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星型无线传感器网络拥塞控制机制网络平台设计与实现.pdf

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.59M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 星型无线传感器网络拥塞控制机制网络平 台设计与实现 李宇清，刘凯明，吴帆，张伟** （北京邮电大学电子工程学院，北京 100876） 摘要：拥塞控制技术一直是无线传感器网络研究领域中的一项关键技术。星型网络下的拥塞 控制机制采用周期读取缓存队列的方式进行拥塞检测，并使用速率调节的方式解除拥塞。本 文为验证该拥塞控制机制搭建网络平台。采用 Atmel 最新的低功耗芯片 ATxmega236 单片机 控制芯片和 AT86RF231 射频芯片设计节点硬件电路，软件协议栈为 802.15.4 标准协议栈。 经过组网测试，说明该节点能进行缓存队列读取和速率调节。符合拥塞控制机制要求。 关键词：无线传感器网络；拥塞控制；网络平台；802.15.4 中图分类号：TP277 5 10 15 Congestion Control Scheme Network Platform Design and Implementation in Star-Structure WSN (Electronic Engineering School, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing LI Yuqing, LIU Kaiming, WU Fan, ZHANG Wei 100876) 20 25 Abstract: Congestion control is a key technology in wireless sensor network. In Star-Structure Network, congestion control scheme uses the queue length to detect the congestion, and rate adjustment is the method to relieve the congestion. In this paper, the latest Atme low-power chip ATxmega236 MCU chip and AT86RF231 RF chip is used to design the schematic, and software stack is 802.15.4 standard. After the network test, it indicates that the network can read the queue length periodically and adjust the sending rate, which is suitable for the congestion control sheme. Key words: Wireless Sensor Network; Congestion Control; Experimental Platform; 802.15.4 0 引言 近年来，无线传感器网络（WSN）由于其自身优势成为了网络领域的研究热点之一。 30 广泛应用于军事领域、环境监测、交通管理、医疗卫生以及诸如航天航空等新兴领域中，其 应用前景也十分光明[1]。然而无线信道特征随时间变化很快，无线传感器网络部署的场景容 易产生突发性的紧急事件，存在于邻近节点间的大量并发数据由于竞争信道而产生相互干 扰，而传感器节点的计算能力与存储空间又时分有限，网络拥塞问题经常发生于无线传感器 网络的通信过程中，并成为无线传感器网络中的一个难题。无线传感器网络的拥塞会导致节 35 点缓冲区溢出，节点通信能力下降，数据包时延和网络丢包率的增大以及节点能耗的增加。 这都极大影响了网络的传输效率和 Qos 性能[2]。 无线传感器网络的拥塞控制机制一般分为三个部分：拥塞检测、拥塞通告和拥塞解除[3]。 基于缓存队列长度的检测是拥塞检测中最常用的的方法，不管是在源节点还是中间节点中， 采集数据或者转发数据通常都是放在一个缓存队列中，当节点拥塞时，缓存队列中数据不能 40 及时转发出去，这是造成节点拥塞的主要原因。因此，定期检查缓存队列长度是一个有效的 而又简洁的检测方法。