基于低功耗蓝牙技术的无线传感器网络数据通信系统的设计

jordum

摘要：研究了使用低功耗蓝牙技术进行无线传感器网络数据通信的相关技术，提出了一种构建传感器网络的快速、高效的蓝牙分散网络建立算法。该算法用能量感知路由方法来平衡各节点电源的消耗率，用定时唤醒和多工作状态转换机制来延长各节点的生存时问。仿真实验与结果分析证实了该方案能有效降低功耗和延长网络的生命周期。
关键词：传感器网络；数据通信；低功耗；蓝牙分散网络

0 引 言

　　蓝牙技术具有抗干扰能力强、通信质量稳定、功耗低、成本低的优点，能方便地集成到各种恶劣环境的设备中 ，已被广泛应用于无线传感器网络中。基于低功耗蓝牙技术的无线传感器网络是由传感器件、数据处理单元和低功耗蓝牙模块组成的节点通过自组织方式组成的网络，与其他无线传感器网络类似，具有节点密度高、节点的能量、计算能力和存储能力受限等特点。因此具有非常广阔的应用前景。目前已有一些研究人员对基于蓝牙技术的无线传感器网络的体系结构和组网技术进行了研究，并取得一些进展，如，文献[1]和文献[6]提出了基于蓝牙匹克网的无线传感器网络，分别在传感器节点与中继点、中间件Sink节点与移动终端构成蓝牙匹克网，实现了无线传感器和互联网的连接；文献[7]在基于蓝牙匹克网的无线传感器网络基础上，引入一种基于信息触发的星型连接网络拓扑，降低了网络的整体功耗；此外，文献[8，9]等讨论了基于树型散列网与蓝牙匹克网的无线传感器网络。这些已有的工作只对基于蓝牙技术的无线传感器网络组网技术和路由等技术进行了初步的研究，研究表明：节点的加入或删除都将较大地影响整个网络的通信，网络通信开销大，网络动态拓扑变化适应性较差，鲁棒性弱，易在蓝牙根节点或桥节点产生瓶颈，只适用于小范围的传感器网络。为此，本文设计了一种新型的基于蓝牙技术的传感器网络数据通信系统，该系统通过构建拓扑树、分配角色等方式，设计了一种构建传感器网络的快速、高效的蓝牙分散网络建立算法。在此基础上，进一步提出了一种能量感知路由算法，该算法用能量感知路由方法来平衡各节点电源的消耗率，用定时唤醒和多工作状态转换机制来延长各节点的生存时间，仿真实验表明：本文所设计的系统能有效地改善上述方案的不足。

1 基于蓝牙技术的传感器网络数据通信系统

1．1 分散网络组网算法
    基于蓝牙技术的无线传感器网络的组网过程为：首先，建立蓝牙分散网拓扑结构，然后，传感节点开始监测数据，网关用于采集所有传感器节点数据，所有传感器节点均须传播其数据到网关，当然，网关有充足的能量资源，有更强的处理数据或传送数据的能力。组网算法具体分为3个阶段：
1)链路建立算法
    链路建立算法，由中心节点聚合一些节点组成局部网，并负责采集该局部网中所有节点的信息。为了达到这一目的，每个节点均需要维护一个用于记录其所拥有节点信息的拓扑树，为发现并加入其他节点，每个节点均在询呼(in—quiry)与询呼扫描(inquiry scan)2种状态转换，其链路建立算法描述为：如果节点是胜者(拥有更多节点或更大的蓝牙设备地址)，则传呼所有来自负者的新节点，并监听新节点是否有响应，如果新节点有响应，则将新节点移至胜者拓扑树中，并保持节点在询呼和询呼扫描两状态间转换，直到时间满足结束条件；否则，负者进入扫描模式。

2)分配角色与建立局部网
    本阶段主要是调整拓扑树，分配角色以形成局部分散网络。拓扑树中每个父节点作为主站，子节点作为从站。
步骤1：如果节点没有子节点，则终止其运行；
步骤2：如果节点所属子节点数小于8，则该节点传呼其所属节点以形成一微网，对每个子节点转至步骤1进一步调整分配角色；
步骤3：如果节点所属子节点数均大于等于8，选择一个有较少子节点的非孤立节点，并根据其深度递增顺序搜寻所有的兄弟节点，若有一个节点响应其传呼，则将其子树加入到该非孤立节点中，返回步骤1继续传呼。由以上步骤就建立了一个蓝牙局部网。

3)连接局部网
    本阶段连接以上形成的所有局部网。为了发现其他局部网，每个局部网中所有节点均在询呼和询呼扫描模式下交替工作，局部网中所有节点使用相同时间间隔作为根节点在询呼和询呼扫描模式下交替工作，以避免得到同一局部网上已存在信息。若有任一节点对此作出响应，就发送个包给根节点，而使同一局部网中其他节点停止在询呼和询呼扫描模式下交替工作，同时检查响应节点所属阶段。如果响应节点处于阶段1，则忽略该响应，继续保持在询呼和询呼扫描模式下交替工作。如果处于阶段3，则连接其他节点形成一个局部网，该局部网中所有节点将试图发现其他局部网。经历阶段3之后，网关节点拥有整个拓扑信息，并开始做一次调整。将所有通信范围内节点作为其直接子节点(第1层)，并将这些子节点置为暂停模式，对每一个节点，被上层节点暂停后，其子节点也被置为暂停模式，传感器这时开始工作。如此反复直至建立整个传感器网络。

