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無線傳感器網(wǎng)絡是一種特殊的Ad-Hoc網(wǎng)絡，網(wǎng)絡中節(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標準的 ZigBee無線網(wǎng)絡。無線傳感器網(wǎng)絡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)絡完美地結合在一起。目前，基于ZigBee技術的無線傳感器網(wǎng)絡的研究和開發(fā)已得到越來越多的關注。 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)絡數(shù)傳模塊類似移動網(wǎng)絡的一個基站，在整個網(wǎng)絡范圍內(nèi)，它們之間可以進行相互通信。不同的是，ZigBee網(wǎng)絡主要為自動化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立，每個ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點既可以與監(jiān)控對象直接進行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，還可以自動中轉其他網(wǎng)絡節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)資料。除此之外，每個ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點還可在自己信號覆蓋的范圍內(nèi)，與多個不承擔網(wǎng)絡信息中轉任務的孤立子節(jié)點無線連接。ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點可支持31個傳感器和受控設備，每個傳感器與受控設備有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。對于樹簇拓撲的WSN來說，終端設備通常是RFD精簡設備，因此沒有路由容量;而路由器與協(xié)調(diào)器是由FFD全功能設備組成的，因此有路由容量。 樹簇型拓撲的WSN中，通常采用樹簇算法與AODVjr算法相結合的路由算法，其中樹簇算法指的是消息沿著樹型拓撲進行傳輸?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，考慮到節(jié)能、應用方便性留了等因素，對AODV的一些特點進行了簡化，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行查找，因此處于該模式的網(wǎng)絡只能使用樹簇算法沿著樹型拓撲進行路由。使能路由模式是將樹簇算法與AODVjr算法相結合，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。 使能路由發(fā)現(xiàn)(ENABLE)：如果發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡路由器存在，數(shù)據(jù)包路由指向該路由器。如果網(wǎng)絡路由器不能確定，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。 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。這個選擇必須小心使用，因為它會產(chǎn)生較大的網(wǎng)絡冗余。它的主要用途是修復破壞了的路由。 對于樹形拓撲結構設備間的數(shù)據(jù)轉發(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)絡的協(xié)調(diào)器或路由器都含有一個鄰接設備表，該表記錄了一定區(qū)域內(nèi)與其具有鄰接關系的設備。若想使用鄰接表進行路由，只要目標設備在物理區(qū)域內(nèi)可見，即可直接發(fā)送信息。而對于網(wǎng)狀拓撲結構，則要使用路由表來進行路由。通常協(xié)調(diào)器或路由器都擁有自己的路由表，如果目標設備在路由表中有相關的記錄，則信息就可以根據(jù)路由表中的記錄進行發(fā)送，否則就要沿著樹形拓撲來傳輸數(shù)據(jù)。 無線傳感器網(wǎng)絡是一種特殊的Ad-Hoc網(wǎng)絡，網(wǎng)絡中節(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標準的ZigBee無線網(wǎng)絡。無線傳感器網(wǎng)絡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)絡完美地結合在一起。目前，基于ZigBee技術的無線傳感器網(wǎng)絡的研究和開發(fā)已得到越來越多的關注。 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)絡數(shù)傳模塊類似移動網(wǎng)絡的一個基站，在整個網(wǎng)絡范圍內(nèi)，它們之間可以進行相互通信。不同的是，ZigBee網(wǎng)絡主要為自動化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立，每個ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點既可以與監(jiān)控對象直接進行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，還可以自動中轉其他網(wǎng)絡節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)資料。除此之外，每個ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點還可在自己信號覆蓋的范圍內(nèi)，與多個不承擔網(wǎng)絡信息中轉任務的孤立子節(jié)點無線連接。ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點可支持31個傳感器和受控設備，每個傳感器與受控設備有8種不同的接口方式，用來采集、傳輸數(shù)字量和模擬量。 2.1 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�？刂破鞒洚擲PI主器件而CC2420充當從器件�？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用邏輯，并使SPI總線與 _blank">RF收發(fā)器交互。Microchip協(xié)議棧提供了完全集成的驅動程序，免除了主應用程序管理RF收發(fā)器功能的任務。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。 2.2 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(tǒng)，應按以下步驟進行設計：(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)進行開發(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)進行RF規(guī)范論證;(6)進行ZigBee協(xié)議互操作規(guī)范論證。 具體設計時應遵從以下步驟: (1)確定系統(tǒng)需要使用的配置文件; (2)確定每個設備具備的終端結構; (3)創(chuàng)建一個新的項目目錄，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)生基于設備類型、設備配置及終端結構的配置文件并編寫相關源代碼。 2.3 虛擬路徑建立過程 相關源碼如下： 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; 2.4 確認路徑過程 相關源碼如下： 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; 2.5 實驗結果 筆者主要對樹簇網(wǎng)進行了驗證。實驗中，路由器與終端設備組建了小型星形網(wǎng)絡，這個星形網(wǎng)絡是以路由器為中心，以終端設備為子節(jié)點的。與標準星形網(wǎng)絡不同的是，在以路由器為中心的小型星形網(wǎng)絡中，路由器不會向終端設備發(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備。路由器沒有組建樹簇網(wǎng)絡的功能，但它可以接收終端設備形成星形網(wǎng)絡，也可以加入?yún)f(xié)調(diào)器參與到樹簇網(wǎng)絡中。 可以使用開發(fā)板進行路由器的定位實現(xiàn)簡單路由，也可以實現(xiàn)幀轉發(fā)，但是路由表的建立維護功能不全。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，所以在應用層傳輸數(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)絡得到最大限度的擴展，且不影響路由的建立與自動修復等等。無庸置疑，基于ZigBee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡會將擁有更大的發(fā)展空間與前景。 |
