作為無線傳感網絡
，其體係結構應該包含四個基本層次：物理層和數據鏈路層、網絡層以及應用層。LED路燈無線傳感網絡采用IEEE 802.15.4標準作為其物理層和數據鏈路層的技術標準，網絡層與應用層集成在一起
，采用單跳
、雙跳以及變跳3種接力通信模式作為網絡協議的基礎。本文圍繞LED無線傳感網絡的體係結構，以網絡拓撲及通信節點的組成為基礎，論述了網絡層的協議包格式、路由工作原理
，以及節點通信的設計流程。

1 網絡體係

LED無線傳感網絡的網絡體係是網絡層實現路由的基礎，包括節點組成及網絡拓撲結構。

1.1 LED路燈傳感網絡節點的組成

LED路燈網絡由間隔均勻的若幹盞路燈組成，每一盞LED路燈均為網絡的一個通信節點，用來構建無線傳感網絡。圖1所示，為構建無線傳感網絡LED路燈節點的組成
，除了照明部分的電路外
，還附加了對LED電流的采樣
、LED發光亮度的檢測、以及對LED發光亮度的PWM控製等電路。每一盞LED路燈既是傳感器節點也是網絡路由節點
；每一個節點包含一個微控製器（MCU，如cc2530），都具有射頻通信功能
，既能發送信號也能接收信號；每一個節點具有32bit（位）的唯一ID號。通過在物理層和MAC層采用IEEE 802.15.4協議標準
，結合網絡層與應用層的協議，所有這些節點有機地組合在一起，便構成了LED路燈無線傳感網絡。由於現有的一些網絡層與應用層協議如Zigbee、RF4CE等並不是很適合LED路燈傳感網絡應用，因此，需要重新設計網絡層與應用層協議。


1.2 網絡拓撲

根據LED路燈的分布規律
，每盞LED路燈作為網絡節點構成無線通信網絡，其拓撲結構如圖2所示，（a）是信號逐點（單跳）接力傳送拓撲結構圖，（b）是信號隔點（雙跳）接力傳送拓撲結構圖。為便於下文網絡應用協議的設計與討論
，作出如下定義：

（1）所有節點可分為2類，即LED路燈節點(簡稱LED節點，如a1 a2 … an , b1 b2 … bn)和路燈控製器節點(簡稱控製節點,如a,b)；

（2）相鄰節點之間的距離均為L，每個節點的無線信號覆蓋半徑大於等於2L；

（3）根據節點的相對位置
，節點可分為前驅節點與後繼節點，離控製器近的是前趨節點


，離控製器遠的是後繼節點。例如a1是a2前驅節點，a3是a2後繼節點；同理b2是b4前驅節點，b6是b4後繼節點
，以此類推。


（4）控製節點與LED節點之間，LED節點相互之間，隻要無線信號可以覆蓋到,都可以相互通信
，不需要設基站或專門的路由協調裝置。

（5）每個節點的32bit唯一ID號由兩部分組成，分別為網絡ID和節點地址（編號），均為16bit。同一路燈網絡所有節點的網絡ID相同；從控製節點開始，節點地址由小到大順序編排。
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2 網絡協議

LED路燈傳感網絡協議包括協議包的定義與路由協議的定義，其設計目標是簡單、實用

，易實現。

2.1 網絡協議包格式

LED路燈傳感網絡協議傳輸的信息包共有3種類型，分別為命令包、參數包以及應答確認包。


（1）命令包

圖3(a)所示

，為控製器節點對LED路燈節點下發的命令包格式。命令有三種類型：針對整個網絡所有LED節點的廣播命令、針對部分LED節點的群組命令以及針對單個LED節點的單點命令。

命令包各字段定義如下：

包類型：為1；

目的地址：為指定LED節點的地址
；

包序列號：為向指定節點發送的包編號；

接力模式：為1時
，表示單跳模式；為2時
，表示雙跳模式偶鏈
；為3時，表示雙跳模式奇鏈；

命令字段的定義方法見表1，表1隻列出了部分命令，實際中可以根據需要增加命令；


命令參數字段：用來表示調光的亮度
，數值越小LED發光亮度越低，耗電越少，數值為 0時表示關燈
；

跳數：命令傳送到目的地址所需經過的節點數，最大值為路燈網絡所有LED節點的數量。傳送命令包時，每經轉發一次則跳數減1
，當跳數值為0時，命令包不再被轉發。

（2）參數包

圖3(b)所示，為LED路燈網絡節點上傳的參數包格式。控製節點可采用定時輪詢或即時查詢方式獲取網絡內各LED節點的狀態參數，如電流值
、發光亮度值等，各LED節點隻有在接到讀取參數的命令後才會向控製節點發送參數包。參數包各字段定義如下：

