智能家居ZigBee 網絡的構建與路由優化*

劉禮建，張廣明，唐桂忠，王祥華

(南京工業大學自動化與電氣工程學院 南京210009)

1 引言

隨著電子科學和網絡通信技術的不斷發展以及人民生活水平的提高，人們對居住環境的要求也越來越高，智能家居逐漸成為未來家居生活的發展方向。目前實現智能家居控制的網絡技術總體上可以歸為3大類：總線技術、無線技術及電力載波技術[1]。總線技術需要重新布線，對于已經裝修好的家庭來說重新布線不僅麻煩而且成本較高；電力載波技術由于電力線存在本身固有的脈沖干擾，容易造成信號傳輸不穩定；ZigBee無線技術具有復雜度低、成本低、功耗低、延遲短、網絡容量大和安全性高等諸多優點，適合用于組建智能家居系統的家庭網絡。

ZigBee協議是基于標準的7層開放式系統互連(OSI)模型,802.15.4-2006標準定義了物理層(PHY)和介質接入控制子層(MAC)；ZigBee聯盟提供網絡層(NWK)與應用層(APL)的框架構建。802.15.4標準定義了3種設備類型，分為協調器、路由器和終端設備，并且支持星型、樹簇型、網狀型3種網絡拓撲結構。協調器負責建立網絡，并為接入網絡的每個設備以分布式方式分配一個惟一的16位網絡地址，通過樹形路由協議和AODVjr路由協議轉發數據。

2 智能家居ZigBee網絡構建

該網絡以家庭為單位構建，采用樹簇型網絡拓撲結構，如圖1所示。每個家庭由一個協調器（樹形結構的根節點0）建立ZigBee網絡，路由器和終端設備向協調器請求加入網絡，協調器接受請求則發送允許加入信號，并以分布式方式為其分配一個全網惟一的16位網絡地址。

由于協調器和路由器需轉發的數據量大，能量消耗快，所以協調器、路由器和終端節點在能量供應上有所區別。協調器和路由器由市電和AC/DC模塊對其供電；終端節點轉發的數據量小，大部分時間處于休眠狀態，能量消耗少，由電池和DC/DC模塊對其供電。

2.1 通信協議

ZigBee通信協議幀結構由數據模式、目標地址、數據長度、數據信息、校驗和組成，格式如表1所示。

數據模式占用1 byte；目標地址占用2 byte，表明數據發送的地址，即協調器分配的16位網絡地址；數據長度占用1 byte，指示數據信息里數據的字節數；數據信息是所有發送的數據，占用字節依發送的數據量而定；校驗和占用1 byte，采用逐位異或的方式對幀結構里的數據進行校驗[2]。

表1 ZigBee通信協議幀結構

由于在智能家居中，傳輸的數據信息主要是“三表”數據、用于家電控制的控制信號等，所以將數據信息的結構再次劃分為節點號、功能編碼、原始數據。節點號是數據最終到達的目的地址 （與幀結構里的目標地址不同的是，幀結構目標地址可能是數據中轉過程中的中轉節點的地址）；功能編碼是控制器要求終端節點需要執行哪種功能的功能代號，每種功能都對應惟一的編碼；原始數據是傳輸的實際數據。

2.2 網絡地址分配

對于樹簇型網絡拓撲結構的網絡地址分配采用分布式方式，使網絡中的所有節點分配到的網絡地址都是惟一的。在該網絡拓撲結構中，邏輯樹中相連的兩個節點形成父子關系，每個進入網絡的節點的網絡地址都由父節點分配。

設父節點最多可以連接的子節點個數為Cm，子節點最多可以連接的路由節點個數為Rm,父節點所能分配子區段的地址數為Cskip，網絡的最大深度為Lm，當前網絡深度為d，則：

若Cskip=0，則父節點不能再分配網絡地址，不再允許其他節點加入該網絡。ZigBee協議規定網絡協調器的當前深度為0，網絡地址為0。設當前父節點地址為A0，若加入的子節點是路由節點，則加入的第一個路由子節點的地址為A0+1，之后加入的路由子節點依次以Cskip為增量遞增[3～4]。第Rn個路由節點網絡地址計算如式（2）：

若加入的子節點是終端設備，則按式（3）連續分配地址。設En為加入的終端設備，則：

根據上述地址分配方法可推導出當前網絡深度為d，網絡地址為A0的父節點可分配的地址范圍為：AddRange=[A0,A0+Cskip×Rm+(Cm-Rm)]。Cm=4，Rm=4，Lm=3 的簇樹形網絡，其地址分配如圖1所示，如該網絡的節點22，當前網絡深度為1，它可分配的地址范圍為[22,42]。

