基於Zigbee技術的無線感應器網路通訊協定的設計

 

基於Zigbee技術的無線感應器網路通訊協定的設計時間：2009-03-18 14:46:59 來源：微電腦資訊 作者：沈忠 李強

1       引言

無
線感應器網路是由多個無線網路感應器構成，這些感應器集感應器執行、控制器和通訊裝置於一體，集感測與驅動控制能力、計算能力、通訊能力於一身的資源受限
的嵌入式裝置。由這些微型感應器構成的無線感應器網路能夠即時監測、感知和採集網路分布地區內的各種監測對象資訊，並對這些資訊進行處理，傳送給需要這些
資訊的使用者。無線感應器網路具有自組織、自愈、多跳等特點，並且節點置放位置大多固定。由於有些無線感應器現場工作環境比較惡劣，因此在設計無線感應器網
絡協議的時候就必須充分考慮感應器節點的節能問題和採集資料的即時性傳輸問題。

ZigBee技術是一個具有統一技術標準的短距離無線通訊技
術，其PHY層和MAC層協議為IEEE802.15.4協議標準。本文提出的無線感應器網路工作在全球通用的
ISM(Industrial,Scientific and
Medica1)免付費頻段2.4GHz上，其資料轉送速率為250Kb/s,劃分為16個通道。與藍芽或802.11b等同屬短距離無線通訊技術相
比，ZigBee技術具有先天的優勢。ZigBee裝置為低功耗裝置，具有能量檢測和鏈路品質指示的功能。同時，由於採用了碰撞避免機制(CSMA—
CA)，避免了發送資料時的衝突。在網路安全方面，採用了密鑰長度為128位的密碼編譯演算法，對所傳輸的資料資訊進行加密處理，保證了資料轉送時的高可靠性和
安全性。

用ZigBee技術組成的無線感應器網路結構簡單、體積小、性價比高、放置靈活、擴充簡便、成本低、功耗低、安全可靠，這種新興的無線感應器網路必將有廣泛的應用前景。

2       Zigbee無線感應器網路

目
前，zigbee技術在國外已經在家用網路、控制網路、手機移動終端等領域有了一定的應用，但是現有zigbee技術構成的網路都是僅限於zigbee技
術的無線個域網（WPN）拓撲結構，每個存取點所能接納的感應器的節點數遠遠低於協議所標稱的255個，為了達到感應器網路密集覆蓋的目的，就必須進行複
雜的組網，這不僅增加了網路的複雜性，還增加了網路整體的功耗，感應器節點的壽命大大降低。本文提出的是構建簇樹形拓撲結構的無線感應器網路。網路
1：

圖 1 簇形感測網路

在此網路中鄰近地區內的節點構成了一個簇，每個簇有且僅有一個簇頭，相鄰的簇頭又迴圈構成了另一個簇，這樣依次反覆，構成了一個樹形結構的感測網路。在此結構中，樹根節點作為整個網路的協調器可以和PC機相連，接收感應器所採集的資料，並對資料進行顯示和處理。

3       網路通訊協定的設計

3．1網路的自組織

無
線感應器網路最初是由全功能裝置（FFD）的節點發起並建立，無線感應器網路建立後，此發起裝置就作為整個網路協調器，該協調器可以通過串列介面和PC相
串連，處理接收到的各種資料，也可以和其他異種網路進行資料交換。節點自發建網過程如下：FFD節點首先進行通道能量檢測（ED），選取檢測到的能量峰值
最小的那個通道作為要建立的無線感應器網路的資料轉送通道；然後在此通道上發送跨網信標（beacon）請求幀，用以擷取節點操作範圍內其他無線感應器網
絡資訊參數，在接收到beacon幀後，選擇未被使用的網路標號，最後根據已確定的網路通道號、網路標號及其他相關參數來設定硬體中相關寄存器的值，至此
無線感測網中網路協調器就形成了。圖2是裝置自發建網。

圖 2 裝置自發建網

當
一個節點要申請加入已經建好的無線感應器網路的時候，此節點首先預設好網路標號和使用的通道，然後發送網內beacon請求廣播幀，在接收到多個帶有鏈路
品質訊號參數的beacon幀後，選取鏈路品質較好、剩餘能量較多的節點進行串連，向相應的協調器發送入網請求命令幀，協調器允許後會分配網內短地址給該
節點。每個節點都有一張鄰居表，並且對其動態維護。在該鄰居表中含有一個父節點地址（除了根節點）和多個子節點地址（除了葉結點）。依次重複這樣的過程，
所有的節點就可以自組成一個簇樹狀的無線感測網。圖3是節點入網握手：

圖 3   節點入網握手         圖 4   節點出網握手

同理，一個節點要離開網路的話，只要向其父節點發送請求命令幀，父節點在接收到請求後會做出相應的操作並發送響應幀給於回應。圖4是節點出網握手。

3．2網路的自癒合和自節能

      
無線感應器網路除了節點有自組網能力外，還具有自愈和自節能的特點。當某一節點因為某種客觀環境原因或是原感測網參數發生變化，導致此節點和感測網脫離，
脫離節點可以發送孤立（orphan）顯示請求幀給協調器，協調器在接收到請求幀後確定此節點是不是自己原先的孩子節點，在做出判定後向該節點發送響應
幀，以確定是否重新接收該節點為自己的孩子節點。圖5 為orphan請求的握手。

圖5 節點orphan請求的握手

   
由於無線感應器網路中的協調器具有多跳的功能，那麼充當協調器的節點就會為轉寄接收到的資料而耗費額外的能量開銷。因此，我們設定一個最低能量極限值，並
且使節點周期性的檢測當前所剩餘的能量值，當檢測到本節點的剩餘能量低於此極限值時，則此協調器向其所有孩子節點發送出網命令幀，隨之，各子節點相繼執行
入網的相關操作後，脫離了原先的父節點，而依附於新的協調器節點。此時原先的協調器節點就成為了分葉節點，不用承擔資料轉寄的責任，從而達到減小能耗的要
求，增加了該節點使用壽命，進而提高了整個無線感應器網路的使用年限。

3．3 幀的形成和轉寄

每個節點通過感測裝置所擷取到的資料，經過節點處理後形成幀，而後將此幀發向其父節點，依次迴圈，最終由網路協調器獲得，隨後交由PC來處理。

Zigbee協議定義了四種幀，分別是：命令幀，資料幀，beacon幀，確認幀。通用幀的格式如表1所示：

表 1通用框架格式

幀控制域中主要包括了框架類型和源、目的地址模式。

4．結束語

在
測試中，我們使用三個無線感應器節點來構建對等網路。其中，有一個節點通過串口和PC相連，作為網路協調器，通過它可以將採集到的資料交給PC機。無線傳
感器節點主要以Philips公司的p89lpc932單片機為核心，無線資料收發晶片採用Ubec公司的基於zigbee協議的UZ2400，節點硬體
概況圖如下。通常情況下節點一般處於休眠狀態，當有插斷要求時啟用節點工作，接收資料。

圖6 無線感應器節點硬體概況圖

初步實驗結果表明：由PC機向網路協調器發送自組網指令後，其他兩個無線感應器節點都能正常的入網，各節點之間能夠正常的發送和接收資料。同時，網路協調器可以把自身採集的資料或是由其他感應器傳送過來的資料交由PC機處理。

由於，相比使用其他無線裝置來構建感測網，所花費的成本要低，自組網能力強，相信利用此種技術來構建無線感測網的前景將非常樂觀。