包類型：為2；

源地址：為上傳參數LED節點的地址；

包序列號：為上傳參數LED節點發出的參數包編號
；

接力模式：由於隻有在節點收到讀取狀態參數命令後才會發送參數包，因此
，參數包的接力模式由命令包的接力模式確定；

狀態標誌：為0
，表示對應LED節點無故障
；為1
，表示對應節點有故障；為2，表示對應節點及後繼節點有故障；

狀態參數1－3：為LED節點的有關參數，如電流值、電壓值以及LED的發光亮度值等。

（3）應答確認包

圖3(c)所示，為應答確認包格式。為了實現可靠傳輸，每個節點在收到命令包或參數包後需要發送應答確認信息包。如果信息包的發送（轉發）方在設定的時間內沒有收到應答確認包，則會啟動對該信息包的重新發送。應答確認包各字段的數值定義如下：

包類型：為3；

節點地址：發出確認應答包節點的地址。

確認類型：收到信息包的包類型；

確認號：為節點收到信息包的包序列號；
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2.2 網絡路由協議

LED路(lu)燈(deng)傳(chuan)感(gan)網(wang)絡(luo)路(lu)由(you)協(xie)議(yi)的(de)核(he)心(xin)是(shi)各(ge)節(jie)點(dian)對(dui)信(xin)息(xi)包(bao)的(de)轉(zhuan)發(fa)機(ji)製(zhi)。由(you)於(yu)每(mei)一(yi)個(ge)節(jie)點(dian)的(de)信(xin)號(hao)覆(fu)蓋(gai)範(fan)圍(wei)有(you)限(xian)，其(qi)信(xin)息(xi)隻(zhi)能(neng)向(xiang)鄰(lin)近(jin)的(de)節(jie)點(dian)發(fa)送(song)，如(ru)要(yao)將(jiang)信(xin)息(xi)送(song)往(wang)遠(yuan)處(chu)節(jie)點(dian)則(ze)隻(zhi)能(neng)依(yi)賴(lai)中(zhong)間(jian)節(jie)點(dian)的(de)多(duo)次(ci)轉(zhuan)發(fa)。根(gen)據(ju)前(qian)述(shu)1.2定義的條件
，節點轉發信息包可以分為三種模式,即單跳接力模式，雙跳接力模式和變跳接力模式，各LED節點將根據信息包中接力模式字段的定義進行選擇。

2.2.1 單跳接力模式

圖2（a）所示，為單跳接力模式的拓撲結構圖。它是一個比較簡單的轉發模式
，要求每個節點無線信號覆蓋的半徑範圍大於節點間距L即可，信息包隻需往鄰近的前驅節點或後繼節點轉發。在這種模式下，節點處理收到信息包的方法如下：

①節點接收一個命令包（如圖3(a)）後
，向前驅節點發送接收確認應答包；將命令包中的跳數減1
；比較節點自身地址（NA）與命令包中目標地址的大小，相等則執行包中的命令且無須轉發命令包，不等則向後繼節點轉發該包
；如果是廣播命令(目標地址值為0xffff)，既在本節點執行該命令同時也向後繼節點轉發該命令包。轉發時的路由地址為:NA+1。當命令包傳送到網絡中的最後一個LED節點時，跳數減1後將為0，包將不再被轉發。

②節點接收到參數包（如圖3(b)）後
，隻需向後繼節點發送接收確認包和向前驅節點轉發

，轉發參數包的路由地址為：NA-1。

③節點收到命令包或參數包後，必須發送接收確認包（如圖3(c)），當收到命令包時，確認類型值為1,發送應答確認包的路由地址為NA-1
；當收到參數包時確認類型值為2, 發送應答確認包的路由地址為NA+1。

