摘 要：本文提出了使用zigbee技術(shù)構(gòu)建簇樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。首先，概述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn);其次，重點(diǎn)闡述了此類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計思想;最后，在實(shí)際的硬件環(huán)境下驗(yàn)證所設(shè)計的協(xié)議。 關(guān)鍵字：無線傳感器網(wǎng)絡(luò);zigbee;自愈合 Abstract: This paper brings forward to construct cluster-tree wireless sensor network which is based on zigbee technology. Firstly, it talks about features of wireless sensor networks. Then, it mainly talks about key points of designing this type of network. Finally, we test the protocol on real hardware. Key words: Wireless Sensor Networks; Zigbee; Self-health 1 引言 　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由多個無線網(wǎng)絡(luò)傳感器構(gòu)成，這些傳感器集傳感器執(zhí)行、控制器和通信裝置于一體，集傳感與驅(qū)動控制能力、計算能力、通信能力于一身的資源受限的嵌入式設(shè)備。由這些微型傳感器構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崟r監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種監(jiān)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。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有自組織、自愈、多跳等特點(diǎn)，并且節(jié)點(diǎn)放置位置大多固定。由于有些無線傳感器現(xiàn)場工作環(huán)境比較惡劣，因此在設(shè)計無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的時候就必須充分考慮傳感器節(jié)點(diǎn)的節(jié)能問題和采集數(shù)據(jù)的實(shí)時性傳輸問題。 　　ZigBee技術(shù)是一個具有統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的短距離無線通信技術(shù)，其PHY層和MAC層協(xié)議為IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。本文提出的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作在全球通用的ISM（Industrial,Scientific and Medica1）免付費(fèi)頻段2.4GHz上，其數(shù)據(jù)傳輸速率為250Kb/s,劃分為16個信道。與藍(lán)牙或802.11b等同屬短距離無線通信技術(shù)相比，ZigBee技術(shù)具有先天的優(yōu)勢。ZigBee設(shè)備為低功耗設(shè)備，具有能量檢測和鏈路質(zhì)量指示的功能。同時，由于采用了碰撞避免機(jī)制（CSMA—CA），避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的沖突。在網(wǎng)絡(luò)安全方面，采用了密鑰長度為128位的加密算法，對所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進(jìn)行加密處理，保證了數(shù)據(jù)傳輸時的高可靠性和安全性。 　　用ZigBee技術(shù)組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、性價比高、放置靈活、擴(kuò)展簡便、成本低、功耗低、安全可靠，這種新興的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)必將有廣泛的應(yīng)用前景。 2 Zigbee無線傳感器網(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(jī)移動終端等領(lǐng)域有了一定的應(yīng)用，但是現(xiàn)有zigbee技術(shù)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)都是僅限于zigbee技術(shù)的無線個域網(wǎng)（WPN）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個接入點(diǎn)所能接納的傳感器的節(jié)點(diǎn)數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于協(xié)議所標(biāo)稱的255個，為了達(dá)到傳感器網(wǎng)絡(luò)密集覆蓋的目的，就必須進(jìn)行復(fù)雜的組網(wǎng)，這不僅增加了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，還增加了網(wǎng)絡(luò)整體的功耗，傳感器節(jié)點(diǎn)的壽命大大降低。本文提出的是構(gòu)建簇樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖1： [align=center] 圖 1 簇形傳感網(wǎng)絡(luò)示意圖[/align] 　　在此網(wǎng)絡(luò)中鄰近區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成了一個簇，每個簇有且僅有一個簇頭，相鄰的簇頭又循環(huán)構(gòu)成了另一個簇，這樣依次反復(fù)，構(gòu)成了一個樹形結(jié)構(gòu)的傳感網(wǎng)絡(luò)。在此結(jié)構(gòu)中，樹根節(jié)點(diǎn)作為整個網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器可以和PC機(jī)相連，接收傳感器所采集的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和處理。 3 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計 　　3.1網(wǎng)絡(luò)的自組織 　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最初是由全功能設(shè)備（FFD）的節(jié)點(diǎn)發(fā)起并建立，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)建立后，此發(fā)起設(shè)備就作為整個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，該協(xié)調(diào)器可以通過串行接口和PC相連接，處理接收到的各種數(shù)據(jù)，也可以和其他異種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。節(jié)點(diǎn)自發(fā)建網(wǎng)過程如下：FFD節(jié)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信道作為要建立的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸信道;然后在此信道上發(fā)送跨網(wǎng)信標(biāo)（beacon）請求幀，用以獲取節(jié)點(diǎn)操作范圍內(nèi)其他無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信息參數(shù)，在接收到beacon幀后，選擇未被使用的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號，最后根據(jù)已確定的網(wǎng)絡(luò)信道號、網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號及其他相關(guān)參數(shù)來設(shè)定硬件中相關(guān)寄存器的值，至此無線傳感網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器就形成了。