通常，無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)只是覆蓋人們感興趣的較小區(qū)域，這樣就形成了多個分散的小型網(wǎng)絡。通過借助現(xiàn)有的網(wǎng)絡來實現(xiàn)多個小型無線傳感器網(wǎng)絡的互聯(lián)，進行數(shù)據(jù)的傳播、發(fā)布，能夠擴大網(wǎng)絡的覆蓋范圍，更加有利于傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的獲取。與其他方式相比，利用P2P的方式實現(xiàn)多個傳感器網(wǎng)絡的互聯(lián)具有非中心化、健壯性和可擴展性等特點。
1 系統(tǒng)結構
從整體來看，本文所提出系統(tǒng)主要包括2層結構，如圖1所示。第一層是傳感器網(wǎng)絡層，根據(jù)需求負責在傳感器網(wǎng)絡內部收集監(jiān)測數(shù)據(jù)；第二層是P2P虛擬網(wǎng)絡層，用來連接多個傳感器網(wǎng)絡，每個傳感器網(wǎng)絡作為P2P網(wǎng)絡的一個對等體節(jié)點，多個對等體節(jié)點形成P2P網(wǎng)絡。
2 基于SimpliciTI協(xié)議的小型無線傳感器網(wǎng)絡的設計與實現(xiàn)
2．1 SimpliciTI網(wǎng)絡協(xié)議
SimpliciTI網(wǎng)絡協(xié)議是TI公司推出的針對簡單小型射頻網(wǎng)絡的專有低功耗RF協(xié)議。利用SimpliciTI網(wǎng)絡協(xié)議可實現(xiàn)MCU資源占用的最小化，從而降低系統(tǒng)成本。SimpliciTI軟件架構分為3層：應用層、網(wǎng)絡層和硬件邏輯層。其中，SimpliciTI網(wǎng)絡的加密在網(wǎng)絡層處理。
2．2 系統(tǒng)描述
本文設計與實現(xiàn)的基于SimpliciTI網(wǎng)絡協(xié)議的小型無線傳感器網(wǎng)絡，在各種室內環(huán)境中對光強、溫度進行采集。整個系統(tǒng)由數(shù)據(jù)中心節(jié)點(AP)、范圍擴展節(jié)點(ER)和終端節(jié)點(ED)組成，形成串狀拓撲結構。其中數(shù)據(jù)中心與協(xié)調器相連，協(xié)調器通過RS 232與電腦相連，如圖2所示。
終端節(jié)點由無線控制收發(fā)模塊、傳感器模塊和電源模塊組成，負責通過傳感器采集環(huán)境信息，并將采集到的信息實時地發(fā)往或通過范圍擴展節(jié)點轉發(fā)到數(shù)據(jù)中心節(jié)點。范圍擴展節(jié)點也稱為路由節(jié)點，由無線控制收發(fā)模塊和電源模塊組成。數(shù)據(jù)中心由無線控制收發(fā)模塊組成，是整個傳感器網(wǎng)絡的中心，與計算機相連，可以通過計算機軟件查看終端節(jié)點發(fā)來的實時采集的環(huán)境信息，同時也可以對系統(tǒng)進行設置和控制。另外，數(shù)據(jù)中心采用無線方式與其他范圍擴展節(jié)點和終端節(jié)點進行通信。
2．3 硬件的選型與設計
硬件選型主要包括無線控制收發(fā)模塊、傳感器模塊和電源模塊3部分。無線控制收發(fā)模塊采用TI公司生產的低成本、低功耗的CC1110片上系統(tǒng)，包含一個標準的增強型8051MCU，帶有32 KB FLASH和4 KBRAM，工作在433 MHz，868 MHz，915 MHz ISM波段，其射頻收發(fā)器支持不同的調制格式，數(shù)據(jù)傳輸率可達500 Kb／s。傳感器模塊中的溫度傳感器選取Microchip公司的TC77，它是一款13位串行接口輸出的集成數(shù)字溫度傳感器，溫度分辨率為0．062 5℃；光敏傳感器采用10 kΩ的光敏電阻，將其串聯(lián)一個10 kΩ的電阻后，接到CC1110的ADC輸入引腳即可。此外，數(shù)據(jù)中心通過RS 232由電腦供電，終端節(jié)點和路由節(jié)點通過供電底板供電，供電電壓為3 V，其獨立的電池盒設計，可便于移動。
