小型无线传感器网络的实现与P2P互联

摘要：传感器网络之间的互联与通信将成为未来无线传感器网络的应用模式之一，通过P2P技术互联多个传感器网络，可为用户提供大规模、大范围、多样化的信息服务。在设计和实现基于SimplciTI协议的小型无线传感器网络的基础上，提出在无线传感器网络上的P2F覆盖，利用JXTA协议搭建P2P平台，实现了多个传感器网络以P2P的方式互联，并给出了硬件和软件的实现方案。
关键词：无线传感器网络；SimplciTI；P2P；JXTA

    通常，无线传感器网络(WSN)只是覆盖人们感兴趣的较小区域，这样就形成了多个分散的小型网络。通过借助现有的网络来实现多个小型无线传感器网络的互联，进行数据的传播、发布，能够扩大网络的覆盖范围，更加有利于传感器网络数据的获取。与其他方式相比，利用P2P的方式实现多个传感器网络的互联具有非中心化、健壮性和可扩展性等特点。

1 系统结构
    从整体来看，本文所提出系统主要包括2层结构，如图1所示。第一层是传感器网络层，根据需求负责在传感器网络内部收集监测数据；第二层是P2P虚拟网络层，用来连接多个传感器网络，每个传感器网络作为P2P网络的一个对等体节点，多个对等体节点形成P2P网络。

2 基于SimpliciTI协议的小型无线传感器网络的设计与实现
2．1 SimpliciTI网络协议
    SimpliciTI网络协议是TI公司推出的针对简单小型射频网络的专有低功耗RF协议。利用SimpliciTI网络协议可实现MCU资源占用的最小化，从而降低系统成本。SimpliciTI软件架构分为3层：应用层、网络层和硬件逻辑层。其中，SimpliciTI网络的加密在网络层处理。
2．2 系统描述
    本文设计与实现的基于SimpliciTI网络协议的小型无线传感器网络，在各种室内环境中对光强、温度进行采集。整个系统由数据中心节点(AP)、范围扩展节点(ER)和终端节点(ED)组成，形成串状拓扑结构。其中数据中心与协调器相连，协调器通过RS 232与电脑相连，如图2所示。
    终端节点由无线控制收发模块、传感器模块和电源模块组成，负责通过传感器采集环境信息，并将采集到的信息实时地发往或通过范围扩展节点转发到数据中心节点。范围扩展节点也称为路由节点，由无线控制收发模块和电源模块组成。数据中心由无线控制收发模块组成，是整个传感器网络的中心，与计算机相连，可以通过计算机软件查看终端节点发来的实时采集的环境信息，同时也可以对系统进行设置和控制。另外，数据中心采用无线方式与其他范围扩展节点和终端节点进行通信。
2．3 硬件的选型与设计
    硬件选型主要包括无线控制收发模块、传感器模块和电源模块3部分。无线控制收发模块采用TI公司生产的低成本、低功耗的CC1110片上系统，包含一个标准的增强型8051MCU，带有32 KB FLASH和4 KBRAM，工作在433 MHz，868 MHz，915 MHz ISM波段，其射频收发器支持不同的调制格式，数据传输率可达500 Kb／s。传感器模块中的温度传感器选取Microchip公司的TC77，它是一款13位串行接口输出的集成数字温度传感器，温度分辨率为0．062 5℃；光敏传感器采用10 kΩ的光敏电阻，将其串联一个10 kΩ的电阻后，接到CC1110的ADC输入引脚即可。此外，数据中心通过RS 232由电脑供电，终端节点和路由节点通过供电底板供电，供电电压为3 V，其独立的电池盒设计，可便于移动。
2．4 系统软件设计
    下面介绍无线传感器网络中各个节点的软件设计。考虑到程序的开发周期和可读性，使用C语言进行程序开发。
2．4．1 数据中心节点模块
    数据中心经过BSP、协议栈、串口等初始化后，打开串口中断，实现计算机与数据中心的通信，然后建立串状网络，等待终端节点和范围扩展节点的加入。数据中心不断监测有多少节点设备加入，并判断是否达到网络容纳设备的最大数量。如果还有空闲的接口(PORT)，则为新加入的设备分配PORT，并发送应答信息通知新加入设备通信的PORT编号。对于已经加入网络的设备，数据中心监测是否收到这些设备发来的数据信息，如果收到符合格式的数据，则通过串口上传给计算机显示。之后，数据中心检测信道噪声，如果噪声可能会对通信造成干扰，则数据中心发生频率跳变，跳到信道列表的下一个信道。
2．4．2 范围扩展节点模块
    范围扩展节点经过硬件初始化和协议栈初始化之后，向数据中心节点发送加入网络请求。成功加入网络后，向数据中心节点周期发送ping消息，如果收到应答，则处于等待数据转发状态，向数据中心转发终端节点发来的数据信息，如果没有收到应答，则查询网络当前的工作信道，并跳转至该信道，再转发数据信息。
2．4．3 终端节点模块
    终端节点在初始化底层模块、定时器和各传感器模块后，开始向中心节点发送加入网络消息，并等待加入。加入网络后，每隔一个固定的时间间隔通过传感器模块采集环境信息，查找中心节点工作的信道并跳变到该信道，将采集的环境信息发送到数据中心。

