作為無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )，其體系結構應該包含四個(gè)基本層次：物理層和數據鏈路層、網(wǎng)絡(luò )層以及應用層。LED路燈無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )采用IEEE 802.15.4標準作為其物理層和數據鏈路層的技術(shù)標準，網(wǎng)絡(luò )層與應用層集成在一起，采用單跳、雙跳以及變跳3種接力通信模式作為網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的基礎。本文圍繞LED無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的體系結構，以網(wǎng)絡(luò )拓撲及通信節點(diǎn)的組成為基礎，論述了網(wǎng)絡(luò )層的協(xié)議包格式、路由工作原理，以及節點(diǎn)通信的設計流程。

1 網(wǎng)絡(luò )體系

LED無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的網(wǎng)絡(luò )體系是網(wǎng)絡(luò )層實(shí)現路由的基礎，包括節點(diǎn)組成及網(wǎng)絡(luò )拓撲結構。

1.1 LED路燈傳感網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的組成

LED路燈網(wǎng)絡(luò )由間隔均勻的若干盞路燈組成，每一盞LED路燈均為網(wǎng)絡(luò )的一個(gè)通信節點(diǎn)，用來(lái)構建無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )。圖1所示，為構建無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )LED路燈節點(diǎn)的組成，除了照明部分的電路外，還附加了對LED電流的采樣、LED發(fā)光亮度的檢測、以及對LED發(fā)光亮度的PWM控制等電路。每一盞LED路燈既是傳感器節點(diǎn)也是網(wǎng)絡(luò )路由節點(diǎn)；每一個(gè)節點(diǎn)包含一個(gè)微控制器（MCU，如cc2530），都具有射頻通信功能，既能發(fā)送信號也能接收信號；每一個(gè)節點(diǎn)具有32bit（位）的唯一ID號。通過(guò)在物理層和MAC層采用IEEE 802.15.4協(xié)議標準，結合網(wǎng)絡(luò )層與應用層的協(xié)議，所有這些節點(diǎn)有機地組合在一起，便構成了LED路燈無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )。由于現有的一些網(wǎng)絡(luò )層與應用層協(xié)議如Zigbee、RF4CE等并不是很適合LED路燈傳感網(wǎng)絡(luò )應用，因此，需要重新設計網(wǎng)絡(luò )層與應用層協(xié)議。


1.2 網(wǎng)絡(luò )拓撲

根據LED路燈的分布規律，每盞LED路燈作為網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)構成無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )，其拓撲結構如圖2所示，（a）是信號逐點(diǎn)（單跳）接力傳送拓撲結構圖，（b）是信號隔點(diǎn)（雙跳）接力傳送拓撲結構圖。為便于下文網(wǎng)絡(luò )應用協(xié)議的設計與討論，作出如下定義：

（1）所有節點(diǎn)可分為2類(lèi)，即LED路燈節點(diǎn)(簡(jiǎn)稱(chēng)LED節點(diǎn)，如a1 a2 … an , b1 b2 … bn)和路燈控制器節點(diǎn)(簡(jiǎn)稱(chēng)控制節點(diǎn),如a,b)；

（2）相鄰節點(diǎn)之間的距離均為L(cháng)，每個(gè)節點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)信號覆蓋半徑大于等于2L；

（3）根據節點(diǎn)的相對位置，節點(diǎn)可分為前驅節點(diǎn)與后繼節點(diǎn)，離控制器近的是前趨節點(diǎn)，離控制器遠的是后繼節點(diǎn)。例如a1是a2前驅節點(diǎn)，a3是a2后繼節點(diǎn)；同理b2是b4前驅節點(diǎn)，b6是b4后繼節點(diǎn)，以此類(lèi)推。


（4）控制節點(diǎn)與LED節點(diǎn)之間，LED節點(diǎn)相互之間，只要無(wú)線(xiàn)信號可以覆蓋到,都可以相互通信，不需要設基站或專(zhuān)門(mén)的路由協(xié)調裝置。

