【導讀】城市道路照明隨著LED照明技術的更迭，內容也越加的豐富。本文提出了采用短距離無線通信技術構建LED路燈無線傳感網絡，從而實現對路燈任意單盞、多盞燈、全網絡等進行開關、調光的控制，實現智能化管理。
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點的組成為基礎，論述了網絡層的協議包格式、路由工作原理，以及節點通信的設計流程。
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，包括節點組成及網絡拓撲結構。
1.1 LED路燈傳感網絡節點的組成
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發光亮度的檢測、以及對LED發光亮度的PWM控制等電路。每一盞LED路燈既是傳感器節點也是網絡路由節點；每一個節點包含一個微控制器（MCU，如cc2530），都具有射頻通信功能，既能發送信號也能接收信號；每一個節點具有32bit（位）的唯一ID號。通過在物理層和MAC層采用IEEE 802.15.4協議標準，結合網絡層與應用層的協議，所有這些節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議。
圖1 LED路燈節點的組成
1.2 網絡拓撲
根據LED路燈的分布規律，每盞LED路燈作為網絡節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議的設計與討論，作出如下定義：
（1）所有節點可分為2類，即LED路燈節點(簡稱LED節點，如a1 a2 … an , b1 b2 … bn)和路燈控制器節點(簡稱控制節點,如a,b)；
（2）相鄰節點之間的距離均為L，每個節點的無線信號覆蓋半徑大于等于2L；
（3）根據節點的相對位置，節點可分為前驅節點與后繼節點，離控制器近的是前趨節點，離控制器遠的是后繼節點。例如a1是a2前驅節點，a3是a2后繼節點；同理b2是b4前驅節點，b6是b4后繼節點，以此類推。
圖2 網絡拓撲結構示意圖
（4）控制節點與LED節點之間，LED節點相互之間，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調裝置。
（5）每個節點的32bit唯一ID號由兩部分組成，分別為網絡ID和節點地址（編號），均為16bit。同一路燈網絡所有節點的網絡ID相同；從控制節點開始，節點地址由小到大順序編排。
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2 網絡協議
LED路燈傳感網絡協議包括協議包的定義與路由協議的定義，其設計目標是簡單、實用，易實現。
2.1 網絡協議包格式
LED路燈傳感網絡協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。
圖3 網絡協議包格式
（1）命令包
圖3(a)所示，為控制器節點對LED路燈節點下發的命令包格式。命令有三種類型：針對整個網絡所有LED節點的廣播命令、針對部分LED節點的群組命令以及針對單個LED節點的單點命令。
命令包各字段定義如下：
包類型：為1；
目的地址：為指定LED節點的地址；
包序列號：為向指定節點發送的包編號；
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；
表1 命令包命令字段定義
命令參數字段：用來表示調光的亮度，數值越小LED發光亮度越低，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點數，最大值為路燈網絡所有LED節點的數量。傳送命令包時，每經轉發一次則跳數減1，當跳數值為0時，命令包不再被轉發。
（2）參數包
圖3(b)所示，為LED路燈網絡節點上傳的參數包格式。控制節點可采用定時輪詢或即時查詢方式獲取網絡內各LED節點的狀態參數，如電流值、發光亮度值等，各LED節點只有在接到讀取參數的命令后才會向控制節點發送參數包。參數包各字段定義如下：
包類型：為2；
源地址：為上傳參數LED節點的地址；
包序列號：為上傳參數LED節點發出的參數包編號；
接力模式：由于只有在節點收到讀取狀態參數命令后才會發送參數包，因此，參數包的接力模式由命令包的接力模式確定；
狀態標志：為0，表示對應LED節點無故障；為1，表示對應節點有故障；為2，表示對應節點及后繼節點有故障；
狀態參數1－3：為LED節點的有關參數，如電流值、電壓值以及LED的發光亮度值等。
（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，每個節點在收到命令包或參數包后需要發送應答確認信息包。如果信息包的發送（轉發）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送。應答確認包各字段的數值定義如下：
包類型：為3；
節點地址：發出確認應答包節點的地址。
確認類型：收到信息包的包類型；
確認號：為節點收到信息包的包序列號；
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2.2 網絡路由協議
LED路燈傳感網絡路由協議的核心是各節點對信息包的轉發機制。由于每一個節點的信號覆蓋范圍有限，其信息只能向鄰近的節點發送，如要將信息送往遠處節點則只能依賴中間節點的多次轉發。根據前述1.2定義的條件，節點轉發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模式，要求每個節點無線信號覆蓋的半徑范圍大于節點間距L即可，信息包只需往鄰近的前驅節點或后繼節點轉發。在這種模式下，節點處理收到信息包的方法如下：
