基于节点传输碰撞的Ad Hoc电源监控系统设计

陈 竺

(重庆电子工程职业学院计算机学院，重庆401331)

电源的有效监控是工农业生产的基础，而无线传感网的出现对于特殊环境下电源系统无线监控体系的构建至关重要。

电源监控系统的底层需要一个数据采集系统的支持，在一些特殊环境下的移动电源系统，无线传感网可以有效地解决布线及维护困难的难题，同时，无线传感网具有多跳、自组织的基本特性，可以根据实际情况进行动态的通信网络拓扑结构的调整，可以增加监控系统底层网络的环境适应性。

Ad Hoc 是近年来发展起来的点对点对等通信方式，它的基本特点是可以实现在先前无网络基础的环境下，由移动节点按某种方式临时自组织成一种可用网络，具有自行创造、自行组织、自行管理的特性。

Ad Hoc 对于临时性监控网络的组建具有极大的价值，例如军事作战前线、临时性会议及现场等，大量的电源设备的监控就要依赖于Ad Hoc 网络的组建，因此Ad Hoc 技术具有广阔的应用前景。

由于移动性及无线传输的基本特性，Ad Hoc 网络具有一定的弊端，例如安全性较差，所使用的IEEE802.11 DCF 协议不利于吞吐量的有效提高，因此针对特殊情况下的电源监控系统，本文提出了利用节点碰撞控制进行改进的MAC 层协议，以保证系统的传输速率。

1 系统总体结构设计

图1 系统总体结构设计

电源移动监测的移动性造成了其网络结构的不确定性，系统结构框图如图1 所示，当移动的电源监测点采集到相应数据之后，搜索四周的信号，如果在周围迅速找到了固定传输节点，则由该节点将信息传送至汇总中心，汇总中心由嵌入式系统构成，嵌入式系统将数据进行处理后，由有线传输系统传至远端控制中心；而当周围没有固定节点时，就在周围查询其他移动节点，将信号传至该移动节点后，由该节点再查询四周的固定节点，如果查到则由该节点上传信息，如果找不到，则继续查找其他移动结点，以此类推。

2 物理层传感网的设计与实现

物理层的传感网采用网状拓扑结构，每一个传感器节点的基本结构如图2 所示[1]。

图2 无线传感器网络节点基本结构

如图2 所示，每一个传感器节点由能量供应单元、电源运行状态感知传感器、微处理器、存储器、无线通信单元等组成；能量供应单元提供每一个节点正常工作所需的能量；传感器单元由电压、电流、有功、无功、电量、频率、环境温度、环境湿度等传感器组成，完成移动电源系统各项工作指标参数的采集；微处理器由单片机或嵌入式芯片来担当，如果内置存储器的大小能够满足数据处理量的存储要求，则不必另增加片外存储器，如果芯片内置存储空间不足，则需要外加存储器。微处理器与传感器之间的数据通信一般采用串口通信方式，如果传感器所采集的参数为模拟量，则与微处理器中间需增加A/D 转换器；无线通信单元采用无线射频方式，本设计中采用ZigBee 技术来构建无线通信的基本单元，芯片采用CC2530来实现信号的收发，协议栈采用Z-stack。

3 MAC协议论述及其改进

无线传感网采用IEEE802 标准，该标准遵循ISO/OSI 参考模型的基本原则，且只到OSI 的最低两层：物理层和数据链路层。无线传感网的数据链路层分为两个子层，一个是介质访问控制(MAC)，另一个是逻辑链路控制(LLC)。

MAC 的主要功能是处理所有与物理层相关的无线信道的接入，例如网络信标的产生与同频、个域网的建立与断开、信道冲突避免措施的建立、可靠链路的保持等[2]。而由于每一个传感器结点的存储能力、计算能力、通信能量以能源供给都有限，因此在无线传感器网络中，MAC 协议首先考虑的是系统的可扩展性和节省能源，而为了减少能量的消耗，MAC 协议采用“侦听/睡眠”的交替无线信道侦听机制，同时采用CSMA/CA 进行线路的侦听与冲突避免。

基于CSMA/CA 的侦听方式是一个传输冲突的有效办法，但当侦听到线路忙时，设备需等待一个随机的时间以减少冲突的可能，如果等待一段时间之后线路仍然忙，则就需要再等待一个更长的随机时间，这样就容易造成数据传输的延迟，因此，对CSMA/CA 进行改进是改善数据传输效率的必要手段。

好的MAC 协议应具有高吞吐量、低时延、高公平性等基本特性，其中利用节点传输碰撞控制来改进协议的公平性和提高吞吐量具有良好的效果。

节点的碰撞概率表示了网络中发生碰撞的数据占总数据的比值，比值越大，说明线路越忙，比值越小，说明线路越畅通，因此，利用节点碰撞率来动态地调节CSMA/CA 的时间间隙，从而避免简单的算法生成的随机时间所带来的误差和不公平性。

改进的CSMA/CA 数据接收流程图如图3 所示。

图3 改进的CSMA/CA数据接收流程图

如图3 所示，当载波检测启动后，系统计算当前的节点碰撞概率，如果当前的节点碰撞概率大于前一时刻的节点碰撞概率，则以退避算法加大退避的时间，而如果当前的节点碰撞概率小于前一时刻的节点碰撞概率，则按照退避算法减少退避的时间，从而实现根据节点碰撞概率来确定退避的时间，以缩短数据传输的等待时间，加快数据传输速率，提高数据吞吐量。

4 结论

利用仿真软件对CSMA/CA 及改进后的CSMA/CA 进行仿真，结果表明，当节点数比较少时，两种方法的数据传输速率大致相仿，而节点数增加较快时，基于节点碰撞概率的CSMA/CA 退避方法的数据传输速率比未改进的方法有较大的改善，说明该方法有较好的提高数据吞吐量的作用。

[1]屈军锁.物联网通信技术[M].北京：中国铁道出版社，2011：144-145.

[2]郝国伟.基于节点碰撞控制的Ad-Hoc 网络MAC 协议研究[D].成都：西南交通大学，2013：12-14.