新聞中心

EEPW首頁 > 手機(jī)與無線通信 > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 基于ZigBee的WSN路由研究與實(shí)驗(yàn)

基于ZigBee的WSN路由研究與實(shí)驗(yàn)

作者: 時(shí)間:2008-03-28 來源: 收藏

  摘 要: 詳細(xì)介紹了ZigBee無線協(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無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由過程。通過使用Microchip公司提供的TSZ-008 ZigBee開發(fā)套件,進(jìn)行了基于ZigBee的WSN路由的建立及確認(rèn)實(shí)驗(yàn)。

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/80823.htm

  關(guān)鍵詞: ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) TSZ-008 無線個(gè)人局域網(wǎng)絡(luò)

  無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(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(fù)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(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)使得ZigBee與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)完美地結(jié)合在一起。目前,基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究和開發(fā)已得到越來越多的關(guān)注。

  ZigBee是一個(gè)由多到65 000個(gè)無線數(shù)傳模塊組成的無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺,十分類似現(xiàn)有的移動(dòng)通信CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng),每一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊類似移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)基站,在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi),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(shù)據(jù)傳輸而建立,每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)既可以與監(jiān)控對象直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控,還可以自動(dòng)中轉(zhuǎn)其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)資料。除此之外,每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)還可在自己信號覆蓋的范圍內(nèi),與多個(gè)不承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)信息中轉(zhuǎn)任務(wù)的孤立子節(jié)點(diǎn)無線連接。ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可支持31個(gè)傳感器和受控設(shè)備,每個(gè)傳感器與受控設(shè)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(diǎn)大體可以分為兩種類型:有路由容量的節(jié)點(diǎn)和沒有路由容量的節(jié)點(diǎn)。對于樹簇拓?fù)涞腤SN來說,終端設(shè)備通常是RFD精簡設(shè)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(shè)備組成的,因此有路由容量。

  樹簇型拓?fù)涞腤SN中,通常采用樹簇算法與AODVjr算法相結(jié)合的路由算法,其中樹簇算法指的是消息沿著樹型拓?fù)溥M(jìn)行傳輸?shù)乃惴ǎ庆o態(tài)的,不需要存儲路由表。該算法適用于節(jié)點(diǎn)靜止或者移動(dòng)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(jìn),考慮到節(jié)能、應(yīng)用方便性留了等因素,對AODV的一些特點(diǎn)進(jìn)行了簡化,但是仍然保留了AODV的原始功能。

  這兩種算法的結(jié)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(qiáng)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)只能使用樹簇算法沿著樹型拓?fù)溥M(jìn)行路由。使能路由模式是將樹簇算法與AODVjr算法相結(jié)合,視具體情況來決定到底采用哪種路由算法。強(qiáng)制路由模式完全使用了AODVjr算法,只要設(shè)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(dòng)一個(gè)路徑查找過程,當(dāng)查找完成,數(shù)據(jù)包將沿著計(jì)算出來的路徑傳送。

  2 路由方式

  路由的設(shè)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(qiáng)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(luò)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(jìn)。

  使能路由發(fā)現(xiàn)(ENABLE):如果發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)路由器存在,數(shù)據(jù)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(xiàn)過程,當(dāng)發(fā)現(xiàn)完成,數(shù)據(jù)包將沿著計(jì)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(jìn)。

  強(qiáng)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(dòng)一個(gè)路由發(fā)現(xiàn)過程。發(fā)現(xiàn)完成,數(shù)據(jù)包將沿著計(jì)算出來的路由傳送。如果這個(gè)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(jìn)。這個(gè)選擇必須小心使用,因?yàn)樗鼤a(chǎn)生較大的網(wǎng)絡(luò)冗余。它的主要用途是修復(fù)破壞了的路由。

  對于樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)備間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(luò)的協(xié)調(diào)器或路由器都含有一個(gè)鄰接設(shè)備表,該表記錄了一定區(qū)域內(nèi)與其具有鄰接關(guān)系的設(shè)備。若想使用鄰接表進(jìn)行路由,只要目標(biāo)設(shè)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?fù)浣Y(jié)構(gòu),則要使用路由表來進(jìn)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(biāo)設(shè)備在路由表中有相關(guān)的記錄,則信息就可以根據(jù)路由表中的記錄進(jìn)行發(fā)送,否則就要沿著樹形拓?fù)鋪韨鬏敂?shù)據(jù)。

  3 路由過程

  路由過程主要為以下幾個(gè)步驟:

  (1)一個(gè)設(shè)備發(fā)出路由請求命令幀啟動(dòng)路由發(fā)現(xiàn)過程;

  (2)對應(yīng)的接收設(shè)備收到該命令后,回復(fù)應(yīng)答命令幀;

