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無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)密集，數(shù)量巨大且分布在十分廣泛的區(qū)域。目前，發(fā)展前景最為看好的是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的 ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)通常并不需要較高的傳輸帶寬，但卻需要較低的傳輸延時(shí)和極低的功率消耗，使用戶(hù)能擁有較長(zhǎng)的電池壽命和較多的器件陣列，而ZigBee的出現(xiàn)正好解決了這一問(wèn)題。ZigBee有著高通信效率、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本、高安全性以及全數(shù)字化等諸多優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)使得ZigBee與無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)完美地結(jié)合在一起。目前，基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究和開(kāi)發(fā)已得到越來(lái)越多的關(guān)注。 ZigBee是一個(gè)由多到65 000個(gè)無(wú)線(xiàn)數(shù)傳模塊組成的無(wú)線(xiàn)數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，十分類(lèi)似現(xiàn)有的移動(dòng)通信CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng)，每一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊類(lèi)似移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)基站，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，它們之間可以進(jìn)行相互通信。不同的是，ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要為自動(dòng)化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立，每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)既可以與監(jiān)控對(duì)象直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，還可以自動(dòng)中轉(zhuǎn)其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)資料。除此之外，每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)還可在自己信號(hào)覆蓋的范圍內(nèi)，與多個(gè)不承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)信息中轉(zhuǎn)任務(wù)的孤立子節(jié)點(diǎn)無(wú)線(xiàn)連接。ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可支持31個(gè)傳感器和受控設(shè)備，每個(gè)傳感器與受控設(shè)備有8種不同的接口方式，用來(lái)采集、傳輸數(shù)字量和模擬量。 1 WSN路由基本算法 ZigBee WSN中的節(jié)點(diǎn)大體可以分為兩種類(lèi)型：有路由容量的節(jié)點(diǎn)和沒(méi)有路由容量的節(jié)點(diǎn)。對(duì)于樹(shù)簇拓?fù)涞腤SN來(lái)說(shuō)，終端設(shè)備通常是RFD精簡(jiǎn)設(shè)備，因此沒(méi)有路由容量;而路由器與協(xié)調(diào)器是由FFD全功能設(shè)備組成的，因此有路由容量。 樹(shù)簇型拓?fù)涞腤SN中，通常采用樹(shù)簇算法與AODVjr算法相結(jié)合的路由算法，其中樹(shù)簇算法指的是消息沿著樹(shù)型拓?fù)溥M(jìn)行傳輸?shù)乃惴ǎ庆o態(tài)的，不需要存儲(chǔ)路由表。該算法適用于節(jié)點(diǎn)靜止或者移動(dòng)較少的場(chǎng)合。而AODVjr算法則是對(duì)Ad Hoc按需距離矢量路由算法的改進(jìn)，考慮到節(jié)能、應(yīng)用方便性留了等因素，對(duì)AODV的一些特點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，但是仍然保留了AODV的原始功能。 這兩種算法的結(jié)合使用確定了WSN路由的三種模式，即：禁止路由模式、使能路由模式和強(qiáng)制路由模式。禁止路由模式就是禁止對(duì)路徑進(jìn)行查找，因此處于該模式的網(wǎng)絡(luò)只能使用樹(shù)簇算法沿著樹(shù)型拓?fù)溥M(jìn)行路由。使能路由模式是將樹(shù)簇算法與AODVjr算法相結(jié)合，視具體情況來(lái)決定到底采用哪種路由算法。強(qiáng)制路由模式完全使用了AODVjr算法，只要設(shè)備具有路徑查找能力，不管消息傳輸?shù)穆窂绞欠褚呀?jīng)存在，都要啟動(dòng)一個(gè)路徑查找過(guò)程，當(dāng)查找完成，數(shù)據(jù)包將沿著計(jì)算出來(lái)的路徑傳送。 2 路由方式 路由的設(shè)定通常有三種模式：禁止路由發(fā)現(xiàn)、使能路由發(fā)現(xiàn)及強(qiáng)制路由發(fā)現(xiàn)。 禁止路由發(fā)現(xiàn)(SUPPRESS)：如果發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)路由器存在，數(shù)據(jù)包路由指向該路由器。否則，數(shù)據(jù)包沿著樹(shù)形推進(jìn)。 使能路由發(fā)現(xiàn)(ENABLE)：如果發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)路由器存在，數(shù)據(jù)包路由指向該路由器。如果網(wǎng)絡(luò)路由器不能確定，路由器可以啟動(dòng)一個(gè)路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程，當(dāng)發(fā)現(xiàn)完成，數(shù)據(jù)包將沿著計(jì)算出來(lái)的路由傳送。