32脚、31脚)相连构成SPI总线；

设置微控制器芯片U4通过硬件SSP接口(53脚、54脚、47脚、55脚)与2号射频收发芯片U2的数据输入/输出端口(34脚、33脚、32脚、31脚)相连，并且硬件SSP接口被配置为兼容SPI总线工作模式；

设置微控制器芯片U4通过通用I/O端脚(44脚、40脚、36脚、17脚17)与3号射频收发芯片U3的数据输入/输出端口(34脚、33脚、32脚、31脚)相连构成SPI总线；以通用I/O端脚模拟SPI时序形成软SPI接口，软SPI接口的工作流程如图3所示；

三组SPI总线采用的工作时序如图2所示：数据按字节传输，在每字节数据传输过程中，最高有效位数据优先传输，最高有效位数据在时钟信号SCLK的第一个上升沿之前输出到数据线SI和数据线SO上，而其他位数据在SCLK的下降沿输出并在下一个SCLK的上升沿被采样。

本实施例中三射频无线传感器网络节点的信道分配方法参见图5，工作过程是：

a、数据在两个节点之间传输，发送数据的节点为源节点，接收数据的节点为目的节点；源节点和目的节点上电后，微控制器芯片在内部执行Flash程序存储器中的通信协议栈代码；

b、节点空闲时将3号射频收发芯片切换到作为管理信道的0号工作信道进行等待；当有数据需要发送时，源节点的微控制器芯片先通过获取自身1号射频收发芯片表示信道是否繁忙的CCA信号(U1的管脚28)和2号射频收发芯片上表示信道是否繁忙的CCA信号(U2的管脚28)，根据1号射频收发芯片、2号射频收发芯片的信道占用情况和繁忙程度在1号射频收发芯片和2号射频收发芯片之间选定一个即将传输数据的业务信道；

c、源节点的微控制器芯片通过3号射频收发芯片将所选定业务信道的信道标号SCN发送出去并切换自身1号射频收发芯片或者2号射频收发芯片中的某一个到SCN对应的工作信道，目的节点收到SCN后数据后也切换自身的1号射频收发芯片或者2号射频收发芯片中的某一个到SCN对应的业务信道，此后源节点和目的节点通过SCN对应的业务信道完成数据传输。

对于射频收发芯片的信道占用情况和繁忙程度采用以下方法进行评估：

a、节点之间采用CSMA机制进行传输，网络中每个节点都具有唯一的一个标识自己身份的ID号，每个节点维护两个邻居节点列表，两个邻居节点列表分别保存一跳邻居和两跳邻居所使用业务信道的信道标号SCN及对应的相关信息IC_average；节点每隔1秒广播自己的ID号、所使用的业务信道标号SCN及相关信息IC_average，每个节点及时更新自己的一跳邻居列表；同时，节点每隔2秒广播自己的当前一跳邻居使用的业务信道标号SCN及相关信息IC_average(参见图4)，以使其它节点得到自己的两跳邻居当前正在使用的业务信道标号SCN及相关信息IC_average；

b、节点采用采样侦听模式，采样间隔为t秒，节点每隔t秒侦听一次当前数据传输使用的业务信道；定义变量a记录当前信道是否繁忙，变量a的初始值为0，如果信道繁忙则使a＝a+1；采样周期为T秒，在一个周期内共采样b＝T/t次；IC_current为当前周期测量的信道拥塞指数，IC_current＝a/b；

c、利用一维自回归滑动平均ARMA(β)模型算法对当前周期测量的信道拥塞指数IC_current值进行平滑计算后得到更新的信道拥塞指数IC_average，设第N个采样周期完毕并计算IC_average值，则IC_average(N)＝β×IC_current+(1-β)×IC_average(N-1)，若计算出的IC_average(N)超过预先设定的门限值IC_threshold，则判断在该信道上的负载过大，此时节点切换信道；

d、设置所有节点的3号射频收发芯片固定工作在管理信道，1号射频收发芯片和2号射频收发芯片用于进行数据传输，1号射频收发芯片和2号射频收发芯片使用除管理信道之外的其他15个信道中的任何一个；在检测到1号射频收发芯片或者2号射频收发芯片的信道负载过大，即IC_average＞IC_threshold时，判定为过载射频收发芯片，并将过载射频收发芯片的工作信道切换到其它负载较轻的信道；

e、寻找负载较轻信道的方法是节点遍历其所有一跳邻居和两跳邻居表中使用的信道，并按IC_average大小排序；如果某个信道未被使用，则其IC_average为0，过载射频切换到IC_average值最小的信道，如果有多个相同的最小IC_average值，则随机切换到其中一个；

f、节点在切换信道时，对于1号射频收发芯片和2号射频收发芯片当前只有一个正在进行数据传输，为避免信道切换时延，节点在当前没有数据传输业务的射频收发芯片中设置信道，并停止过载射频收发芯片的数据传输；对于两个射频收发芯片都在进行数据传输的情况，则在原射频收发芯片上根据IC_average值最小原则切换信道。

