基于Zigbee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的設計

1 引言

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是由多個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳感器構成，這些傳感器集傳感器執行、控制器和通信裝置于一體，集傳感與驅動(dòng)控制能力、計算能力、通信能力于一身的資源受限的嵌入式設備。由這些微型傳感器構成的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )能夠實(shí)時(shí)監測、感知和采集網(wǎng)絡(luò )分布區域內的各種監測對象信息，并對這些信息進(jìn)行處理，傳送給需要這些信息的用戶(hù)。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )具有自組織、自愈、多跳等特點(diǎn)，并且節點(diǎn)放置位置大多固定。由于有些無(wú)線(xiàn)傳感器現場(chǎng)工作環(huán)境比較惡劣，因此在設計無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的時(shí)候就必須充分考慮傳感器節點(diǎn)的節能問(wèn)題和采集數據的實(shí)時(shí)性傳輸問(wèn)題。

ZigBee技術(shù)是一個(gè)具有統一技術(shù)標準的短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，其PHY層和MAC層協(xié)議為IEEE802.15.4協(xié)議標準。本文提出的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )工作在全球通用的ISM(Industrial,Scientific and Medica1)免付費頻段2.4GHz上，其數據傳輸速率為250Kb/s,劃分為16個(gè)信道。與藍牙或802.11b等同屬短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)相比，ZigBee技術(shù)具有先天的優(yōu)勢。ZigBee設備為低功耗設備，具有能量檢測和鏈路質(zhì)量指示的功能。同時(shí)，由于采用了碰撞避免機制(CSMA―CA)，避免了發(fā)送數據時(shí)的沖突。在網(wǎng)絡(luò )安全方面，采用了密鑰長(cháng)度為128位的加密算法，對所傳輸的數據信息進(jìn)行加密處理，保證了數據傳輸時(shí)的高可靠性和安全性。

用ZigBee技術(shù)組成的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )結構簡(jiǎn)單、體積小、性?xún)r(jià)比高、放置靈活、擴展簡(jiǎn)便、成本低、功耗低、安全可靠，這種新興的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )必將有廣泛的應用前景。

2 Zigbee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )

目前，zigbee技術(shù)在國外已經(jīng)在家庭網(wǎng)絡(luò )、控制網(wǎng)絡(luò )、手機移動(dòng)終端等領(lǐng)域有了一定的應用，但是現有zigbee技術(shù)構成的網(wǎng)絡(luò )都是僅限于zigbee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng)（WPN）拓撲結構，每個(gè)接入點(diǎn)所能接納的傳感器的節點(diǎn)數遠遠低于協(xié)議所標稱(chēng)的255個(gè)，為了達到傳感器網(wǎng)絡(luò )密集覆蓋的目的，就必須進(jìn)行復雜的組網(wǎng)，這不僅增加了網(wǎng)絡(luò )的復雜性，還增加了網(wǎng)絡(luò )整體的功耗，傳感器節點(diǎn)的壽命大大降低。本文提出的是構建簇樹(shù)形拓撲結構的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。網(wǎng)絡(luò )示意圖如圖1：

圖 1 簇形傳感網(wǎng)絡(luò )示意圖

在此網(wǎng)絡(luò )中鄰近區域內的節點(diǎn)構成了一個(gè)簇，每個(gè)簇有且僅有一個(gè)簇頭，相鄰的簇頭又循環(huán)構成了另一個(gè)簇，這樣依次反復，構成了一個(gè)樹(shù)形結構的傳感網(wǎng)絡(luò )。在此結構中，樹(shù)根節點(diǎn)作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的協(xié)調器可以和PC機相連，接收傳感器所采集的數據，并對數據進(jìn)行顯示和處理。

3 網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的設計

3．1網(wǎng)絡(luò )的自組織

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )最初是由全功能設備（FFD）的節點(diǎn)發(fā)起并建立，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )建立后，此發(fā)起設備就作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器，該協(xié)調器可以通過(guò)串行接口和PC相連接，處理接收到的各種數據，也可以和其他異種網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行數據交換。節點(diǎn)自發(fā)建網(wǎng)過(guò)程如下：FFD節點(diǎn)首先進(jìn)行信道能量檢測（ED），選取檢測到的能量峰值最小的那個(gè)信道作為要建立的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的數據傳輸信道；然后在此信道上發(fā)送跨網(wǎng)信標（beacon）請求幀，用以獲取節點(diǎn)操作范圍內其他無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )信息參數，在接收到beacon幀后，選擇未被使用的網(wǎng)絡(luò )標號，最后根據已確定的網(wǎng)絡(luò )信道號、網(wǎng)絡(luò )標號及其他相關(guān)參數來(lái)設定硬件中相關(guān)寄存器的值，至此無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器就形成了。圖2是設備自發(fā)建網(wǎng)示意圖。

