基于WIA-PA路由协议的Mesh网络的实现

祝嘉东许晖



基于WIA-PA路由协议的Mesh网络的实现

祝嘉东1，许晖2，3

（1.南京邮电大学，江苏 南京 210000；2.中国科学院上海微系统与信息技术研究所，上海 200050； 3.上海无线通信研究中心，上海 201210）

为了应对物联网的复杂应用场景，在分析WIA-PA系统结构及Mesh组网的优缺点的基础上，利用WIA-PA中链路层部分的协议开发了一个Mesh网络硬件原型。该硬件原型采用了IM470A增强型无线通信模块作为主要组成部分，实现了收发数据的功能，具有功耗低、延时低、传输成功率高等特点，并给出了不同环境下的测试结果。

WIA-PA；Mesh；路由协议；IM470A

1 引言

在近年来物联网技术高速发展的背景下，我们需要有面向物联网的组网技术来承载网络中信息传输的功能，Mesh组网就是一种很好的解决方案。Mesh网络具有多跳、自组织、自管理的特点，具有高速率、易组网、成本低、性能稳定等优势；Mesh网络可以通过组网有效地避开障碍物的干扰，不仅可以消除盲点、增大信号覆盖范围，还能有效拓展应用领域；Mesh网络可以进行更加灵活的组网，让网络的利用率得到极大的提升。一般而言，只需要提供几个接入点即可，这在很大程度上降低了网络建设的成本。因此，通过Mesh多跳组网，能满足物联网环境下密集分布节点传输信号的需求。例如可在办公大楼内同层间或跨层间进行Mesh组网，来形成楼内共享的一个局域网环境，这样能达到对传输信号低时延和高成功率的要求；在停车场等比较空旷的环境下，对于传输停车信息等时延要求较低的请求，单个节点的传输可能会受到传输距离的限制，使用无线Mesh多跳组网可以很好地扩大传输距离，又省去了部署传输线缆的成本，也可降低功耗。综上所述，由于Mesh组网所需要的节点成本低、功耗小，因此，可大规模组网，从而提高其传输效率。尤其在物联网环境下，要做到实时联网，并且降低功耗来延长使用寿命和减小维护成本，Mesh组网是一种优选的解决方案。

本文设计的Mesh网络，协议部分使用了WIA-PA的链路层部分，对其在联网时间、传输时延、传输成功率上进行了修改和优化；硬件部分使用了IM470A增强型无线通信模块搭建了一个Mesh网络原型，从而验证此协议的可行性，并完成了测试。

2 WIA-PA概述

2.1 WIA

WIA（Wireless Networks for Industrial Automation，工业无线网络）技术是由中科院沈阳自动化所牵头制定的，具有自主知识产权的高可靠、低功耗的智能多跳无线传感器网络技术，能提供一种自组织、自治愈的智能Mesh网络路由机制，能够针对应用条件和环境的动态变化，保持网络性能的高可靠性和强稳定性。

WIA中采用的Mesh网络技术，采用了动态路由。每个设备至少有两条可用的通信路径，设备加入网络后，可以自主选择或由网络管理者分配多条数据传输路径。当一条路径由于干扰被中断，设备可以自动切换到其他通信质量较好的路径。

WIA标准追求以下的目标：针对应用条件和环境的动态变化，能够保持网络性能的可靠和稳定；能够在低成本的商用器件上实现，降低技术开发与实现难度；用户能以较低的投入换来易于使用和维护的工业无线系统[3]。

2.2 WIA-PA

WIA-PA标准是中国工业无线联盟针对过程自动化领域制定的WIA子标准，定义了WIA系统结构与通信规范。WIA-PA的网络拓扑结构如图1所示。

图1 WIA-PA网络拓扑结构

WIA-PA中为了保证端到端可靠传输，在网络层采用智能的Mesh网络技术。每个设备至少有两条可用的通信路径，设备加入网络后，可以自主选择或由网络管理者分配多条数据传输路径。WIA-PA技术还支持路径的健康检测，当一条路径由于干扰被中断时，设备可以自动切换到其他通信质量较好的路径。

