無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )拓撲的監控與維護

摘要：以ZigBee協(xié)議為基礎，提出了一種新的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )拓撲結構的監控和維護方法。創(chuàng )新性地設計了基于葉子節點(diǎn)的通訊模式，該模式運用協(xié)議棧自有運行流程來(lái)獲取節點(diǎn)的加入或丟失信息、實(shí)現網(wǎng)絡(luò )拓撲的監控，并通過(guò)設計一種基于關(guān)聯(lián)表的鏈表式存儲結構來(lái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò )拓撲的維護。經(jīng)過(guò)在實(shí)際辦公環(huán)境監控平臺上驗證表明，該方法數據傳輸量小，資源占用少，操作簡(jiǎn)便，具有較強的應用推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )；ZigBee；拓撲結構；監控與維護

0 引言

隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)在軍事、工農業(yè)、城市管理、環(huán)境監控等各個(gè)領(lǐng)域的快速發(fā)展，作為系統基礎組成部分的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構成為研究的一個(gè)重要方面。目前，國內外的科研機構在網(wǎng)絡(luò )拓撲發(fā)現以及拓撲的監控和管理方面開(kāi)展了大量的相關(guān)研究工作，但大多停留在理論和仿真層面，這些通過(guò)在高性能的PC機上搭建仿真模型來(lái)驗證算法效果的研究，大多缺乏能夠應用到實(shí)際系統的可行性案例。安徽財經(jīng)大學(xué)的趙濤，根據在聚合節點(diǎn)(sink)收集到網(wǎng)絡(luò )內部節點(diǎn)報文接收或丟失的情況，通過(guò)發(fā)現網(wǎng)絡(luò )中所有葉子節點(diǎn)到sink節點(diǎn)的數據傳輸路徑，來(lái)推測網(wǎng)絡(luò )的邏輯拓撲。該方法計算比較復雜，120節點(diǎn)規模網(wǎng)絡(luò )在主頻為2．8 GHz的CPU主機上運行尚需9秒的時(shí)間，同時(shí)會(huì )受到節點(diǎn)資源、計算速度、實(shí)施條件等限制，因此，這種方法很難在實(shí)際應用中實(shí)現。德州儀器(TI)公司的官方網(wǎng)站也給出了一種獲取網(wǎng)絡(luò )拓撲結構的方法，該方法采用發(fā)送網(wǎng)絡(luò )發(fā)現命令的方式，并通過(guò)返回結果來(lái)確定網(wǎng)絡(luò )拓撲結構。此法雖然能夠在實(shí)際應用中實(shí)施，但需要定期向網(wǎng)絡(luò )中的所有節點(diǎn)發(fā)送發(fā)現命令，因而數據消耗量巨大。

本文以Z-stack協(xié)議棧為基礎，采用葉子節點(diǎn)通訊方式，并利用協(xié)議自身的運行流程，提出了一種輕量數據消耗、真正面向應用的拓撲監控方案，同時(shí)通過(guò)設計一種基于關(guān)聯(lián)表的鏈式存儲結構來(lái)實(shí)現對網(wǎng)絡(luò )拓撲信息的維護，因而在解決網(wǎng)絡(luò )監控與維護方面更具有實(shí)際應用價(jià)值。

1 Z-stack協(xié)議棧原理簡(jiǎn)介

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

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(jiàn)，ZigBee協(xié)議采用分層體系結構，由物理層(PHY)、介質(zhì)接入控制子層(MAC層)、網(wǎng)絡(luò )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(luò )中，信息或數據的傳遞將依照上述層次結構實(shí)現。上層發(fā)送的數據或指令按照應用層-網(wǎng)絡(luò )層-MAC層-物理層的順序，從上至下依次進(jìn)行處理；底層返回的數據則按照物理層-MAC層-網(wǎng)絡(luò )層-應用層的順序，從下至卜處理后返回給上層用戶(hù)。每個(gè)層次負責發(fā)送到本層數據的分析和判斷，并對于屬于本層次的數據或指令做出相應的動(dòng)作響應；對于不屬十本層的數據，則按照規定格式打包后發(fā)送給上、下一層。