3 路由算法

3.1 AODVjr和Cluster-Tree算法

ZigBee網絡支持的路由算法主要有AODVjr算法[5]和Cluster-Tree 算 法[6]。

AODVjr是 Ad hoc按需距離矢量路由協議（AODV）的改進。當源節點要發送信息給目的節點時，首先查看自身的路由表是否有到目的節點的路由，若有則使用該路由直接轉發數據。若沒有則以洪泛方式向網絡發出組播路由請求（route request,RREQ）包，每個收到RREQ的節點都維護著一條到達源節點的信息，同時幫助源節點廣播尋找目的節點。當目的節點收到RREQ包后，向源節點以單播方式返回一條RREP包，源節點收到RREP包后通過比較路由代價，建立一條代價最小的路由。該算法可以找到到達目的節點的最優路由，但因為是向全網絡洪泛廣播RREQ包，大量消耗網絡節點能量，可能使有些節點提前變成死亡節點，并且有較大的控制開銷。

Cluster-Tree算法是根據目的節點的網絡地址來計算下一跳的地址。假設節點地址為A，深度為d的節點要轉發數據到目的地址D，根據式（4）判斷目的節點是否是該節點的后裔節點，即：

若是后裔節點則根據式（5）計算下一跳N，N=D是終端子節點，其他為路由子節點；若不是后裔節點，則轉發給其父節點[7]。該算法適合存儲能力受限的節點，不需要路由發現過程，但容易造成業務量分配不均衡。

ZigBee網絡節點被分成4種節點：協調器（coordinator）、有路由能力的路由節點（RN+）、沒有路由能力的路由節點(RN-)、終端設備節點 （RFD）。RN-和RFD只能使用Cluster-Tree算法進行路由選擇；coordinator和RN+可以使用AODVjr或Cluster-Tree算法進行路由選擇。

3.2 問題的提出

AODVjr算法以洪泛方式廣播RREQ包會產生過多的RREQ分組，而有些分組對找到最佳路徑的貢獻很小但卻耗費了資源。如圖1中，若22節點要發數據到65節點，由于65節點不是22節點的后裔節點，則22節點向其后裔節點發RREQ分組對找到65節點的最佳路徑的貢獻很小，但是卻耗費了資源，加劇了22節點變成死亡節點的速度。

Cluster-Tree雖然不要維護路由表，可以減少控制開銷和能量消耗，但它在選擇路徑時只考慮父子關系的節點，可能帶來更大的路由開銷。如圖1中，若節點66要發數據到鄰居節點28，通過Cluster-Tree父子關系轉發要5跳，而將數據直接轉發給鄰居節點28只需1跳。

針對Cluster-Tree在路徑選擇時只考慮父子關系的節點，參考文獻[6]和參考文獻[8]介紹了利用鄰居表來減少路由開銷的方法，但沒有提到如何選擇鄰居節點，也未考慮到節點的剩余能量。如果節點的剩余能量低于警戒值，繼續使用該節點轉發數據，很可能使該節點成為死亡節點，造成網絡分割，影響網絡通信效率，縮短網絡壽命。

4 路由算法改進

4.1 鄰居表

若兩個節點在一跳范圍內，則稱為鄰居節點，如圖1中節點2與節點7、43、44之間是鄰居節點關系。鄰居表條目的信息如表2所示。

表2 鄰居表條目信息

為鄰居節點的網絡地址；NodeType為節點的類型，0表示沒有路由功能，1表示有路由功能；NodePower為鄰居節點的當前剩余能量值。

4.2 節點最小剩余能量

[9]對節點最小剩余能量做了詳細的描述，假設初始能量為P0，深度為d的節點，最小剩余能量Pmin的計算式如下：

t為網絡運行時間；為特定系數，用于減緩Pmin減小的速度。從式（6）看出Pmin與時間t成反比，且時間越大，減緩的速度越慢，這符合網絡節點能量的實際情況，開始節點能量充足，Pmin可以減緩得相對較快，當時間越長節點能量較小時，Pmin遞減的幅度應該變小[9]。

4.3 改進的路由算法

改進算法為每個節點（除終端節點RFD外）建立一個鄰居表，記錄鄰居節點的信息。對RFD和RN-節點使用Cluster-Tree算法和鄰居表選擇路由；對coordinator和RN+節點使用AODVjr算法，并對RREQ洪泛方向進行適當的控制。在上述路由選擇過程中每個節點都判斷自身的剩余能量值，當低于最小剩余能量時告知源節點在路由選擇時避開該節點。具體算法如下。

（1）若是RFD節點發送數據，則直接轉發給其父節點。

（2）若轉發數據的節點不是RFD節點：① 首先檢查目的節點是否是它本身，若不是則判斷該節點能量P。如果PPmin，進入下一步；② 檢查目的節點是否在鄰居表中，若在則直接轉發，否則檢查自身節點類型NodeType，若NodeType=0 轉第（3）步，否則轉第（4）步。

