【導讀】城市道路照明隨著LED照明技術的更迭，內(nèi)容也越加的豐富。本文提出了采用短距離無線通信技術構建LED路燈無線傳感網(wǎng)絡，從而實現(xiàn)對路燈任意單盞、多盞燈、全網(wǎng)絡等進行開關、調(diào)光的控制，實現(xiàn)智能化管理。
作為無線傳感網(wǎng)絡，其體系結(jié)構應該包含四個基本層次：物理層和數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層以及應用層。LED路燈無線傳感網(wǎng)絡采用IEEE 802.15.4標準作為其物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的技術標準，網(wǎng)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(wǎng)絡協(xié)議的基礎。本文圍繞LED無線傳感網(wǎng)絡的體系結(jié)構，以網(wǎng)絡拓撲及通信節(jié)點的組成為基礎，論述了網(wǎng)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(wǎng)絡體系
LED無線傳感網(wǎng)絡的網(wǎng)絡體系是網(wǎng)絡層實現(xiàn)路由的基礎，包括節(jié)點組成及網(wǎng)絡拓撲結(jié)構。
1.1 LED路燈傳感網(wǎng)絡節(jié)點的組成
LED路燈網(wǎng)絡由間隔均勻的若干盞路燈組成，每一盞LED路燈均為網(wǎng)絡的一個通信節(jié)點，用來構建無線傳感網(wǎng)絡。圖1所示，為構建無線傳感網(wǎng)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(wǎng)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(jié)合網(wǎng)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(wǎng)絡。由于現(xiàn)有的一些網(wǎng)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(wǎng)絡應用，因此，需要重新設計網(wǎng)絡層與應用層協(xié)議。
圖1 LED路燈節(jié)點的組成
1.2 網(wǎng)絡拓撲
根據(jù)LED路燈的分布規(guī)律，每盞LED路燈作為網(wǎng)絡節(jié)點構成無線通信網(wǎng)絡，其拓撲結(jié)構如圖2所示，（a）是信號逐點（單跳）接力傳送拓撲結(jié)構圖，（b）是信號隔點（雙跳）接力傳送拓撲結(jié)構圖。為便于下文網(wǎng)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(jù)節(jié)點的相對位置，節(jié)點可分為前驅(qū)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(qū)節(jié)點，a3是a2后繼節(jié)點；同理b2是b4前驅(qū)節(jié)點，b6是b4后繼節(jié)點，以此類推。
圖2 網(wǎng)絡拓撲結(jié)構示意圖
（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?qū)ｉT的路由協(xié)調(diào)裝置。
（5）每個節(jié)點的32bit唯一ID號由兩部分組成，分別為網(wǎng)絡ID和節(jié)點地址（編號），均為16bit。同一路燈網(wǎng)絡所有節(jié)點的網(wǎng)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(wǎng)絡協(xié)議
LED路燈傳感網(wǎng)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(xiàn)。
2.1 網(wǎng)絡協(xié)議包格式
LED路燈傳感網(wǎng)絡協(xié)議傳輸?shù)男畔灿?種類型，分別為命令包、參數(shù)包以及應答確認包。
圖3 網(wǎng)絡協(xié)議包格式
（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(wǎng)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(jù)需要增加命令；
表1 命令包命令字段定義
命令參數(shù)字段：用來表示調(diào)光的亮度，數(shù)值越小LED發(fā)光亮度越低，耗電越少，數(shù)值為 0時表示關燈；
跳數(shù)：命令傳送到目的地址所需經(jīng)過的節(jié)點數(shù)，最大值為路燈網(wǎng)絡所有LED節(jié)點的數(shù)量。傳送命令包時，每經(jīng)轉(zhuǎn)發(fā)一次則跳數(shù)減1，當跳數(shù)值為0時，命令包不再被轉(zhuǎn)發(fā)。
（2）參數(shù)包
圖3(b)所示，為LED路燈網(wǎng)絡節(jié)點上傳的參數(shù)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(wǎng)絡內(nèi)各LED節(jié)點的狀態(tài)參數(shù)，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(shù)的命令后才會向控制節(jié)點發(fā)送參數(shù)包。參數(shù)包各字段定義如下：
包類型：為2；
源地址：為上傳參數(shù)LED節(jié)點的地址；
包序列號：為上傳參數(shù)LED節(jié)點發(fā)出的參數(shù)包編號；
接力模式：由于只有在節(jié)點收到讀取狀態(tài)參數(shù)命令后才會發(fā)送參數(shù)包，因此，參數(shù)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(shù)1－3：為LED節(jié)點的有關參數(shù)，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(xiàn)可靠傳輸，每個節(jié)點在收到命令包或參數(shù)包后需要發(fā)送應答確認信息包。如果信息包的發(fā)送（轉(zhuǎn)發(fā)）方在設定的時間內(nèi)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(shù)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(wǎng)絡路由協(xié)議
LED路燈傳感網(wǎng)絡路由協(xié)議的核心是各節(jié)點對信息包的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)發(fā)。根據(jù)前述1.2定義的條件，節(jié)點轉(zhuǎn)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(jù)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(jié)構圖。它是一個比較簡單的轉(zhuǎn)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(qū)節(jié)點或后繼節(jié)點轉(zhuǎn)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(qū)節(jié)點發(fā)送接收確認應答包；將命令包中的跳數(shù)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(zhuǎn)發(fā)命令包，不等則向后繼節(jié)點轉(zhuǎn)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(zhuǎn)發(fā)該命令包。轉(zhuǎn)發(fā)時的路由地址為:NA+1。當命令包傳送到網(wǎng)絡中的最后一個LED節(jié)點時，跳數(shù)減1后將為0，包將不再被轉(zhuǎn)發(fā)。
