作為無線傳感網絡，其體系結構應該包含四個基本層次：物理層和數據鏈路層、網絡層以及應用層。LED路燈無線傳感網絡采用IEEE 802.15.4標準作為其物理層和數據鏈路層的技術標準，網絡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絡協(xié)議的基礎。本文圍繞LED無線傳感網絡的體系結構，以網絡拓撲及通信節(jié)點的組成為基礎，論述了網絡層的協(xié)議包格式、路由工作原理，以及節(jié)點通信的設計流程。

1 網絡體系

LED無線傳感網絡的網絡體系是網絡層實現路由的基礎，包括節(jié)點組成及網絡拓撲結構。

1.1 LED路燈傳感網絡節(jié)點的組成

LED路燈網絡由間隔均勻的若干盞路燈組成，每一盞LED路燈均為網絡的一個通信節(jié)點，用來構建無線傳感網絡。圖1所示，為構建無線傳感網絡LED路燈節(jié)點的組成，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(jié)點也是網絡路由節(jié)點；每一個節(jié)點包含一個微控制器（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；每一個節(jié)點具有32bit（位）的唯一ID號。通過在物理層和MAC層采用IEEE 802.15.4協(xié)議標準，結合網絡層與應用層的協(xié)議，所有這些節(jié)點有機地組合在一起，便構成了LED路燈無線傳感網絡。由于現有的一些網絡層與應用層協(xié)議如Zigbee、RF4CE等并不是很適合LED路燈傳感網絡應用，因此，需要重新設計網絡層與應用層協(xié)議。


1.2 網絡拓撲

根據LED路燈的分布規(guī)律，每盞LED路燈作為網絡節(jié)點構成無線通信網絡，其拓撲結構如圖2所示，（a）是信號逐點（單跳）接力傳送拓撲結構圖，（b）是信號隔點（雙跳）接力傳送拓撲結構圖。為便于下文網絡應用協(xié)議的設計與討論，作出如下定義：

（1）所有節(jié)點可分為2類，即LED路燈節(jié)點(簡稱LED節(jié)點，如a1 a2 … an , b1 b2 … bn)和路燈控制器節(jié)點(簡稱控制節(jié)點,如a,b)；

（2）相鄰節(jié)點之間的距離均為L，每個節(jié)點的無線信號覆蓋半徑大于等于2L；

（3）根據節(jié)點的相對位置，節(jié)點可分為前驅節(jié)點與后繼節(jié)點，離控制器近的是前趨節(jié)點，離控制器遠的是后繼節(jié)點。例如a1是a2前驅節(jié)點，a3是a2后繼節(jié)點；同理b2是b4前驅節(jié)點，b6是b4后繼節(jié)點，以此類推。


（4）控制節(jié)點與LED節(jié)點之間，LED節(jié)點相互之間，只要無線信號可以覆蓋到,都可以相互通信，不需要設基站或專門的路由協(xié)調裝置。

（5）每個節(jié)點的32bit唯一ID號由兩部分組成，分別為網絡ID和節(jié)點地址（編號），均為16bit。同一路燈網絡所有節(jié)點的網絡ID相同；從控制節(jié)點開始，節(jié)點地址由小到大順序編排。
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2 網絡協(xié)議

LED路燈傳感網絡協(xié)議包括協(xié)議包的定義與路由協(xié)議的定義，其設計目標是簡單、實用，易實現。

2.1 網絡協(xié)議包格式

LED路燈傳感網絡協(xié)議傳輸的信息包共有3種類型，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(jié)點對LED路燈節(jié)點下發(fā)的命令包格式。命令有三種類型：針對整個網絡所有LED節(jié)點的廣播命令、針對部分LED節(jié)點的群組命令以及針對單個LED節(jié)點的單點命令。

命令包各字段定義如下：

包類型：為1；

目的地址：為指定LED節(jié)點的地址；

包序列號：為向指定節(jié)點發(fā)送的包編號；

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

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


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

跳數：命令傳送到目的地址所需經過的節(jié)點數，最大值為路燈網絡所有LED節(jié)點的數量。傳送命令包時，每經轉發(fā)一次則跳數減1，當跳數值為0時，命令包不再被轉發(fā)。

