基于ZigBee的自愈自組網(wǎng)的設計與應用
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3．1 自組網(wǎng)的設計
ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中，只有一個(gè)節點(diǎn)作為協(xié)調器，其他節點(diǎn)都是路由器或終端。網(wǎng)絡(luò )中每個(gè)節點(diǎn)都有兩個(gè)地址：64位IEEE擴展地址和16位網(wǎng)絡(luò )地址。64位IEEE擴展地址類(lèi)似于MAC地址，它唯一的標識著(zhù)每一個(gè)設備。16位的網(wǎng)絡(luò )地址在節點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò )時(shí)由其父節點(diǎn)(協(xié)調器或路由器)動(dòng)態(tài)分配，該地址僅在路由或者數據傳輸時(shí)使用。
ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )有兩種地址模式，靜態(tài)地址分配和樹(shù)狀地址分配。協(xié)調器確定整個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)數目，每個(gè)節點(diǎn)都擁有一個(gè)網(wǎng)絡(luò )深度，用以指示在其父子鏈路上數據傳輸到協(xié)調器所需的最小跳數。協(xié)調器的深度為0，而它的孩子節點(diǎn)深度為1?？芍?，多跳網(wǎng)絡(luò )中深度大于1，網(wǎng)絡(luò )深度是由協(xié)調器來(lái)決定的。ZigBee網(wǎng)絡(luò )中，假設一個(gè)父節點(diǎn)有最大孩子節點(diǎn)數為Cm，網(wǎng)絡(luò )最大深度為L(cháng)m，一個(gè)父節點(diǎn)的最大路由數為Rm，可以計算網(wǎng)絡(luò )中每個(gè)節點(diǎn)的功能函數Cskip(d)：
式中d是節點(diǎn)到協(xié)調器的深度。如果Cskip(d)的值為0，則表明此節點(diǎn)為葉子節點(diǎn)，而Cskip(d)的值大于0，則表明該節點(diǎn)可作為一個(gè)父節點(diǎn)，這個(gè)父節點(diǎn)可以接收子節點(diǎn)并根據它們是否具有路由能力來(lái)分配地址。具體過(guò)程是：首先一個(gè)子節點(diǎn)的地址被分配，子節點(diǎn)地址比父節點(diǎn)的地址多1，然后其余節點(diǎn)根據下式求出：
An=Aparent+Cskip(d)*Rm+n (2)
式中1≤n≤(Cm-Rm)，Aparent代表父節點(diǎn)的地址。
ZigBee協(xié)調器在上電后，首先要建立一個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。在Z_Stack協(xié)議棧中，通過(guò)函數ZDApp_NetworkInit()進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )初始化，系統檢測到ZDP任務(wù)的ZDO_NETWORK_INIT事件，調用處理函數ZDO_StartDevice()啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò )的組建。通過(guò)變量logicalType判斷設備類(lèi)型，如為協(xié)調器，則調用ZStatus_t NLME_NetworkFormationRequest()來(lái)完成網(wǎng)絡(luò )的組建，同時(shí)該函數產(chǎn)生一個(gè)回調函數ZDO_Network Formation ConfirmCB()，通過(guò)該函數，根據系統消息判斷網(wǎng)絡(luò )組建是否成功。
當網(wǎng)絡(luò )建立完成并允許新設備加入時(shí)，子設備(即子節點(diǎn))才可以請求加入網(wǎng)絡(luò )。在Z_Stack協(xié)議棧中，子節點(diǎn)上電后調用ZDApp_Networkl nit()進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )初始化，之后調用NLME_NetworkDiscovery Request()來(lái)尋找射頻范圍內存在的ZigBee網(wǎng)絡(luò )，該函數會(huì )產(chǎn)生回調函數ZDO_Netwo rk Discovery ConfirmCB()，系統就是通過(guò)該函數來(lái)得到發(fā)現的網(wǎng)絡(luò )信息。在發(fā)現有已經(jīng)建好的ZigBee網(wǎng)絡(luò )后，調用NLME_JoinRequest()加入網(wǎng)絡(luò )，同時(shí)產(chǎn)生回調函數ZDO_JoinConfirmCB()，通過(guò)該函數判斷加入網(wǎng)絡(luò )是否成功。路由器在網(wǎng)絡(luò )中負責信息的轉發(fā)，發(fā)現鄰居等，同時(shí)路由器必須在另一個(gè)路由的射頻范圍內，并且持續監聽(tīng)網(wǎng)絡(luò )內傳遞的新信息。終端節點(diǎn)負責各種數據的采集與上傳以及接收下傳命令并執行，同時(shí)監聽(tīng)網(wǎng)絡(luò )。
