无线传感器网络数据健壮性传输设计

曾 闵，郭秋梅，江 虹

(西南科技大学信息工程学院，四川 绵阳 621010)

0 引言

传统的无线传感器网络(wireless sensor network,WSN)通常工作于户外，采用电池供电，主要传送环境感知信息，对实时性要求不高。基于成本考虑，网络节点功能单一、无线发射功率较小，并且信道监听和抗干扰能力有限，易受到干扰，从而导致通信失败。随着生活水平的提高，人们对无线传感器网络的数据更新频率、数据实时性和可靠性都提出了更高的要求，而传统的无线传感器网络无法满足人们日益增长的需求。

无线传感器网络在要求低能耗的同时，又必须满足用户对网络传输带宽和数据传输实时性的需求。例如无线传感器网络在商场地下车库的应用[1]和智能安防系统[2]等方面的应用。在智能安防应用中，网络通常布置于室内环境，无线传感器网络所覆盖的无线通信范围容易受到其他同频率干扰，并且无线传感器网络需要实时监测各个检测点状态信息。这对无线传感器网络的抗干扰性和实时性，提出了较高的要求。

传统的无线传感器网络通信方式有多种，如通用分组无线业务[3](general packet radio service,GPRS)、ZigBee(2.4 GHz或433 MHz)网络[4]、WiFi(2.4 GHz或5 GHz)网络[5]等。上述通信频率段均属于全球免申请工业、科学和医疗(industrial scientific medical，ISM)专用频段，极易受到同频段干扰[6]，并且通过GPRS进行通信会产生一定的费用。针对信道干扰问题，文献[7]和文献[8]作了相关方面改进。但是该调整只针对信道，无线传感器网络节点仍然会受到干扰，并且调整后的信道会对该信道上其他节点产生二次干扰。

基于以上考虑，本文采用乒乓方式，利用无线传感器网络节点空余时间监听网络，从而进行数据发送；充分利用网络带宽，提高数据传输实时性。

1 方案设计

无线传感器网络节点通常受到能量限制，其大部分时间均处于低功耗状态(休眠)。无线传感器网络节点通过唤醒的方式感知数据并进行传输，工作状态切换如图1所示。无线传感器节点在休眠状态下无法进行数据采集和传输，故本文将该部分状态进行省略，不单独进行描述。

图1 WSN节点工作状态切换图 Fig.1 Switching graph of WSN node working state

对无线传感器网络的路由算法、电池能耗、服务质量等方面进行较为深入的研究。路由算法有低功耗自适应集簇分层型路由协议(low energy adaptive clustering hierarchy，LEACH)[9]、Bezier曲线路由算法[10]等，但很少有针对无线数据健壮性传输的研究。

在众多的路由算法中，LEACH路由算法较为经典。LEACH路由算法将无线传感器网络划分为若干簇，依靠簇头对某一区域内的节点进行管理；通过时分多址(time division multiple access，TDMA)的方式进行通信，避免同一簇内的节点相互干扰。采用TDMA的方式，在一定程度上解决了同一簇内的频率干扰，但是降低了无线数据更新速度，相邻簇之间也会互相干扰，导致无线数据丢失。本文采用乒乓效应的解决方案，基于现有的无线传感器网络硬件基础和路由协议，在保持数据采样率不变的同时，兼顾数据传输，减少数据因网络受阻而出现的丢包现象。

传统的无线传感器网络节点工作流程主要有循环获取数据和固定频率获取数据2种方式，其工作流程如图2所示。图2(a)为方式1，即循环获取数据，节点在任意时刻获取数据后直接传输数据；图2(b)为方式2，即固定频率获取数据方式，每次采集完成后再通过无线的方式进行数据传输。

图2 传统网络节点工作流程图 Fig.2 Workflow diagram of traditional network node

采用以上2种方式，在网络拥塞严重时，会出现传感器数据无法传输或节点无法固定采样率的现象。如采用方式1，节点完成数据采集后，当监听到网络一直处于忙状态，会一直处于等待数据发送状态，而长时间监听网络会导致网络节点延迟下一次数据采集。如采用方式2，虽然对方式1中时效性问题有一定程度的缓解，但是无线传感器网络节点每次采样完成后依然会监听网络。只有在网络出现空闲时，才会发送数据。如果在下一个采样时刻到来时，网络一直处于忙状态，则无法传输当前采样数据，会导致数据丢包。

针对方式1和方式2中出现的问题，本文提出基于乒乓效应的解决方式，即将无线传感器节点分为数据获取和数据发送2个阶段，其运行流程如图3所示。在无线传感器节点唤醒状态下，节点工作于数据采集状态或数据传输状态。为保证数据的可靠性，数据采集采用固定采样周期，并且数据采集完成后不进行直接传输，而是将数据存于片内的先入先出存储器(first in first out，FIFO)中。FIFO中的数据采用循环指针的方式进行存储和发送。当无线传感器节点完成数据采集，立即进入数据传输阶段。数据传输阶段又分为网络监听和发送2个时期。

图3 乒乓效应工作流程图 Fig.3 Workflow diagram of ping-pong effect

在网络监听时，无线传感器网络节点读取FIFO数据，一旦发现网络出现空闲，节点立即将FIFO数据上传到网络中。数据传输需满足节点处于工作状态、FIFO内数据1帧以上和网络出现空闲状态3个条件。