当节点拥塞时，其拥塞信息通常要发送至下一跳或邻居节点，通告机 作者简介：李宇清(1989.7-),男,硕士研究生,主要研究方向:物联网与 WSN 通信联系人：刘凯明（1978-），男，副教授，主要研究方向：无线通信技术. E-mail: kmliu@bupt.edu.cn - 1 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 制可分为隐式通告和显示通告。显示通告是专门为拥塞信息提供消息帧，而隐式通告机制是 把拥塞消息放在数据帧或广播帧里。常用的拥塞解除策略有：速率调节、流量调度、传输调 度、分组处理等[4][5]。 45 本文是基于星型无线传感器网络拥塞控制的研究，在星型无线传感器网络的拥塞控制机 制中，采用周期性读取缓存队列的方法检测拥塞；并把拥塞信息放入周期性信标帧中；通过 调节速率的方式解除网络拥塞[6]。因此，对网络平台提出的要求是，使用周期的信标帧网络 组网，以周期性的读取缓存队列长度来检测节点是否拥塞，并使用信标帧进行拥塞信息的通 告，并能进行发送速率的调节。 50 1 星型网络拥塞控制机制总体设计 在星型网络中，无线传感器网络由一个协调器节点和多个子节点组成。协调器起路由器 或网关的作用，使本网络能与外网进行数据交互。子节点和协调器中分别维护一个发送队列 和接收队列。在子节点中输入数据流放入发送队列中，并以一定速率发送至协调器，协调器 将各子节点的数据汇集至接收队列中，并以一定服务速率上报。星型的网络结构如图 1 所示。 55 图 1 星型网络结构图 Fig.1 Structure of Star Network scheme 子节点负责数据的采集，数据流的输入，放入接收队列中。拥塞控制机制是周期性的机 60 制。由于大部分无线传感器网络中，都是使用 zigbee 协议栈。Zigbee 协议栈的最底下两层， 及 MAC 层和物理层是由 802.15.4 标准规定的。本文使用了 802.15.4 标准中的超帧结构，在 超帧结构中，由协调器周期性发送信标帧，所有子节点都会接受信标帧，标志着一个周期的 开始。拥塞控制机制的周期与超帧的周期相同。协调器把一个超帧周期划分为 16 个时隙， 子节点使用 CSMA-CA 机制竞争信道，竞争到信道的节点可在本时隙中向协调器发送数据， 下一个时隙，各子节点重新竞争信道[7]。 65 星型网络中拥塞控制机制流程如图 2 所示。分为协调器和子节点两部分。如前所述，该 机制使用信标帧周期为检测周期，把缓存队列长度作为检测拥塞的指标。协调器通过信标帧 向子节点每周期通告其拥塞状况。最后，通过调节发送速率的方式缓解和解除拥塞。 - 2 - 协调器处理、上报server接收队列协议栈子节点传感器数据流输入colletr协议栈子节点子节点……n个接收队列传感器传感器发送速率sendr数据流输入colletr数据流输入colletr
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 70 图 2 拥塞控制机制流程图 Fig.2 Flow Chart of Congestion Control 2 实验平台软硬件设计 2.1 节点硬件部分 根据拥塞控制机制的需求，进行硬件设计。节点硬件中主要选用了以下芯片：控制芯片 75 采用 Atmel 公司的 AVR 单片机，ATxmega256A3。该控制芯片为 16bit 单片机，内含 256KB 的片内 Flash，16KB 的内置 SRAM，操作电压为 1.6V~3.6V。该单片机采用 RISC 精简指令 集，使用简单方便，能耗低，适合使用为无线传感器网络节点 MCU。射频芯片采用 Atmel 公司的 AT86RF231 射频收发器。该射频收发器是 Atmel 公司专门为其 AVR 单片机设计的 RF 收发器，与 AVR 单片机间使用 SPI 接口进行通信。其工作于 2.4GHz 频段，支持 zigbee 80 协议、802.15.4 标准，并且具有低功耗的特性。晶振芯片采用 AVR 单片机要求的 32.768kHz 晶振。Flash 为 Atmel 公司的 AT25DF041A，64kb 块存储。 拥塞控制机制中的速率调节在射频芯片中可以得到实现。在 AT86RF231 中，有一个 128 子节点的 FIFO 用于数据收发，即一次收发的最大数据为 128 字节。物理层把封装好的 PSDU 放在该 FIFO 中，PSDU 的长度为 7~128 字节。收发器的发送速率是根据 PSDU 长度而定的， 85 随着 PSDU 长度增加，发送速率增大。而通过配置寄存器 TRX_CTRL_2 中的 OQPSK_DATA_RATE 位可以设定最高速率为以下 4 个值：250kbps、500kbps、1Mbps、2Mbps。 具体对应关系如图 3 所示。 - 3 - 信标帧周期开始读取协调器接收队列长度计算本周期节点拥塞状况把拥塞信息写入信标帧，广播给每个子节点发送信标帧接收信标帧读取本周期子节点队列长度计算本周期子节点拥塞状态读取信标帧中协调器拥塞信息信息进行速率调节进入下一周期协调器端子节点端