（2）參數包

圖3(b)所示，為LED路燈網絡節(jié)點上傳的參數包格式。控制節(jié)點可采用定時輪詢或即時查詢方式獲取網絡內各LED節(jié)點的狀態(tài)參數，如電流值、發(fā)光亮度值等，各LED節(jié)點只有在接到讀取參數的命令后才會向控制節(jié)點發(fā)送參數包。參數包各字段定義如下：

包類型：為2；

源地址：為上傳參數LED節(jié)點的地址；

包序列號：為上傳參數LED節(jié)點發(fā)出的參數包編號；

接力模式：由于只有在節(jié)點收到讀取狀態(tài)參數命令后才會發(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(jié)點無故障；為1，表示對應節(jié)點有故障；為2，表示對應節(jié)點及后繼節(jié)點有故障；

狀態(tài)參數1－3：為LED節(jié)點的有關參數，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。為了實現可靠傳輸，每個節(jié)點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)）方在設定的時間內沒有收到應答確認包，則會啟動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：

包類型：為3；

節(jié)點地址：發(fā)出確認應答包節(jié)點的地址。

確認類型：收到信息包的包類型；

確認號：為節(jié)點收到信息包的包序列號；
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2.2 網絡路由協(xié)議

LED路燈傳感網絡路由協(xié)議的核心是各節(jié)點對信息包的轉發(fā)機制。由于每一個節(jié)點的信號覆蓋范圍有限，其信息只能向鄰近的節(jié)點發(fā)送，如要將信息送往遠處節(jié)點則只能依賴中間節(jié)點的多次轉發(fā)。根據前述1.2定義的條件，節(jié)點轉發(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(jié)點將根據信息包中接力模式字段的定義進行選擇。

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。它是一個比較簡單的轉發(fā)模式，要求每個節(jié)點無線信號覆蓋的半徑范圍大于節(jié)點間距L即可，信息包只需往鄰近的前驅節(jié)點或后繼節(jié)點轉發(fā)。在這種模式下，節(jié)點處理收到信息包的方法如下：

①節(jié)點接收一個命令包（如圖3(a)）后，向前驅節(jié)點發(fā)送接收確認應答包；將命令包中的跳數減1；比較節(jié)點自身地址（NA）與命令包中目標地址的大小，相等則執(zhí)行包中的命令且無須轉發(fā)命令包，不等則向后繼節(jié)點轉發(fā)該包；如果是廣播命令(目標地址值為0xffff)，既在本節(jié)點執(zhí)行該命令同時也向后繼節(jié)點轉發(fā)該命令包。轉發(fā)時的路由地址為:NA+1。當命令包傳送到網絡中的最后一個LED節(jié)點時，跳數減1后將為0，包將不再被轉發(fā)。

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

③節(jié)點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，確認類型值為1,發(fā)送應答確認包的路由地址為NA-1；當收到參數包時確認類型值為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節(jié)點的無線信號覆蓋半徑范圍≥2L。從圖2可知，雙跳接力模式每次跨越兩個節(jié)點，傳送信息包到指定節(jié)點的轉發(fā)次數比單跳接力模式要少一半，因此其傳送時延也要小。在雙跳接力模式下，將整個網絡所有LED節(jié)點按照其地址值的奇偶性分成2個接力鏈，即奇地址節(jié)點鏈和偶地址節(jié)點鏈?？刂乒?jié)點發(fā)送廣播命令時，需要針對奇地址節(jié)點鏈和偶地址節(jié)點鏈分別發(fā)送，命令信息包分別在奇地址節(jié)點鏈和偶地址節(jié)點鏈上同時傳播。在雙跳接力模式下，節(jié)點處理收到信息包的方法如下：

①節(jié)點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)時的路由地址變?yōu)椋篘A+2。

②同樣節(jié)點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)時的路由地址變?yōu)椋篘A-2。

③節(jié)點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，確認類型值為1,發(fā)送應答確認包的路由地址為NA-2；當收到參數包時確認類型值為2, 發(fā)送應答確認包的路由地址為NA+2。

無論是單跳接力模式還是雙跳接力模式，節(jié)點發(fā)送命令信息包或參數信息包后，在規(guī)定的時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3次。