在数据传输过程中，无线传感器节点一旦监测到以下3种事件中的任意1种，即到达采样时刻事件、FIFO数据为空事件、信道忙事件或节点进入休眠事件，则立即退出数据传输。

2 试验测试

LantronixxPico-WiFi的主要参数如表1所示。

表1 主要参数Tab.1 Main parameters

为实现上述方案，设计了无线传感器网络节点。该节点采用固定2 kHz数据获取率，每次获取8×16 bit数据并进行组帧。无线传感器网络节点采用12 V锂电池供电。STM32F405微处理器作为控制核心。采用LantronixxPico-WiFi无线传输模块，将STM32F405微处理器采集的数字信号转换为无线信号。通信接口采用USART，波特率采用1.3 Mbit/s(用户自定义模式)。

通过TL-WDR7400无线路由器建立无线网络，采用TCP协议减少网络环境引起的数据包丢失。LantronixxPico-WiFi设置为服务器模式，与TL-WDR7400路由器进行连接。用户计算机采用客户端模式与TL-WDR7400路由器进行连接。网络结构如图4所示。

图4 网络结构示意图 Fig.4 Network structure diagram

为真实地模拟无线数据传输过程中受到的无线干扰，将无线传感器网络置于无线网络覆盖较为复杂的环境中，无线传感器节点连接无线路由信号强度为-32 dBm。在无线传感器节点所处的无线覆盖区域内，存在14个同频率、无线信号强度高于-80 dBm的干扰源，其中信号强度高于-70 dBm的干扰源有10个。

在验证乒乓方法之前，本文针对传统的方式2进行测试试验。

2.1 试验一

试验一为无FIFO、无干扰环境下的传输试验。

将网络环境设置为无干扰，使无线传感器节点固定采样频率为2 kHz，单次采样所发送数据帧长度为21 B，则需要传输的实际速率为42 KB/s，数据采样点数为10 000点。数据采样完成后，无线传感器节点需要发送2.1×105B的数据包。无线传感器网络节点USART通信速率为1.3 Mbit/s，远高于实际传输带宽。

完成准备工作后，通过示波器观察采样标志信号以及UASRT发送TTL电平信号可以看出，出现2 kHz采样标志信号后，TTL发送电平呈均匀分布的状态。

在无干扰环境下，单次采样所产生的21 B数据需要150 μs传输完成，并且采样时间点前后数据流基本相同。传统模式下，无干扰上位机TCP&UDP测试软件所接收的数据包数量为2.1×105B，与理论值一致。该结果说明在无干扰环境下，当传输带宽大于数据传输所需带宽时，所采集的无线数据能够完整传输。

2.2 试验二

试验二为无FIFO、有干扰环境下的传输试验。

将无线传输网络环境处于干扰环境下，存在14个无线信号强度高于-80 dBm的干扰源。重复试验一操作步骤，通过示波器观察数据传输波形，得到试验结果：出现2 kHz采样标志信号后，TTL发送电平出现无均匀分布的状态；通过TCP&UDP测试工具，观察上位机接收数据，得到接收数据包数量为201 894个，即出现丢包现象。

在干扰环境下，无线传感器节点完成数据采集后，直接传输，数据流不完整，会导致数据丢失。TCP&UDP测试工具所接收的数据包为201 894 B，所接收到的数据包小于2.1×105B，证明数据传输过程中发生丢包。在干扰环境下，即使传输带宽大于数据传输所需带宽时，无线数据也不能完整传输。

2.3 试验三

试验三为有FIFO、无干扰环境下的传输试验。

对乒乓方式进行测试试验，将无线传感器节点放置于无干扰环境，重复试验一操作步骤。通过示波器观察波形输出，得到的试验结果与试验一一致。通过TCP&UDP测试工具所接收的数据包无丢失。在无干扰环境下，传统传输方式与乒乓方式并没有区别。

2.4 试验四

试验四为有FIFO、有干扰环境下的传输试验。

将传输试验处于如试验二相同干扰环境中，测试步骤与试验二相同，通过示波器可得出2种现象。现象一，干扰环境下，无线信号受到干扰，流量控制导致单次采样所产生的21 B无法一次性传输，并且传输时间为90 μs左右。现象二，单次传输时间达到了300 μs左右，但实际单次采样所产生的数据需传输时间为150 μs，说明在本次传输空余时间段内，无线传感器节点用于传输其他时间点所产生的无线数据。最终数据传输完成后，上位机软件所接收的数据包为2.1×105B。在干扰环境下，无线传感器网络节点能够对数据进行缓存；当达到带宽条件时，再将缓存数据进行传输。

3 结束语

通过测试试验可以看出，与传统模式相比，当无线传感器节点在传输相同数据量时，乒乓模式能够有效利用网络空余带宽，实现数据完整传输。在网络处于忙状态时，无线传感器节点将所产生的无线数据缓存于FIFO中，一旦网络出现空闲，则进行数据传输。采用该方式能够最大程度上利用网络宽带资源，减少数据丢包率。与此同时，FIFO设置大小、采集数据量大小以及网络干扰程度三者紧密相关。在无线网络长时间无法进行数据传输时，FIFO中的数据也会被覆盖。所以，在实际的应用过程中，还需要对网络环境进行评估，从而设置合适的缓存，以达到最佳的传输效果。

参考文献:

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