1．2 節點(diǎn)加入與失步流程

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

節點(diǎn)加入流程如圖2所示。當子節點(diǎn)申請加入網(wǎng)絡(luò )時(shí)，會(huì )啟動(dòng)加入流程。子節點(diǎn)的加入請求通過(guò)其N(xiāo)WK層、MAC層、PHY層傳遞給父節點(diǎn)；父節點(diǎn)收到加入通知消息后，又通過(guò)其PHY層、MAC層、NWK層將該情況上傳給應用層，最后通過(guò)ZDO JoinIndicationCB()函數的調用，得到子節點(diǎn)加入的消息。

節點(diǎn)失步流程是指終端節點(diǎn)丟失其父節點(diǎn)的同步信號時(shí)，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。

終端節點(diǎn)每隔一段時(shí)間就會(huì )開(kāi)啟與父節點(diǎn)的同步，當在設定時(shí)間內沒(méi)有接收到父節點(diǎn)的同步信號時(shí)，就會(huì )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(guò)調用ZDOSynclndicationCB()函數，將信息傳達到應用層。

1．3 關(guān)聯(lián)表

TI的Z-stack協(xié)議棧在全功能節點(diǎn)中可以維護associateddevices t結構的關(guān)聯(lián)表，關(guān)聯(lián)表中保存有與本節點(diǎn)直接關(guān)聯(lián)(父子節點(diǎn))的相關(guān)信息，包括關(guān)聯(lián)節點(diǎn)的短地址、設備類(lèi)型、連接狀態(tài)等，基本上可以滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò )拓撲結構監控和維護的信息需求。

TI的ZigBee協(xié)議棧雖然可為用戶(hù)開(kāi)發(fā)提供強大支持，但是在網(wǎng)絡(luò )監控和維護上并沒(méi)有專(zhuān)用的接口。一方面，該協(xié)議棧只能發(fā)現節點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò )，但是無(wú)法發(fā)現節點(diǎn)非主動(dòng)性的丟失或退出，因而不具備網(wǎng)絡(luò )拓撲監控的功能；另一方面，協(xié)議在每個(gè)全功能節點(diǎn)中部維護了與之關(guān)聯(lián)設備的關(guān)聯(lián)表，但是并沒(méi)有維護整體網(wǎng)絡(luò )的關(guān)聯(lián)信息，因而無(wú)法掌控網(wǎng)絡(luò )拓撲的全貌。鑒于協(xié)議棧在網(wǎng)絡(luò )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(shí)現整體網(wǎng)絡(luò )拓撲監控和維護的方法，該方法可以滿(mǎn)足一般系統對于拓撲結構的監控和維護需求。

2 網(wǎng)絡(luò )拓撲結構監控

網(wǎng)絡(luò )拓撲結構監控的主要目的是實(shí)現拓撲結構的建立和在結構發(fā)生變化時(shí)及時(shí)獲取變化情況，其中最主要的是實(shí)現節點(diǎn)加入和退出事件的捕捉。節點(diǎn)加入事件的獲取相對容易，可以通過(guò)加入節點(diǎn)主動(dòng)上報等方式來(lái)獲??；而節點(diǎn)丟失事件獲取要復雜得多?，F階段，對節點(diǎn)丟失情況的監控多采用系統定期查詢(xún)的手段。采用查詢(xún)方法時(shí)，其實(shí)時(shí)性與查詢(xún)周期的長(cháng)短直接相關(guān)：查詢(xún)周期設置較長(cháng)，拓撲變化反映時(shí)間增長(cháng)，實(shí)時(shí)性變差；而查詢(xún)周期設置較短，則傳輸數據量增大，占用系統資源，往往很難在二者之間找到平衡點(diǎn)。協(xié)議棧中數據或消息的傳遞是一個(gè)復雜的過(guò)程，為了盡可能地降低系統資源的占用、節約能耗，除了維護系統正常運行所必須的數據通訊外，還應盡量減少人為添加(應用層)的數據通訊量。因此，最好的辦法就是利用協(xié)議自身的數據傳遞或者節點(diǎn)加入、失步等流程來(lái)實(shí)現相關(guān)信息的獲取。

本文設計了一種基于網(wǎng)關(guān)——葉子節點(diǎn)通訊的節點(diǎn)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，以較少的數據通訊量和簡(jiǎn)單的操作，實(shí)現網(wǎng)絡(luò )中所有節點(diǎn)的丟失情況獲取。