如果該路由器沒(méi)有路由發(fā)現(xiàn)能力，數(shù)據(jù)包將沿著樹(shù)形推進(jìn)。 強(qiáng)制路由發(fā)現(xiàn)(FORCE)：如果路由器有路由發(fā)現(xiàn)能力，不管路由是否已經(jīng)存在，都將啟動(dòng)一個(gè)路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程。發(fā)現(xiàn)完成，數(shù)據(jù)包將沿著計(jì)算出來(lái)的路由傳送。如果這個(gè)路由器沒(méi)有路由發(fā)現(xiàn)能力，數(shù)據(jù)包將沿著樹(shù)形推進(jìn)。這個(gè)選擇必須小心使用，因?yàn)樗鼤?huì)產(chǎn)生較大的網(wǎng)絡(luò)冗余。它的主要用途是修復(fù)破壞了的路由。 對(duì)于樹(shù)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)備間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，通常將源地址簡(jiǎn)化為上行路由(route up)或下行路由(route down)。如果LocalAddr ＜ DeSTAddr ＜ LocalAddr + CSkip(d-1) 為下行路由，否則為上行路由。通常網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器或路由器都含有一個(gè)鄰接設(shè)備表，該表記錄了一定區(qū)域內(nèi)與其具有鄰接關(guān)系的設(shè)備。若想使用鄰接表進(jìn)行路由，只要目標(biāo)設(shè)備在物理區(qū)域內(nèi)可見(jiàn)，即可直接發(fā)送信息。而對(duì)于網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，則要使用路由表來(lái)進(jìn)行路由。通常協(xié)調(diào)器或路由器都擁有自己的路由表，如果目標(biāo)設(shè)備在路由表中有相關(guān)的記錄，則信息就可以根據(jù)路由表中的記錄進(jìn)行發(fā)送，否則就要沿著樹(shù)形拓?fù)鋪?lái)傳輸數(shù)據(jù)。 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)密集，數(shù)量巨大且分布在十分廣泛的區(qū)域。目前，發(fā)展前景最為看好的是基于 IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)通常并不需要較高的傳輸帶寬，但卻需要較低的傳輸延時(shí)和極低的功率消耗，使用戶(hù)能擁有較長(zhǎng)的電池壽命和較多的器件陣列，而ZigBee的出現(xiàn)正好解決了這一問(wèn)題。ZigBee有著高通信效率、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本、高安全性以及全數(shù)字化等諸多優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)使得ZigBee與無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)完美地結(jié)合在一起。目前，基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究和開(kāi)發(fā)已得到越來(lái)越多的關(guān)注。 ZigBee是一個(gè)由多到65 000個(gè)無(wú)線(xiàn)數(shù)傳模塊組成的無(wú)線(xiàn)數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，十分類(lèi)似現(xiàn)有的移動(dòng)通信CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng)，每一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊類(lèi)似移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)基站，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，它們之間可以進(jìn)行相互通信。不同的是，ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要為自動(dòng)化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立，每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)既可以與監(jiān)控對(duì)象直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，還可以自動(dòng)中轉(zhuǎn)其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)資料。除此之外，每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)還可在自己信號(hào)覆蓋的范圍內(nèi)，與多個(gè)不承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)信息中轉(zhuǎn)任務(wù)的孤立子節(jié)點(diǎn)無(wú)線(xiàn)連接。ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可支持31個(gè)傳感器和受控設(shè)備，每個(gè)傳感器與受控設(shè)備有8種不同的接口方式，用來(lái)采集、傳輸數(shù)字量和模擬量。 2.1 ZigBee 無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)硬件 要?jiǎng)?chuàng)建WSN節(jié)點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)使用了以下的組件:一片帶SPITM接口的PIC18F單片機(jī);一個(gè)帶有所需外部元件的RF收發(fā)器芯片CC2420; 一根天線(xiàn)，可以是PCB上的引線(xiàn)形成的天線(xiàn)或單極天線(xiàn)。 如圖1所示，控制器通過(guò)SPI總線(xiàn)與RF收發(fā)器芯片CC2420相連。