（3）當RN-節點轉發數據時：①用式（4）檢查目的節點是否是該節點的后裔節點，若是后裔節點則按Cluster-Tree轉發，并更新自身能量值，否則進入下一步；② 按|D-Ak|搜索鄰居節點Ak中到達目的節點D最近的節點A，將數據幀轉發給A，并更新自身能量值；③若A為目的節點，則數據幀傳遞完成，否則在A節點重新開始第（2）步。

（4）當RN+節點轉發數據時：①檢查目的節點是否是該節點的后裔節點，若是后裔節點則只向子節點發送RREQ包，否則進入下一步；②檢查目的節點是否在其父節點或子節點的鄰居表內，若在則只向父節點或子節點發送RREQ包，否則進入下一步；③按搜索鄰居節點Ak中到達目的節點D最近的節點A，并給節點A發送RREQ包；④根據返回的RREP包建立路由，沿著路由轉發數據，并更新自身能量值。

5 仿真結果與分析

仿真采用Omnet++，網絡覆蓋面積為200 m×200 m，網絡節點數目100個，數據傳輸率250 KB，數據包長度128 bit，節點初始能量 1 000 J，Cm=4，Rm=4，Lm=5，α=2。仿真實驗結果如圖2、圖3所示。

在相同的網絡拓撲結構下比較傳統算法和改進算法的性能。由于AODVjr算法可以找到最優的路由（代價是耗費大量網絡節點能量），所以在比較平均跳數時只和Cluster-Tree算法比較；同樣的Cluster-Tree算法在網絡能量消耗上較少（代價是難以找到最優路由），在死亡節點比較上只和AODVjr算法比較。

圖2中用平均跳數 （平均跳數=所有數據包被轉發的次數/接收到的個數）來表示路由開銷。節點數目越多，網絡結構越大，平均跳數也越大。由于傳統的Cluster-Tree算法只考慮父子關系的節點，需要的跳數較多。改進算法將Cluster-Tree算法和AODVjr算法相結合并借助鄰居表的幫助，平均跳數明顯小于傳統Cluster-Tree算法，且隨節點數的增加平均跳數的增加幅度較小。

圖3比較了改進算法和傳統AODVjr算法的死亡節點數量。初始階段節點能量充足，不會出現死亡節點，隨著時間的增加，節點不斷轉發數據能量消耗很大，出現了死亡節點。由于改進算法考慮了節點最小剩余能量，其出現死亡節點的時間遲于傳統AODVjr算法。同時改進算法避開了能量低的節點，選擇能量高的節點轉發數據，避免了節點過早死亡，均衡了網絡負荷，最大化網絡的生存時間。

6 結束語

本文介紹了智能家居中ZigBee網絡構建過程中的通信協議和網絡地址分配，并重點說明傳統的路由算法在路由選擇及能量控制上的不足。針對該不足，對傳統算法進行改進，將AODVjr和Cluster-Tree算法相結合，引入鄰居表，適當控制RREQ轉發方向，并考慮節點最小剩余能量。仿真結果比較了傳統算法和改進算法在路由選擇過程中平均跳數和死亡節點數的不同，結果表明改進算法能夠減少路由開銷，延長節點的生存時間，均衡網絡負荷。在以后的工作中，筆者將重點研究網絡過程中多路由的動態選擇，進一步優化ZigBee網絡的整體性能。

參考文獻

1 花鐵森.智能家居系統核心技術探討.智能建筑電氣技術,2009,3(1):92～98

2 周游，方濱，王普.基于ZigBee技術的智能家居無線網絡系統.電子技術應用,2005(9):37～40

3 Asano Y，ImaiH，Toyoda M，etal.Finding neighbor communities in the Web using an inter-site graph.IEICE Transactions on Information and Systems,2004(9):2 163～2 170

4 Flake G W,Lawrence S,Giles C L,et al.Self organization of the Web and identification of communities.IEEE Computer,2002,35(3):66～71

5 Qiu F,Wang J M,Leng J.Design and implementation of a wireless personal area network based on AODVjr routing.In:Proceeding of the IET International Conference on Wireless Mobile&Multimedia Networks,Beijing,China,2006

6 Kim T,Kim D,Park N,et al.Shortcut tree routing in ZigBee networks.In:Proceedings of the 2nd International Symposium on Wireless Pervasive Computing,San Juan,PR,USA,2007

7 戚劍超，魏臻.ZigBee樹型路由算法的改進.合肥工業大學學報（自然科學版），2010,33(4):529～537

8 Qiu Wanzhi,Cheng Qi,Skafidas E.A hybrid routing protocol for wireless sensor networks.In:Proceedings of the 7th International Symposium on Communications and Information Technologies,Sydney,Australia,2007

9 班艷麗，柴喬林，王芳.改進的ZigBee網絡路由算法.計算機工程與應用，2009,45(5):95～98