無線傳感器網(wǎng)絡拓撲的監(jiān)控與維護

摘要：以ZigBee協(xié)議為基礎，提出了一種新的無線傳感器網(wǎng)絡拓撲結構的監(jiān)控和維護方法。創(chuàng)新性地設計了基于葉子節(jié)點的通訊模式，該模式運用協(xié)議棧自有運行流程來獲取節(jié)點的加入或丟失信息、實現(xiàn)網(wǎng)絡拓撲的監(jiān)控，并通過設計一種基于關聯(lián)表的鏈表式存儲結構來進行動態(tài)網(wǎng)絡拓撲的維護。經(jīng)過在實際辦公環(huán)境監(jiān)控平臺上驗證表明，該方法數(shù)據(jù)傳輸量小，資源占用少，操作簡便，具有較強的應用推廣價值。

關鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡；ZigBee；拓撲結構；監(jiān)控與維護

0 引言

隨著無線傳感器網(wǎng)絡技術在軍事、工農(nóng)業(yè)、城市管理、環(huán)境監(jiān)控等各個領域的快速發(fā)展，作為系統(tǒng)基礎組成部分的網(wǎng)絡拓撲結構成為研究的一個重要方面。目前，國內外的科研機構在網(wǎng)絡拓撲發(fā)現(xiàn)以及拓撲的監(jiān)控和管理方面開展了大量的相關研究工作，但大多停留在理論和仿真層面，這些通過在高性能的PC機上搭建仿真模型來驗證算法效果的研究，大多缺乏能夠應用到實際系統(tǒng)的可行性案例。安徽財經(jīng)大學的趙濤，根據(jù)在聚合節(jié)點(sink)收集到網(wǎng)絡內部節(jié)點報文接收或丟失的情況，通過發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡中所有葉子節(jié)點到sink節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸路徑，來推測網(wǎng)絡的邏輯拓撲。該方法計算比較復雜，120節(jié)點規(guī)模網(wǎng)絡在主頻為2．8 GHz的CPU主機上運行尚需9秒的時間，同時會受到節(jié)點資源、計算速度、實施條件等限制，因此，這種方法很難在實際應用中實現(xiàn)。德州儀器(TI)公司的官方網(wǎng)站也給出了一種獲取網(wǎng)絡拓撲結構的方法，該方法采用發(fā)送網(wǎng)絡發(fā)現(xiàn)命令的方式，并通過返回結果來確定網(wǎng)絡拓撲結構。此法雖然能夠在實際應用中實施，但需要定期向網(wǎng)絡中的所有節(jié)點發(fā)送發(fā)現(xiàn)命令，因而數(shù)據(jù)消耗量巨大。

本文以Z-stack協(xié)議棧為基礎，采用葉子節(jié)點通訊方式，并利用協(xié)議自身的運行流程，提出了一種輕量數(shù)據(jù)消耗、真正面向應用的拓撲監(jiān)控方案，同時通過設計一種基于關聯(lián)表的鏈式存儲結構來實現(xiàn)對網(wǎng)絡拓撲信息的維護，因而在解決網(wǎng)絡監(jiān)控與維護方面更具有實際應用價值。

1 Z-stack協(xié)議棧原理簡介

作為ZigBee聯(lián)盟的一個重要的組織成員，2007年，TI公司宣布推出業(yè)界領先的ZigBee協(xié)議棧Z-Stack。Z-Stack符合ZigBee 2006規(guī)范，能支持多種平臺，其中包括本系統(tǒng)使用的、面向IEEE 802．15．4／ZigBee的CC2430片上系統(tǒng)解決方案。

1．1 ZigBee協(xié)議棧的體系結構及信息傳遞流程

ZigBee協(xié)議棧的體系結構如圖1所示，由圖可見，ZigBee協(xié)議采用分層體系結構，由物理層(PHY)、介質接入控制子層(MAC層)、網(wǎng)絡層(NWK)和應用層(APL)組成。其中，應用層框架包括了應用支持子層(APS)、ZigBee設備對象(ZDO)及由制造商制定的應用對象。