圖 2 設備自發(fā)建網(wǎng)示意圖

當一個(gè)節點(diǎn)要申請加入已經(jīng)建好的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的時(shí)候，此節點(diǎn)首先預設好網(wǎng)絡(luò )標號和使用的信道，然后發(fā)送網(wǎng)內beacon請求廣播幀，在接收到多個(gè)帶有鏈路質(zhì)量信號參數的beacon幀后，選取鏈路質(zhì)量較好、剩余能量較多的節點(diǎn)進(jìn)行連接，向相應的協(xié)調器發(fā)送入網(wǎng)請求命令幀，協(xié)調器允許后會(huì )分配網(wǎng)內短地址給該節點(diǎn)。每個(gè)節點(diǎn)都有一張鄰居表，并且對其動(dòng)態(tài)維護。在該鄰居表中含有一個(gè)父節點(diǎn)地址（除了根節點(diǎn)）和多個(gè)子節點(diǎn)地址（除了葉結點(diǎn)）。依次重復這樣的過(guò)程，所有的節點(diǎn)就可以自組成一個(gè)簇樹(shù)狀的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)。圖3是節點(diǎn)入網(wǎng)握手示意圖：

圖 3 節點(diǎn)入網(wǎng)握手示意圖 圖 4 節點(diǎn)出網(wǎng)握手示意圖

同理，一個(gè)節點(diǎn)要離開(kāi)網(wǎng)絡(luò )的話(huà)，只要向其父節點(diǎn)發(fā)送請求命令幀，父節點(diǎn)在接收到請求后會(huì )做出相應的操作并發(fā)送響應幀給于回應。圖4是節點(diǎn)出網(wǎng)握手示意圖。

3．2網(wǎng)絡(luò )的自愈合和自節能

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )除了節點(diǎn)有自組網(wǎng)能力外，還具有自愈和自節能的特點(diǎn)。當某一節點(diǎn)因為某種客觀(guān)環(huán)境原因或是原傳感網(wǎng)參數發(fā)生變化，導致此節點(diǎn)和傳感網(wǎng)脫離，脫離節點(diǎn)可以發(fā)送孤立（orphan）顯示請求幀給協(xié)調器，協(xié)調器在接收到請求幀后確定此節點(diǎn)是不是自己原先的孩子節點(diǎn)，在做出判定后向該節點(diǎn)發(fā)送響應幀，以確定是否重新接收該節點(diǎn)為自己的孩子節點(diǎn)。圖5 為orphan請求的握手示意圖。

圖5 節點(diǎn)orphan請求的握手示意圖

由于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中的協(xié)調器具有多跳的功能，那么充當協(xié)調器的節點(diǎn)就會(huì )為轉發(fā)接收到的數據而耗費額外的能量開(kāi)銷(xiāo)。因此，我們設定一個(gè)最低能量極限值，并且使節點(diǎn)周期性的檢測當前所剩余的能量值，當檢測到本節點(diǎn)的剩余能量低于此極限值時(shí)，則此協(xié)調器向其所有孩子節點(diǎn)發(fā)送出網(wǎng)命令幀，隨之，各子節點(diǎn)相繼執行入網(wǎng)的相關(guān)操作后，脫離了原先的父節點(diǎn)，而依附于新的協(xié)調器節點(diǎn)。此時(shí)原先的協(xié)調器節點(diǎn)就成為了葉節點(diǎn)，不用承擔數據轉發(fā)的責任，從而達到減小能耗的要求，增加了該節點(diǎn)使用壽命，進(jìn)而提高了整個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的使用年限。

3．3 幀的形成和轉發(fā)

每個(gè)節點(diǎn)通過(guò)傳感裝置所獲取到的數據，經(jīng)過(guò)節點(diǎn)處理后形成幀，而后將此幀發(fā)向其父節點(diǎn)，依次循環(huán)，最終由網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器獲得，隨后交由PC來(lái)處理。

Zigbee協(xié)議定義了四種幀，分別是：命令幀，數據幀，beacon幀，確認幀。通用幀的格式如表1所示：

表 1通用幀格式

幀控制域中主要包括了幀類(lèi)型和源、目的地址模式。

4．結束語(yǔ)

在測試中，我們使用三個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)來(lái)構建對等網(wǎng)絡(luò )。其中，有一個(gè)節點(diǎn)通過(guò)串口和PC相連，作為網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器，通過(guò)它可以將采集到的數據交給PC機。無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)主要以Philips公司的p89lpc932單片機為核心，無(wú)線(xiàn)數據收發(fā)芯片采用Ubec公司的基于zigbee協(xié)議的UZ2400，節點(diǎn)硬件概況圖如下。通常情況下節點(diǎn)一般處于休眠狀態(tài)，當有中斷請求時(shí)激活節點(diǎn)工作，接收數據。

圖6 無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)硬件概況圖

初步實(shí)驗結果表明：由PC機向網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器發(fā)送自組網(wǎng)指令后，其他兩個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)都能正常的入網(wǎng)，各節點(diǎn)之間能夠正常的發(fā)送和接收數據。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器可以把自身采集的數據或是由其他傳感器傳送過(guò)來(lái)的數據交由PC機處理。

由于，相比使用其他無(wú)線(xiàn)設備來(lái)構建傳感網(wǎng)，所花費的成本要低，自組網(wǎng)能力強，相信利用此種技術(shù)來(lái)構建無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)的前景將非常樂(lè )觀(guān)。