第3章 低功耗无线传感器网络协议栈整体设计

本章的目标是对低功耗环境测控网络协议栈进行整体设计。首先对环境测控系统进行需求分析明确其适用场景和网络设备类型；然后，根据需求分析确定协议栈的设计目标，并选择适合的网络拓扑结构和协议栈的分层架构。协议栈的网络层和MAC 层将作为本章的设计的重点。

3.1 网络需求分析

3.1.1 应用场景介绍

本课题来源于研究生校企合作项目，所设计的低功耗无线传感器协议栈主要应用于环境测控系统中。该系统长期无人值守，其温度、湿度等环境参数由连接无线节点的传感器实时采集并上传至汇聚节点，汇聚节点再通过有线的方式传输至面向用户的管理终端。多个子系统采集的数据最后由各自的管理终端传送至云端处理中心进行数据的保存，整个系统框图如图3.1所示。

云端处理中心

二级中继

汇聚节点

图3.1 环境测控系统框图

图中的环境测控无线网络是执行数据采集和设备控制的主体，也是协议栈发挥作用的区域。一个环境测控无线网络负责一个区域，区域之间有一定的距离，

因此无线网络之间不存在干扰，但无线网络的运行方式一致。该项目处于初期开发阶段，所以本文设计的协议栈只应用于单个环境测控无线网络中。

该课题所涉及的环境测控系统处于室内，人员进出频率低。网络中节点数不超过65个，包含一个汇聚节点。点对点通信的距离要求达到20米。传感器节点以10秒为周期采集并发送环境数据。考虑到室内可能会出现一些特殊设备、隔断等障碍影响通信距离，并使得部分节点处于屏蔽的位置，因此网络通过设置中继节点来扩展通信距离，经过中继后的通信距离要求60米及以上。由于成本等原因，课题设定数据包最多经过两级中继传递，每级中继最多4个，中继数量不超过8个。同时，系统中存在少量控制节点，控制节点连接室内的控温设备来调节室内温度。控制节点由工作人员从软件端下达命令进行开关，因此不具备周期性。该课题要求除汇聚节点、中继节点之外的所有节点能在1000mA/h电池的支持下工作一年以上。为保证数据采集的有效性和传输的可靠性，该课题要求多节点共享信道的丢包率在5%以内。此外，由于环境的特殊性，人员不能随时到场，还要求该环境测控网络中的节点具有安装简单、组网快速、配置容易的特点。以上需求总结如表3.1所示。

表3.1 环境测控系统需求指标

表3.1明确了该环境测控无线网络的要求。通过需求指标能使协议栈的设计更有约束性，设计方向也会更加明确。

3.1.2 网络设备

节点是构成网络的基本要素，本文设计的环境测控无线网络中存在四种节点：汇聚节点、中继节点、传感器节点、控制节点。这四种节点分别承担不同的网络任务，按照网络协议相互协作，共同完成环境测控无线网络的功能。在网络中四种节点都是由MSP430+CC1100组成的硬件平台搭建，其功能特点如表3.2所示。

传感器节点和控制节点在网络中处于底层位置，是数量最多的网络设备，在本文中将这两种节点统称为终端节点。

3.2 协议栈整体架构设计

3.2.1 协议栈设计要求

根据需求分析可知：大部分节点都需要采用电池供电，并对部分节点有周期性工作的要求。要实现这样的环境测控无线网络需要硬件和软件的双重支持。本文主要从协议栈角度出发对环境测控无线网络协议栈进行设计，该网络的设计要求有以下八点。

1.合理的网络拓扑支持网络中各种设备。

2.数据汇聚网络，即网络传输以多对一传输为主。

3.可靠的应答传输，尽可能短的数据包和简单的校验方式。

4.每个节点唯一的网络地址。

5.不同的工作模式：无线数据收发模式(TRX Mode)、控制节点具有的无线唤醒模式(WOR Mode)、控制和传感器节点具备的休眠模式(SLEEP Mode)。