基于带状自组网路由算法的诱导风机通信系统的设计

胡圣尧，张解放，景海南，王心恬

(常州工学院 电气信息工程学院，江苏 常州 213032)

随着我国经济的高速发展，汽车工业不断进步，汽车保有量越来越大，汽车在地下停车场运行时，发动机排放的尾气中CO等有毒气体大量聚集。这些有毒气体若不及时排出，会对人们的生命造成很大的威胁[1-2]。诱导风机排风系统具有使地下车库内的空气形成气流并排出的功能。

目前，诱导风机的联网通信方案有以下三种：一是采用RS485数据通信方式进行数据传输[3]。该方案的材料成本虽低，但施工和后期维护成本较高。二是采用电力线载波的通信方式进行数据传输[3-4]。该方案施工成本虽低，但材料成本较高。三是采用自组网的通信方式进行数据传输。该方案一般采用无线自组网按需平面矩离矢量路由协议(Ad hoc on-demand distance vector routing，AODV)[5]。网络建立路由后，一方面AODV中的路由发现和路由维护算法占用了有限的系统资源，加大了数据传输的时延；另一方面集成AODV的自组网芯片售价略高[5-6]。因此，针对诱导风机控制系统的特点，本研究设计了一种适用于诱导风机控制系统的快速路由的自组网路由协议。

1 诱导风机无线控制系统

诱导风机无线控制系统由集中控制器和诱导风机控制器两部分组成：集中控制器的主要功能是向管理人员提供人机界面，通过无线网络与诱导风机控制器进行数据通信，获取CO传感器和诱导风机的状态信息，控制排风机和送风机的运转，并将排风机和送风机的状态信息传递给楼宇自控系统(building automation system，BAS)；诱导风机控制器的主要功能是采集诱导风机周边的CO浓度、温度等信息，通过自组网传输至集中控制器，并执行集中控制器的指令控制风机运转。诱导风机及其控制器安装在一起，按照通风要求分布在地下车库内，集中控制器安装在BA终端附近。智能诱导风机排风系统示意图如图1所示。

图1 智能诱导风机排风系统示意图

2 带状自组网路由算法

1)某地下车库无线诱导风机系统按照送风机、排风机、防火分区分成若干组固定风路，诱导风机节点分布在固定风路上，呈带状分布。在无线诱导风机系统分布的基础上，本研究将无线诱导风机通信网络分成若干个带状子网，各个子网间在进行数据传输时，逐步建立和更新路由，实现整个网络内节点间的数据传输。

2)在同一个子网内采用相同的通信信道，相邻的子网通信信道不同。正常工作状态下，改变通信信道，任何节点集合的真子集间都可形成至少一条通信链路，即任意两个子集内的节点是互通的，这样相邻的带状子网可以同时进行路由发现和维护，并能避免大规模的广播风暴。系统通过调整诱导风机节点的发射功率，改变诱导风机节点的覆盖半径，确保任意一个诱导风机节点都能覆盖相邻的诱导风机节点。

3)在同一个带状网络内，当有一个节点要求发送点对点的单播数据时，该节点向其覆盖范围内的其他节点发送数据，这些节点收到数据后按照通信协议对数据进行解析，判断是否有权接收数据。如果该节点有权接收数据，则立即向源节点发送响应；如果该节点发送的数据是广播数据，则发送完成后立即转入接收状态。

4)节点通信协议开始字符为两个字节，由于源节点地址、中间节点地址、目标节点地址、数据序号、数据长度均为固定值，所以可以仅通过数据头和数据长度确保数据的完整性。源节点地址是源节点的身份标志，全网络唯一。中间节点地址是最后一个转发节点的身份标志，若无转发点，则中间节点地址是源节点的身份标志。目标节点收到数据后，可建立或更新逆向路由，将自己的身份标志与目标节点地址比较，如果相等，则有权处理数据。数据序号是数据在总数据分组中的编号，每个节点在发送数据时，执行媒体介入控制。节点数据发送及路由算法如图2所示。

5)带状子网并不采用类似于AODV中的Hello报文进行广播，而是在数据传输时发现路由。故障节点路由的更新是通过数据传递的结果进行的，当某一节点发送数据时，其覆盖范围内的所有节点接收到数据后，根据节点模型可知逆向路由，从而实现路由的更新。该协议可以减少数据传输转发节点的数量，缩短网络传输时延，同时算法简单可靠，降低了网络和终端维护成本。节点数据接收及路由更新算法如图3所示。

图2 节点数据发送及路由算法

图3 节点数据接收及路由更新算法

3 网络性能测试

3.1 通信硬件介绍

通信硬件的处理器采用51内核的STC15W204单片机，该单片机内置1%精度的RC内部时钟，内置看门狗和复位电路，芯片性价比高。RF芯片采用TI公司的CC1100无线收发芯片，没有内置自组网协议，具有价格低、可靠性高等特点。STC15W204单片机通过SPI接口向CC1100无线收发芯片写入配置字，控制CC1100无线收发芯片进行数据收发工作。CC1100无线收发芯片电路图如图4所示。

图4 CC1100无线收发芯片电路图

STC15W204单片机与CC1100无线收发芯片的SPI读写程序如下：

3.2 网络测试方法

某地下车库诱导风机系统分为14个区，分别标为A区、B区……N区，共238个诱导风机节点。其中A区有17个诱导风机节点，B区有19个诱导风机节点，D区有22个诱导风机节点。

本研究通过网络测试三组诱导风机节点的通信数据，分别是节点A00到A09，节点A00到B07，节点A00到D08。节点A00与A09属于同一个分区，距离比较近；节点A00与B07处于相邻分区，距离稍远；节点A00与D08跨了两个分区，距离最远。

由于每个诱导风机节点的时间不同步，因此测试采用从发送测试数据开始计时，到接收完测试数据结束。由于测试数据长度固定为128个字节，每个节点的数据发送波特率固定，因此计时的长短可以反映自组网的时延性能。节点A00与A09、A00与B07、A00与D08通信时延参数测试结果如表1所示。

表1 节点A00与A09、A00与B07、A00与D08通信时延参数测试结果

由表1可知，带状自组网路由算法在进行初次数据传输时，耗时较长，经过的路由节点数量较多 。在进行8次数据传输后，两节点间的路由逐步得到优化，经过路由节点的数量趋于恒定，所用时间趋于一致。

4 结论

与现有系统化的自组网协议软件包或集成在芯片上的自组网协议相比，带状自组网路由算法简单，适用于诱导风机通信系统。系统测试表明，带状自组网路由算法能够满足诱导风机的通信功能需求，该系统已经成功应用于商业大厦地下车库排风工程中，具有良好的通风效果且成本较低。