①節點接收一個命令包（如圖3(a)）后，向前驅節點發送接收確認應答包；將命令包中的跳數減1；比較節點自身地址（NA）與命令包中目標地址的大小，相等則執行包中的命令且無須轉發命令包，不等則向后繼節點轉發該包；如果是廣播命令(目標地址值為0xffff)，既在本節點執行該命令同時也向后繼節點轉發該命令包。轉發時的路由地址為:NA+1。當命令包傳送到網絡中的最后一個LED節點時，跳數減1后將為0，包將不再被轉發。
②節點接收到參數包（如圖3(b)）后，只需向后繼節點發送接收確認包和向前驅節點轉發，轉發參數包的路由地址為：NA-1。
③節點收到命令包或參數包后，必須發送接收確認包（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點，傳送信息包到指定節點的轉發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節點按照其地址值的奇偶性分成2個接力鏈，即奇地址節點鏈和偶地址節點鏈。控制節點發送廣播命令時，需要針對奇地址節點鏈和偶地址節點鏈分別發送，命令信息包分別在奇地址節點鏈和偶地址節點鏈上同時傳播。在雙跳接力模式下，節點處理收到信息包的方法如下：
①節點接收到命令包后的處理方法與單跳接力模式基本相同，但包轉發時的路由地址變為：NA+2。
②同樣節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，只是在包轉發時的路由地址變為：NA-2。
③節點收到命令包或參數包后，必須發送接收確認包，當收到命令包時，確認類型值為1,發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，節點發送命令信息包或參數信息包后，在規定的時間內未收到確認信息包，則需要重發，重發次數一般不超過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，如果在多次重發后仍收不到下一跳節點的應答確認信息包，說明下一跳節點出現了通信故障。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點，繼續信息包的接力傳送。同時，將故障節點的相關信息反饋到控制節點。變跳接力模式要求每一個節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節點i的地址為NAi，當LED節點i以單跳模式轉發命令包（或參數包）時，即使重發，仍然收不到LED節點i+1（或i-1）的確認包，于是斷定下一跳節點出現故障。這時如果傳送的是命令包則從①開始執行，如果傳送的是參數包則執行②，因為故障節點在傳命令包時已遇上，傳送參數包時遇故障節點無須重復報告故障信息。
①LED節點i向控制節點報告故障節點信息。此時，節點i向控制節點發送參數包，包的狀態參數置為1，源地址為故障節點的地址，即NAi+1，發送參數包的路由地址為NAi-1。
②改變接力模式為雙跳模式，將信息包轉發給節點i+2（或i-2），以繞開故障節點，路由地址為NAi+2（或NAi-2），若能收到應答確認包，則本節點轉發完成，否則說明遇上了兩個或兩個以上連續故障節點，需繼續執行③。
③如果此時傳送的是命令包，則LED節點i需向控制節點報告故障節點狀態信息，狀態參數包的狀態標志置為2，源地址為故障節點的地址，即NAi+2，發送參數包的路由地址為NAi-1。隨后，轉發中止。
（2）初始傳送為雙跳接力模式
當LED節點i（地址為NAi）欲以雙跳接力模式轉發命令包（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，執行如下步驟②；
①節點i以雙跳接力模式轉發命令包（或參數包），路由地址為NAi+2（或NAi-2），如果收不到應答確認，則下一跳節點出現故障。如果這時轉發的是命令包，則需向控制節點報告故障，往其前驅節點i-2發送故障信息參數包，路由地址為NAi-2，故障信息參數包的源地址（即故障節點的地址）為NAi+2,狀態標志為1。同時，改用單跳接力模式將信息包轉發給節點i+1（或i-1），以繞開故障節點，轉發的路由地址為NAi+1（或NAi-1）；若能收到確認包，則本節點轉發完成，否則執行③；
②節點i改為單跳接力模式轉發命令包（或參數包），路由地址為NAi+1（或NAi-1），若能收到確認包，則本節點轉發完成,否則，再改用雙跳接力模式轉發，將信息包轉發給節點i+2（或i-2），以繞開故障節點，轉發的路由地址為NAi+2（或NAi-2）；若能收到確認包，則本節點轉發完成，否則執行③；
③說明遇上了兩個或兩個以上連續故障節點，LED節點i需向控制節點報告故障節點信息。此時，節點i向控制節點發送故障參數包的狀態標志為2，源地址為故障節點的地址，即NAi+1，發送參數包，路由地址為NAi-1。隨后轉發中止。
上述變跳接力模式能解決分散的單個通信故障節點接力傳送問題。但當網絡中出現連續2個或2個以上通信故障節點時，則只能報告故障節點位置而不能再繼續接力傳送。若要解決連續多故障節點的問題，既需要改變接力算法，也需要各節點的無線信號覆蓋半徑范圍更大。
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3 網絡節點工作流程與協議實現
LED路燈傳感網絡上的每一個節點，既是命令執行與狀態參數采集的終端節點，也是路由協調工作節點。各節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聽查詢狀態，檢查是否收到信息包。圖4所示為LED路燈傳感網絡節點的工作流程，它是網絡協議在節點上實現過程的描述。
圖4 LED傳感網絡節點的工作流程
結語
通過網絡體系、網絡協議、網絡節點工作流程與協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，良好的網絡協議是組建傳感網絡的關鍵所在，簡易可行的網絡協議是實用化的前提。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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