  (3)對潛在的各條路徑花費(fèi)(跳轉(zhuǎn)次數(shù)、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(shè)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(yīng)答都是由路由器或協(xié)調(diào)器創(chuàng)建的,當(dāng)路由器廣播發(fā)送路徑請求時(shí),通常不會只發(fā)一次,而是間隔一段時(shí)間重復(fù)進(jìn)行發(fā)送,而且對于廣播尋址來說,它擁有兩大特點(diǎn):一個(gè)是凡有無線RF收發(fā)使能的設(shè)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(yīng)答模式,即當(dāng)某一設(shè)備廣播發(fā)送消息時(shí),它還要監(jiān)聽所有的鄰居設(shè)備是否對該幀進(jìn)行廣播轉(zhuǎn)發(fā),若沒有則設(shè)備還要再次廣播發(fā)送該幀。這樣就會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備可能多次收到同一個(gè)路徑請求,目的設(shè)備也有可能在一段時(shí)間內(nèi)多次收到同一個(gè)路徑請求。目的設(shè)備究竟應(yīng)該響應(yīng)哪個(gè)路徑請求呢?在路徑算法的實(shí)現(xiàn)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(shè)備要響應(yīng)的請求,在該請求中記錄的路徑即為消息傳輸?shù)穆窂?,?yīng)答命令將沿著收到的第一個(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(yàn)

  本實(shí)驗(yàn)基于Microchip公司推出的TSZ-008系列開發(fā)套件,對ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由的建立與確認(rèn)等操作進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試。

  5.1 ZigBee 無線傳感器節(jié)點(diǎn)硬件

  要?jiǎng)?chuàng)建WSN節(jié)點(diǎn),本實(shí)驗(yàn)使用了以下的組件:一片帶SPITM接口的PIC18F單片機(jī);一個(gè)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?dāng)SPI主器件而CC2420充當(dāng)從器件。控制器實(shí)現(xiàn)了IEEE 802.15.4 MAC 層和ZigBee協(xié)議層。它還包含了特定的應(yīng)用邏輯,并使SPI總線與RF收發(fā)器交互。Microchip協(xié)議棧提供了完全集成的驅(qū)動(dòng)程序,免除了主應(yīng)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(yīng)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(shè)計(jì)步驟

  以微芯的ZigBee協(xié)議棧為例,為了設(shè)計(jì)ZigBee協(xié)議系統(tǒng),應(yīng)按以下步驟進(jìn)行設(shè)計(jì):(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(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì);(4)利用微芯協(xié)議棧提供的源文件擴(kuò)展ZigBee協(xié)議應(yīng)用;(5)進(jìn)行RF規(guī)范論證;(6)進(jìn)行ZigBee協(xié)議互操作規(guī)范論證。

  具體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)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(gè)設(shè)備具備的終端結(jié)構(gòu);

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

  (4)使用ZENA軟件產(chǎn)生基于設(shè)備類型、設(shè)備配置及終端結(jié)構(gòu)的配置文件并編寫相關(guān)源代碼。

  5.3 虛擬路徑建立過程

  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(rèn)路徑過程

  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(yàn)結(jié)果

  筆者主要對樹簇網(wǎng)進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)中,路由器與終端設(shè)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(shè)備為子節(jié)點(diǎn)的。與標(biāo)準(zhǔn)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,路由器不會向終端設(shè)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(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(shè)備。路由器沒有組建樹簇網(wǎng)絡(luò)的功能,但它可以接收終端設(shè)備形成星形網(wǎng)絡(luò),也可以加入?yún)f(xié)調(diào)器參與到樹簇網(wǎng)絡(luò)中。

  可以使用開發(fā)板進(jìn)行路由器的定位實(shí)現(xiàn)簡單路由,也可以實(shí)現(xiàn)幀轉(zhuǎn)發(fā),但是路由表的建立維護(hù)功能不全。協(xié)調(diào)器和路由器不能自動(dòng)地發(fā)起路由探詢與路由修復(fù),所以在應(yīng)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(gè)等待傳送的數(shù)據(jù)包。

  未來對ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(luò)得到最大限度的擴(kuò)展,且不影響路由的建立與自動(dòng)修復(fù)等等。無庸置疑,基于ZigBee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)會將擁有更大的發(fā)展空間與前景。

  參考文獻(xiàn)

  [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(jiān)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(jī)的網(wǎng)絡(luò)化路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 國外電子測量技術(shù), 2006,(2).

  [8] 李錦林. 超寬帶無線通信.通信測量儀器提出挑戰(zhàn)[J].國外電子測量技術(shù), 2006,(4).



評論


相關(guān)推薦

技術(shù)專區(qū)

關(guān)閉