3．2 自愈功能的實(shí)現
如果在網(wǎng)絡(luò )的正常運行情況下，有路由器因故障離網(wǎng)，導致原有的路由線(xiàn)路破壞。ZigBee提供了實(shí)現網(wǎng)絡(luò )自愈功能的基礎，在用戶(hù)研發(fā)的軟硬件配合下，可以實(shí)現強大的網(wǎng)絡(luò )自愈功能，使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò )不因個(gè)別節點(diǎn)的變動(dòng)而能持續工作。終端節點(diǎn)在這種情況下，又會(huì )再次啟動(dòng)發(fā)現網(wǎng)絡(luò )加入網(wǎng)絡(luò )的過(guò)程。但，前提是在終端節點(diǎn)的射頻范圍內存在著(zhù)可用的路由器。在Z_Stack協(xié)議棧中，通過(guò)調用zb_ReadConfiguration()可以訪(fǎng)問(wèn)非易失性存儲器NV中的信息，其中包括節點(diǎn)的設備類(lèi)型logicalType，節點(diǎn)的IEEE地址，節點(diǎn)的啟動(dòng)模式startOptions等重要信息，同時(shí)也可以通過(guò)調用zh_WriteComqguration()來(lái)寫(xiě)入這些設備信息，能夠在協(xié)議棧中靈活的配置網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，實(shí)現整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的自啟動(dòng)、自組網(wǎng)以及自愈等功能，提高了網(wǎng)絡(luò )的穩定性、健壯性也同時(shí)提高了網(wǎng)絡(luò )的工作效率。
3．3 所研發(fā)網(wǎng)絡(luò )的一個(gè)應用例子
在像無(wú)人值守通信基站(或局站)等重要場(chǎng)合，需對基站的交流電壓、電流和溫濕度環(huán)境等參數實(shí)時(shí)監控。采用本網(wǎng)絡(luò )對基站的各種參數進(jìn)行采集，軟件設計主要在Z_Stack協(xié)議棧的應用層上實(shí)現。各種參數信號經(jīng)過(guò)外部調理電路處理后連接到CC2530的模擬IO口，CC2530的ADC轉換模塊采集各個(gè)參數并在內部進(jìn)行定標和各種運算處理。處理后的數據部分供給采集子節點(diǎn)本地使用；部分需上傳的數據經(jīng)過(guò)CC2530的系統觸發(fā)數據傳送事件，調用afStatus_tAF_DataRequest()將數據無(wú)線(xiàn)發(fā)送給協(xié)調器。
協(xié)調器接收到各種測量參數對應的無(wú)線(xiàn)數據后直接發(fā)送至登記注冊過(guò)的端點(diǎn)。應用程序將通過(guò)AF_INCOMING_MSG_CMD OSAL消息事件處理接收到的數據包(包內主要有：數據組號group ID、發(fā)送節點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò )地址、端點(diǎn)號、數據類(lèi)型以及各種測量參數對應的數據)。協(xié)調器通過(guò)對數據包的分析，準確的提取出所需要的節點(diǎn)號以及各種測量參數數據，最后通過(guò)GPRS通信方式將采集的數據上傳到監控中心，實(shí)現對無(wú)人值守通信基站的交流電壓、電流和溫濕度環(huán)境等參數的實(shí)時(shí)監控。
4 結束語(yǔ)
文中分析了ZigBee協(xié)議體系結構各層主要功能，以及ZigBee網(wǎng)絡(luò )中兩種網(wǎng)絡(luò )拓撲結構；研究分析了TI的Z_Stack協(xié)議棧的開(kāi)發(fā)與工作流程，以及自組網(wǎng)、自愈組網(wǎng)的協(xié)議開(kāi)發(fā)過(guò)程?；贑C2530無(wú)線(xiàn)單片機硬件平臺設計了一個(gè)具有自組網(wǎng)、自愈功能的ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，很好地實(shí)現了網(wǎng)絡(luò )的自組網(wǎng)和自愈功能，同時(shí)完成了對無(wú)人值守通信基站的交流電壓、電流和溫濕度環(huán)境等參數的實(shí)時(shí)監控。該系統應用廣泛，還可以用在其他工業(yè)遠程測控、路燈遙測遙控以及環(huán)境監測等無(wú)人值守領(lǐng)域，有非常好的應用前景和顯著(zhù)的社會(huì )經(jīng)濟效益。本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/153494.htm
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