2.2.2 雙跳接力模式

圖2（b）所示

，為雙跳接力模式的拓撲結構圖。這種模式要求每一個節點的無線信號覆蓋半徑範圍≥2L。從圖2可(ke)知(zhi)，雙(shuang)跳(tiao)接(jie)力(li)模(mo)式(shi)每(mei)次(ci)跨(kua)越(yue)兩(liang)個(ge)節(jie)點(dian)
，傳(chuan)送(song)信(xin)息(xi)包(bao)到(dao)指(zhi)定(ding)節(jie)點(dian)的(de)轉(zhuan)發(fa)次(ci)數(shu)比(bi)單(dan)跳(tiao)接(jie)力(li)模(mo)式(shi)要(yao)少(shao)一(yi)半(ban)，因(yin)此(ci)其(qi)傳(chuan)送(song)時(shi)延(yan)也(ye)要(yao)小(xiao)。在(zai)雙(shuang)跳(tiao)接(jie)力(li)模(mo)式(shi)下(xia)，將(jiang)整(zheng)個(ge)網(wang)絡(luo)所(suo)有(you)LED節點按照其地址值的奇偶性分成2個ge接jie力li鏈lian
，即ji奇qi地di址zhi節jie點dian鏈lian和he偶ou地di址zhi節jie點dian鏈lian。控kong製zhi節jie點dian發fa送song廣guang播bo命ming令ling時shi，需xu要yao針zhen對dui奇qi地di址zhi節jie點dian鏈lian和he偶ou地di址zhi節jie點dian鏈lian分fen別bie發fa送song
，命ming令ling信xin息xi包bao分fen別bie在zai奇qi地di址zhi節jie點dian鏈lian和he偶ou地di址zhi節jie點dian鏈lian上shang同tong時shi傳chuan播bo。在zai雙shuang跳tiao接jie力li模mo式shi下xia，節jie點dian處chu理li收shou到dao信xin息xi包bao的de方fang法fa如ru下xia：

①節點接收到命令包後的處理方法與單跳接力模式基本相同
，但包轉發時的路由地址變為：NA+2。

②同樣節點接收到數據包後的處理方法也與單跳接力模式基本相同，隻是在包轉發時的路由地址變為：NA-2。

③節點收到命令包或參數包後，必須發送接收確認包

，當收到命令包時，確認類型值為1,發送應答確認包的路由地址為NA-2；當收到參數包時確認類型值為2, 發送應答確認包的路由地址為NA+2。

wulunshidantiaojielimoshihaishishuangtiaojielimoshi，jiedianfasongminglingxinxibaohuocanshuxinxibaohou，zaiguidingdeshijianneiweishoudaoquerenxinxibao，zexuyaozhongfa
，zhongfacishuyibanbuchaoguo3次。

2.2.3 變跳接力模式

biantiaojielimoshishijishangshidantiaojielimoshiheshuangtiaojielimoshideyizhongbuchong，zhuyaoyongyuxiayitiaojiedianchuxiantongxinguzhangshi。zaidantiaojielimoshihuoshuangtiaojielimoshigongzuoshi

，ruguozaiduocizhongfahourengshoubudaoxiayitiaojiediandeyingdaquerenxinxibao，shuomingxiayitiaojiedianchuxianletongxinguzhang。zheshitongguogaibianjielimoshi
，youdantiaobianshuangtiaohuozheyoushuangtiaobiandantiaokeyiraokaixiayitiaoyoutongxinguzhangdejiedian，jixuxinxibaodejielichuansong。tongshi，jiangguzhangjiediandexiangguanxinxifankuidaokongzhijiedian。biantiaojielimoshiyaoqiumeiyigejiediandewuxianxinhaofugaibanjingfanwei≥2L。變跳接力模式分為兩種情況：

（1）初始傳送為單跳接力模式

設LED節點i的地址為NAi
，當LED節點i以單跳模式轉發命令包（或參數包）時
，即使重發


，仍然收不到LED節點i+1（或i-1）的確認包，於是斷定下一跳節點出現故障。這時如果傳送的是命令包則從①開始執行，如果傳送的是參數包則執行②，因為故障節點在傳命令包時已遇上，傳送參數包時遇故障節點無須重複報告故障信息。

①LED節點i向控製節點報告故障節點信息。此時，節點i向控製節點發送參數包

，包的狀態參數置為1
，源地址為故障節點的地址，即NAi+1，發送參數包的路由地址為NAi-1。

②改變接力模式為雙跳模式，將信息包轉發給節點i+2（或i-2）
，以繞開故障節點，路由地址為NAi+2（或NAi-2），若能收到應答確認包
，則本節點轉發完成，否則說明遇上了兩個或兩個以上連續故障節點，需繼續執行③。

③如果此時傳送的是命令包，則LED節點i需向控製節點報告故障節點狀態信息
，狀態參數包的狀態標誌置為2，源地址為故障節點的地址
，即NAi+2，發送參數包的路由地址為NAi-1。隨後
，轉發中止。

（2）初始傳送為雙跳接力模式

當LED節點i（地址為NAi）欲以雙跳接力模式轉發命令包（或參數包）時，必須對包進行分析

，根據接力模式字段的值為2或3
，可以判定當前為偶地址鏈或奇地址鏈接力模式。當NAi的值為奇數
，跳變模式為奇鏈，或者NAi的值為偶數，跳變模式為偶鏈時，執行如下步驟①
；當NAi的值為奇數