②節(jié)點接收到參數(shù)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(qū)節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)，轉(zhuǎn)發(fā)參數(shù)包的路由地址為：NA-1。
③節(jié)點收到命令包或參數(shù)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(shù)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(jié)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(zhuǎn)發(fā)次數(shù)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(wǎng)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。控制節(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(zhuǎn)發(fā)時的路由地址變?yōu)椋篘A+2。
②同樣節(jié)點接收到數(shù)據(jù)包后的處理方法也與單跳接力模式基本相同，只是在包轉(zhuǎn)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(shù)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(shù)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(shù)信息包后，在規(guī)定的時間內(nèi)未收到確認信息包，則需要重發(fā)，重發(fā)次數(shù)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(xiàn)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(xiàn)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(zhuǎn)發(fā)命令包（或參數(shù)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(xiàn)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(shù)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(shù)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(shù)包，包的狀態(tài)參數(shù)置為1，源地址為故障節(jié)點的地址，即NAi+1，發(fā)送參數(shù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)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(shù)包的路由地址為NAi-1。隨后，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)發(fā)命令包（或參數(shù)包）時，必須對包進行分析，根據(jù)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(shù)，跳變模式為奇鏈，或者NAi的值為偶數(shù)，跳變模式為偶鏈時，執(zhí)行如下步驟①；當NAi的值為奇數(shù)，跳變模式為偶鏈，或者NAi的值為偶數(shù)，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(zhuǎn)發(fā)命令包（或參數(shù)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(xiàn)故障。如果這時轉(zhuǎn)發(fā)的是命令包，則需向控制節(jié)點報告故障，往其前驅(qū)節(jié)點i-2發(fā)送故障信息參數(shù)包，路由地址為NAi-2，故障信息參數(shù)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(zhuǎn)發(fā)給節(jié)點i+1（或i-1），以繞開故障節(jié)點，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)發(fā)完成，否則執(zhí)行③；
②節(jié)點i改為單跳接力模式轉(zhuǎn)發(fā)命令包（或參數(shù)包），路由地址為NAi+1（或NAi-1），若能收到確認包，則本節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)完成,否則，再改用雙跳接力模式轉(zhuǎn)發(fā)，將信息包轉(zhuǎn)發(fā)給節(jié)點i+2（或i-2），以繞開故障節(jié)點，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)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(shù)包，路由地址為NAi-1。隨后轉(zhuǎn)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(wǎng)絡中出現(xiàn)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(wǎng)絡節(jié)點工作流程與協(xié)議實現(xiàn)
LED路燈傳感網(wǎng)絡上的每一個節(jié)點，既是命令執(zhí)行與狀態(tài)參數(shù)采集的終端節(jié)點，也是路由協(xié)調(diào)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(wǎng)絡節(jié)點的工作流程，它是網(wǎng)絡協(xié)議在節(jié)點上實現(xiàn)過程的描述。
圖4 LED傳感網(wǎng)絡節(jié)點的工作流程
結(jié)語
通過網(wǎng)絡體系、網(wǎng)絡協(xié)議、網(wǎng)絡節(jié)點工作流程與協(xié)議實現(xiàn)等幾個部分的詳細介紹，析構了LED路燈無線傳感網(wǎng)絡的組成，希望能為LED路燈無線傳感網(wǎng)絡的應用起到拋磚引玉的作用。LED路燈無線傳感網(wǎng)絡構建的基礎是點到點的通信技術，命令信息要覆蓋全網(wǎng)絡需要點到點的通信技術來完成，良好的網(wǎng)絡協(xié)議是組建傳感網(wǎng)絡的關鍵所在，簡易可行的網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)絡的智能化管理要求。