2．4 系統(tǒng)軟件設計
下面介紹無線傳感器網(wǎng)絡中各個節(jié)點的軟件設計?？紤]到程序的開發(fā)周期和可讀性，使用C語言進行程序開發(fā)。
2．4．1 數(shù)據(jù)中心節(jié)點模塊
數(shù)據(jù)中心經(jīng)過BSP、協(xié)議棧、串口等初始化后，打開串口中斷，實現(xiàn)計算機與數(shù)據(jù)中心的通信，然后建立串狀網(wǎng)絡，等待終端節(jié)點和范圍擴展節(jié)點的加入。數(shù)據(jù)中心不斷監(jiān)測有多少節(jié)點設備加入，并判斷是否達到網(wǎng)絡容納設備的最大數(shù)量。如果還有空閑的接口(PORT)，則為新加入的設備分配PORT，并發(fā)送應答信息通知新加入設備通信的PORT編號。對于已經(jīng)加入網(wǎng)絡的設備，數(shù)據(jù)中心監(jiān)測是否收到這些設備發(fā)來的數(shù)據(jù)信息，如果收到符合格式的數(shù)據(jù)，則通過串口上傳給計算機顯示。之后，數(shù)據(jù)中心檢測信道噪聲，如果噪聲可能會對通信造成干擾，則數(shù)據(jù)中心發(fā)生頻率跳變，跳到信道列表的下一個信道。
2．4．2 范圍擴展節(jié)點模塊
范圍擴展節(jié)點經(jīng)過硬件初始化和協(xié)議棧初始化之后，向數(shù)據(jù)中心節(jié)點發(fā)送加入網(wǎng)絡請求。成功加入網(wǎng)絡后，向數(shù)據(jù)中心節(jié)點周期發(fā)送ping消息，如果收到應答，則處于等待數(shù)據(jù)轉發(fā)狀態(tài)，向數(shù)據(jù)中心轉發(fā)終端節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)信息，如果沒有收到應答，則查詢網(wǎng)絡當前的工作信道，并跳轉至該信道，再轉發(fā)數(shù)據(jù)信息。
2．4．3 終端節(jié)點模塊
終端節(jié)點在初始化底層模塊、定時器和各傳感器模塊后，開始向中心節(jié)點發(fā)送加入網(wǎng)絡消息，并等待加入。加入網(wǎng)絡后，每隔一個固定的時間間隔通過傳感器模塊采集環(huán)境信息，查找中心節(jié)點工作的信道并跳變到該信道，將采集的環(huán)境信息發(fā)送到數(shù)據(jù)中心。
3 小型無線傳感器網(wǎng)絡的P2P互聯(lián)
3．1 JXTA協(xié)議
JXTA是SUN公司推出的一組開放的通用P2P協(xié)議，為開發(fā)新的P2P應用程序提供基本的模塊和服務，它對P2P節(jié)點的共同行為做了標準化，包括節(jié)點互相發(fā)現(xiàn)、自組織點組、發(fā)現(xiàn)和通告網(wǎng)絡服務、相互通信以及監(jiān)視其他節(jié)點等?；贘XTA的軟件架構可以分為3層：核心層、服務層、應用層。其中核心層封裝了P2P網(wǎng)絡的一些最基本的要素；服務層包含一些網(wǎng)絡服務；應用層包括一些應用的實現(xiàn)，如P2P即時消息、文件和資源共享等。
3．2 系統(tǒng)構成
在構建的P2P網(wǎng)絡中，有2種節(jié)點：WSN網(wǎng)關和WSN控制單元。通常有一個WSN網(wǎng)關和多個WSN控制單元。WSN控制單元負責收集傳感器網(wǎng)絡中監(jiān)測到數(shù)據(jù)，并將其傳播、發(fā)布；WSN網(wǎng)關既是一個P2P節(jié)點，負責收集各個WSN控制單元傳播、發(fā)布的傳感器網(wǎng)絡的監(jiān)測數(shù)據(jù)，又是一個網(wǎng)關設備，可以把傳感器網(wǎng)絡接入Internet等其他網(wǎng)絡。