3 软件设计

本设计的Mesh网络能够实现单跳和多跳功能。当网关节点和从节点距离较近时，则只进行单跳；当网关节点和从节点距离较远产生信号衰减时，则会通过中间节点进行多跳传输。单跳拓扑如图2所示，多跳拓扑如图3所示。

图2 单跳拓扑示意图

图3 多跳拓扑示意图

本设计所使用的网络层主程序主要流程如图4所示。首先对网络初始化，发送网络搜索命令；等待接收到节点返回响应后，集中器会向下发送心跳帧来维持路由更新，心跳帧设定为1 s；节点判断是否收到数据，如果收到，则转发下行数据，如果长时间未收到，则会重新启动；收到下行数据后，会进行射频数据处理。

对网络初始化时，广播发送网络搜索命令，接着处理网络查询并发送响应报文，处理响应报文后，判断发送响应是否为集中器，如果是，则记录为父节点，直接进入网络运行状态；如果不是，对于节点在入网策略上会考虑信号质量优先。路由更新时，首先会对节点进行单点测试，接着会对网络进行拓扑查询，接收终端直接向父节点发送网络查询响应，父节点处理响应后，网络层就开始发送数据。具体如图5所示。射频数据处理部分，首先要对下行报文做重复帧检测，接着判断报文的帧类型。如果是数据帧，对于下行报文，会加入下行数据转发列表，通过查询实现延时转发，并判断是否要路由更新；对于上行报文，如果是数据ACK，则发送应答报文，如果是集中器接收的数据，则发送到串口，如果是转发数据，则向上转发。如果是控制帧，对于下行，会区分是路由查询请求或是测试请求，并执行响应的处理函数；对于上行，集中器接收的就发送到串口，需要转发的就向上转发；其他类型包括组网、查询指令就执行响应的处理函数。如果是ACK帧，就执行ACK处理函数，收到ACK标志并清除。

图4 网络层主程序流程

图5 网络初始化

4 硬件设计

本文设计的Mesh网络力致于解决物联网环境下密集分布的节点传输信号时，在传输时延、传输成功率上存在的不足。将通过使用无线通讯模块及测试板搭建一个Mesh网络的原型，来验证路由协议在硬件环境下的作用。

4.1 主体结构

本设计的Mesh网络用到了一个网关模块，20个节点模块，2块测试用供电底板，结构如图6所示。其中，1块测试用供电底板能给10个节点模块提供3.3 V直流稳压供电，底板上集成了标准型开发板和无线模块接口，开发板可使用ARM仿真器烧写固件和调试程序，无线模块接口提供20PIN插座，可连接节点模块。节点模块包括IM470A增强型无线通信模块和天线；网关模块除了包括这两个部件之外，还有USB转接板用于连接到电脑发送数据。

图6 硬件结构设计

4.2 IM470A通信模块

本设计所使用的关键部件为IM470A增强型无线通讯模块。该模块集成了高性能SI4432射频芯片及STM32控制器，支持低功耗睡眠模式，支持透明传输，可按需求工作于240～960 MHz频段，传输距离远。能够满足用户对于低成本、低功耗、远距离的无线物联网应用需求。SI4432是Silicon公司推出的无线模块，发射功率大、接收灵敏度高，因此，能传输较远距离或穿墙传输。在大楼内等障碍较多的环境下，良好的穿墙性能起着至关重要的作用。STM32控制器则负责无线模块的数据收发、路由选择等，起到控制作用。内部连接和模块外观尺寸如图7和图8所示。

