摘 要： 以STC12系列单片机和nRF905射频收发器为核心，设计了一种无线传感器网络节点和基于这种节点的自组织通信协议。给出了节点的整体结构，详细阐述了软件设计流程。试验表明该节点实现了自组织和多跳数传，通信稳定可靠，网络吞吐率达到无线传感器网络的要求。
无线传感器网络是计算机技术、传感器技术和网络通信技术相结合的产物。它由大量随机分布的、具有实时感知、无线通信和自组织能力的传感器节点组成。随着无线技术的高速发展，无线传感器网络越来越多地走进人们的视野中。与有线技术相比，无线技术具有成本低、体积小、省去复杂的布线等优点。但是由于现有的无线传感器节点大都采用电池供电，放置地点随机变动，随时可能出现节点中断的情况，通信能力十分有限，需要经常性的人工维护。因此，无线传感器网络节点要具有自组织、中断自我修复的功能，需要设计合适的通信协议和路由算法，以提高系统通信的可靠性。为此，本文采用无线射频芯片nRF905和STC12系列单片机设计了一种无线传感器节点，并且在典型自组织网络的通信协议-动态源路由协议DSR(Dynamic Source Routing)的基础上，针对路由维护算法做出改进，设计出一种易于实现且实用性高的通信协议，实现了自组织和多跳传输数据的无线通信系统。
1 节点硬件设计
节点分为协调器节点和普通节点，普通节点带有传感器，负责采集需要的数据并组成网络，协调器节点负责整个网络的控制和数据的汇总、分析、处理等。图1为协调器和普通节点的结构图。
1.1 MCU
STC12LE5410AD单片机是单时钟/机器周期(1T)的兼容8051内核单片机，是高速、低功耗的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，而速度快8~12倍，内部集成硬件高速SPI(Serial Peripheral Interface)接口、2 KB EEPROM、A/D转换模块和MAX810专用复位电路。工作电压2.4~3.8 V，因此可用电池工作，并可长时间工作。器件在少于6 μs的时间内可以从低功耗模式迅速唤醒。STC12LE5410AD的超小封装、高度集成、精简外部电路可设计出更小的节点，超低的价格可以大规模铺设传感器节点。STC12LE5410AD单片机的这些特征，非常适合应用在无线传感器网络中。
1.2 射频收发器件nRF905
nRF905由挪威Nordic公司生产，是一个为433/868/915 MHz-ISM(工业、科学、医疗)频段设计的单片无线收发芯片，32脚QFN封装，工作电压为1.9～3.6 V，最大发射功率为10 dBm。该收发芯片由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成，片内自动完成曼彻斯特编码/解码。nRF905有两种活动(TX/RX)模式和两种节电模式。活动模式之间转换时间小于550 μs，活动模式与节电模式之间的转换时间小于650 μs。
nRF905通过SPI与微控制器通信，自动处理字头和循环冗余码校验(CRC)。当进行数据发送时，只需将配置寄存器信息、所要发送的数据和接收地址送给nRF905，它就会自动完成数据打包(加字头和CRC校验码)和发送。接收数据时，nRF905自动检测载波并进行地址匹配，接收到正确数据后自动移去字头、地址和CRC校验码，再通过SPI将数据传送到微控制器。
1.3 硬件连接设置
STC单片机通过内部集成的硬件高速串行外设接口SPI与nRF905连接，最快可达3 Mb/s，比软件模拟SPI方式快30倍左右，大大减少了程序执行时间，提高了网络的吞吐率。同时在设计协调器节点与PC上位机软件通信程序时，利用STC单片机1T时钟的优势，设置串口波特率使用的定时器12倍速方式，使串口波特率提高至115 200 b/s，提高了协调器节点的反应速度，减少了等待时间，提高了系统的吞吐率。
2 节点软件设计
本系统的软件设计分为协调器节点Connector软件和普通节点Node软件的设计，其中协调器节点作为整个网络系统的主节点，起着控制全网络的作用，通过PC机的上位机软件，可以对协调器进行接收和发送命令及数据，从而实现对整个系统网络的控制。而每个普通节点也预留通信接口，可以在需要的时候与其他设备相连接。
由于本系统实现自组织网络的需要，在物理层中为每个节点(包括协调器和普通节点)定义了相同的物理地址，实现全网的广播功能。在网络层为每个节点分配唯一的网络地址，通过软件判断接收数据的目的节点是否是本机。
图2为节点自组织流程图。当网络中增加一个新节点，新节点上电初始化后，首先会向协调器发送路由请求RREQ请求加入网络，并打开定时器；协调器收到RREQ后，记录新节点信息，并通过反路由发送应答信号ACK至源节点；如果新节点在设定的时间内收到ACK信号，表示加入网络成功，并且记录本节点至协调器的路由信息；如果在设定的时间内没有收到ACK信号，那么重新发送路由请求RREQ至协调器，如此循环直至收到ACK信号。如果重发次数达到设定的上线，仍没有收到ACK信号，则进行全网广播RREQ，并打开定时器，等待返回RREP命令；在设定时间后进行重新广播RREQ，直到到达重发上限。新节点收到RREP表示加入网络成功，同时保存RREP命令帧中的路由信息。
2.1 路由协议
现有无线网状网络的路由协议通常可分为：表驱动式路由协议和按需路由协议。前者需要网络中的每个节点维护一张或多张路由表，以记录到其他节点的路由，增加了路由开销。而按需路由协议——动态源路由协议(DSR)使用了源路由，每一个数据分组的帧头中包含整条路由的信息，中间节点不需要维持当前的路由信息，分组自己带有路由信息，按需路由的特性避免了周期性路由广播和邻居节点的检测。
DSR协议包括两个过程：路由发现和路由维护。路由发现过程使用泛洪路由(Flooding Routing)。为了减少路由发现过程的开销，每一个节点都包括一个缓存器，存放最近学到的和用过的路由信息。路由维护过程是源节点用来检测网络拓扑是否发生变化的机制。若拓扑发生变化、源路由发生中断，源节点就会收到路由错误信息。其他节点收到路由错误信息后删除中断路由，并且重新发起广播寻找路由。
本系统中的路由协议采用DSR协议，并对DSR协议进行一些改进。
(1)每个节点中到达目的节点含有最多两个路由缓存。
(2)查到中断节点后先检查本节点中有无到中断节点下级节点的信息，若有，则直接使用此路由，若无，则立即广播发送RRER。
(3)所有节点收到RRER后，检查是否含有终端路由，有则删除中断路由。
系统通信协议格式如表1所示。其中，FRAME_TYPE表示命令帧类型，SOURCE_ADDR表示源地址，FIRE_ADDR表示目的地址，MID表示路由节点地址，REMIAN表示最大跳数下剩余跳数，MAX表示最大跳数，DATA表示要传输的数据，ODD代表奇校验。
2.2 程序设计
2.2.1 广播
在广播RREQ时，为了避免广播冲突，利用nRF905的载波检测多路访问机制CSMA/CA，发送前先进入接收模式，*该信道是否空闲。如果检测到CD信号为高，则表示该信道被占用，根据退避延时一段时间，再检测CD信号是否为高。
而根据检测，数据包接收的时间大致为20 μs，时隙为60 μs，加上程序运行的时间，定义短帧空间SIFS和时隙分别为50 μs及100 μs，分散帧空间DIFS为SIFS加2个时隙即250 μs。CSMA/CA程序流程如图3所示，定义NB、CW和BE。