（5）每個(gè)節點(diǎn)的32bit唯一ID號由兩部分組成，分別為網(wǎng)絡(luò )ID和節點(diǎn)地址（編號），均為16bit。同一路燈網(wǎng)絡(luò )所有節點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò )ID相同；從控制節點(diǎn)開(kāi)始，節點(diǎn)地址由小到大順序編排。
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2 網(wǎng)絡(luò )協(xié)議

LED路燈傳感網(wǎng)絡(luò )協(xié)議包括協(xié)議包的定義與路由協(xié)議的定義，其設計目標是簡(jiǎn)單、實(shí)用，易實(shí)現。

2.1 網(wǎng)絡(luò )協(xié)議包格式

LED路燈傳感網(wǎng)絡(luò )協(xié)議傳輸的信息包共有3種類(lèi)型，分別為命令包、參數包以及應答確認包。


（1）命令包

圖3(a)所示，為控制器節點(diǎn)對LED路燈節點(diǎn)下發(fā)的命令包格式。命令有三種類(lèi)型：針對整個(gè)網(wǎng)絡(luò )所有LED節點(diǎn)的廣播命令、針對部分LED節點(diǎn)的群組命令以及針對單個(gè)LED節點(diǎn)的單點(diǎn)命令。

命令包各字段定義如下：

包類(lèi)型：為1；

目的地址：為指定LED節點(diǎn)的地址；

包序列號：為向指定節點(diǎn)發(fā)送的包編號；

接力模式：為1時(shí)，表示單跳模式；為2時(shí)，表示雙跳模式偶鏈；為3時(shí)，表示雙跳模式奇鏈；

命令字段的定義方法見(jiàn)表1，表1只列出了部分命令，實(shí)際中可以根據需要增加命令；


命令參數字段：用來(lái)表示調光的亮度，數值越小LED發(fā)光亮度越低，耗電越少，數值為 0時(shí)表示關(guān)燈；

跳數：命令傳送到目的地址所需經(jīng)過(guò)的節點(diǎn)數，最大值為路燈網(wǎng)絡(luò )所有LED節點(diǎn)的數量。傳送命令包時(shí)，每經(jīng)轉發(fā)一次則跳數減1，當跳數值為0時(shí)，命令包不再被轉發(fā)。

（2）參數包

圖3(b)所示，為L(cháng)ED路燈網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)上傳的參數包格式?？刂乒濣c(diǎn)可采用定時(shí)輪詢(xún)或即時(shí)查詢(xún)方式獲取網(wǎng)絡(luò )內各LED節點(diǎn)的狀態(tài)參數，如電流值、發(fā)光亮度值等，各LED節點(diǎn)只有在接到讀取參數的命令后才會(huì )向控制節點(diǎn)發(fā)送參數包。參數包各字段定義如下：

包類(lèi)型：為2；

源地址：為上傳參數LED節點(diǎn)的地址；

包序列號：為上傳參數LED節點(diǎn)發(fā)出的參數包編號；

接力模式：由于只有在節點(diǎn)收到讀取狀態(tài)參數命令后才會(huì )發(fā)送參數包，因此，參數包的接力模式由命令包的接力模式確定；

狀態(tài)標志：為0，表示對應LED節點(diǎn)無(wú)故障；為1，表示對應節點(diǎn)有故障；為2，表示對應節點(diǎn)及后繼節點(diǎn)有故障；

狀態(tài)參數1－3：為L(cháng)ED節點(diǎn)的有關(guān)參數，如電流值、電壓值以及LED的發(fā)光亮度值等。

（3）應答確認包

圖3(c)所示，為應答確認包格式。為了實(shí)現可靠傳輸，每個(gè)節點(diǎn)在收到命令包或參數包后需要發(fā)送應答確認信息包。如果信息包的發(fā)送（轉發(fā)）方在設定的時(shí)間內沒(méi)有收到應答確認包，則會(huì )啟動(dòng)對該信息包的重新發(fā)送。應答確認包各字段的數值定義如下：

