基于ZigBee的自愈自組網(wǎng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

饒達(dá)琴，張文超

（杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018）

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN，Wireless Sensor Network）是由分布在有效區(qū)域內(nèi)具有通訊功能的大量傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線方式自組織形成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)采集信息并通過無線網(wǎng)絡(luò)逐級傳送到監(jiān)控中心[1]。ZigBee是一種介于IEEE 802.11無線局域網(wǎng)與藍(lán)牙技術(shù)之間的無線通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，是基于IEEE 802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、應(yīng)用和安全方面的通信技術(shù)。ZigBee為用戶提供了一個低成本、低功耗、低復(fù)雜度、適中的數(shù)據(jù)傳輸速率、高容量以及短距離通信等特性的技術(shù)平臺[2]。依據(jù)該平臺，客戶通過創(chuàng)造性的研發(fā)工作，根據(jù)具體任務(wù)要求設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)和配備相應(yīng)的軟件，就可以出色地完成很多任務(wù)。

本文采用集成了ZigBee技術(shù)和增強(qiáng)型8051內(nèi)核的SOC芯片CC2530，配合相應(yīng)的軟硬件，構(gòu)建了一個無線測控網(wǎng)絡(luò)。

該無線測控網(wǎng)絡(luò)克服了目前一般無線網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性差易崩潰的缺點(diǎn)，支持星型、樹型以及網(wǎng)狀網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，除具有自組織功能外，還研發(fā)成功了自愈功能，對網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性、健壯性以及提高工作效率都有重大的意義。

下面首先簡述ZigBee協(xié)議和Z_Stack協(xié)議棧，重點(diǎn)論述自組網(wǎng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)自愈功能的研發(fā)與實(shí)現(xiàn)和該網(wǎng)絡(luò)的一個實(shí)際應(yīng)用例子：對無人值守通信基站的交流電壓、電流和溫濕度環(huán)境等參數(shù)的遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)控。

1 ZigBee協(xié)議體系結(jié)構(gòu)

ZigBee協(xié)議體系由稱為層的各模塊組成。每一層為其上層提供特定的服務(wù)：

即由數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)；管理實(shí)體提供所有的其他服務(wù)。每個服務(wù)實(shí)體通過相應(yīng)的服務(wù)接入點(diǎn)（SAP）為其上層提供一個接口，每個服務(wù)接入點(diǎn)通過服務(wù)原語來完成所對應(yīng)的功能。ZigBee協(xié)議體系如圖1所示。

主要由應(yīng)用層（APL）、網(wǎng)絡(luò)層（NWK）、媒介訪問控制層（MAC）和物理層（PHY）組成，其中媒介訪問控制層和物理層是由IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義的，ZigBee聯(lián)盟則定義了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層架構(gòu)[3]。物理層定義了物理無線信道和MAC子層之間的接口，提供物理層數(shù)據(jù)服務(wù)和物理層管理服務(wù)。媒介訪問控制層負(fù)責(zé)所有的物理無線信道的訪問，并產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信號、同步信號；支持PAN連接和分離，提供2個對等（peer to peer）MAC之間可靠的鏈路。網(wǎng)絡(luò)層主要實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)加入或離開網(wǎng)絡(luò)、接收或拋棄其他節(jié)點(diǎn)、路由查找及傳送數(shù)據(jù)等功能。應(yīng)用層框架包括應(yīng)用支持子層 （APS）、ZigBee設(shè)備對象（ZDO）和制造商所定義的應(yīng)用對象。

圖1 ZigBee協(xié)議體系結(jié)構(gòu)Fig.1 Architecture of ZigBee protocol

基于ZigBee協(xié)議應(yīng)用開發(fā)中，用戶只需實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層框架即可，應(yīng)更多的關(guān)注應(yīng)用層框架 （創(chuàng)造性發(fā)揮也在這一層）。APS主要用于維持綁定表、在綁定設(shè)備之間傳送消息。ZDO主要定義設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的角色 （ZigBee協(xié)調(diào)器還是路由或者終端），發(fā)起和響應(yīng)綁定請求，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間建立安全機(jī)制等。

IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中定義了兩種設(shè)備類型，全功能設(shè)備（FFD）與精簡功能設(shè)備（RFD）。ZigBee協(xié)議也定義了這兩類設(shè)備，ZigBee協(xié)調(diào)器相當(dāng)于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中的PAN協(xié)調(diào)器，ZigBee路由器擁有IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中協(xié)調(diào)器的功能，ZigBee終端是網(wǎng)絡(luò)中最便宜的設(shè)備，擁有最少的功能。全功能設(shè)備（FFD）在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中能完成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中任何功能，而精簡功能設(shè)備（RFD）在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中只能作為終端，且只能與全功能設(shè)備（FFD）通信。全功能設(shè)備（FFD）與精簡功能設(shè)備（RFD）硬件配置是可以完全相同，但在軟件的配置上不同。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由ZigBee協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層決定，且必須是IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中定義的兩種類型之一：星型網(wǎng)絡(luò)和對等型網(wǎng)絡(luò)[4]。在星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，協(xié)調(diào)器建網(wǎng)與路由數(shù)據(jù)的功能，終端節(jié)點(diǎn)通過協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信。在對等網(wǎng)絡(luò)中，所有的節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)都可以進(jìn)行通信，所有的節(jié)點(diǎn)都參與數(shù)據(jù)傳遞。因此網(wǎng)絡(luò)能夠自組織以及通過多跳方式來進(jìn)行通信（這也為實(shí)現(xiàn)自愈功能提供了必要的基礎(chǔ)）。

2 ZSTACK協(xié)議棧

CC2530是TI公司推出的一款兼容IEEE 802.15.4的SOC，集成了增強(qiáng)型8051內(nèi)核，結(jié)合上TI的Z_Stack協(xié)議棧軟件，可組建網(wǎng)絡(luò)，同時加快開發(fā)周期，減小開發(fā)成本。

Z_Stack協(xié)議棧采用操作系統(tǒng)的思想來構(gòu)建，采用基于優(yōu)先級的事件輪循機(jī)制，當(dāng)各層初始化完成后進(jìn)入低功耗模式，事件發(fā)生時，喚醒系統(tǒng)進(jìn)入中斷處理事件函數(shù)，結(jié)束后繼續(xù)進(jìn)入低功耗模式[5]。操作系統(tǒng)抽象層（OSAL）實(shí)現(xiàn)了一個易用的操作系統(tǒng)平臺，通過時間片輪轉(zhuǎn)函數(shù)實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度，提供多任務(wù)處理機(jī)制。系統(tǒng)中tasksEvents數(shù)組中存放著每個任務(wù)標(biāo)志位，輪循判斷各任務(wù)標(biāo)志位來執(zhí)行對應(yīng)的任務(wù)。Z_Stack協(xié)議棧工作流程如圖2所示。

圖2 Z_Stack協(xié)議棧工作流程Fig.2 Workflow of Z_Stack

Z_Stack協(xié)議棧提供多種任務(wù)事件觸發(fā)機(jī)制，可以直接通過API函數(shù)osal_set_event（）設(shè)置要觸發(fā)的任務(wù)標(biāo)志位；也可以通過設(shè)置一個軟件定時器 osal_start_timeEx（）函數(shù)等待溢出來觸發(fā)；最后，也可以通過調(diào)用系統(tǒng)消息傳遞機(jī)制來觸發(fā)任務(wù)事件。在進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)時，需要在tasksEvents數(shù)組中添加相應(yīng)的任務(wù)，確定任務(wù)的ID號。同時在初始化系統(tǒng)任務(wù)函數(shù)osalInitTasks（）中添加任務(wù)的初始化函數(shù)，在事件處理函數(shù)數(shù)組tasksArr[]中添加任務(wù)處理函數(shù)。每個任務(wù)的ID號是唯一的，系統(tǒng)按每次檢測到的任務(wù)ID號執(zhí)行相對應(yīng)的事件處理函數(shù)。

3 具有自愈功能的自組網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

通過對ZigBee協(xié)議體系的研究，利用Z_Stack協(xié)議棧在CC2530平臺上，實(shí)現(xiàn)ZigBee自愈功能的自組網(wǎng)，傳感器節(jié)點(diǎn)對無人值守通信基站的交流電壓、電流和溫濕度環(huán)境等參數(shù)進(jìn)行信號調(diào)理和采集后經(jīng)路由器節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器，再通過GPRS通信方式傳遞到監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)對無人值守通信基站的交流電壓、電流和溫濕度環(huán)境等參數(shù)的實(shí)時監(jiān)控結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 無人值守通信基站參數(shù)實(shí)時監(jiān)控示意圖Fig.3 Schemes of the unattended communication stations parameter real-time monitoring

3.1 自組網(wǎng)的設(shè)計(jì)

ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中，只有一個節(jié)點(diǎn)作為協(xié)調(diào)器，其他節(jié)點(diǎn)都是路由器或終端。網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點(diǎn)都有兩個地址：64位IEEE擴(kuò)展地址和16位網(wǎng)絡(luò)地址。64位IEEE擴(kuò)展地址類似于MAC地址，它唯一的標(biāo)識著每一個設(shè)備。16位的網(wǎng)絡(luò)地址在節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)時由其父節(jié)點(diǎn)（協(xié)調(diào)器或路由器）動態(tài)分配，該地址僅在路由或者數(shù)據(jù)傳輸時使用[6]。

ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)有兩種地址模式，靜態(tài)地址分配和樹狀地址分配。協(xié)調(diào)器確定整個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目，每個節(jié)點(diǎn)都擁有一個網(wǎng)絡(luò)深度，用以指示在其父子鏈路上數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器所需的最小跳數(shù)。協(xié)調(diào)器的深度為0，而它的孩子節(jié)點(diǎn)深度為1。可知，多跳網(wǎng)絡(luò)中深度大于1，網(wǎng)絡(luò)深度是由協(xié)調(diào)器來決定的。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，假設(shè)一個父節(jié)點(diǎn)有最大孩子節(jié)點(diǎn)數(shù)為Cm，網(wǎng)絡(luò)最大深度為Lm，一個父節(jié)點(diǎn)的最大路由數(shù)為Rm，可以計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點(diǎn)的功能函數(shù)Cskip（d）：

式中d是節(jié)點(diǎn)到協(xié)調(diào)器的深度。如果Cskip（d）的值為0，則表明此節(jié)點(diǎn)為葉子節(jié)點(diǎn)，而Cskip（d）的值大于0，則表明該節(jié)點(diǎn)可作為一個父節(jié)點(diǎn)，這個父節(jié)點(diǎn)可以接收子節(jié)點(diǎn)并根據(jù)它們是否具有路由能力來分配地址。具體過程是：首先一個子節(jié)點(diǎn)的地址被分配，子節(jié)點(diǎn)地址比父節(jié)點(diǎn)的地址多1，然后其余節(jié)點(diǎn)根據(jù)下式求出：

式中 1≤n≤（Cm-Rm），Aparent代表父節(jié)點(diǎn)的地址。

ZigBee協(xié)調(diào)器在上電后，首先要建立一個無線網(wǎng)絡(luò)。在Z_Stack協(xié)議棧中，通過函數(shù)ZDApp_NetworkInit（）進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)初始化，系統(tǒng)檢測到ZDP任務(wù)的ZDO_NETWORK_INIT事件，調(diào)用處理函數(shù)ZDO_StartDevice（）啟動網(wǎng)絡(luò)的組建。通過變量logicalType判斷設(shè)備類型，如為協(xié)調(diào)器，則調(diào)用ZStatus_t NLME_NetworkFormationRequest（）來完成網(wǎng)絡(luò)的組建，同時該函數(shù)產(chǎn)生一個回調(diào)函數(shù)ZDO_Network Formation ConfirmCB（），通過該函數(shù)，根據(jù)系統(tǒng)消息判斷網(wǎng)絡(luò)組建是否成功。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)建立完成并允許新設(shè)備加入時，子設(shè)備（即子節(jié)點(diǎn)）才可以請求加入網(wǎng)絡(luò)。在Z_Stack協(xié)議棧中，子節(jié)點(diǎn)上電后調(diào)用ZDApp_Network Init（）進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)初始化，之后調(diào)用 NLME_NetworkDiscovery Request（）來尋找射頻范圍內(nèi)存在的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，該函數(shù)會產(chǎn)生回調(diào)函數(shù)ZDO_Network Discovery ConfirmCB（），系統(tǒng)就是通過該函數(shù)來得到發(fā)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)信息。在發(fā)現(xiàn)有已經(jīng)建好的ZigBee網(wǎng)絡(luò)后，調(diào)用NLME_JoinRequest（）加入網(wǎng)絡(luò)，同時產(chǎn)生回調(diào)函數(shù)ZDO_JoinConfirmCB（），通過該函數(shù)判斷加入網(wǎng)絡(luò)是否成功。路由器在網(wǎng)絡(luò)中負(fù)責(zé)信息的轉(zhuǎn)發(fā)，發(fā)現(xiàn)鄰居等，同時路由器必須在另一個路由的射頻范圍內(nèi)，并且持續(xù)監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳遞的新信息。終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)各種數(shù)據(jù)的采集與上傳以及接收下傳命令并執(zhí)行，同時監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)。