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 90 Fig.3 Relationship between PSDU length and Transmission Rate 图 3 PSDU 长度与发送速率关系图 为了使射频信号能更好的进行收发，并且开发板之间具有更好的扩展性。把子节点分成 控制底板和射频板两部分。两块板子间使用插针连接，主要用于底板给射频板供电，晶振及 SPI 接口部分。 95 2.1.1 控制底板电路设计 控制底板电路围绕控制芯片展开，包括电源供电，晶振输入输出，串口电路输出，与射 频板 SPI 接口输出，JTAG 输入部分，复位，指示灯等。电源模块使用 2 节 1.5V 的干电池。 在 ATxmega256A3 中，共有 64 个引脚，其中包括 PA、PB、PC、PD、PE、PF 六个端口， 每个端口占用 8 个左右的管脚。在本设计中，PC 和 PD 口用于与射频芯片 SPI 接口连接， 100 PB 口用于复位、指示灯、串口部分。ATxmega256A3 管脚芯片连接电路图如图 4 所示。 图 4 控制芯片连接电路图 Fig.4 MCU Connection Schematic - 4 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 105 电路原理图设计完成后，就开始 PCB 的设计。由于控制底板电路并不复杂，PCB 设计 成两层板。以控制芯片为核心元件，周围布上 Flash、晶振、指示灯、开关按键、插针以及 电阻电容等元器件。 2.1.2 射频扩展板电路设计 射频板电路图围绕 AT86RF231 芯片展开。其外围电路主要有扩展的 EEPROM、射频天 110 线电路部分、RF 开关，以及天线电路部分的阻抗匹配电路。天线使用陶瓷天线，射频板的 电源供电、接地以及晶振输入都是从控制底板通过插针输入的。在此使用了两排插针，每排 20 个。射频芯片周围电路图如图 5 所示。 115 图 5 射频芯片部分电路图 Fig.5 Schematic of RF module 天线部分包括巴伦，天线开关，2.4GHz 陶瓷全向天线及调谐电容组成。天线采用双天 线 45°极化分集方式设计，提高了抗多径干扰的能力。巴伦用于阻抗变换，由 100 欧变换 为 50 欧。在进行 PCB 设计时还需考虑传输线阻抗设计为 50 欧，已达到阻抗匹配的目的， 120 使天线性能达到最优，且在天线周围 PCB 部分不覆铜，天线位置处打孔，使得天线全向辐 射最优。调谐电容用来微调，使得天线性能最优。天线部分电路图设计如图 6 所示。 图 6 天线部分电路图 Fig.6 Schematic of Antenna Section - 5 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 125 2.2 软件协议栈部分 Zigbee 协议是目前无线传感器网络使用最广泛的也是最成熟的协议栈之一。在星型无线 传感器网络中，只需要使用 zigbee 协议栈中的最底下两层：MAC 层和物理层，这两层是由 802.15.4 标准规定的。Atmel 公司基于 ATxmega256A3 射频芯片，在其 AVR 单片机上开发 了一套符合 802.15.4 标准的 MAC 协议栈。该协议栈实现了 zigbee 中的最底下两层，其主要 130 模块与对应功能如表 1 所示。 协议栈模块 PAL 层 TAL 层 MCL 层 资源管理模块 安全机制模块 表 1 MAC 协议栈主要模块介绍 Tab.1 Major Module of MAC Protocol Stack 主要功能 硬件抽象层，硬件相关接口代码设计，包括初始化部分，芯片驱动部 分 传输抽象层，主要是 MAC 层中有关传输的机制代码部分，包括帧收 发单元、状态机、CSMA 模块、MAC 层 PIB 属性库以及能量扫描模 MAC 核心层，支持信标模式和非信标模式，包括数据帧服务部分、 块等。 管理服务部分、信标管理部分等。 为协议栈中生成缓存或队列提供函数支持 协议栈安全方面协议代码 在协议栈中，使用 NHLE-MAC-Queue 队列为发送队列，使用 MAC-NHLE-Quque 为接 135 收队列，这两个队列均位于 MCL 层中。这两个队列在代码中均为结构体类型，结构体中有 一个变量是存储队列长度的，读取该变量即可得知队列长度。 协议栈的最上层为应用层，在应用层编写测试代码。用以检测组网、缓存队列读取和控 制 PSDU 长度进行速率调节。代码流程如图 7 所示。 