2．1 節點(diǎn)加入事件的獲取

通常情況下，節點(diǎn)加入事件多采用加入節點(diǎn)主動(dòng)上報的方法來(lái)獲取。該方法操作簡(jiǎn)單，但是需要人為地發(fā)送相關(guān)加入信息，會(huì )增加系統數據通訊量。由圖2所示的節點(diǎn)加入流程可知，如果有子節點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò )，加入的指示信息都會(huì )通過(guò)ZDOJoinIndmationCB()函數的調用報告給父節點(diǎn)。即該函數的調用證明有了節點(diǎn)的加入事件。因此，本文通過(guò)在此函數中添加向應用程序報告的功能，即可通知用戶(hù)了節點(diǎn)加入事件的發(fā)生。

2．2 節點(diǎn)丟失信息的獲取

由圖3所示的流程可知，協(xié)議棧通過(guò)調用vold ZDOSyncIndicationCB(byte type，uint16 shortAddr)函數可實(shí)現失步情況的報告。該函數具有節點(diǎn)丟失的指示功能，并能夠指示丟失節點(diǎn)與本節點(diǎn)的父子關(guān)系和短地址等。但在實(shí)際的應用中發(fā)現，該函數的調用是有條件限制的，具體實(shí)施條件如下：

父節點(diǎn)丟失：從失步報告流程可知，終端節點(diǎn)能夠自動(dòng)輪詢(xún)發(fā)現其父節點(diǎn)同步信號的丟失，而無(wú)需人為添加任何觸發(fā)條件，引發(fā)函數調用。但路由節點(diǎn)不支持與父節點(diǎn)的輪詢(xún)機制，因而不能產(chǎn)生父節點(diǎn)丟失情況的報告。

子節點(diǎn)丟失：對于包括終端節點(diǎn)在內的所有類(lèi)型節點(diǎn)的子節點(diǎn)丟失，在未加相應處理的情況下，協(xié)議棧都不會(huì )引發(fā)該函數的調用。

由實(shí)施條件可知，該函數的丟失指示并不適用于所有類(lèi)型節點(diǎn)的丟失情況，因此，如果要得到除終端父節點(diǎn)外網(wǎng)絡(luò )中所有節點(diǎn)的丟失情況，就需要人為加入其他處理，以觸發(fā)ZDOsynclndicationCB()函數的調用，從而實(shí)現丟失事件的獲取。

2．3 葉子節點(diǎn)通訊觸發(fā)方法

通常采用的基于查詢(xún)的網(wǎng)絡(luò )發(fā)現機制部需要在所有節點(diǎn)間發(fā)送數據，因而增大系統的數據開(kāi)銷(xiāo)。這里以圖4所示的拓撲結構為例，圖中的葉子通訊需要進(jìn)行14條數據的查詢(xún)和14條數據的應答才能夠完成一次節點(diǎn)丟失情況的獲取。為了盡可能減少數據通訊和操作的復雜度，本文設計了一種基于網(wǎng)關(guān)——葉子節點(diǎn)通訊的節點(diǎn)丟失情況獲取方法，以便用較少的數據通訊量和簡(jiǎn)單的操作來(lái)實(shí)現網(wǎng)絡(luò )中聽(tīng)有節點(diǎn)的丟失情況獲取。

研究發(fā)現，失步函數的觸發(fā)可以通過(guò)加入數據通訊來(lái)實(shí)現。因為在數據發(fā)送的過(guò)程中，協(xié)議棧會(huì )開(kāi)啟數據發(fā)送流程，數據發(fā)送后則會(huì )自動(dòng)檢測接收方應答幀。這樣，如果節點(diǎn)丟失，則發(fā)送節點(diǎn)無(wú)法接收到有效應答，進(jìn)而引發(fā)節點(diǎn)失步指示函數的觸發(fā)。

具體觸發(fā)時(shí)，如果節點(diǎn)之間有數據通訊，發(fā)送數據節點(diǎn)則能夠發(fā)現接收數據節點(diǎn)的丟失，從而引發(fā)vold ZDOSynclndicationCB(byte type，uint16 shortAddr)函數的調用。