3.2 自愈功能的實(shí)現(xiàn)

如果在網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行情況下，有路由器因故障離網(wǎng)，導(dǎo)致原有的路由線路破壞。ZigBee提供了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自愈功能的基礎(chǔ)，在用戶研發(fā)的軟硬件配合下，可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)自愈功能，使得整個網(wǎng)絡(luò)不因個別節(jié)點(diǎn)的變動而能持續(xù)工作。終端節(jié)點(diǎn)在這種情況下，又會再次啟動發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)加入網(wǎng)絡(luò)的過程。但，前提是在終端節(jié)點(diǎn)的射頻范圍內(nèi)存在著可用的路由器。在 Z_Stack協(xié)議棧中，通過調(diào)用zb_ReadConfiguration（）可以訪問非易失性存儲器NV中的信息，其中包括節(jié)點(diǎn)的設(shè)備類型logicalType，節(jié)點(diǎn)的IEEE地址，節(jié)點(diǎn)的啟動模式startOptions等重要信息，同時也可以通過調(diào)用zb_WriteConfiguration（）來寫入這些設(shè)備信息，能夠在協(xié)議棧中靈活的配置網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)的自啟動、自組網(wǎng)以及自愈等功能，提高了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性、健壯性也同時提高了網(wǎng)絡(luò)的工作效率。

3.3 所研發(fā)網(wǎng)絡(luò)的一個應(yīng)用例子

在像無人值守通信基站（或局站）等重要場合，需對基站的交流電壓、電流和溫濕度環(huán)境等參數(shù)實(shí)時監(jiān)控。采用本網(wǎng)絡(luò)對基站的各種參數(shù)進(jìn)行采集，軟件設(shè)計(jì)主要在Z_Stack協(xié)議棧的應(yīng)用層上實(shí)現(xiàn)。各種參數(shù)信號經(jīng)過外部調(diào)理電路處理后連接到CC2530的模擬IO口，CC2530的 ADC轉(zhuǎn)換模塊采集各個參數(shù)并在內(nèi)部進(jìn)行定標(biāo)和各種運(yùn)算處理。處理后的數(shù)據(jù)部分供給采集子節(jié)點(diǎn)本地使用；部分需上傳的數(shù)據(jù)經(jīng)過CC2530的系統(tǒng)觸發(fā)數(shù)據(jù)傳送事件，調(diào)用afStatus_t AF_DataRequest（）將數(shù)據(jù)無線發(fā)送給協(xié)調(diào)器。

協(xié)調(diào)器接收到各種測量參數(shù)對應(yīng)的無線數(shù)據(jù)后直接發(fā)送至登記注冊過的端點(diǎn)。應(yīng)用程序?qū)⑼ㄟ^AF_INCOMING_MSG_CMD OSAL消息事件處理接收到的數(shù)據(jù)包（包內(nèi)主要有：數(shù)據(jù)組號group ID、發(fā)送節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址、端點(diǎn)號、數(shù)據(jù)類型以及各種測量參數(shù)對應(yīng)的數(shù)據(jù)）。協(xié)調(diào)器通過對數(shù)據(jù)包的分析，準(zhǔn)確的提取出所需要的節(jié)點(diǎn)號以及各種測量參數(shù)數(shù)據(jù)，最后通過GPRS通信方式將采集的數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)對無人值守通信基站的交流電壓、電流和溫濕度環(huán)境等參數(shù)的實(shí)時監(jiān)控。

4 結(jié)束語

文中分析了ZigBee協(xié)議體系結(jié)構(gòu)各層主要功能，以及ZigBee網(wǎng)絡(luò)中兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；研究分析了TI的Z_Stack協(xié)議棧的開發(fā)與工作流程，以及自組網(wǎng)、自愈組網(wǎng)的協(xié)議開發(fā)過程。基于CC2530無線單片機(jī)硬件平臺設(shè)計(jì)了一個具有自組網(wǎng)、自愈功能的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，很好地實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的自組網(wǎng)和自愈功能，同時完成了對無人值守通信基站的交流電壓、電流和溫濕度環(huán)境等參數(shù)的實(shí)時監(jiān)控。該系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，還可以用在其他工業(yè)遠(yuǎn)程測控、路燈遙測遙控以及環(huán)境監(jiān)測等無人值守領(lǐng)域，有非常好的應(yīng)用前景和顯著的社會經(jīng)濟(jì)效益。

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