140 图 7 测试代码流程图 Fig.7 Flow Chat of Testing Code 3 平台搭建与测试 硬件电路原理图设计完成后，就进行 PCB 设计。控制底板为两层板设计，射频扩展板 为四层板设计。PCB 设计完成后，进行印制电路板和元器件焊接。节点制作完成后，开始 145 进行星型网络平台的搭建和测试。 首先进行硬件电路测试。给开发板上电后，测试控制板和射频的电源供电。电源电压基 本在 2.9~2.95V 之间，符合供电标准。选取一个节点作为协调器，与 4 个子节点组成星型网 络。使用 AVR studio 工具下载协议栈代码。输出信息通过串口显示在终端里。进行组网测 试，测试结果如图 8 所示。通过串口输出可以看出，协调器成功组建信标帧网络，在一次信 150 标帧周期内，子节点向协调器发送了 13 帧数据。信标帧网络成功组建，这也验证了硬件电 路的正确性。 - 6 - 协调器组件信标帧网络子节点入网，接收信标帧读取缓存队列长度调节PSDU长度，测试速率是否改变
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 155 图 8 组网测试结果 Fig.8 Test Result of Building the network 接下来测试速率调节部分，验证能否通过设置 PSDU 长度调节子节点发送速率。把发送 速率最大值设置为 2Mbps。分别测试了当 PSDU 长度为 20bit、50bit、90bit 和 120bit 时的发 送速率。测试结果如图 9 所示。从图中可以看出，随着 PSDU 长度的增加，子节点发送速率 增大，符合设计要求。 160 图 9 速率调节测试结果 Fig.9 Test Result of Rate Adjustment - 7 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 4 结论 本文设计了一套星型无线传感器网络平台，传感器节点分为控制底板和射频扩展板两部 165 分。控制芯片采用低功耗的 ATxmega256A3 芯片，射频芯片为 AT86RF231 芯片，进行硬件 电路图与 PCB 设计，协议栈为 802.15.4 标准协议栈。在星型网络下，所设计的拥塞控制机 制中，采用周期性读取缓存队列的方式进行拥塞检测，并通过调节子节点发送速率的方式解 除拥塞。在本平台中，可使用信标帧周期为检测周期，并通过调节 PSDU 长度进行发送速率 的调节。通过网络搭建与调试，星型网络成功建立，增大 PSDU 长度，节点发送速率增加。 170 说明所设计的拥塞控制机制适用于本平台。而把拥塞控制机制加入到协议栈中，以验证其有 效性是下一步工作的重点。 [参考文献] (References) 175 180 [1] 赵仕俊，王盼盼.一种无线传感器网络的拥塞避免机制[J].小型微型计算机系统，2013，34（4）：760-763. [2] Rezaei A, Rafsanjani M K. Congestion Control Protocols in Wireless Sensor Networks: A Survey[J]. Journal of American Science, 2012, 8(12): 40-62. [3] 梁露露，高德云，秦雅娟，张宏科. 无线传感器网络中面向紧急信息可靠传输协议[J]. 电子与信息学报， 2012，34(1)： 95-100. [4] 孙利民，李波，周新运. 无线传感器网络的拥塞控制技术[J]. 计算机研究与发展，2008，45(1)： 63-72. [5] Wang C, Li B, Sohraby K, et al. Upstream congestion control in wireless sensor networks through cross-layer optimization[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2007, 25(4): 786-795. [6] 梁磊. 基于节点动态优先级的无线传感器网络拥塞控制[D]. 南京：南京理工大学，2014. [7] Gutierrez J A, Naeve M, Callaway E. IEEE 802.15. 4: a developing standard for low-power low-cost wireless personal area networks[J]. network, IEEE, 2001, 15(5): 12-19. - 8 -
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