基于ZigBee的WSN路由研究與實驗

　　摘　要： 詳細(xì)介紹了ZigBee無線協(xié)議的路由基本概念、路由算法及路由方式，并給出了基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由過程。通過使用Microchip公司提供的TSZ-008 ZigBee開發(fā)套件，進(jìn)行了基于ZigBee的WSN路由的建立及確認(rèn)實驗。

　　關(guān)鍵詞： ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) TSZ-008 無線個人局域網(wǎng)絡(luò)

　　無線傳感器網(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無線網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(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和極低的功率消耗，使用戶能擁有較長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。這些優(yōu)點使得ZigBee與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)完美地結(jié)合在一起。目前，基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究和開發(fā)已得到越來越多的關(guān)注。

　　ZigBee是一個由多到65 000個無線數(shù)傳模塊組成的無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺，十分類似現(xiàn)有的移動通信CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng)，每一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊類似移動網(wǎng)絡(luò)的一個基站，在整個網(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)主要為自動化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立，每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點既可以與監(jiān)控對象直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，還可以自動中轉(zhuǎn)其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)資料。除此之外，每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點還可在自己信號覆蓋的范圍內(nèi)，與多個不承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)信息中轉(zhuǎn)任務(wù)的孤立子節(jié)點無線連接。ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可支持31個傳感器和受控設(shè)備，每個傳感器與受控設(shè)備有8種不同的接口方式，用來采集、傳輸數(shù)字量和模擬量。

　　1 WSN路由基本算法

　　ZigBee WSN中的節(jié)點大體可以分為兩種類型：有路由容量的節(jié)點和沒有路由容量的節(jié)點。對于樹簇拓?fù)涞腤SN來說，終端設(shè)備通常是RFD精簡設(shè)備，因此沒有路由容量;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。

　　樹簇型拓?fù)涞腤SN中，通常采用樹簇算法與AODVjr算法相結(jié)合的路由算法，其中樹簇算法指的是消息沿著樹型拓?fù)溥M(jìn)行傳輸?shù)乃惴?，它是靜態(tài)的，不需要存儲路由表。該算法適用于節(jié)點靜止或者移動較少的場合。而AODVjr算法則是對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AODV的一些特點進(jìn)行了簡化，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、使能路由模式和強制路由模式。禁止路由模式就是禁止對路徑進(jìn)行查找，因此處于該模式的網(wǎng)絡(luò)只能使用樹簇算法沿著樹型拓?fù)溥M(jìn)行路由。使能路由模式是將樹簇算法與AODVjr算法相結(jié)合，視具體情況來決定到底采用哪種路由算法。強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，都要啟動一個路徑查找過程，當(dāng)查找完成，數(shù)據(jù)包將沿著計算出來的路徑傳送。

　　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，路由器可以啟動一個路由發(fā)現(xiàn)過程，當(dāng)發(fā)現(xiàn)完成，數(shù)據(jù)包將沿著計算出來的路由傳送。如果該路由器沒有路由發(fā)現(xiàn)能力，數(shù)據(jù)包將沿著樹形推進(jìn)。

　　強制路由發(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，都將啟動一個路由發(fā)現(xiàn)過程。發(fā)現(xiàn)完成，數(shù)據(jù)包將沿著計算出來的路由傳送。如果這個路由器沒有路由發(fā)現(xiàn)能力，數(shù)據(jù)包將沿著樹形推進(jìn)。這個選擇必須小心使用，因為它會產(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。

　　對于樹形拓?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，即可直接發(fā)送信息。而對于網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，則要使用路由表來進(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，否則就要沿著樹形拓?fù)鋪韨鬏敂?shù)據(jù)。

　　3 路由過程

　　路由過程主要為以下幾個步驟：

　　(1)一個設(shè)備發(fā)出路由請求命令幀啟動路由發(fā)現(xiàn)過程;

　　(2)對應(yīng)的接收設(shè)備收到該命令后，回復(fù)應(yīng)答命令幀;

　　(3)對潛在的各條路徑花費(跳轉(zhuǎn)次數(shù)、延遲時間)進(jìn)行評估比較;