在ZigBee網(wǎng)絡中，信息或數(shù)據(jù)的傳遞將依照上述層次結構實現(xiàn)。上層發(fā)送的數(shù)據(jù)或指令按照應用層-網(wǎng)絡層-MAC層-物理層的順序，從上至下依次進行處理；底層返回的數(shù)據(jù)則按照物理層-MAC層-網(wǎng)絡層-應用層的順序，從下至卜處理后返回給上層用戶。每個層次負責發(fā)送到本層數(shù)據(jù)的分析和判斷，并對于屬于本層次的數(shù)據(jù)或指令做出相應的動作響應；對于不屬十本層的數(shù)據(jù)，則按照規(guī)定格式打包后發(fā)送給上、下一層。

1．2 節(jié)點加入與失步流程

為了維護系統(tǒng)的正常運行，ZigBee協(xié)議棧還提供了一些必須的消息響應流程，其中包括節(jié)點加入網(wǎng)絡和失步響應的流程。

節(jié)點加入流程如圖2所示。當子節(jié)點申請加入網(wǎng)絡時，會啟動加入流程。子節(jié)點的加入請求通過其NWK層、MAC層、PHY層傳遞給父節(jié)點；父節(jié)點收到加入通知消息后，又通過其PHY層、MAC層、NWK層將該情況上傳給應用層，最后通過ZDO JoinIndicationCB()函數(shù)的調用，得到子節(jié)點加入的消息。

節(jié)點失步流程是指終端節(jié)點丟失其父節(jié)點的同步信號時，向上層報告的失步情況發(fā)生的流程。其具體流程如圖3所示。

終端節(jié)點每隔一段時間就會開啟與父節(jié)點的同步，當在設定時間內沒有接收到父節(jié)點的同步信號時，就會產(chǎn)生失步指示信息，協(xié)議棧將該失步信息層層上傳，最后通過調用ZDOSynclndicationCB()函數(shù)，將信息傳達到應用層。

1．3 關聯(lián)表

TI的Z-stack協(xié)議棧在全功能節(jié)點中可以維護associateddevices t結構的關聯(lián)表，關聯(lián)表中保存有與本節(jié)點直接關聯(lián)(父子節(jié)點)的相關信息，包括關聯(lián)節(jié)點的短地址、設備類型、連接狀態(tài)等，基本上可以滿足網(wǎng)絡拓撲結構監(jiān)控和維護的信息需求。

TI的ZigBee協(xié)議棧雖然可為用戶開發(fā)提供強大支持，但是在網(wǎng)絡監(jiān)控和維護上并沒有專用的接口。一方面，該協(xié)議棧只能發(fā)現(xiàn)節(jié)點加入網(wǎng)絡，但是無法發(fā)現(xiàn)節(jié)點非主動性的丟失或退出，因而不具備網(wǎng)絡拓撲監(jiān)控的功能；另一方面，協(xié)議在每個全功能節(jié)點中部維護了與之關聯(lián)設備的關聯(lián)表，但是并沒有維護整體網(wǎng)絡的關聯(lián)信息，因而無法掌控網(wǎng)絡拓撲的全貌。鑒于協(xié)議棧在網(wǎng)絡拓撲功能上的不足和缺陷，本文以協(xié)議基本流程為基礎，提出一種實現(xiàn)整體網(wǎng)絡拓撲監(jiān)控和維護的方法，該方法可以滿足一般系統(tǒng)對于拓撲結構的監(jiān)控和維護需求。

2 網(wǎng)絡拓撲結構監(jiān)控

網(wǎng)絡拓撲結構監(jiān)控的主要目的是實現(xiàn)拓撲結構的建立和在結構發(fā)生變化時及時獲取變化情況，其中最主要的是實現(xiàn)節(jié)點加入和退出事件的捕捉。節(jié)點加入事件的獲取相對容易，可以通過加入節(jié)點主動上報等方式來獲?。欢?jié)點丟失事件獲取要復雜得多?，F(xiàn)階段，對節(jié)點丟失情況的監(jiān)控多采用系統(tǒng)定期查詢的手段。采用查詢方法時，其實時性與查詢周期的長短直接相關：查詢周期設置較長，拓撲變化反映時間增長，實時性變差；而查詢周期設置較短，則傳輸數(shù)據(jù)量增大，占用系統(tǒng)資源，往往很難在二者之間找到平衡點。協(xié)議棧中數(shù)據(jù)或消息的傳遞是一個復雜的過程，為了盡可能地降低系統(tǒng)資源的占用、節(jié)約能耗，除了維護系統(tǒng)正常運行所必須的數(shù)據(jù)通訊外，還應盡量減少人為添加(應用層)的數(shù)據(jù)通訊量。因此，最好的辦法就是利用協(xié)議自身的數(shù)據(jù)傳遞或者節(jié)點加入、失步等流程來實現(xiàn)相關信息的獲取。

