基于时分多址机制的无线传感数据采集网络系统设计

梁楠楠，高铭悦，卢 彪

(宿州学院 信息工程学院，安徽 宿州 234000)

随着云计算、物联网和大数据等技术的快速发展，利用无线传感器技术搭建的无线传感网深入到各行各业[1].在无线传感网中，众多传感器具备数据收集周期固定、设备安装定点和数据传送低等特点(如智能煤气、智能水表、智能环境监测等).传统无线组网数据采集技术(ZigBee等)已经不能满足网络建设成本低和运营成本低的原则，而且会造成大量数据基站的能源消耗[2].

时分多址具备单一频率使用率高、频谱资源占用少、数据接收节点和数据发射节点搭建容易等优点，非常适合在无线传感采集网络中使用.本文利用时钟同步SIM6835T芯片设计了一套基于时分多址技术的无线传感数据采集网络系统，该系统设计了精准的时分多址时钟同步机制系统，实现了利用高精度时钟系统完成数据传输通道的时分复用机制[3].

1 无线传感数据采集网络系统

1.1 网络拓扑设计

无线传感数据采集系统的网络拓扑采用星形设计结构，主节点承载全网的时分基准搭建、从节点数据的回传采集存储和全网拓扑结构的维护等功能[4].从节点完成无线传感器的数据采集和数据传送等功能.该无线传感网络由主节点(负责整个传感区域的数据收集与回传)、从节点(只能与主节点进行数据通讯，从节点之间不能互相通讯)、无线传输网络和监控中心构成.无线传感数据采集网络拓扑结构如图1所示.

图1 无线传感数据采集网络拓扑图

1.2 网络参数设计

无线传感数据采集网络参数设计内容主要包括：时片、时钟同步周期和主从节点硬件地址(MAC地址)等[5].

(1)时片：时片指数据采集系统切割的时隙值，它控制着单从节点占用无线数据传输通道的时间长短.

(2)时钟同步周期：指无线采集网络的主节点完成全网工作时钟同步的周期时间.传感从节点实现休眠状态与数据采集状态的转换是利用时钟同步周期来进行的，这样才能保障数据采集的完整性与实效性.

(3)主从节点的硬件地址(MAC地址)：MAC地址是无线数据采集节点传感器的唯一标识，从节点通过MAC实现ARP二层地址与主节点的地址解析，并根据地址计算出自身可以传输数据的通讯时隙.

1.3 数据节点帧结构设计

(1)时钟同步帧设计

时钟同步帧主要完成时钟指令的定时周期发布，主要包括[6]：①帧头，控制数据传送的方向；②广播地址，广播消息的传播终点；③时标数据，完成无线从节点时隙同步；④数据采集标识，休眠与工作状态的转换；⑤帧尾，采集数据的差错性校验.时钟同步帧如图2(a)所示.

(2)消息确认帧结构设计

当从节点采集数据并传送结束后，主节点需要发送一条数据采集完成的确认回应帧.该帧同样包括帧头帧尾、从节点MAC地址和帧号、主节点帧号和指令数据以及指令长度.数据确认帧结构如图2(b)所示.

(3)从节点帧结构设计

从节点主要任务是负责传感节点的数据采集与上传，从节点数据帧主要包括主节点MAC地址、主从节点帧号、数据DATA和采集指令完成的标识等，该帧实现了从节点数据采集到传输的整个过程.从节点帧的结构如图2(c)所示.

图2(a) 时钟同步帧结构

图2(b) 数据确认帧结构

图2(c) 从节点帧结构

2 时分多址时钟同步硬件系统设计

时分多址技术将无线网络中的数据传送时间划分成若干细小的时间间隔，不同的网络传感节点独自占用固定时间间隔进行数据传输.无线传感网络中的传感节点能利用各自的时间间隔分别实现数据传输、采集和分析的工作[7].

2.1 SIM6835T实时时钟芯片

SIM6835T芯片是一款实时时分多址时钟同步机制芯片，具备能耗小、抗恶劣环境、误差小、宽电压范围、无外围组件和晶振频率高等特点.在使用过程中，除控制电阻和电源耦合电容外无其他电子外围组件[8].时分多址时钟芯片硬件电路如图3所示.