圖2是設(shè)備自發(fā)建網(wǎng)示意圖。 [align=center] 圖 2 設(shè)備自發(fā)建網(wǎng)示意圖[/align] 　　當(dāng)一個節(jié)點(diǎn)要申請加入已經(jīng)建好的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時候，此節(jié)點(diǎn)首先預(yù)設(shè)好網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號和使用的信道，然后發(fā)送網(wǎng)內(nèi)beacon請求廣播幀，在接收到多個帶有鏈路質(zhì)量信號參數(shù)的beacon幀后，選取鏈路質(zhì)量較好、剩余能量較多的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，向相應(yīng)的協(xié)調(diào)器發(fā)送入網(wǎng)請求命令幀，協(xié)調(diào)器允許后會分配網(wǎng)內(nèi)短地址給該節(jié)點(diǎn)。每個節(jié)點(diǎn)都有一張鄰居表，并且對其動態(tài)維護(hù)。在該鄰居表中含有一個父節(jié)點(diǎn)地址（除了根節(jié)點(diǎn)）和多個子節(jié)點(diǎn)地址（除了葉結(jié)點(diǎn)）。依次重復(fù)這樣的過程，所有的節(jié)點(diǎn)就可以自組成一個簇樹狀的無線傳感網(wǎng)。圖3是節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)握手示意圖： [align=center] 圖 3 節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)握手示意圖 圖 4 節(jié)點(diǎn)出網(wǎng)握手示意圖[/align] 　　同理，一個節(jié)點(diǎn)要離開網(wǎng)絡(luò)的話，只要向其父節(jié)點(diǎn)發(fā)送請求命令幀，父節(jié)點(diǎn)在接收到請求后會做出相應(yīng)的操作并發(fā)送響應(yīng)幀給于回應(yīng)。圖4是節(jié)點(diǎn)出網(wǎng)握手示意圖。 　　3.2網(wǎng)絡(luò)的自愈合和自節(jié)能 　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)除了節(jié)點(diǎn)有自組網(wǎng)能力外，還具有自愈和自節(jié)能的特點(diǎn)。當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)因?yàn)槟撤N客觀環(huán)境原因或是原傳感網(wǎng)參數(shù)發(fā)生變化，導(dǎo)致此節(jié)點(diǎn)和傳感網(wǎng)脫離，脫離節(jié)點(diǎn)可以發(fā)送孤立（orphan）顯示請求幀給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器在接收到請求幀后確定此節(jié)點(diǎn)是不是自己原先的孩子節(jié)點(diǎn)，在做出判定后向該節(jié)點(diǎn)發(fā)送響應(yīng)幀，以確定是否重新接收該節(jié)點(diǎn)為自己的孩子節(jié)點(diǎn)。圖5 為orphan請求的握手示意圖。 [align=center] 圖5 節(jié)點(diǎn)orphan請求的握手示意圖[/align] 　　由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器具有多跳的功能，那么充當(dāng)協(xié)調(diào)器的節(jié)點(diǎn)就會為轉(zhuǎn)發(fā)接收到的數(shù)據(jù)而耗費(fèi)額外的能量開銷。因此，我們設(shè)定一個最低能量極限值，并且使節(jié)點(diǎn)周期性的檢測當(dāng)前所剩余的能量值，當(dāng)檢測到本節(jié)點(diǎn)的剩余能量低于此極限值時，則此協(xié)調(diào)器向其所有孩子節(jié)點(diǎn)發(fā)送出網(wǎng)命令幀，隨之，各子節(jié)點(diǎn)相繼執(zhí)行入網(wǎng)的相關(guān)操作后，脫離了原先的父節(jié)點(diǎn)，而依附于新的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。此時原先的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)就成為了葉節(jié)點(diǎn)，不用承擔(dān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的責(zé)任，從而達(dá)到減小能耗的要求，增加了該節(jié)點(diǎn)使用壽命，進(jìn)而提高了整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用年限。 　　3.3 幀的形成和轉(zhuǎn)發(fā) 　　每個節(jié)點(diǎn)通過傳感裝置所獲取到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過節(jié)點(diǎn)處理后形成幀，而后將此幀發(fā)向其父節(jié)點(diǎn)，依次循環(huán)，最終由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器獲得，隨后交由PC來處理。 　　Zigbee協(xié)議定義了四種幀，分別是：命令幀，數(shù)據(jù)幀，beacon幀，確認(rèn)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型和源、目的地址模式。 4.結(jié)束語 　　在測試中，我們使用三個無線傳感器節(jié)點(diǎn)來構(gòu)建對等網(wǎng)絡(luò)。其中，有一個節(jié)點(diǎn)通過串口和PC相連，作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，通過它可以將采集到的數(shù)據(jù)交給PC機(jī)。無線傳感器節(jié)點(diǎn)主要以Philips公司的p89lpc932單片機(jī)為核心，無線數(shù)據(jù)收發(fā)芯片采用Ubec公司的基于zigbee協(xié)議的UZ2400，節(jié)點(diǎn)硬件概況圖如下。通常情況下節(jié)點(diǎn)一般處于休眠狀態(tài)，當(dāng)有中斷請求時激活節(jié)點(diǎn)工作，接收數(shù)據(jù)。 [align=center] 圖6 無線傳感器節(jié)點(diǎn)硬件概況圖[/align] 　　初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：由PC機(jī)向網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)送自組網(wǎng)指令后，其他兩個無線傳感器節(jié)點(diǎn)都能正常的入網(wǎng)，各節(jié)點(diǎn)之間能夠正常的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。同時，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可以把自身采集的數(shù)據(jù)或是由其他傳感器傳送過來的數(shù)據(jù)交由PC機(jī)處理。 　　由于，相比使用其他無線設(shè)備來構(gòu)建傳感網(wǎng)，所花費(fèi)的成本要低，自組網(wǎng)能力強(qiáng)，相信利用此種技術(shù)來構(gòu)建無線傳感網(wǎng)的前景將非常樂觀。 參考文獻(xiàn)： 　　[1]ZigBee Alliance. 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