基于ZigBee的WSN路由研究與實(shí)驗

　　摘　要： 詳細介紹了ZigBee無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的路由過(guò)程。通過(guò)使用Microchip公司提供的TSZ-008 ZigBee開(kāi)發(fā)套件，進(jìn)行了基于ZigBee的WSN路由的建立及確認實(shí)驗。

　　關(guān)鍵詞： ZigBee 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò ) TSZ-008 無(wú)線(xiàn)個(gè)人局域網(wǎng)絡(luò )

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是一種特殊的Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò )，網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)密集，數量巨大且分布在十分廣泛的區域。目前，發(fā)展前景最為看好的是基于IEEE802.15.4標準的ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。無(wú)線(xiàn)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(shí)和極低的功率消耗，使用戶(hù)能擁有較長(cháng)的電池壽命和較多的器件陣列，而ZigBee的出現正好解決了這一問(wèn)題。ZigBee有著(zhù)高通信效率、低復雜度、低功耗、低速率、低成本、高安全性以及全數字化等諸多優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)使得ZigBee與無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )完美地結合在一起。目前，基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的研究和開(kāi)發(fā)已得到越來(lái)越多的關(guān)注。

　　ZigBee是一個(gè)由多到65 000個(gè)無(wú)線(xiàn)數傳模塊組成的無(wú)線(xiàn)數傳網(wǎng)絡(luò )平臺，十分類(lèi)似現有的移動(dòng)通信CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng)，每一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò )數傳模塊類(lèi)似移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )的一個(gè)基站，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò )范圍內，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(dòng)化控制數據傳輸而建立，每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)既可以與監控對象直接進(jìn)行數據采集和監控，還可以自動(dòng)中轉其他網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)傳輸的數據資料。除此之外，每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)還可在自己信號覆蓋的范圍內，與多個(gè)不承擔網(wǎng)絡(luò )信息中轉任務(wù)的孤立子節點(diǎn)無(wú)線(xiàn)連接。ZigBee網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)可支持31個(gè)傳感器和受控設備，每個(gè)傳感器與受控設備有8種不同的接口方式，用來(lái)采集、傳輸數字量和模擬量。

　　1 WSN路由基本算法

　　ZigBee WSN中的節點(diǎn)大體可以分為兩種類(lèi)型：有路由容量的節點(diǎn)和沒(méi)有路由容量的節點(diǎn)。對于樹(shù)簇拓撲的WSN來(lái)說(shuō)，終端設備通常是RFD精簡(jiǎn)設備，因此沒(méi)有路由容量;而路由器與協(xié)調器是由FFD全功能設備組成的，因此有路由容量。

　　樹(shù)簇型拓撲的WSN中，通常采用樹(shù)簇算法與AODVjr算法相結合的路由算法，其中樹(shù)簇算法指的是消息沿著(zhù)樹(shù)型拓撲進(jìn)行傳輸的算法，它是靜態(tài)的，不需要存儲路由表。該算法適用于節點(diǎn)靜止或者移動(dòng)較少的場(chǎng)合。而AODVjr算法則是對Ad Hoc按需距離矢量路由算法的改進(jìn)，考慮到節能、應用方便性留了等因素，對AODV的一些特點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，但是仍然保留了AODV的原始功能。

　　這兩種算法的結合使用確定了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(shù)簇算法沿著(zhù)樹(shù)型拓撲進(jìn)行路由。使能路由模式是將樹(shù)簇算法與AODVjr算法相結合，視具體情況來(lái)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，只要設備具有路徑查找能力，不管消息傳輸的路徑是否已經(jīng)存在，都要啟動(dòng)一個(gè)路徑查找過(guò)程，當查找完成，數據包將沿著(zhù)計算出來(lái)的路徑傳送。

　　2 路由方式

　　路由的設定通常有三種模式：禁止路由發(fā)現、使能路由發(fā)現及強制路由發(fā)現。

　　禁止路由發(fā)現(SUPPRESS)：如果發(fā)現網(wǎng)絡(luò )路由器存在，數據包路由指向該路由器。否則，數據包沿著(zhù)樹(shù)形推進(jìn)。