图7 内部连接图

图8 模块外观尺寸图（单位：mm）

5 测试实验

5.1 实验过程

实验环境搭建如图9所示。不同情况下的成功率比较如图10所示。该网络准备工作时，首先将所有节点模块插入测试用供电底板上的20PIN插座上，打开供电底板电源，底板上每个节点模块对应的LED指示灯亮，表示节点连接正常；把网关模块通过USB转接板连接到电脑，在电脑上打开串口助手，在串口助手内配置串口，参数设置包括串口选择、波特率115200，校验位为无，停止位为1；向网关串口发送“AT+？”指令，如果回复“OK2”，则表示网关已入网成功；用USB转TTL转接板将节点模块对应的TX、RX、GND端连接到另一台电脑，在电脑上打开串口助手，在串口助手内配置串口，参数设置包括串口选择、波特率115200，校验位为无，停止位为1；向网关串口发送“AT+？”指令，如果回复“OK2”，则表示节点已入网成功，此节点即作为接收节点；启动路由表查询，给主节点串口发送“AT+ROUTE”，回复形如“82AABBCCDD”的指令，其中，AA为终端节点地址，BB为上级节点地址，CC为上上级节点地址，DD为上上上级节点地址，例如：820100FFFF，01为终端节点，00为主节点，01节点一跳到达主节点00，没有更上级的节点路由用FF表示；给网关串口发送任意非AT开头的数据，网关会广播透传发送给其下连接的所有节点，可通过连接至电脑的接收节点的串口助手读取数据；给接收节点串口发送任意非AT开头的数据，接收节点会透传发送到网关，可通过连接至电脑的网关的串口助手读取数据。

图9 实验环境

图10 不同情况下的成功率比较

5.2 实验数据

硬件平台搭建完成后，写入程序。测试环境为办公大楼内，单跳测试在同一楼层上；多跳测试分为两部分：第一部分在同一楼层内，收发端距离30 m左右，穿越一面墙，主要测试传输距离；第二部分将主节点放于一层，中间节点放于二层，接收节点放于三层，收发端距离20 m左右，穿越3面墙，主要测试穿墙性能。经过测试，得到的数据如表1～表7所示（注：多跳基本为2跳，极少出现3跳情况）。

表1 单跳联网时间（平均值）

网关到节点/s节点到网关/s 4064

表2 单跳传输延迟（平均值）

节点发，网关收/ms网关发，节点收/ms 1527

表3 多跳传输延迟（同楼层，平均值）

节点发，网关收/ms网关发，节点收/ms 150510

表4 多跳传输延迟（跨楼层，平均值）

节点发，网关收/ms网关发，节点收/ms 3641 022

6 结束语

本文提供了一种基于WIA-PA协议设计的Mesh网络方案。WIA能提供一种高可靠性的Mesh路由机制，能根据应用场景和环境采用动态路由，当一条路径由于干扰被中断后，能切换到其他路径，以此来保持网络的可靠性。本文还提供了一种硬件方案来验证上述路由协议，采用了测试底板和IM470A增强型无线通信模块搭建Mesh网络硬件原型并完成了测试。

实验证明，此网络硬件原型在联网时间、传输时延、传输成功率上都有着良好的表现，验证了本文设计的基于WIA-PA的Mesh路由机制在性能上的优点，相信经过不断开发，能够在今后的物联网环境中得到更好的应用。

表5 单跳成功率

节点发送数据/条接收数据/条成功率/（%）节点发送数据/条接收数据/条成功率/（%） 154054010011540540100 254054010012540540100 354054010013540540100 454054010014540540100 554054010015540540100 654054010016540540100 754054010017540540100 854054010018540540100 954054010019540540100 1054054010020540540100

表6 多跳成功率（同楼层）

节点发送数据/条接收数据/条成功率/（%）节点发送数据/条接收数据/条成功率/（%） 125225210011275275100 235835810012223223100 330429797.691324324299.59 431831810014292292100 52962961001528328098.94 628128110016228228100 725225210017274274100 829229210018289289100 927027010019267267100 1026726710020286286100

表7 不同情况下的成功率比较

节点发送数据/条接收数据/条成功率/（%）节点发送数据/条接收数据/条成功率/（%） 138237497.9111382382100.00 238238199.741238238199.74 338238199.741338237999.21 4382382100.001438237397.64 5382382100.001538238099.48 6382382100.001638238099.48 738237197.121738238199.74 838238099.481838238099.48 938238199.7419382382100.00 1038238199.7420382382100.00

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2095－6835（2019）01－0093－04

TP273

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.01.093

祝嘉东（1993—），男，研究方向为Mesh网络的路由协议。

〔编辑：张思楠〕