該系統(tǒng)的單元實體包含WSN網(wǎng)關、WSN控制單元、協(xié)調器和WSN節(jié)點這4層設備。整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程圖如圖3所示。在傳感器網(wǎng)絡中，WSN節(jié)點啟動數(shù)據(jù)采集過程，進行采樣、A／D轉換等，然后將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調器，協(xié)調器使用RS 232將在無線傳感器內部收集到的數(shù)據(jù)傳送到WSN控制單元，WSN控制單元通過P2P平臺將傳感器網(wǎng)絡的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行發(fā)布、傳播，發(fā)送到WSN網(wǎng)關，WSN控制單元和WSN網(wǎng)關之間通過JXTA中定義的管道進行通信。
3．3 軟件設計
進行JXTA開發(fā)需要搭建JXTA開發(fā)環(huán)境，該系統(tǒng)的開發(fā)選擇的是JXTA的J2SE平臺綁定，并在集成開發(fā)環(huán)境NetBeans中采用最新版本V2．5進行Java程序的開發(fā)。此外，由于JDK的類庫并不提供串口通信的API，要進行串口通信，需要額外安裝與配置相應的JAR包和動態(tài)庫。
3．3．1 WSN網(wǎng)關設計
作為一個JXTA的應用程序，WSN網(wǎng)關首先需要通過加入默認的網(wǎng)絡點組來實現(xiàn)JXTA平臺的初始化。然后需要創(chuàng)建一個新的點組WsnNet來提供傳感器參數(shù)監(jiān)測服務，WSN網(wǎng)關創(chuàng)建該點組成功后，需要加入該點組，然后通過監(jiān)聽者類等待WSN控制單元的消息，如圖4(a)所示。
WSN網(wǎng)關通過管道實現(xiàn)與WSN控制單元之間的消息發(fā)送與接收，且采用基于事件的異步機制。該機制遵循Java標準事件設計模式，必須創(chuàng)建用于注冊以接收適當事件的監(jiān)聽者。處理管道事件的監(jiān)聽者接口是PipeMsgListener接口，在WSN網(wǎng)關的應用程序中實現(xiàn)了該接口，即管道服務在創(chuàng)建輸入管道的時候增加this指針，以在已經(jīng)創(chuàng)建的輸入管道上監(jiān)聽事件。當對應的事件發(fā)生時，該監(jiān)聽者類將被通知，并調用監(jiān)聽者類的pipeMsgEvent()方法，通過getMessage()方法從pipeMsgEvent()中獲取該消息，最后根據(jù)設定好的格式處理接收到的消息。
3．3．2 WSN控制單元設計
WSN控制單元負責WSN網(wǎng)關和協(xié)調器之間的通信，它通過管道與WSN網(wǎng)關通信，通過RS 232接口與協(xié)調器通信。作為JXTA的一個節(jié)點，WSN控制單元啟動后，首先加入默認的點組初始化JXTA平臺，然后加入WSN網(wǎng)關創(chuàng)建的點組WsnNet以提供信息監(jiān)測服務。WSN控制單元實現(xiàn)了兩個事件，一個是PipeMsgListener，用于監(jiān)聽管道消息；另一個是SerialPortEventListener，用于監(jiān)聽串口的消息，如圖4(b)所示。
4 結語
今后無線傳感器網(wǎng)絡之間的交互和通信技術將是一項關鍵的技術，WSN和P2P結合的系統(tǒng)可用來開發(fā)強大的應用程序。本文首先完成了基于SimplictiTI網(wǎng)絡協(xié)議的低功耗小型無線傳感器網(wǎng)絡的設計與實現(xiàn)，然后基于JXTA協(xié)議實現(xiàn)了多個傳感器網(wǎng)絡以P2P方式互聯(lián)，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳播、發(fā)布，擴大傳感器網(wǎng)絡的覆蓋范圍，更加有利于傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的獲取。