　　使能路由發(fā)現(ENABLE)：如果發(fā)現網(wǎng)絡(luò )路由器存在，數據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(dòng)一個(gè)路由發(fā)現過(guò)程，當發(fā)現完成，數據包將沿著(zhù)計算出來(lái)的路由傳送。如果該路由器沒(méi)有路由發(fā)現能力，數據包將沿著(zhù)樹(shù)形推進(jìn)。

　　強制路由發(fā)現(FORCE)：如果路由器有路由發(fā)現能力，不管路由是否已經(jīng)存在，都將啟動(dòng)一個(gè)路由發(fā)現過(guò)程。發(fā)現完成，數據包將沿著(zhù)計算出來(lái)的路由傳送。如果這個(gè)路由器沒(méi)有路由發(fā)現能力，數據包將沿著(zhù)樹(shù)形推進(jìn)。這個(gè)選擇必須小心使用，因為它會(huì )產(chǎn)生較大的網(wǎng)絡(luò )冗余。它的主要用途是修復破壞了的路由。

　　對于樹(shù)形拓撲結構設備間的數據轉發(fā)，通常將源地址簡(jiǎn)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)調器或路由器都含有一個(gè)鄰接設備表，該表記錄了一定區域內與其具有鄰接關(guān)系的設備。若想使用鄰接表進(jìn)行路由，只要目標設備在物理區域內可見(jiàn)，即可直接發(fā)送信息。而對于網(wǎng)狀拓撲結構，則要使用路由表來(lái)進(jìn)行路由。通常協(xié)調器或路由器都擁有自己的路由表，如果目標設備在路由表中有相關(guān)的記錄，則信息就可以根據路由表中的記錄進(jìn)行發(fā)送，否則就要沿著(zhù)樹(shù)形拓撲來(lái)傳輸數據。

　　3 路由過(guò)程

　　路由過(guò)程主要為以下幾個(gè)步驟：

　　(1)一個(gè)設備發(fā)出路由請求命令幀啟動(dòng)路由發(fā)現過(guò)程;

　　(2)對應的接收設備收到該命令后，回復應答命令幀;

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

　　(4)最佳路由記錄添加到此路徑上各個(gè)設備的路由表

　　中。

　　4 最短最優(yōu)路徑的判定方式

　　通常路徑請求與路徑應答都是由路由器或協(xié)調器創(chuàng )建的，當路由器廣播發(fā)送路徑請求時(shí)，通常不會(huì )只發(fā)一次，而是間隔一段時(shí)間重復進(jìn)行發(fā)送，而且對于廣播尋址來(lái)說(shuō)，它擁有兩大特點(diǎn)：一個(gè)是凡有無(wú)線(xiàn)RF收發(fā)使能的設備皆能接收到該幀;另外就是廣播發(fā)送采用一種被動(dòng)應答模式，即當某一設備廣播發(fā)送消息時(shí)，它還要監聽(tīng)所有的鄰居設備是否對該幀進(jìn)行廣播轉發(fā)，若沒(méi)有則設備還要再次廣播發(fā)送該幀。這樣就會(huì )出現網(wǎng)絡(luò )中的設備可能多次收到同一個(gè)路徑請求，目的設備也有可能在一段時(shí)間內多次收到同一個(gè)路徑請求。目的設備究竟應該響應哪個(gè)路徑請求呢?在路徑算法的實(shí)現中筆者采用首接為最優(yōu)的思想，即第一個(gè)收到的有效路徑請求即為目的設備要響應的請求，在該請求中記錄的路徑即為消息傳輸的路徑，應答命令將沿著(zhù)收到的第一個(gè)路徑請求命令幀中記錄的上一級地址發(fā)送回去。

　　5 實(shí)驗

　　本實(shí)驗基于Microchip公司推出的TSZ-008系列開(kāi)發(fā)套件，對ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )路由的建立與確認等操作進(jìn)行了實(shí)驗測試。

　　5.1 ZigBee 無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)硬件

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

　　如圖1所示，控制器通過(guò)SPI總線(xiàn)與RF收發(fā)器芯片CC2420相連?？刂破鞒洚擲PI主器件而CC2420充當從器件?？刂破鲗?shí)現了IEEE 802.15.4 MAC 層和ZigBee協(xié)議層。它還包含了特定的應用邏輯，并使SPI總線(xiàn)與RF收發(fā)器交互。Microchip協(xié)議棧提供了完全集成的驅動(dòng)程序，免除了主應用程序管理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 設計步驟