包類(lèi)型：為3；

節點(diǎn)地址：發(fā)出確認應答包節點(diǎn)的地址。

確認類(lèi)型：收到信息包的包類(lèi)型；

確認號：為節點(diǎn)收到信息包的包序列號；
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2.2 網(wǎng)絡(luò )路由協(xié)議

LED路燈傳感網(wǎng)絡(luò )路由協(xié)議的核心是各節點(diǎn)對信息包的轉發(fā)機制。由于每一個(gè)節點(diǎn)的信號覆蓋范圍有限，其信息只能向鄰近的節點(diǎn)發(fā)送，如要將信息送往遠處節點(diǎn)則只能依賴(lài)中間節點(diǎn)的多次轉發(fā)。根據前述1.2定義的條件，節點(diǎn)轉發(fā)信息包可以分為三種模式,即單跳接力模式，雙跳接力模式和變跳接力模式，各LED節點(diǎn)將根據信息包中接力模式字段的定義進(jìn)行選擇。

2.2.1 單跳接力模式

圖2（a）所示，為單跳接力模式的拓撲結構圖。它是一個(gè)比較簡(jiǎn)單的轉發(fā)模式，要求每個(gè)節點(diǎn)無(wú)線(xiàn)信號覆蓋的半徑范圍大于節點(diǎn)間距L即可，信息包只需往鄰近的前驅節點(diǎn)或后繼節點(diǎn)轉發(fā)。在這種模式下，節點(diǎn)處理收到信息包的方法如下：

①節點(diǎn)接收一個(gè)命令包（如圖3(a)）后，向前驅節點(diǎn)發(fā)送接收確認應答包；將命令包中的跳數減1；比較節點(diǎn)自身地址（NA）與命令包中目標地址的大小，相等則執行包中的命令且無(wú)須轉發(fā)命令包，不等則向后繼節點(diǎn)轉發(fā)該包；如果是廣播命令(目標地址值為0xffff)，既在本節點(diǎn)執行該命令同時(shí)也向后繼節點(diǎn)轉發(fā)該命令包。轉發(fā)時(shí)的路由地址為:NA+1。當命令包傳送到網(wǎng)絡(luò )中的最后一個(gè)LED節點(diǎn)時(shí)，跳數減1后將為0，包將不再被轉發(fā)。

②節點(diǎn)接收到參數包（如圖3(b)）后，只需向后繼節點(diǎn)發(fā)送接收確認包和向前驅節點(diǎn)轉發(fā)，轉發(fā)參數包的路由地址為：NA-1。

③節點(diǎn)收到命令包或參數包后，必須發(fā)送接收確認包（如圖3(c)），當收到命令包時(shí)，確認類(lèi)型值為1,發(fā)送應答確認包的路由地址為NA-1；當收到參數包時(shí)確認類(lèi)型值為2, 發(fā)送應答確認包的路由地址為NA+1。

2.2.2 雙跳接力模式

圖2（b）所示，為雙跳接力模式的拓撲結構圖。這種模式要求每一個(gè)節點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)信號覆蓋半徑范圍≥2L。從圖2可知，雙跳接力模式每次跨越兩個(gè)節點(diǎn)，傳送信息包到指定節點(diǎn)的轉發(fā)次數比單跳接力模式要少一半，因此其傳送時(shí)延也要小。在雙跳接力模式下，將整個(gè)網(wǎng)絡(luò )所有LED節點(diǎn)按照其地址值的奇偶性分成2個(gè)接力鏈，即奇地址節點(diǎn)鏈和偶地址節點(diǎn)鏈?？刂乒濣c(diǎn)發(fā)送廣播命令時(shí)，需要針對奇地址節點(diǎn)鏈和偶地址節點(diǎn)鏈分別發(fā)送，命令信息包分別在奇地址節點(diǎn)鏈和偶地址節點(diǎn)鏈上同時(shí)傳播。在雙跳接力模式下，節點(diǎn)處理收到信息包的方法如下：

