无线传感器网络数据冲突检测系统设计

肖广兵 肖菁菁 陈勇

摘 要：无线传感网络传感器节点通过自组织网络进行数据信息交互。由于每个传感节点仅能获得局部信息，容易在数据信息交互过程中引发数据冲突，因此设计一种基于CSMA/CA协议的无线传感器网络数据冲突检测系统，主要包括TC35I电源模块、传感器节点检测模块、无线通信模块、手持式检测终端、主处理器STM32F103VB、无线打印机等。系统通过分析对比每个传感节点对数据包的接收状态，实时检测无线传感器网络中潜在的数据冲突;同时，数据冲突检测结果通过上位机软件进行实时显示，具有结构简便、组网简单等特点，可以方便地拓展到其它无线网络中。

关键词：无线传感器网络;传感器节点;数据冲突

0 引言

无线传感器网络通过自组织方式组建，具有便捷和成本低等特点，广泛应用于物聯网感知层，能够在军事作战、环境监测、抢险救灾等场景中实现数据采集、处理和发送[1-3]。为提高节点能量利用率，延长网络生存周期，有学者提出一种休眠/唤醒节能技术[4]，但是节点缺乏中心控制单元，存在数据冲突风险，休眠节点被唤醒时可能与其它节点发生数据冲突，引发严重的数据包丢失。因此，如何提高无线传感网络数据通信的可靠性，对网络中潜在的数据冲突进行检测，是当前研究热点和难点。

如图1所示，假设无线传感网络中有3个节点。其中，节点n3原处于休眠状态，节点n1将其监测到的数据信息传输给节点n2，若节点n3从休眠状态被唤醒，与节点n1于同一时刻发送数据包至节点n2，则会在节点n2处产生数据冲突，导致其无法接收到节点n1的数据包，造成严重的数据包丢失。

在无线传感器网络中，节点休眠能够提高能量利用率，延长网络生存寿命，但也存在数据冲突风险。在无线传感网络节点随机休眠模式下，检测数据冲突的主要方法可分为建模算法分析和冗余机制两类。

建模算法分析数据冲突最具代表性模型是 Bianchi[5]在 2000 年提出的离散时间马尔科夫链模型。其以不定长时隙为基础，按照二进制退避算法计算并总结节点某一时刻可能存在的状态和转移关系，推导出马尔科夫链模型，通过分析可计算出节点在某一时刻各状态的概率，从而检测出数据冲突，但原始马尔科夫链模型有传输次数限制，在挂起过程中存在问题等，因此提出了一种基于马尔科夫模型的异常节点检测策略[6]。该策略将自组织网络中的各个节点状态转换过程作为一个马尔科夫过程并采用马尔科夫模型预测节点状态，检测节点异常状态，判断节点处是否存在数据冲突。随后有大量文献对马尔科夫链模型作出改进。如Felemban& Ekici[7]在马尔科夫链模型的基础上增加了退避挂起的概率计算。首先利用Bianchi提出的离散时间马尔科夫链模型计算各个节点发送数据包的概率，其次将信道分为3种状态，分别为冲突、空闲、成功传输，最后将退避挂起概率带入原始马尔科夫链中，计算新的发送数据包概率后带入信道3种状态模型中，重新检测数据冲突。但该方案较复杂且不适宜于系统中长期检测。

冗余机制是近年来检测数据冲突的主流方法，包括数据重发与重复侦听。Gollakota等[8]提出用ZigZag策略处理数据冲突问题，研究人员利用节点重发数据包后冲突位置不同的特性检测是否存在数据冲突，通过重发机制解决数据冲突，但该方法浪费网络资源，网络延时严重; Fu等[9]提出密集网络载波侦听机制，该机制基于叠加干扰模型且扩大了侦听范围、提高了增听能力，通过重复侦听信号功率增量可判断是否存在数据冲突，从而避免密集网络中的数据冲突问题，但该方案缺乏实际系统的验证且能量消耗过多。

针对上述方法的不足，本文提出一种基于载波侦听多路访问/冲突避免机制（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA）的无线传感器网络数据冲突检测系统。该检测系统引入传感器节点检测模块，对数据冲突进行检测与诊断，利用对传感器节点接收其邻居节点数据包状态的检测，判断是否存在数据冲突，无线传感器网络将检测信息传输至检测终端、上机位与无线打印机进行协作管理。该系统仅需节点的局部信息即可有效检测并解决无线传感器网络中休眠节点唤醒时引发的数据冲突问题，具有可靠的特点且结构简单、性能稳定、易于安装、成本较低、效率较高，可实现节点随机分布环境下数据冲突检测，为避免数据冲突问题提供有效依据，可提高无线传感器网络可靠性。

