摘要：在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議中，匯聚樹協(xié)議主要通過單信道進(jìn)行通信，使得通信過程中的WIFI和WSN出現(xiàn)沖突。基于此，本文提出一種自適應(yīng)的信道分配算法，可避免信道阻塞問題的出現(xiàn)。首先對匯聚樹協(xié)議進(jìn)行了初步的分析，然后結(jié)合WSN和WIFI的頻率特征，給出自適應(yīng)多信道分配算法的具體應(yīng)用步驟以及信道切換流程，最后結(jié)合對比實(shí)驗(yàn)，分析多信道通信算法的可行性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該算法對模塊間通信報(bào)文改良提供了有效理論依據(jù)。

　　關(guān)鍵詞：匯聚樹協(xié)議,多信道,通信算法

　　0前言

　　傳統(tǒng)的單信道匯聚樹協(xié)議使得WSN和WIFI(WirelessFidelity)在同一個(gè)環(huán)境中開展工作，如果WSN和WIFI的信道出現(xiàn)重疊，將會對WSN的通信造成干擾，導(dǎo)致無線傳感器出現(xiàn)較高的幀丟失率以及節(jié)點(diǎn)功耗。因此，在匯聚樹協(xié)議中，技術(shù)人員需要應(yīng)用多信道通信算法，確保WSN在受到WIFI的干擾時(shí)，能夠切換到其他信道中，保障WSN的穩(wěn)定通信。匯聚樹協(xié)議的多信道通信算法主要是通過信道切換組件的應(yīng)用，避免WIFI對WSN造成干擾。

　　1匯聚樹協(xié)議分析

　　在無線傳感器運(yùn)行應(yīng)用的過程中，需要將自身采集到的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)中，但是因?yàn)槊總�(gè)節(jié)點(diǎn)的通信距離具有一定的局限性，所以無線傳感器系統(tǒng)通過匯聚樹協(xié)議的應(yīng)用，在采集節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)之間構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，從而擴(kuò)大通信范圍。在通信網(wǎng)絡(luò)中，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)既是發(fā)送節(jié)點(diǎn)，也是接收節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)和其他節(jié)點(diǎn)呈現(xiàn)出樹形結(jié)構(gòu)。在匯聚樹協(xié)議中，主要包括鏈路質(zhì)量估計(jì)器、路由引擎以及轉(zhuǎn)發(fā)引擎這三個(gè)組件。

　　其中，鏈路質(zhì)量估計(jì)器主要用來估算單跳的ETX值(期望傳送值);路由引起會按照鏈路估計(jì)的結(jié)果和網(wǎng)絡(luò)層實(shí)際狀況(比如是否存在擁堵現(xiàn)象)，進(jìn)行路由下一跳節(jié)點(diǎn)的選擇;轉(zhuǎn)發(fā)引擎主要用來維護(hù)發(fā)送包隊(duì)列，選擇最佳的數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)機(jī)。匯聚樹協(xié)議中有獨(dú)有的匯聚樹算法，能夠?qū)π诺劳ㄐ胚M(jìn)行控制。在匯聚樹協(xié)議通信過程中，會將ETX值作為路由梯度，通信網(wǎng)絡(luò)匯總的節(jié)點(diǎn)會根據(jù)EXT值的大小進(jìn)行最優(yōu)通信路徑的選擇。

　　通常情況下，匯聚樹協(xié)議通信中的鏈路質(zhì)量由收包率來體現(xiàn)。其中，子節(jié)點(diǎn)和父節(jié)點(diǎn)之間的ETX值計(jì)算公式為：ETX=1/(df*dt)。公式中，df主要是指從發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送到接收節(jié)點(diǎn)的收包率;dt主要是指接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送到發(fā)送節(jié)點(diǎn)的收包率。在實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸過程中，通信路徑上的ETX值呈逐級遞減趨勢。如果發(fā)送節(jié)點(diǎn)的ETX值要小于接收節(jié)點(diǎn)的ETX值，就表明發(fā)送節(jié)點(diǎn)中存在路由循環(huán)，或者其具備的路由信息過期。這一現(xiàn)象可以用來檢測路由的一致性，準(zhǔn)確分析路由中是否存在循環(huán)，從而采取廣播路由幀的方式解決路由循環(huán)問題，保障無線傳感器數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)挠行�性[1]。

