基于nRF905的无线传感器网络节点的设计与实现

2.1 路由协议
现有无线网状网络的路由协议通常可分为：表驱动式路由协议和按需路由协议。前者需要网络中的每个节点维护一张或多张路由表，以记录到其他节点的路由，增加了路由开销。而按需路由协议——动态源路由协议(DSR)使用了源路由，每一个数据分组的帧头中包含整条路由的信息，中间节点不需要维持当前的路由信息，分组自己带有路由信息，按需路由的特性避免了周期性路由广播和邻居节点的检测。
DSR协议包括两个过程：路由发现和路由维护。路由发现过程使用泛洪路由(Flooding Routing)。为了减少路由发现过程的开销，每一个节点都包括一个缓存器，存放最近学到的和用过的路由信息。路由维护过程是源节点用来检测网络拓扑是否发生变化的机制。若拓扑发生变化、源路由发生中断，源节点就会收到路由错误信息。其他节点收到路由错误信息后删除中断路由，并且重新发起广播寻找路由。
本系统中的路由协议采用DSR协议，并对DSR协议进行一些改进。
(1)每个节点中到达目的节点含有最多两个路由缓存。
(2)查到中断节点后先检查本节点中有无到中断节点下级节点的信息，若有，则直接使用此路由，若无，则立即广播发送RRER。
(3)所有节点收到RRER后，检查是否含有终端路由，有则删除中断路由。
系统通信协议格式如表1所示。其中，FRAME_TYPE表示命令帧类型，SOURCE_ADDR表示源地址，FIRE_ADDR表示目的地址，MID表示路由节点地址，REMIAN表示最大跳数下剩余跳数，MAX表示最大跳数，DATA表示要传输的数据，ODD代表奇校验。

2.2 程序设计
2.2.1 广播
在广播RREQ时，为了避免广播冲突，利用nRF905的载波检测多路访问机制CSMA/CA，发送前先进入接收模式，监听该信道是否空闲。如果检测到CD信号为高，则表示该信道被占用，根据退避延时一段时间，再检测CD信号是否为高。
而根据检测，数据包接收的时间大致为20 μs，时隙为60 μs，加上程序运行的时间，定义短帧空间SIFS和时隙分别为50 μs及100 μs，分散帧空间DIFS为SIFS加2个时隙即250 μs。CSMA/CA程序流程如图3所示，定义NB、CW和BE。

后退次数(NB)：NB的初始值为0，当设备有数据要传送时，经过一段后退时间(2BE-1)×100 μs后，检测CD，若检测到信道忙，则会再一次产生倒退时间。此时NB值会加1，NB值最大定义为4。当信道在经过4次的后退延迟时间后仍为忙，则放弃此次的传送，以避免过大开销。
尝试次数(CW)：循环判断当前频道是否空闲，当判断到了一定次数后该频道依然空闲则跳出循环，开始传送数据，设初值为2。
后退指数(BE)：初值设为2。
本设计中，CD信号为高时必须通过切换至standby模式来使CD信号复位，以保证下次CD信号的检测。
根据nRF905模块的时序可知，模块从standby模式切换至接收或发送模式的时间为650 μs，发送和接收模式之间的切换需要550 μs，切换时间远大于时隙及DIFS的值。因此，BE设置为2，最大为4。
2.2.2 数据传输
在进行数据传输时，源节点首先检查自己的缓存中是否有到目的节点的路由信息，如果没有，则先进行路由发现，与广播模式相同。如果有至目的节点的路由信息，则根据路由信息，先发送数据请求命令RTS。当目的节点接收到返回的允许发送命令CTS信号时，则表示已经建立了数据传输通道，由请求节点开始传输数据，传输完毕后，由目的节点发送DATA_ACK给源节点，表示数据发送完毕。其工作流程如图4所示。