1．2 能量感知路由算法
    由于节点能量有限且补充困难，无线传感器网络的首要设计目标是能量的高效利用。传统网络的路由机制通常选择源节点到目的节点的最小跳数单径路由传输数据，但在无线传感器网络中，频繁使用同一条路径传输数据容易导致该路径上节点能耗过快而提前失效，从而整个网络分割成互不连接的孤立网络，造成网络寿命缩短。Rahul C等人 提出了基于多路径的能量感知路由算法。该算法在源节点和目的节点建立了多条路径，根据路径上节点通信能耗和剩余能量状况给每条路径赋予一定选择概率，由于该概率与能量相关，可将通信能耗分散到多条路径上，从而使得数据传输可以均衡消耗整个网络的能量，最大限度延长网络的使用寿命。该多路径能量感知路由协议包括3个阶段：路由建立阶段、数据通信或数据传播阶段和路由维护阶段。每个节点都知道到达目的节点的所有下一跳节点，需要计算选择每个下一跳节点传输数据的概率，该概率与节点能量通信代价的倒数成正比。概率的计算是通过节点到目的节点的通信代价来估算的。为解决距离基站较远的传感器节点发送数据消耗的能量代价太高，导致节点很快死亡的问题。本文采用Rahul C等人 提出了基于多路径的能量感知路由算法。

1．3 定时唤醒机制
    传感器节点的主要任务是根据具体应用的需求监测其周围发生的事件，对采集的数据进行预处理，然后将其传输给主站。所以，节点的能耗主要由三部分构成：数据采集、数据传输和数据处理。相对数据采集和数据处理，一个节点在数据传输方面消耗的能量最多，数据传输的能耗包括数据发送和数据接收2个方面。通过在实际系统中监测无线传感器节点的工作状态，可以发现节点在大部分时间内处于“空闲”状态，每个传感器节点的通信信息都很少。因此，提出一种用定时唤醒机制来降低节点的能量损耗，每个传感器节点都支持多种工作模式，包括“运行”、“空闲侦听”和“睡眠”3种状态。采用信息触发的机制，当传感器节点监测的环境发生变化时，通过定时中断唤醒相应的节点进入“运行”状态，与主站通信进行数据传输，在其他时间传感器节点处理于“空闲侦听”或“睡眠”状态。实验表明：采用这种定时唤醒、多工作状态轮转的技术可降低无线传感器网络节点能量损耗。

2 仿真实验
   
    基于蓝牙Spec1．1规范在NS-2网络仿真器和IBM开放源代码的蓝牙扩展模块仿真器BlueHoc上进行仿真实验，本文仿真器对蓝牙跳频物理层和询呼程序进行了仿真。每个蓝牙设备使用询呼和传呼程序采集信息和进行连接。同时在询呼和传呼过程中使用查询访问码(inquiry accesscode，IAC)和跳频同步(~equency hopping synchronization，FHS)包。设定阶段1(信息采集与聚合)和阶段3(连接局部网)的超时限制均为3．5 S，用仿真器估计了网络拥有30，9O个节点时建立蓝牙网络所花时间，如图1所示。从图1可以发现，在不限定节点数或不限定区域大小时，本方案可在10 S内有效组建一个蓝牙网络。

    假定每个节点以规则的时间间隔(实验中取300 S)产生数据包，除网关节点拥有无限能量外，开始时所有节点有相同的能量。现给定随机分布在30m x30m的32个传感器节点，每个节点有10m的通信半径。图2给出了使用能量感知和未使用能量感知的路由选择性能对比。从图中可以看出：与使用能量感知的路由方法相比，采用未使用能量感知路由方法时，第一节点耗完其能量的时间要早得多，这将导致其无法采集传感器数据并将其传送至网关，同时也造成其下属节点无法路由到网关。

　　方案中采用定时唤醒、多工作状态轮转的技术的目的是为了减少主结点能量消耗，仿真实验中通过分析用于发送和接收包的主时槽数来验证其性能，如图3所示。结果表明：当包速率较低时，采用这种机制有助节省传感器网络中主站能量。

3 结束语
   
    本文针对已有的基于蓝牙技术的无线传感器网络在数据通信方面所存在的问题，设计了一种新型的基于蓝牙技术的传感器网络数据通信系统，其关键技术包括：1)设计了一种快速、高效的分散网络组网算法；2)改进了基于蓝牙技术的无线传感器网络系统协议栈，在网络层中引入一种能量感知路由策略来平衡各节点能量消耗速率，然后在链路管理层，引入定时唤醒和多工作状态转换机制来延长节点生命周期。仿真实验结果表明该方案是可行的，能快速有效地组建一个蓝牙网络，并有效均衡各节点能耗和延长网络的生命周期。

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