　　2基于匯聚樹協(xié)議的多信道通信算法分析

　　2.1WSN和WIFI頻率特征分析

　　通常情況下，在2.4GHz的頻段內(nèi)，802.11b/g/n協(xié)議可以定義13個(gè)可用信道。這些信道的帶寬均為22MHz，相鄰信道之間的間隔為3MHz。在802.15.4協(xié)議中，WSN的主要工作頻段為2.4GHz的ISM，使其四個(gè)信道頻帶和WIFI重疊。但是和WIFI信號功率相比，WSN的信號功率要小1-2個(gè)數(shù)量級。因此，在兩者信道重疊時(shí)，WIFI會對WSN造成較大的干擾。

　　2.2多信道的分配算法分析

　　基于上述頻道特征峰分析，分配算法的設(shè)計(jì)目標(biāo)在于將WSN切換到不和WIFI重疊的信道上，實(shí)現(xiàn)WSN的高效通信。在WSN網(wǎng)絡(luò)中，一共有16個(gè)可用信道，信道的帶寬均為3MHz;相鄰信道之間的間隔為2MHz。其中，26信道是穩(wěn)定性最強(qiáng)，最不容易受到WIFI干擾的信道。因此，在進(jìn)行多信道分配算法的設(shè)計(jì)時(shí)，技術(shù)人員可以將該信道設(shè)置為控制信道，并將第11-第25信道設(shè)置為數(shù)據(jù)信道，控制信道主要用來傳輸控制指令以及預(yù)約信道;數(shù)據(jù)信道主要用來通信。

　　在實(shí)際的信道切換過程中，WSN節(jié)點(diǎn)首先需要明確WIFI所在的信道，避免與WIFI重疊。具體的信道分析計(jì)算算法如下：將WIFI信道的信道號設(shè)置為Idwifi，如果Idwsn∈[Idwifi+10，Idwifi+13)，那么信道號是Idwsn的WSN信號就與信道號是Idwifi的WIFI信道重疊。在通信的過程中，如果信道號為Idwsn的WSN信道已經(jīng)收到WIFI的干擾，那么技術(shù)人員可以通過如下算法的循環(huán)操作，掌握具體的Idwifi值：第一，將Idwsn+1，對13取模更新，得出Idwsn=(Idwsn+1)mod13的公式;第二，測試WSN的新信道是否存在WIFI，如果存在WIFI信號，對于WSN造成干擾，則重復(fù)步驟一，如果不存在WIFI信號，不會對WSN造成干擾，則進(jìn)行步驟三;第三，將WIFI信號的工作信道判定為Idwsn-13，Idwsn就是WSN不會受到干擾的信道。具體的WSN干擾判斷標(biāo)準(zhǔn)如下：如果WSN在信道中的丟包率小于1%以內(nèi)，和存在WIFI干擾相比，通信時(shí)間的延長小于25%，就表明WSN成功避開了WIFI[2]。

　　2.3信道切換流程分析

　　如果通信質(zhì)量相對較差，網(wǎng)絡(luò)會通過匯聚樹協(xié)議完成路由的更換，如果更換路由完成之后，通信質(zhì)量仍舊沒有明顯提升，匯聚樹協(xié)議會利用廣播的方法通知相鄰的節(jié)點(diǎn)，完成信道切換，從而實(shí)現(xiàn)擁塞信道的躲避。在實(shí)際的路由幀發(fā)送過程中，發(fā)送節(jié)點(diǎn)Sender會在控制信道上進(jìn)行請求信息Req的廣播，請求信息主要是指需要通信的具體數(shù)據(jù)信道號;在廣播信息被接收節(jié)點(diǎn)Receiver接收之后，會自動切換到請求信息中提到的數(shù)據(jù)信道號，并向發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送反饋信息。