①節點(diǎn)接收到命令包后的處理方法與單跳接力模式基本相同，但包轉發(fā)時(shí)的路由地址變?yōu)椋篘A+2。

②同樣節點(diǎn)接收到數據包后的處理方法也與單跳接力模式基本相同，只是在包轉發(fā)時(shí)的路由地址變?yōu)椋篘A-2。

③節點(diǎn)收到命令包或參數包后，必須發(fā)送接收確認包，當收到命令包時(shí)，確認類(lèi)型值為1,發(fā)送應答確認包的路由地址為NA-2；當收到參數包時(shí)確認類(lèi)型值為2, 發(fā)送應答確認包的路由地址為NA+2。

無(wú)論是單跳接力模式還是雙跳接力模式，節點(diǎn)發(fā)送命令信息包或參數信息包后，在規定的時(shí)間內未收到確認信息包，則需要重發(fā)，重發(fā)次數一般不超過(guò)3次。

2.2.3 變跳接力模式

變跳接力模式實(shí)際上是單跳接力模式和雙跳接力模式的一種補充，主要用于下一跳節點(diǎn)出現通信故障時(shí)。在單跳接力模式或雙跳接力模式工作時(shí)，如果在多次重發(fā)后仍收不到下一跳節點(diǎn)的應答確認信息包，說(shuō)明下一跳節點(diǎn)出現了通信故障。這時(shí)通過(guò)改變接力模式，由單跳變雙跳或者由雙跳變單跳可以繞開(kāi)下一跳有通信故障的節點(diǎn)，繼續信息包的接力傳送。同時(shí)，將故障節點(diǎn)的相關(guān)信息反饋到控制節點(diǎn)。變跳接力模式要求每一個(gè)節點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)信號覆蓋半徑范圍≥2L。變跳接力模式分為兩種情況：

（1）初始傳送為單跳接力模式

設LED節點(diǎn)i的地址為NAi，當LED節點(diǎn)i以單跳模式轉發(fā)命令包（或參數包）時(shí)，即使重發(fā)，仍然收不到LED節點(diǎn)i+1（或i-1）的確認包，于是斷定下一跳節點(diǎn)出現故障。這時(shí)如果傳送的是命令包則從①開(kāi)始執行，如果傳送的是參數包則執行②，因為故障節點(diǎn)在傳命令包時(shí)已遇上，傳送參數包時(shí)遇故障節點(diǎn)無(wú)須重復報告故障信息。

①LED節點(diǎn)i向控制節點(diǎn)報告故障節點(diǎn)信息。此時(shí)，節點(diǎn)i向控制節點(diǎn)發(fā)送參數包，包的狀態(tài)參數置為1，源地址為故障節點(diǎn)的地址，即NAi+1，發(fā)送參數包的路由地址為NAi-1。

②改變接力模式為雙跳模式，將信息包轉發(fā)給節點(diǎn)i+2（或i-2），以繞開(kāi)故障節點(diǎn)，路由地址為NAi+2（或NAi-2），若能收到應答確認包，則本節點(diǎn)轉發(fā)完成，否則說(shuō)明遇上了兩個(gè)或兩個(gè)以上連續故障節點(diǎn)，需繼續執行③。

③如果此時(shí)傳送的是命令包，則LED節點(diǎn)i需向控制節點(diǎn)報告故障節點(diǎn)狀態(tài)信息，狀態(tài)參數包的狀態(tài)標志置為2，源地址為故障節點(diǎn)的地址，即NAi+2，發(fā)送參數包的路由地址為NAi-1。隨后，轉發(fā)中止。

（2）初始傳送為雙跳接力模式

當LED節點(diǎn)i（地址為NAi）欲以雙跳接力模式轉發(fā)命令包（或參數包）時(shí)，必須對包進(jìn)行分析，根據接力模式字段的值為2或3，可以判定當前為偶地址鏈或奇地址鏈接力模式。當NAi的值為奇數，跳變模式為奇鏈，或者NAi的值為偶數，跳變模式為偶鏈時(shí)，執行如下步驟①；當NAi的值為奇數，跳變模式為偶鏈，或者NAi的值為偶數，跳變模式為奇鏈時(shí)，執行如下步驟②；

