基于帶狀自組網路由算法的誘導風機通信系統的設計

胡圣堯，張解放，景海南，王心恬

(常州工學院 電氣信息工程學院，江蘇 常州 213032)

隨著我國經濟的高速發展，汽車工業不斷進步，汽車保有量越來越大，汽車在地下停車場運行時，發動機排放的尾氣中CO等有毒氣體大量聚集。這些有毒氣體若不及時排出，會對人們的生命造成很大的威脅[1-2]。誘導風機排風系統具有使地下車庫內的空氣形成氣流并排出的功能。

目前，誘導風機的聯網通信方案有以下三種：一是采用RS485數據通信方式進行數據傳輸[3]。該方案的材料成本雖低，但施工和后期維護成本較高。二是采用電力線載波的通信方式進行數據傳輸[3-4]。該方案施工成本雖低，但材料成本較高。三是采用自組網的通信方式進行數據傳輸。該方案一般采用無線自組網按需平面矩離矢量路由協議(Ad hoc on-demand distance vector routing，AODV)[5]。網絡建立路由后，一方面AODV中的路由發現和路由維護算法占用了有限的系統資源，加大了數據傳輸的時延；另一方面集成AODV的自組網芯片售價略高[5-6]。因此，針對誘導風機控制系統的特點，本研究設計了一種適用于誘導風機控制系統的快速路由的自組網路由協議。

1 誘導風機無線控制系統

誘導風機無線控制系統由集中控制器和誘導風機控制器兩部分組成：集中控制器的主要功能是向管理人員提供人機界面，通過無線網絡與誘導風機控制器進行數據通信，獲取CO傳感器和誘導風機的狀態信息，控制排風機和送風機的運轉，并將排風機和送風機的狀態信息傳遞給樓宇自控系統(building automation system，BAS)；誘導風機控制器的主要功能是采集誘導風機周邊的CO濃度、溫度等信息，通過自組網傳輸至集中控制器，并執行集中控制器的指令控制風機運轉。誘導風機及其控制器安裝在一起，按照通風要求分布在地下車庫內，集中控制器安裝在BA終端附近。智能誘導風機排風系統示意圖如圖1所示。

圖1 智能誘導風機排風系統示意圖

2 帶狀自組網路由算法

1)某地下車庫無線誘導風機系統按照送風機、排風機、防火分區分成若干組固定風路，誘導風機節點分布在固定風路上，呈帶狀分布。在無線誘導風機系統分布的基礎上，本研究將無線誘導風機通信網絡分成若干個帶狀子網，各個子網間在進行數據傳輸時，逐步建立和更新路由，實現整個網絡內節點間的數據傳輸。

2)在同一個子網內采用相同的通信信道，相鄰的子網通信信道不同。正常工作狀態下，改變通信信道，任何節點集合的真子集間都可形成至少一條通信鏈路，即任意兩個子集內的節點是互通的，這樣相鄰的帶狀子網可以同時進行路由發現和維護，并能避免大規模的廣播風暴。系統通過調整誘導風機節點的發射功率，改變誘導風機節點的覆蓋半徑，確保任意一個誘導風機節點都能覆蓋相鄰的誘導風機節點。

3)在同一個帶狀網絡內，當有一個節點要求發送點對點的單播數據時，該節點向其覆蓋范圍內的其他節點發送數據，這些節點收到數據后按照通信協議對數據進行解析，判斷是否有權接收數據。如果該節點有權接收數據，則立即向源節點發送響應；如果該節點發送的數據是廣播數據，則發送完成后立即轉入接收狀態。

4)節點通信協議開始字符為兩個字節，由于源節點地址、中間節點地址、目標節點地址、數據序號、數據長度均為固定值，所以可以僅通過數據頭和數據長度確保數據的完整性。源節點地址是源節點的身份標志，全網絡唯一。中間節點地址是最后一個轉發節點的身份標志，若無轉發點，則中間節點地址是源節點的身份標志。目標節點收到數據后，可建立或更新逆向路由，將自己的身份標志與目標節點地址比較，如果相等，則有權處理數據。數據序號是數據在總數據分組中的編號，每個節點在發送數據時，執行媒體介入控制。節點數據發送及路由算法如圖2所示。

5)帶狀子網并不采用類似于AODV中的Hello報文進行廣播，而是在數據傳輸時發現路由。故障節點路由的更新是通過數據傳遞的結果進行的，當某一節點發送數據時，其覆蓋范圍內的所有節點接收到數據后，根據節點模型可知逆向路由，從而實現路由的更新。該協議可以減少數據傳輸轉發節點的數量，縮短網絡傳輸時延，同時算法簡單可靠，降低了網絡和終端維護成本。節點數據接收及路由更新算法如圖3所示。

圖2 節點數據發送及路由算法

圖3 節點數據接收及路由更新算法

3 網絡性能測試

3.1 通信硬件介紹

通信硬件的處理器采用51內核的STC15W204單片機，該單片機內置1%精度的RC內部時鐘，內置看門狗和復位電路，芯片性價比高。RF芯片采用TI公司的CC1100無線收發芯片，沒有內置自組網協議，具有價格低、可靠性高等特點。STC15W204單片機通過SPI接口向CC1100無線收發芯片寫入配置字，控制CC1100無線收發芯片進行數據收發工作。CC1100無線收發芯片電路圖如圖4所示。

圖4 CC1100無線收發芯片電路圖

STC15W204單片機與CC1100無線收發芯片的SPI讀寫程序如下：

3.2 網絡測試方法

某地下車庫誘導風機系統分為14個區，分別標為A區、B區……N區，共238個誘導風機節點。其中A區有17個誘導風機節點，B區有19個誘導風機節點，D區有22個誘導風機節點。

本研究通過網絡測試三組誘導風機節點的通信數據，分別是節點A00到A09，節點A00到B07，節點A00到D08。節點A00與A09屬于同一個分區，距離比較近；節點A00與B07處于相鄰分區，距離稍遠；節點A00與D08跨了兩個分區，距離最遠。

由于每個誘導風機節點的時間不同步，因此測試采用從發送測試數據開始計時，到接收完測試數據結束。由于測試數據長度固定為128個字節，每個節點的數據發送波特率固定，因此計時的長短可以反映自組網的時延性能。節點A00與A09、A00與B07、A00與D08通信時延參數測試結果如表1所示。

表1 節點A00與A09、A00與B07、A00與D08通信時延參數測試結果

由表1可知，帶狀自組網路由算法在進行初次數據傳輸時，耗時較長，經過的路由節點數量較多 。在進行8次數據傳輸后，兩節點間的路由逐步得到優化，經過路由節點的數量趨于恒定，所用時間趨于一致。

4 結論

與現有系統化的自組網協議軟件包或集成在芯片上的自組網協議相比，帶狀自組網路由算法簡單，適用于誘導風機通信系統。系統測試表明，帶狀自組網路由算法能夠滿足誘導風機的通信功能需求，該系統已經成功應用于商業大廈地下車庫排風工程中，具有良好的通風效果且成本較低。