　　在發(fā)送節(jié)點(diǎn)接收到反饋信息之后，也會切換到請求信息中的數(shù)據(jù)信道號，完成信道的切換。當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)完成一次通信之后，會自動回到控制信道中，接收相應(yīng)的控制信息，完成下一次通信。基于多信道通信算法，WSN中的不同節(jié)點(diǎn)可以在不同信道中進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的傳輸，在很大程度上避免了信道沖突問題，還可以防止數(shù)據(jù)信息重發(fā)現(xiàn)象的出現(xiàn)。

　　2.4多信道通信算法的實(shí)踐分析

　　為了進(jìn)一步明確本文提出的多信道通信算法應(yīng)用效果，進(jìn)行了WSN多點(diǎn)組網(wǎng)通信實(shí)驗(yàn)，共進(jìn)行三次實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)的總體流程如下：在90m2的空間內(nèi)，將10個(gè)下位機(jī)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行隨機(jī)分布，并將利用串口相連方式將網(wǎng)關(guān)板和PC機(jī)連接在一起。按照每500ms發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包的速度，發(fā)送節(jié)點(diǎn)進(jìn)行五百個(gè)數(shù)據(jù)包的傳輸。記錄傳輸結(jié)束的收包數(shù)量及傳輸時(shí)間。其中，WSN的WIFI干擾主要通過無線路由器和PC機(jī)來實(shí)現(xiàn)，將無線路由器設(shè)置在信道1工作，然后由PC機(jī)A按照利用WIFI1-1.5Mb/s的速度，向PC機(jī)B進(jìn)行10G大小文件的傳輸。

　　實(shí)驗(yàn)一，在沒有WIFI信號干擾的條件下，進(jìn)行單信道匯聚樹協(xié)議通信。通信的結(jié)果顯示，平均收包數(shù)量為499.5;傳輸時(shí)間為5分鐘。實(shí)驗(yàn)二，在有WIFI信號干擾的條件下，進(jìn)行單信道匯聚樹協(xié)議通信。通信的結(jié)果顯示，平均收包數(shù)量為375.5;傳輸時(shí)間為43分鐘。實(shí)驗(yàn)三，在有WIFI信號干擾的條件下，進(jìn)行多信道匯聚樹協(xié)議通信。通信的結(jié)果顯示，平均收包數(shù)量為496.7;傳輸時(shí)間為7分鐘。

　　通過上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在沒有WIFI信號干擾的條件下，單信道匯聚樹協(xié)議具有良好的通信效果。但是在WIFI信號的干擾下，單信道匯聚樹協(xié)議的通信效果有顯著的降低。而通過多信道算法的應(yīng)用，進(jìn)行多信道匯聚樹協(xié)議通信，即使是在同樣的WIFI信號干擾下，多信道匯聚樹協(xié)議通信仍舊是ESP8285模塊網(wǎng)絡(luò)通信較為理想的通信方式。

　　由此可以看出，本文分析的多信道通信算法，可以顯著提升匯聚樹協(xié)議通信的效果，避免ESP8285的WIFI信號對WSN通信造成干擾。需要注意的是，在實(shí)際的多信道通信中，由于頻繁切換信道需要花費(fèi)一定的時(shí)間，所以多信道匯聚樹通信花費(fèi)的傳輸時(shí)間相對較長[3]。

　　3結(jié)論

　　綜上所述，在匯聚樹協(xié)議通信的過程中，ESP8285的WIFI信號會對WSN信號的通信造成干擾，需進(jìn)行算法改進(jìn)。通過本文的分析可知，自適應(yīng)多信道分配算法對傳統(tǒng)的單片機(jī)模塊之間的通信報(bào)文改良提供了可靠的理論依據(jù)，能有效提高下位機(jī)模塊間通信的效率。

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