①節點(diǎn)i以雙跳接力模式轉發(fā)命令包（或參數包），路由地址為NAi+2（或NAi-2），如果收不到應答確認，則下一跳節點(diǎn)出現故障。如果這時(shí)轉發(fā)的是命令包，則需向控制節點(diǎn)報告故障，往其前驅節點(diǎn)i-2發(fā)送故障信息參數包，路由地址為NAi-2，故障信息參數包的源地址（即故障節點(diǎn)的地址）為NAi+2,狀態(tài)標志為1。同時(shí)，改用單跳接力模式將信息包轉發(fā)給節點(diǎn)i+1（或i-1），以繞開(kāi)故障節點(diǎn)，轉發(fā)的路由地址為NAi+1（或NAi-1）；若能收到確認包，則本節點(diǎn)轉發(fā)完成，否則執行③；

②節點(diǎn)i改為單跳接力模式轉發(fā)命令包（或參數包），路由地址為NAi+1（或NAi-1），若能收到確認包，則本節點(diǎn)轉發(fā)完成,否則，再改用雙跳接力模式轉發(fā)，將信息包轉發(fā)給節點(diǎn)i+2（或i-2），以繞開(kāi)故障節點(diǎn)，轉發(fā)的路由地址為NAi+2（或NAi-2）；若能收到確認包，則本節點(diǎn)轉發(fā)完成，否則執行③；

③說(shuō)明遇上了兩個(gè)或兩個(gè)以上連續故障節點(diǎn)，LED節點(diǎn)i需向控制節點(diǎn)報告故障節點(diǎn)信息。此時(shí)，節點(diǎn)i向控制節點(diǎn)發(fā)送故障參數包的狀態(tài)標志為2，源地址為故障節點(diǎn)的地址，即NAi+1，發(fā)送參數包，路由地址為NAi-1。隨后轉發(fā)中止。

上述變跳接力模式能解決分散的單個(gè)通信故障節點(diǎn)接力傳送問(wèn)題。但當網(wǎng)絡(luò )中出現連續2個(gè)或2個(gè)以上通信故障節點(diǎn)時(shí)，則只能報告故障節點(diǎn)位置而不能再繼續接力傳送。若要解決連續多故障節點(diǎn)的問(wèn)題，既需要改變接力算法，也需要各節點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)信號覆蓋半徑范圍更大。
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3 網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)工作流程與協(xié)議實(shí)現

LED路燈傳感網(wǎng)絡(luò )上的每一個(gè)節點(diǎn)，既是命令執行與狀態(tài)參數采集的終端節點(diǎn)，也是路由協(xié)調工作節點(diǎn)。各節點(diǎn)除了接收到信息包進(jìn)入處理流程外，其余時(shí)間幾乎都處在監聽(tīng)查詢(xún)狀態(tài)，檢查是否收到信息包。圖4所示為L(cháng)ED路燈傳感網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的工作流程，它是網(wǎng)絡(luò )協(xié)議在節點(diǎn)上實(shí)現過(guò)程的描述。


結語(yǔ)

通過(guò)網(wǎng)絡(luò )體系、網(wǎng)絡(luò )協(xié)議、網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)工作流程與協(xié)議實(shí)現等幾個(gè)部分的詳細介紹，析構了LED路燈無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的組成，希望能為L(cháng)ED路燈無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的應用起到拋磚引玉的作用。LED路燈無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )構建的基礎是點(diǎn)到點(diǎn)的通信技術(shù)，命令信息要覆蓋全網(wǎng)絡(luò )需要點(diǎn)到點(diǎn)的通信技術(shù)來(lái)完成，良好的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議是組建傳感網(wǎng)絡(luò )的關(guān)鍵所在，簡(jiǎn)易可行的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議是實(shí)用化的前提。實(shí)際應用表明，上述方法構建的LED路燈無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )具有良好的實(shí)時(shí)性，能穩定、可靠地工作，能滿(mǎn)足對LED路燈網(wǎng)絡(luò )的智能化管理要求。

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