　　(4)最佳路由記錄添加到此路徑上各個設(shè)備的路由表

　　中。

　　4 最短最優(yōu)路徑的判定方式

　　通常路徑請求與路徑應(yīng)答都是由路由器或協(xié)調(diào)器創(chuàng)建的，當(dāng)路由器廣播發(fā)送路徑請求時，通常不會只發(fā)一次，而是間隔一段時間重復(fù)進(jìn)行發(fā)送，而且對于廣播尋址來說，它擁有兩大特點：一個是凡有無線RF收發(fā)使能的設(shè)備皆能接收到該幀;另外就是廣播發(fā)送采用一種被動應(yīng)答模式，即當(dāng)某一設(shè)備廣播發(fā)送消息時，它還要監(jiān)聽所有的鄰居設(shè)備是否對該幀進(jìn)行廣播轉(zhuǎn)發(fā)，若沒有則設(shè)備還要再次廣播發(fā)送該幀。這樣就會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備可能多次收到同一個路徑請求，目的設(shè)備也有可能在一段時間內(nèi)多次收到同一個路徑請求。目的設(shè)備究竟應(yīng)該響應(yīng)哪個路徑請求呢?在路徑算法的實現(xiàn)中筆者采用首接為最優(yōu)的思想，即第一個收到的有效路徑請求即為目的設(shè)備要響應(yīng)的請求，在該請求中記錄的路徑即為消息傳輸?shù)穆窂?，?yīng)答命令將沿著收到的第一個路徑請求命令幀中記錄的上一級地址發(fā)送回去。

　　5 實驗

　　本實驗基于Microchip公司推出的TSZ-008系列開發(fā)套件，對ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由的建立與確認(rèn)等操作進(jìn)行了實驗測試。

　　5.1 ZigBee 無線傳感器節(jié)點硬件

　　要創(chuàng)建WSN節(jié)點，本實驗使用了以下的組件:一片帶SPITM接口的PIC18F單片機;一個帶有所需外部元件的RF收發(fā)器芯片CC2420; 一根天線，可以是PCB上的引線形成的天線或單極天線。

　　如圖1所示，控制器通過SPI總線與RF收發(fā)器芯片CC2420相連?？刂破鞒洚?dāng)SPI主器件而CC2420充當(dāng)從器件?？刂破鲗崿F(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總線與RF收發(fā)器交互。Microchip協(xié)議棧提供了完全集成的驅(qū)動程序，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。

　　5.2 設(shè)計步驟

　　以微芯的ZigBee協(xié)議棧為例，為了設(shè)計ZigBee協(xié)議系統(tǒng)，應(yīng)按以下步驟進(jìn)行設(shè)計：(1)獲得OUI;(2)根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸率及市場的需要，確定無線通信的頻帶;(3)使用TSZ-008開發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)設(shè)計;(4)利用微芯協(xié)議棧提供的源文件擴展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)計時應(yīng)遵從以下步驟:

　　(1)確定系統(tǒng)需要使用的配置文件;

　　(2)確定每個設(shè)備具備的終端結(jié)構(gòu);

　　(3)創(chuàng)建一個新的項目目錄，將所有的具體應(yīng)用源文件及項目文件置于該目錄中;

　　(4)使用ZENA軟件產(chǎn)生基于設(shè)備類型、設(shè)備配置及終端結(jié)構(gòu)的配置文件并編寫相關(guān)源代碼。

　　5.3 虛擬路徑建立過程

　　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;

　　5.4 確認(rèn)路徑過程

　　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;

　　5.5 實驗結(jié)果

　　筆者主要對樹簇網(wǎng)進(jìn)行了驗證。實驗中，路由器與終端設(shè)備組建了小型星形網(wǎng)絡(luò)，這個星形網(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，路由器不會向終端設(shè)備發(fā)出任何控制命令，它只起中繼的作用，實際的控制命令是由協(xié)調(diào)器發(fā)出的。這樣通過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。路由器沒有組建樹簇網(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)器參與到樹簇網(wǎng)絡(luò)中。

　　可以使用開發(fā)板進(jìn)行路由器的定位實現(xiàn)簡單路由，也可以實現(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地發(fā)起路由探詢與路由修復(fù)，所以在應(yīng)用層傳輸數(shù)據(jù)包之前，需要通過按下某一固定鍵盤的方式人工激發(fā)路由探詢。在路由探詢等待中，在接收緩存中只允許存放一個等待傳送的數(shù)據(jù)包。

　　未來對ZigBee無線傳感器網(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)得到最大限度的擴展，且不影響路由的建立與自動修復(fù)等等。無庸置疑，基于ZigBee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)會將擁有更大的發(fā)展空間與前景。

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