图3 时分多址时钟芯片硬件电路

图3中R6(4.7 kΩ)和R7(4.7 kΩ)为电平控制调节电阻，C12(0.1 uF)为电源耦合电阻，FOUT为时钟信号输出电路，FOE引脚为时钟信号输出逻辑控制功能.当FOE=1时，FOUT输出时钟，完成时钟同步机制.当FOE=0时，FOUT处于阻塞状态，控制传感从节点休眠状态.

2.2 从节点设备硬件设计结构

无线传感数据采集网路中，主节点主要是完成数据存储上传、从节点信息维护和时分多址控制等功能，主节点硬件成本无需过多控制.假设主节点时钟是完全精准的，而从节点由于数量大和不易维护等特点，所以从节点对硬件成本和硬件的功耗都有极高的要求，此处采用低价位低功耗的无源晶振从节点系统.从节点硬件结构如图4所示.

无线传感从节点的内部芯片负责整个节点的控制与计算，实现数据的采集与传输控制，传感器系统采集当前数据.8025T系统负责时分多址实时时钟定时与时间校准，无线模块实现数据采集与上传的无线通信功能.

图4 从节点硬件结构设计图

3 主从节点时钟同步机制设计

3.1 正常时钟同步机制设计

当从节点处于数据采集休眠状态时，由于无传输采集，主节点利用时钟同步机制周期性的向从节点发送广播时钟校正，从节点接收到时间校正指令后执行时钟校正但不需要进行应答确认.无线采集网的正常时钟校正流程设计如图5所示.

图5 正常时钟校正流程设计

3.2 校时并抄读数据流程设计

主节点进行采集数据的存储过程中，需要利用标识技术实现采集数据的标记.从节点收到数据采集指令后，开始进行实时数据采集与上传.从节点采集顺序利用MAC地址的大小顺序，通过时隙间隔完成从节点数据的顺序上传.当主节点收到数据后，要进行数据字段ACK机制确认.主节点时钟同步与数据收集存储的流程如图6所示.

3.3 主节点读写数据和指令传送流程

当网络主节点完成数据的收集后，会向相关从节点发送“数据确认帧”指令.当数据采集网络的从节点收到确认帧的ACK字段后，会执行额外休眠指令进行传输通道阻塞状态.无线传感采集网的时钟校准、主节点读写数据和指令传送过程如图7所示.

图6 校时与数据抄读流程

图7 主节点读写数据和指令传送

3.4 从节点时钟同步校正流程设计

从节点时钟校准主要是通过单片机、8025T 和传感器共同来实现的，时钟校正流程如图8所示.当从节点完成传感器数据采集时，通过32.768 kHz的信号输出关闭和打开，完成单片机芯片时钟的校准和计数.

图8 从节点时钟同步校准流程

4 无线传感数据采集网络的节点容量

无线传感数据采集网的节点数据存储容量影响因素主要有：①数据采集周期，主节点通过指令控制从节点的休眠状态与工作状态，从节点数据采集与上传的时间间隔；②从节点发送第一个字节到收到主节点确认ACK最后一个字节所用的时隙；③时片的控制值，每个从节点使用数据采集时片固定值的长短与频率.节点容量与从节点数据采集上传成反比，与数据采集的频率和时片成正比.节点容量与约束因素的关系如下：

(1)

S>=T×N.

(2)

其中:Q为节点容量，T为时段值，t为从节点上传数据用时，γ为任意从节点最大时钟误差，S为无线网的数据采集周期，N为网络从节点容量.

假设数据采集频率为6小时，时片值为1秒，从节点数据采集上传与确认用时300毫秒为例，任意两个从节点的最大时隙误差值是基础误差的2倍，例如5*10-6*2=10-5，由式(1)计算可得节点容量为30 000个；由式(2)可得从节点容≤32 200个.综合计算，该无线采集网络的从节点容量最大为30 000个.计算结果表明，该无线数据采集系统特别适用于数据采集周期长、从节点数量大等网络部署环境中.

5 结束语

基于时分多址计数的无线传感数据采集网络系统进行了网络拓扑、网络参数数据节点帧，时钟硬件及从节点设备硬件系统设计和正常时钟校准、校时抄读数据、校时抄读数据与指令下发和从节点时钟同步校准等流程设计.该无线传感数据采集网络系统具备功耗低、硬件成本低、易于实现和支持从节点部署数量大等优点，在智能电表、智能水表和智能气表等环境具备良好的应用推广价值.