本文設計了一種基于網(wǎng)關——葉子節(jié)點通訊的節(jié)點丟失情況獲取方法，該方法可以利用協(xié)議棧自身的運行流程，以較少的數(shù)據(jù)通訊量和簡單的操作，實現(xiàn)網(wǎng)絡中所有節(jié)點的丟失情況獲取。

2．1 節(jié)點加入事件的獲取

通常情況下，節(jié)點加入事件多采用加入節(jié)點主動上報的方法來獲取。該方法操作簡單，但是需要人為地發(fā)送相關加入信息，會增加系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊量。由圖2所示的節(jié)點加入流程可知，如果有子節(jié)點加入網(wǎng)絡，加入的指示信息都會通過ZDOJoinIndmationCB()函數(shù)的調用報告給父節(jié)點。即該函數(shù)的調用證明有了節(jié)點的加入事件。因此，本文通過在此函數(shù)中添加向應用程序報告的功能，即可通知用戶了節(jié)點加入事件的發(fā)生。

2．2 節(jié)點丟失信息的獲取

由圖3所示的流程可知，協(xié)議棧通過調用vold ZDOSyncIndicationCB(byte type，uint16 shortAddr)函數(shù)可實現(xiàn)失步情況的報告。該函數(shù)具有節(jié)點丟失的指示功能，并能夠指示丟失節(jié)點與本節(jié)點的父子關系和短地址等。但在實際的應用中發(fā)現(xiàn)，該函數(shù)的調用是有條件限制的，具體實施條件如下：

父節(jié)點丟失：從失步報告流程可知，終端節(jié)點能夠自動輪詢發(fā)現(xiàn)其父節(jié)點同步信號的丟失，而無需人為添加任何觸發(fā)條件，引發(fā)函數(shù)調用。但路由節(jié)點不支持與父節(jié)點的輪詢機制，因而不能產(chǎn)生父節(jié)點丟失情況的報告。

子節(jié)點丟失：對于包括終端節(jié)點在內的所有類型節(jié)點的子節(jié)點丟失，在未加相應處理的情況下，協(xié)議棧都不會引發(fā)該函數(shù)的調用。

由實施條件可知，該函數(shù)的丟失指示并不適用于所有類型節(jié)點的丟失情況，因此，如果要得到除終端父節(jié)點外網(wǎng)絡中所有節(jié)點的丟失情況，就需要人為加入其他處理，以觸發(fā)ZDOsynclndicationCB()函數(shù)的調用，從而實現(xiàn)丟失事件的獲取。

2．3 葉子節(jié)點通訊觸發(fā)方法

通常采用的基于查詢的網(wǎng)絡發(fā)現(xiàn)機制部需要在所有節(jié)點間發(fā)送數(shù)據(jù)，因而增大系統(tǒng)的數(shù)據(jù)開銷。這里以圖4所示的拓撲結構為例，圖中的葉子通訊需要進行14條數(shù)據(jù)的查詢和14條數(shù)據(jù)的應答才能夠完成一次節(jié)點丟失情況的獲取。為了盡可能減少數(shù)據(jù)通訊和操作的復雜度，本文設計了一種基于網(wǎng)關——葉子節(jié)點通訊的節(jié)點丟失情況獲取方法，以便用較少的數(shù)據(jù)通訊量和簡單的操作來實現(xiàn)網(wǎng)絡中聽有節(jié)點的丟失情況獲取。

研究發(fā)現(xiàn)，失步函數(shù)的觸發(fā)可以通過加入數(shù)據(jù)通訊來實現(xiàn)。因為在數(shù)據(jù)發(fā)送的過程中，協(xié)議棧會開啟數(shù)據(jù)發(fā)送流程，數(shù)據(jù)發(fā)送后則會自動檢測接收方應答幀。這樣，如果節(jié)點丟失，則發(fā)送節(jié)點無法接收到有效應答，進而引發(fā)節(jié)點失步指示函數(shù)的觸發(fā)。

具體觸發(fā)時，如果節(jié)點之間有數(shù)據(jù)通訊，發(fā)送數(shù)據(jù)節(jié)點則能夠發(fā)現(xiàn)接收數(shù)據(jù)節(jié)點的丟失，從而引發(fā)vold ZDOSynclndicationCB(byte type，uint16 shortAddr)函數(shù)的調用。