1 系统设计与工作原理

无线传感器网络数据冲突检测系统由TC35I电源模块、传感器节点检测模块、无线传感模块、手持式检测终端、主处理器STM32F103VB、无线打印机等组成。系统采用双处理器结构优化、处理相应数据，根据节点数据包接收状态进行检测分析，诊断无线传感器网络是否存在数据冲突。数据冲突检测系统结构如图2所示。其中，每个节点均由TC35I电源模块供电。

当数据冲突检测系统对传感器节点数据包接收状态进行在线检测时，检测终端通过主处理器STM32F103VB对每个传感器节点发送检测指令。各传感器节点在接收检测指令后分别检测每个传感器节点接收数据包的状态，并将检测到的数据信息通过无线传感网络发送至检测终端，再由主处理器STM32F103VB对接收到的数据信息进行分析、处理、存储与无线打印，完成无线传感器网络数据冲突检测。

2 硬件电路设计

本文设计的无线传感网络系统主要包含以下模块：TC35I电源模块、STM32F103VB主处理器模块、CC2530无线传感模块。

2.1 电源模块设计

TC35I模块为直流电源，其电源范围为3.3～5.0V，典型值为 4.2V[10]。在休眠状态时，模块平均电流消耗为3.5mA，在空闲状态时为 25mA，而在发射状态时为300mA，峰值时为 2.5A。其芯片支持双12位A/D转换器，电流于数据传输时达到峰值，此时，若送入模块的电源电压高于3.3V或电压下降值超过0.4V，模块将会自动关断[11-12]。TC35I 模块通过一个 ZIF（Zero Insertion Force，零阻力插座）连接器引出 40 个引脚，将其划分为电源、数据输入/输出、SIM卡、音频接口和控制5个部分。其中，引脚1-5为正电源输入脚，引脚6-10为电源地，引脚24-29分别为 CCIN、CCRST、CCIO、CCCLK、CCVCC 和CCGND[13]。此外，通过启动管脚将TC35I模块进行启动后，需对其进行工作模式、波特率等一系列参数值的设定。

节点ni进行数据包传输时，当检测到的数据信息为1时，分为两种情况：第一种情况为节点nj成功接收节点ni传输的数据包，数据通信正常;第二种情况为节点ni与节点nt同时传输数据包，节点nj接收nt数据包失败，但该种情况发生概率较小。当检测到的数据信息为0时，需将节点ni进行随机退避，随机退避后若未检测出同时传输，则说明节点nj处未产生数据冲突，导致数据包丢失的原因分为3类：节点休眠、通信链路不稳以及初始时隙无其它节点。节点休眠丢失数据包指由于处于休眠状态的节点电源关闭，无线电收发器不再进行工作，导致节点既无法发送数据包也无法接收数据包，即使处于节点ni广播范围内也不能接收到对方发出的数据包;通信链路不稳丢失数据包指由于通信链路质量处于无规律变化状态，节点ni广播时，节点ni与节点nj的通信链路质量可能急剧下降，导致节点nj无法接收到节点ni的数据包，造成数据包丢失;初始时隙无其它节点丢失数据包指由于节点nj不处于节点ni广播范围内，无法接受到数据包。随机退避后若检测出同时传输，则说明该节点处存在数据冲突，具体原因是由于节点nt处于休眠状态，致使节点ni侦听到信道空闲进行广播，节点ni于t时刻发送数据包至节点nj时，节点nt唤醒同时发送数据包至节点nj，节点nj处产生数据冲突，导致数据包丢失。本文检测系统主要功能是检测数据冲突的情况，即检测到数据信息为“0”时，节点进行退避后再侦听并同时传输。

数据具体软件流程如图7所示。CC2530软件需先进行系统上电，主程序运行后将网络初始化，若未初始化，则重新初始化网络;若初始化成功，则接收节点检测信息。将检测信息进行存储和上传后，判断是否继续接收节点信息。STM32F103VB软件同样需先进行系统上电与网络初始化，准备就绪后，发送检测指令，读取E2PROM的存储数据，为STM32F103VB主处理器分析处理数据提供依据，节点数据包接收、分析状态检测信息后，将进行数据传输、存储与无线打印，最后判断是否结束检测，未结束则继续发送指令进行检测。

4 结语

文中结合传感器节点接收数据包状态检测和无线通信技术，设计了基于CSMA/CA通信协议的无线传感器网络数据冲突检测系统。系统采用STM32F103VB主处理器和CC2530无线传感节点双处理器结构，实现了传感器节点在线检测及节点自身状态信息的实时传输与数据处理能力优化。利用 TC35I模块为传感节点供电，确保传感器节点正常工作。该系统结构简单、成本较低、运作灵活、不受地形条件控制，具有广阔的应用前景。

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（責任编辑：江 艳）