3 小型无线传感器网络的P2P互联
3．1 JXTA协议
    JXTA是SUN公司推出的一组开放的通用P2P协议，为开发新的P2P应用程序提供基本的模块和服务，它对P2P节点的共同行为做了标准化，包括节点互相发现、自组织点组、发现和通告网络服务、相互通信以及监视其他节点等。基于JXTA的软件架构可以分为3层：核心层、服务层、应用层。其中核心层封装了P2P网络的一些最基本的要素；服务层包含一些网络服务；应用层包括一些应用的实现，如P2P即时消息、文件和资源共享等。
3．2 系统构成
    在构建的P2P网络中，有2种节点：WSN网关和WSN控制单元。通常有一个WSN网关和多个WSN控制单元。WSN控制单元负责收集传感器网络中监测到数据，并将其传播、发布；WSN网关既是一个P2P节点，负责收集各个WSN控制单元传播、发布的传感器网络的监测数据，又是一个网关设备，可以把传感器网络接入Internet等其他网络。
    该系统的单元实体包含WSN网关、WSN控制单元、协调器和WSN节点这4层设备。整个系统的数据流程图如图3所示。在传感器网络中，WSN节点启动数据采集过程，进行采样、A／D转换等，然后将采集到的数据发送到协调器，协调器使用RS 232将在无线传感器内部收集到的数据传送到WSN控制单元，WSN控制单元通过P2P平台将传感器网络的监测数据进行发布、传播，发送到WSN网关，WSN控制单元和WSN网关之间通过JXTA中定义的管道进行通信。

3．3 软件设计
    进行JXTA开发需要搭建JXTA开发环境，该系统的开发选择的是JXTA的J2SE平台绑定，并在集成开发环境NetBeans中采用最新版本V2．5进行Java程序的开发。此外，由于JDK的类库并不提供串口通信的API，要进行串口通信，需要额外安装与配置相应的JAR包和动态库。
3．3．1 WSN网关设计
    作为一个JXTA的应用程序，WSN网关首先需要通过加入默认的网络点组来实现JXTA平台的初始化。然后需要创建一个新的点组WsnNet来提供传感器参数监测服务，WSN网关创建该点组成功后，需要加入该点组，然后通过监听者类等待WSN控制单元的消息，如图4(a)所示。
    WSN网关通过管道实现与WSN控制单元之间的消息发送与接收，且采用基于事件的异步机制。该机制遵循Java标准事件设计模式，必须创建用于注册以接收适当事件的监听者。处理管道事件的监听者接口是PipeMsgListener接口，在WSN网关的应用程序中实现了该接口，即管道服务在创建输入管道的时候增加this指针，以在已经创建的输入管道上监听事件。当对应的事件发生时，该监听者类将被通知，并调用监听者类的pipeMsgEvent()方法，通过getMessage()方法从pipeMsgEvent()中获取该消息，最后根据设定好的格式处理接收到的消息。

3．3．2 WSN控制单元设计
    WSN控制单元负责WSN网关和协调器之间的通信，它通过管道与WSN网关通信，通过RS 232接口与协调器通信。作为JXTA的一个节点，WSN控制单元启动后，首先加入默认的点组初始化JXTA平台，然后加入WSN网关创建的点组WsnNet以提供信息监测服务。WSN控制单元实现了两个事件，一个是PipeMsgListener，用于监听管道消息；另一个是SerialPortEventListener，用于监听串口的消息，如图4(b)所示。

4 结语
    今后无线传感器网络之间的交互和通信技术将是一项关键的技术，WSN和P2P结合的系统可用来开发强大的应用程序。本文首先完成了基于SimplictiTI网络协议的低功耗小型无线传感器网络的设计与实现，然后基于JXTA协议实现了多个传感器网络以P2P方式互联，从而实现数据的传播、发布，扩大传感器网络的覆盖范围，更加有利于传感器网络数据的获取。