控制器充當(dāng)SPI主器件而CC2420充當(dāng)從器件。控制器實(shí)現(xiàn)了IEEE 802.15.4 MAC 層和ZigBee協(xié)議層。它還包含了特定的應(yīng)用邏輯，并使SPI總線(xiàn)與 _blank">RF收發(fā)器交互。Microchip協(xié)議棧提供了完全集成的驅(qū)動(dòng)程序，免除了主應(yīng)用程序管理RF收發(fā)器功能的任務(wù)。如果需要，可以將某些非SPI控制信號(hào)重新分配到其他端口引腳以適合應(yīng)用的硬件。在這種情況下，必須修改物理層接口定義，包括正確的引腳分配。 2.2 設(shè)計(jì)步驟 以微芯的ZigBee協(xié)議棧為例，為了設(shè)計(jì)ZigBee協(xié)議系統(tǒng)，應(yīng)按以下步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)：(1)獲得OUI;(2)根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸率及市場(chǎng)的需要，確定無(wú)線(xiàn)通信的頻帶;(3)使用TSZ-008開(kāi)發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì);(4)利用微芯協(xié)議棧提供的源文件擴(kuò)展ZigBee協(xié)議應(yīng)用;(5)進(jìn)行RF規(guī)范論證;(6)進(jìn)行ZigBee協(xié)議互操作規(guī)范論證。 具體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵從以下步驟: (1)確定系統(tǒng)需要使用的配置文件; (2)確定每個(gè)設(shè)備具備的終端結(jié)構(gòu); (3)創(chuàng)建一個(gè)新的項(xiàng)目目錄，將所有的具體應(yīng)用源文件及項(xiàng)目文件置于該目錄中; (4)使用ZENA軟件產(chǎn)生基于設(shè)備類(lèi)型、設(shè)備配置及終端結(jié)構(gòu)的配置文件并編寫(xiě)相關(guān)源代碼。 2.3 虛擬路徑建立過(guò)程 相關(guān)源碼如下： case NLME_START_ROUTER_confirm: if (!params.NLME_START_ROUTER_confirm.Status) { ConsolePutROMString( (ROM char *)"Router Started! Enabling joins...rn" ); params.NLME_PERMIT_JOINING_request.PermitDura- TIon=0xFF; currentPrimitive=NLME_PERMIT_JOINING_request; } else { PrintChar( params.NLME_JOIN_confirm.Status ); ConsolePutROMString( (ROM char *)" Router start unsuccessful. We cannot route frames.rn" ); currentPrimitive = NO_PRIMITIVE; } break; 2.4 確認(rèn)路徑過(guò)程 相關(guān)源碼如下： case NLME_PERMIT_JOINING_confirm: if (!params.NLME_PERMIT_JOINING_confirm.Status) { ConsolePutROMString( (ROM char *)"Joining permitted.rn" ); currentPrimitive = NO_PRIMITIVE; } else { PrintChar( params.NLME_PERMIT_JOINING_confirm.Status ); ConsolePutROMString( (ROM char *)" Join permission unsuccessful. We cannot allow joins.rn" ); currentPrimiTIve = NO_PRIMITIVE; } break; 2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 筆者主要對(duì)樹(shù)簇網(wǎng)進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)中，路由器與終端設(shè)備組建了小型星形網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)星形網(wǎng)絡(luò)是以路由器為中心，以終端設(shè)備為子節(jié)點(diǎn)的。與標(biāo)準(zhǔn)星形網(wǎng)絡(luò)不同的是，在以路由器為中心的小型星形網(wǎng)絡(luò)中，路由器不會(huì)向終端設(shè)備發(fā)出任何控制命令，它只起中繼的作用，實(shí)際的控制命令是由協(xié)調(diào)器發(fā)出的。這樣通過(guò)路由器的連接中繼作用，協(xié)調(diào)器可以控制超出它的能量覆蓋范圍的終端設(shè)備。路由器沒(méi)有組建樹(shù)簇網(wǎng)絡(luò)的功能，但它可以接收終端設(shè)備形成星形網(wǎng)絡(luò)，也可以加入?yún)f(xié)調(diào)器參與到樹(shù)簇網(wǎng)絡(luò)中。 可以使用開(kāi)發(fā)板進(jìn)行路由器的定位實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單路由，也可以實(shí)現(xiàn)幀轉(zhuǎn)發(fā)，但是路由表的建立維護(hù)功能不全。協(xié)調(diào)器和路由器不能自動(dòng)地發(fā)起路由探詢(xún)與路由修復(fù)，所以在應(yīng)用層傳輸數(shù)據(jù)包之前，需要通過(guò)按下某一固定鍵盤(pán)的方式人工激發(fā)路由探詢(xún)。在路由探詢(xún)等待中，在接收緩存中只允許存放一個(gè)等待傳送的數(shù)據(jù)包。 未來(lái)對(duì)ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由研究需要做很多工作，包括數(shù)據(jù)包路由的安全性保障、更優(yōu)越路由算法的研究以及如何在降低功耗的情況下使網(wǎng)絡(luò)得到最大限度的擴(kuò)展，且不影響路由的建立與自動(dòng)修復(fù)等等。無(wú)庸置疑，基于ZigBee協(xié)議的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)會(huì)將擁有更大的發(fā)展空間與前景。 |