，跳變模式為偶鏈
，或者NAi的值為偶數

，跳變模式為奇鏈時
，執行如下步驟②
；

①節點i以雙跳接力模式轉發命令包（或參數包），路由地址為NAi+2（或NAi-2）

，如果收不到應答確認，則下一跳節點出現故障。如果這時轉發的是命令包，則需向控製節點報告故障
，往其前驅節點i-2發送故障信息參數包，路由地址為NAi-2，故障信息參數包的源地址（即故障節點的地址）為NAi+2,狀態標誌為1。同時
，改用單跳接力模式將信息包轉發給節點i+1（或i-1），以繞開故障節點，轉發的路由地址為NAi+1（或NAi-1）；若能收到確認包，則本節點轉發完成，否則執行③；

②節點i改為單跳接力模式轉發命令包（或參數包），路由地址為NAi+1（或NAi-1），若能收到確認包，則本節點轉發完成,否則，再改用雙跳接力模式轉發，將信息包轉發給節點i+2（或i-2）
，以繞開故障節點，轉發的路由地址為NAi+2（或NAi-2）；若能收到確認包
，則本節點轉發完成

，否則執行③

；

③說明遇上了兩個或兩個以上連續故障節點，LED節點i需向控製節點報告故障節點信息。此時，節點i向控製節點發送故障參數包的狀態標誌為2，源地址為故障節點的地址
，即NAi+1，發送參數包
，路由地址為NAi-1。隨後轉發中止。

上述變跳接力模式能解決分散的單個通信故障節點接力傳送問題。但當網絡中出現連續2個或2geyishangtongxinguzhangjiedianshi，zezhinengbaogaoguzhangjiedianweizhierbunengzaijixujielichuansong。ruoyaojiejuelianxuduoguzhangjiediandewenti
，jixuyaogaibianjielisuanfa
，yexuyaogejiediandewuxianxinhaofugaibanjingfanweigengda。
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3 網絡節點工作流程與協議實現

LED路(lu)燈(deng)傳(chuan)感(gan)網(wang)絡(luo)上(shang)的(de)每(mei)一(yi)個(ge)節(jie)點(dian)，既(ji)是(shi)命(ming)令(ling)執(zhi)行(xing)與(yu)狀(zhuang)態(tai)參(can)數(shu)采(cai)集(ji)的(de)終(zhong)端(duan)節(jie)點(dian)，也(ye)是(shi)路(lu)由(you)協(xie)調(tiao)工(gong)作(zuo)節(jie)點(dian)。各(ge)節(jie)點(dian)除(chu)了(le)接(jie)收(shou)到(dao)信(xin)息(xi)包(bao)進(jin)入(ru)處(chu)理(li)流(liu)程(cheng)外(wai)，其(qi)餘(yu)時(shi)間(jian)幾(ji)乎(hu)都(dou)處(chu)在(zai)監(jian)聽(ting)查(zha)詢(xun)狀(zhuang)態(tai)，檢(jian)查(zha)是(shi)否(fou)收(shou)到(dao)信(xin)息(xi)包(bao)。圖(tu)4所示為LED路燈傳感網絡節點的工作流程，它是網絡協議在節點上實現過程的描述。


結語

通過網絡體係、網絡協議
、網絡節點工作流程與協議實現等幾個部分的詳細介紹

，析構了LED路燈無線傳感網絡的組成，希望能為LED路燈無線傳感網絡的應用起到拋磚引玉的作用。LED路(lu)燈(deng)無(wu)線(xian)傳(chuan)感(gan)網(wang)絡(luo)構(gou)建(jian)的(de)基(ji)礎(chu)是(shi)點(dian)到(dao)點(dian)的(de)通(tong)信(xin)技(ji)術(shu)，命(ming)令(ling)信(xin)息(xi)要(yao)覆(fu)蓋(gai)全(quan)網(wang)絡(luo)需(xu)要(yao)點(dian)到(dao)點(dian)的(de)通(tong)信(xin)技(ji)術(shu)來(lai)完(wan)成(cheng)，良(liang)好(hao)的(de)網(wang)絡(luo)協(xie)議(yi)是(shi)組(zu)建(jian)傳(chuan)感(gan)網(wang)絡(luo)的(de)關(guan)鍵(jian)所(suo)在(zai)，簡(jian)易(yi)可(ke)行(xing)的(de)網(wang)絡(luo)協(xie)議(yi)是(shi)實(shi)用(yong)化(hua)的(de)前(qian)提(ti)。實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)表(biao)明(ming)，上(shang)述(shu)方(fang)法(fa)構(gou)建(jian)的(de)LED路燈無線傳感網絡具有良好的實時性，能穩定、可靠地工作，能滿足對LED路燈網絡的智能化管理要求。

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