无线传感器网络具有非常广阔的应用前景[1]。文献[2]给出一种传统的洪泛算法（Flooding），也是最早、最简单的路由协议。节点以广播的形式发送消息，接收到消息的节点再以广播形式转发数据包给所有的邻节点，这个过程重复执行，直到数据包到达目的地或者达到预先设定的最大跳数。文献 [3]提出了最具代表性的层次型自组织算法（LEACH，Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)。LEACH是MIT的Heinzelman等人为无线传感器网络设计的低功耗自适应聚类路由算法，主要通过随机选择聚类首领、平均分摊中继通信业务来实现。文献[4]给出以数据为中心的自组织算法SPIN（Sensor Protocols for Information Via Negotiation）。它的主要思想是通过高层的描述方式——元数据来命名传感数据。在发送真实的数据之前，传感器节点广播采集数据的描述信息元数据，当有相应的请求时，才有目的地发送数据信息。这些研究均在无线传感器网络的自组织算法上取得进展，但是，Flooding存在消息“内爆”和“重叠” 的缺陷；LEACH的动态分簇带来了拓扑变换和大量广播这样的额外开销；SPIN中的元数据没有统一的形式，且其拓扑变化是局部性的，因此不适用于需要高可靠性的应用。还有很多其他相关算法停留在理论研究阶段。
针对这种研究现状，本文提出一种简单易实现的自组织协议，选用MSP430F149单片机设计了微型传感器节点，并实现了一种低功耗无线网络。
1 自组织协议
在协议中，通过定义数据包的格式和关键字来实现节点的自组织。
1.1 协议格式
自组织协议格式如下：
其中，Pre表示前导码，这些字符杂波不容易产生，通过测试和试验发现，噪声中不容易产生0x55和0xAA等非常有规律的信号；Key表示关键字，用来区分各种情况下的数据，接收节点会根据这些关键字分别进入不同的数据处理单元；From表示源地址，是发送数据的节点自身信息；Final表示数据的目标地址；Data表示有效数据，这些数据随着字符Key的不同采用不同的格式，可携带不同的信息；Check表示检验位，可避免接收错误的数据包；Flag表示数据包的结束标志位。
根据协议格式中的Key，可以将节点通信时捎带的数据包分为自组网信息、环境突变信息、上位机的控制命令、广播信息等。节点在发送状态突变时的数据包格式如下：
其中，0x55和0xAA为数据前导码，0xFF为传感器节点在感测到其状态突变时向外发送数据的关键字，0x11表示发送节点的地址， 0x00为数据包要到达的目标地址，0x01表示数据包在网络传输中的跳数，接着的0x01表示节点在当前网络中的级别，0x15表示节点当时采集的温度，0x20表示节点当时采集的电源电压值，0x03表示节点的状态量, 0x00…0x00为11个字节的有效数据，可记录数据包经过节点的地址，0x3A为前面核心数据和的低8位，作为数据包的检验码，0xBB为数据包的结束标志。
接收节点需要向发送节点做出应答，应答状态突变时的数据包格式如下：
其中，0xFF就表示应答状态突变的关键字，后面分别是发送节点和接收节点的地址。
1.2 自组网过程
网络包含一个与上位机相连接的基站节点和若干传感器节点。基站节点上电初始化后就进入低功耗模式。传感器节点随机布放，上电初始化后，传感器节点首先会向基站节点发出请求分配级别的命令，然后进入低功耗状态并打开定时器。若在设定时间内收到基站节点分配的级别，该传感器节点就会向基站节点发送自组织信息的数据包。如果在设定时间内没有收到基站节点分配的级别，该节点会从低功耗状态唤醒，再次发送请求分配级别的命令，如此循环。当传感器节点发出请求基站分配级别的命令达到设定上限后，但仍然没有确定自己在网络中的级别时，该节点就会向全网发出广播命令，然后进入低功耗状态并打开定时器。定时时间到，节点重新回到发射广播命令状态。当传感器节点发射广播的次数达到设定值时，该节点就会将接收到的应答信息进行整理，确定自己在网络中的级别，并确定上级、同级和下级节点的相关信息。该节点再向上级节点发送包含这些信息的数据包，直到数据包传送到基站节点，从而确定整个网络的拓扑结构。节点的自组织流程如图1所示。
图1 节点的自组织流程
2 硬件研制
为了验证提出的自组织协议，本文选用了片上资源丰富的MSP430F149单片机作为处理器，研制了一种微型传感器节点[5]。
2.1 总体方案
系统由基站节点和传感器节点组成。节点硬件选择了支持低功耗工作模式的MSP430F149单片机和nRF905射频模块，使用32 768 Hz的低频晶振，采用2节5号电池供电。在设计节点的过程中，拨码开关、蜂鸣器、LCD指示灯的设计极大方便了实验的调试。
2.2 节点设计
图2为传感器节点的框图，该节点使用电池供电，体积小巧，只有打火机般大小。
图2 传感器节点框图
MSP430系列单片机是TI公司生产的一种混合信号控制器，其突出优点是低电源电压、超低功耗，可采用电池工作，有很长的使用时间[6]。
nRF905是挪威Nordic VLSI公司推出的单片射频收发器，低电压工作，功耗非常低，工作于433/868/915 MHz三个ISM(工业、科学和医学)频道，频道之间的转换时间小于650 μs[7]。ShockBurstTM工作模式，能自动处理字头和CRC(循环冗余码校验)。通过SPI串口与微控制器通信，使用非常方便；内建空闲模式与关机模式，易于实现节能。nRF905适用于无线数据通信、无线开锁等诸多领域。
天线的设计是整个系统设计的一个非常重要的环节。系统功耗的高低以及网络性能的好坏与天线的设计都有密切关系。天线部分的设计采用整体PCB环行差分天线。与传统的鞭状天线相比，不仅节省空间，降低生产成本，机构上也更稳固可靠。
因为本文主要研究无线传感器网络的自组网和低功耗技术，所以只选择了MSP430系列单片机的内部集成热敏二极管来测量节点的工作温度，但预留了大量外接传感器接口，外接传感器的信号能以中断方式唤醒节点。
2.3 系统功耗
传感器节点采用电池供电，功耗的高低直接影响整个网络的生命期。系统的功耗不仅与选择的元器件有关，还与整个网络的控制策略有关。采用不同的控制策略，系统的工作时间就会不同。若希望节点工作一年的时间（365×24=8 760小时），则理论上要求平均工作电流约为263 μA（2 300÷8 760）。发射数据到接收应答的工作时间约为50 ms，这样可推算出每次工作前的平均休眠时间为2.3 s[8]。实际应用中，可以根据网络的反应速度和信息的采样率来选择系统工作和休眠的时间。