2.2.3 變跳接力模式

變跳接力模式實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(jié)點出現通信故障時。在單跳接力模式或雙跳接力模式工作時，如果在多次重發(fā)后仍收不到下一跳節(jié)點的應答確認信息包，說明下一跳節(jié)點出現了通信故障。這時通過改變接力模式，由單跳變雙跳或者由雙跳變單跳可以繞開下一跳有通信故障的節(jié)點，繼續(xù)信息包的接力傳送。同時，將故障節(jié)點的相關信息反饋到控制節(jié)點。變跳接力模式要求每一個節(jié)點的無線信號覆蓋半徑范圍≥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(jié)點i的地址為NAi，當LED節(jié)點i以單跳模式轉發(fā)命令包（或參數包）時，即使重發(fā)，仍然收不到LED節(jié)點i+1（或i-1）的確認包，于是斷定下一跳節(jié)點出現故障。這時如果傳送的是命令包則從①開始執(zhí)行，如果傳送的是參數包則執(zhí)行②，因為故障節(jié)點在傳命令包時已遇上，傳送參數包時遇故障節(jié)點無須重復報告故障信息。

①LED節(jié)點i向控制節(jié)點報告故障節(jié)點信息。此時，節(jié)點i向控制節(jié)點發(fā)送參數包，包的狀態(tài)參數置為1，源地址為故障節(jié)點的地址，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(jié)點i+2（或i-2），以繞開故障節(jié)點，路由地址為NAi+2（或NAi-2），若能收到應答確認包，則本節(jié)點轉發(fā)完成，否則說明遇上了兩個或兩個以上連續(xù)故障節(jié)點，需繼續(xù)執(zhí)行③。

③如果此時傳送的是命令包，則LED節(jié)點i需向控制節(jié)點報告故障節(jié)點狀態(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(jié)點的地址，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(jié)點i（地址為NAi）欲以雙跳接力模式轉發(fā)命令包（或參數包）時，必須對包進行分析，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，執(zhí)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，執(zhí)行如下步驟②；

①節(jié)點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(jié)點出現故障。如果這時轉發(fā)的是命令包，則需向控制節(jié)點報告故障，往其前驅節(jié)點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(jié)點的地址）為NAi+2,狀態(tài)標志為1。同時，改用單跳接力模式將信息包轉發(fā)給節(jié)點i+1（或i-1），以繞開故障節(jié)點，轉發(fā)的路由地址為NAi+1（或NAi-1）；若能收到確認包，則本節(jié)點轉發(fā)完成，否則執(zhí)行③；

②節(jié)點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(jié)點轉發(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(jié)點i+2（或i-2），以繞開故障節(jié)點，轉發(fā)的路由地址為NAi+2（或NAi-2）；若能收到確認包，則本節(jié)點轉發(fā)完成，否則執(zhí)行③；

③說明遇上了兩個或兩個以上連續(xù)故障節(jié)點，LED節(jié)點i需向控制節(jié)點報告故障節(jié)點信息。此時，節(jié)點i向控制節(jié)點發(fā)送故障參數包的狀態(tài)標志為2，源地址為故障節(jié)點的地址，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通信故障節(jié)點接力傳送問題。但當網絡中出現連續(xù)2個或2個以上通信故障節(jié)點時，則只能報告故障節(jié)點位置而不能再繼續(xù)接力傳送。若要解決連續(xù)多故障節(jié)點的問題，既需要改變接力算法，也需要各節(jié)點的無線信號覆蓋半徑范圍更大。
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3 網絡節(jié)點工作流程與協(xié)議實現

LED路燈傳感網絡上的每一個節(jié)點，既是命令執(zhí)行與狀態(tài)參數采集的終端節(jié)點，也是路由協(xié)調工作節(jié)點。各節(jié)點除了接收到信息包進入處理流程外，其余時間幾乎都處在監(jiān)聽查詢狀態(tài)，檢查是否收到信息包。圖4所示為LED路燈傳感網絡節(jié)點的工作流程，它是網絡協(xié)議在節(jié)點上實現過程的描述。


結語

通過網絡體系、網絡協(xié)議、網絡節(jié)點工作流程與協(xié)議實現等幾個部分的詳細介紹，析構了LED路燈無線傳感網絡的組成，希望能為LED路燈無線傳感網絡的應用起到拋磚引玉的作用。LED路燈無線傳感網絡構建的基礎是點到點的通信技術，命令信息要覆蓋全網絡需要點到點的通信技術來完成，良好的網絡協(xié)議是組建傳感網絡的關鍵所在，簡易可行的網絡協(xié)議是實用化的前提。實際應用表明，上述方法構建的LED路燈無線傳感網絡具有良好的實時性，能穩(wěn)定、可靠地工作，能滿足對LED路燈網絡的智能化管理要求。

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