在图7的电路原理图中，微控制器芯片U4是基于一个支持实时仿真和跟踪的16/32位ARM7TDMI-S CPU的微控制器。

网络中所有节点的3号射频收发芯片U3约定工作在相同的信道上以保证网络的连通性，而节点之间的正常数据传输使用1号射频收发芯片U1和2号射频收发芯片U2，这主要是为了避免软SPI接口对数据吞吐量的瓶颈效应。微控制器芯片U4分别通过内部硬件SPI接口、硬件SSP接口以及软SPI接口与射频收发芯片U1、U2、U3连接，硬件SPI接口和硬件SSP接口所连接的SPI总线的时钟频率设置为5.5296MHz，远大于软SPI接口的500KHz左右的时钟频率。

信道分配技术在软件实现上采用结构化设计方法，主要由信道分配决策模块、信道登记模块、信道侦听模块、拥塞指数计算模块、信道切换模块、信道切换同步模块构成，模块之间的关系采用SC图(Structured Chart，结构图)描述如附图6。

信道登记模块通过3号射频收发芯片U3周期性收集其两跳范围内当前正在使用的信道集合，并且维护一张信道占用表，即附图6中的数据流1；同时，信道登记模块还通过3号射频收发芯片U3在其两跳范围内周期性广播节点上1号射频收发芯片U1和2号射频收发芯片U2正在使用的信道号。

信道侦听模块主要判断1号射频收发芯片U1和2号射频收发芯片U2正在使用的信道是空闲的还是忙碌的；信道侦听模块的输入参数是射频收发芯片的编号，即附图6中的数据流3，用于区分1号射频收发芯片U1和2号射频收发芯片U2，信道侦听模块的输出参数是判断结果，即附图6中的数据流4，只能是空闲或者忙碌。

拥塞指数计算模块主要计算1号射频收发芯片U1和2号射频收发芯片U2正在使用的信道的拥塞指数；拥塞指数计算模块周期性调用信道侦听模块并对信道侦听模块的返回结果进行统计，当一个采样周期结束时，拥塞指数计算模块根据统计结果来计算信道的拥塞指数，从而为是否进行信道切换提供了依据；拥塞指数计算模块的输出参数，即附图6中的数据流2，是1号射频收发芯片U1和2号射频收发芯片U2正在使用的信道的拥塞指数；拥塞指数计算模块无输入参数。

信道切换同步模块的功能是通过3号射频收发芯片U3来同步通信双方之间的信道切换，其输入参数即附图6中的数据流6，为通信另一方的地址信息、源信道号和目的信道号，其中源信道号指信道切换之前使用的信道号，目的信道号指切换之后使用的信道号。

信道切换模块改变指定的射频收发芯片U1或者U2所使用的信道，并且调用信道切换同步模块来同步通信双方，其输入参数即图中的数据流5，为射频收发芯片的编号和目的信道号，其中射频收发芯片的编号用于区分1号射频收发芯片U1和2号射频收发芯片U2，目的信道号指定切换到哪个信道；信道切换模块无输出参数。

信道分配决策模块调用拥塞指数计算模块获知1号射频收发芯片U1和2号射频收发芯片U2正在使用的信道的拥塞指数；若某个射频收发芯片正在使用的信道拥塞指数超过预先设定的门限值，那么信道分配决策模块首先根据信道登记模块所维护的信道占用表选取一个未曾使用的或拥塞指数最小的信道，然后调用信道切换模块将该射频收发芯片切换到所选取的信道上。

Claims (5)

1.三射频无线传感器网络节点，所述网络节点的构成包括：

微控制器芯片U4，在其内部Flash程序存储器中存储通信协议栈代码；

三只采用802.15.4协议、并分别带有陶瓷天线的射频收发芯片，包括1号射频收发芯片U1、2号射频收发芯片U2和3号射频收发芯片U3；每只射频收发芯片都在802.15.4协议频段内的16个频点中进行选择，并确定一个频点作为工作频率，以所述工作频率为各自的工作信道，每个射频收发芯片具有0号工作信道～15号工作信道的共16个工作信道；

所述微控制器芯片选择通过任何一个射频收发芯片所处的工作信道与其他的同信道节点进行数据传输；

其特征是：以所述微控制器芯片为主机端，以所述三只射频收发芯片为从机端，在所述主机端与从机端之间设置同步、全双工总线SPI进行数据交换；以所述主机端向从机端发送一字节数据、并且从机端向主机端返回一字节数据作为一次数据传输过程；所述SPI总线时钟信号由作为主机端的微控制器芯片控制产生。