　　以微芯的ZigBee協(xié)議棧為例，為了設計ZigBee協(xié)議系統，應按以下步驟進(jìn)行設計：(1)獲得OUI;(2)根據數據傳輸率及市場(chǎng)的需要，確定無(wú)線(xiàn)通信的頻帶;(3)使用TSZ-008開(kāi)發(fā)系統進(jìn)行開(kāi)發(fā)設計;(4)利用微芯協(xié)議棧提供的源文件擴展ZigBee協(xié)議應用;(5)進(jìn)行RF規范論證;(6)進(jìn)行ZigBee協(xié)議互操作規范論證。

　　具體設計時(shí)應遵從以下步驟:

　　(1)確定系統需要使用的配置文件;

　　(2)確定每個(gè)設備具備的終端結構;

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

　　(4)使用ZENA軟件產(chǎn)生基于設備類(lèi)型、設備配置及終端結構的配置文件并編寫(xiě)相關(guān)源代碼。

　　5.3 虛擬路徑建立過(guò)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 確認路徑過(guò)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(shí)驗結果

　　筆者主要對樹(shù)簇網(wǎng)進(jìn)行了驗證。實(shí)驗中，路由器與終端設備組建了小型星形網(wǎng)絡(luò )，這個(gè)星形網(wǎng)絡(luò )是以路由器為中心，以終端設備為子節點(diǎn)的。與標準星形網(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(huì )向終端設備發(fā)出任何控制命令，它只起中繼的作用，實(shí)際的控制命令是由協(xié)調器發(fā)出的。這樣通過(guò)路由器的連接中繼作用，協(xié)調器可以控制超出它的能量覆蓋范圍的終端設備。路由器沒(méi)有組建樹(shù)簇網(wǎng)絡(luò )的功能，但它可以接收終端設備形成星形網(wǎng)絡(luò )，也可以加入協(xié)調器參與到樹(shù)簇網(wǎng)絡(luò )中。

　　可以使用開(kāi)發(fā)板進(jìn)行路由器的定位實(shí)現簡(jiǎn)單路由，也可以實(shí)現幀轉發(fā)，但是路由表的建立維護功能不全。協(xié)調器和路由器不能自動(dòng)地發(fā)起路由探詢(xún)與路由修復，所以在應用層傳輸數據包之前，需要通過(guò)按下某一固定鍵盤(pán)的方式人工激發(fā)路由探詢(xún)。在路由探詢(xún)等待中，在接收緩存中只允許存放一個(gè)等待傳送的數據包。

　　未來(lái)對ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的路由研究需要做很多工作，包括數據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(dòng)修復等等。無(wú)庸置疑，基于ZigBee協(xié)議的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )會(huì )將擁有更大的發(fā)展空間與前景。

　　參考文獻

　　[1] ZHENG J, LEE M J. A comprehensive performance study of IEEE802.15.4 [M]. IEEE Press Book,2004.

　　[2] ZHENG J, LEE M J.Will IEEE802.15.4 Make ubiquitous networking a reality: A discussion on a potential low power,Low Bit Rate Standard[J].IEEE Communication Mag,2004,42(6):140-146.

　　[3] CHIPCON.Packet Sniffer for IEEE802.15.4 and ZigBee[S] User Manual. Oslo,Norway,Oct.2004.

　　[4] KINNEY P. ZigBee technology:Wireless control that simply works[S]. ZigBee Alliance,Oct.2004.

　　[5] ZigBee Alliance .Network Specification (Draft Version 1.0) [S].2004.

　　[6] 郭雅萌,王建新,楊世鳳,等. 網(wǎng)絡(luò )監控的實(shí)時(shí)性研究[J].國外電子測量技術(shù), 2006,(1).

　　[7] 肖麗仙.基于單片機的網(wǎng)絡(luò )化路燈控制系統設計[J]. 國外電子測量技術(shù), 2006,(2).

　　[8] 李錦林. 超寬帶無(wú)線(xiàn)通信.通信測量?jì)x器提出挑戰[J].國外電子測量技術(shù), 2006,(4).