2.根据权利要求1所述的三射频无线传感器网络节点，其特征是设置：

所述微控制器芯片U4通过硬件SPI接口与1号射频收发芯片U1的数据输入/输出端口相连构成SPI总线；

所述微控制器芯片U4通过硬件SSP接口与2号射频收发芯片U2的数据输入/输出端口相连，并且所述硬件SSP接口被配置为兼容SPI总线工作模式；

所述微控制器芯片U4通过通用I/O端脚与3号射频收发芯片U3的数据输入/输出端口相连构成SPI总线；以所述通用I/O端脚模拟SPI时序形成软SPI接口。

3.根据权利要求2所述的三射频无线传感器网络节点，其特征是所述三组SPI总线采用的工作时序是：数据按字节传输，在每字节数据传输过程中，最高有效位数据优先传输，最高有效位数据在时钟信号SCLK的第一个上升沿之前输出到数据线SI和数据线SO上，而其他位数据在SCLK的下降沿输出并在下一个SCLK的上升沿被采样。

4.权利要求1所述的三射频无线传感器网络节点的信道分配方法，其特征是：

a、数据在两个节点之间传输，发送数据的节点为源节点，接收数据的节点为目的节点；源节点和目的节点上电后，微控制器芯片在内部执行Flash程序存储器中的通信协议栈代码；

b、节点空闲时将3号射频收发芯片切换到作为管理信道的0号工作信道进行等待；当有数据需要发送时，源节点的微控制器芯片先通过获取自身1号射频收发芯片表示信道是否繁忙的CCA信号和2号射频收发芯片上表示信道是否繁忙的CCA信号，根据1号射频收发芯片、2号射频收发芯片的信道占用情况和繁忙程度在1号射频收发芯片和2号射频收发芯片之间选定一个即将传输数据的业务信道；

c、源节点的微控制器芯片通过3号射频收发芯片将所选定业务信道的信道标号SCN发送出去并切换自身1号射频收发芯片或者2号射频收发芯片中的某一个到SCN对应的工作信道，目的节点收到SCN后数据后也切换自身的1号射频收发芯片或者2号射频收发芯片中的某一个到SCN对应的业务信道，此后源节点和目的节点通过SCN对应的业务信道完成数据传输。

5.根据权利要求4所述的信道分配方法，其特征是所述对于射频收发芯片的信道占用情况和繁忙程度采用以下方法进行评估：

a、节点之间采用CSMA机制进行传输，网络中每个节点都具有唯一的一个标识自己身份的ID号，每个节点维护两个邻居节点列表，所述两个邻居节点列表分别保存一跳邻居和两跳邻居所使用业务信道的信道标号SCN及对应的相关信息IC_average；节点每隔1秒广播自己的ID号、所使用的业务信道标号SCN及相关信息IC_average，每个节点及时更新自己的一跳邻居列表；同时，节点每隔2秒广播自己的当前一跳邻居使用的业务信道标号SCN及相关信息IC_average，以使其它节点得到自己的两跳邻居当前正在使用的业务信道标号SCN及相关信息IC_average；

b、节点采用采样侦听模式，采样间隔为t秒，节点每隔t秒侦听一次当前数据传输使用的业务信道；定义变量a记录当前信道是否繁忙，变量a的初始值为0，如果信道繁忙则使a＝a+1；采样周期为T秒，在一个周期内共采样b＝T/t次；IC_current为当前周期测量的信道拥塞指数，IC_current＝a/b；

c、利用一维自回归滑动平均ARMA(β)模型算法对所述当前周期测量的信道拥塞指数IC_current值进行平滑计算后得到更新的信道拥塞指数IC_average，设第N个采样周期完毕并计算IC_average值，则IC_average(N)＝β×IC_current+(1-β)×IC_average(N-1)，若计算出的IC_average(N)超过预先设定的门限值IC_thresho1d，则判断在该信道上的负载过大，此时节点切换信道；

d、设置所有节点的3号射频收发芯片固定工作在管理信道，1号射频收发芯片和2号射频收发芯片用于进行数据传输，所述1号射频收发芯片和2号射频收发芯片使用除管理信道之外的其他15个信道中的任何一个；在检测到1号射频收发芯片或者2号射频收发芯片的信道负载过大，即IC_average＞IC_threshold时，判定为过载射频收发芯片，并将过载射频收发芯片的工作信道切换到其它负载较轻的信道；

e、寻找负载较轻信道的方法是节点遍历其所有一跳邻居和两跳邻居表中使用的信道，并按IC_average大小排序；如果某个信道未被使用，则其IC_average为0，过载射频切换到IC_average值最小的信道，如果有多个相同的最小IC_average值，则随机切换到其中一个；

f、节点在切换信道时，对于1号射频收发芯片和2号射频收发芯片当前只有一个正在进行数据传输，为避免信道切换时延，节点在当前没有数据传输业务的射频收发芯片中设置信道，并停止过载射频收发芯片的数据传输；对于两个射频收发芯片都在进行数据传输的情况，则在原射频收发芯片上根据IC_average值最小原则切换信道。

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