基于IEEE1451.5的ZigBee智能傳感器即插即用性能優化

姜世芬， 劉桂雄， 吳國光

（1.江門職業技術學院，廣東 江門 529090；2.華南理工大學，廣東 廣州 510640）

0 引 言

即插即用是實現網絡化智能傳感器互換性、互操作性的關鍵，IEEE 1451.5標準規范了無線智能傳感器體系結構，為無線智能傳感器在不同現場網絡中的互換性、擴展性提供解決途徑。無線傳感器接口即插即用研究主要集中在傳感網絡架構、無線接口即插即用設計、即插即用軟件協議配置等方面。無線接口即插即用設計涵蓋ZigBee/Bluetooth/WiFi/6LoWPAN即插即用的研究[1]，如西班牙Robotiker-Tecnalia公司[2]研究基于IEEE 1451.5藍牙標準，開發汽車環境下乘客健康狀況監測傳感器網絡，但因硬件資源受限，可接入傳感節點偏少且即插即用時間較長。Kun-Yung Lu等[3]提出基于事先定義并存儲于網絡數據庫的ZigBee節點自標識信息，實現傳感器、儀器儀表即插即用，但該機制缺乏通用性。周岳斌等[4]提出無線傳感器接口定期關聯匹配通信（periodic association matching communication，PAMC）機制，實現無線傳感器即插即用，在一定程度上提高識別率，但未涉及數據結構簡化、路由優化等。

本文基于PAMC機制實現傳感器即插即用，重點研究IEEE 1451.5 ZigBee智能傳感器即插即用性能優化方法，通過TEDS數據結構簡化、優化ZigBee路由算法，減小無線智能傳感器即插即用識別時間，提高識別率與網絡效率。

1 基于IEEE1451.5的ZigBee智能傳感器即插即用機制

圖1為基于定期關聯匹配通信PAMC的ZigBee IEEE 1451.5智能傳感系統架構，由NCAP（network capable application processor）與 WTIM（Wireless Transducer Interface Module）組 成 ，NCAP 負 責WTIM接入、關聯配置表、遠程用戶訪問管理等，采用ZigBee方式與WTIM通信。

圖1 無線接入IEEE 1451.5智能傳感系統架構

圖2為WTIM即插即用流程圖，NCAP上電后選擇一個頻率通道，以協調器模式建立ZigBee網絡并等待WTIM加入；WTIM上電后通過掃描信道號、查詢網絡，向NCAP發送加入請求，若NCAP允許加入，WTIM得到16位網絡地址；WTIM與NCAP建立正常通信后，啟動向NCAP發送關聯信息，以標識WTIM網絡狀態；NCAP加載TEDS，利用關聯信息建立關聯信息表，根據WTIM接入情況動態更新網絡參數與傳感信息；NCAP啟動傳感通道，WTIM按設定數據幀格式發送測量數據，NCAP完成傳感數據顯示和網絡發布。

圖2 無線智能傳感器即插即用流程圖

無線傳感器接口即插即用PAMC機制采用網絡參數恢復和定期關聯匹配通信方式，縮短了NCAP對WTIM的配置時間，減少了即插即用識別時間。

2 無線智能傳感器即插即用性能優化方法

ZigBee信道帶寬受限，當ZigBee網絡中較多WTIM傳輸數據且多個WTIM同時接入網絡時，TEDS數據量、路由選擇直接影響無線傳感器接口即插即用性能。因此，簡化TEDS數據結構、優化ZigBee路由算法，將有助于減小智能傳感器ZigBee無線接口即插即用識別時間、提高識別率。

2.1 TEDS數據結構簡化

標準TEDS數據結構較為繁雜，當系統忙或較多WTIM同時接入網絡時，瞬時大量TEDS數據會造成數據擁塞甚至數據丟失，嚴重影響即插即用速度與識別率。同時考慮到NCAP存儲資源有限，不宜保存大量TEDS數據，通過簡化WTIM的TEDS數據結構，可減少系統存儲容量要求。

基于IEEE1451.5的ZigBee無線傳感器接口必須包含 Meta-TEDS、Channel-TEDS、PHY TEDS，分別描述WTIM總體信息、通道屬性、物理特性[5]。本文采用的簡化原則為：

（1）刪除不必要TEDS數據字段。IEEE 1451.0標準中，Meta-TEDS原有23種數據字段保留5種，Channel-TEDS原有55種數據字段保留10種，IEEE 1451.5的PHY TEDS原有20種數據字段保留8種。

（2）減小數據字段長度。為增強適用性，IEEE 1451標準定義的TEDS數據字段長度一般偏大，實際應用可適當減小，如原為4字節Length字段減為1字節，原為4字節LowLimit、HiLimit字段減為2字節。

（3）簡化數據字段定義。如物理單位字段原采用9種基本單位指數形式表示，共13字節，描述方法雖完善，但對常見傳感量不夠直觀、簡潔且解析過程復雜，表1為簡化后物理單位定義表，僅占1字節。

表1 物理單位簡化定義

表2是簡化后的 Meta-TEDS、Channel-TEDS、PHY TEDS數據結構。

表2 無線智能傳感器TEDS簡化數據結構

借助以上措施，可實現無線智能傳感器TEDS數據結構簡化。WTIM將簡化的TEDS數據發送至NCAP，NCAP通過相應TEDS解析算法得到WTIM及傳感通道相關信息，配置相關資源，實現WTIM即插即用。

2.2 ZigBee路由算法改進

ZigBee采用網絡樹路由算法，根據網絡地址和父子關系實現路由選擇，優點是沒有路由發現過程，無需存儲路由表，但數據并非沿最優路徑傳輸，易造成服務延遲、流量不均衡[6]。圖3是IEEE 1451.5無線智能傳感器系統的ZigBee網絡樹路由結構圖。

圖3 ZigBee網絡樹路由結構圖

NCAP以協調器模式建立ZigBee網絡后，WTIM作為路由節點（RWTIM）或終端節點（TWTIM）加入網絡，形成樹狀拓撲結構。當TWTIM申請加入網絡，只能選擇RWTIM或NCAP作為父節點，獲得父節點分配的16b網絡地址。當較多WTIM同時接入時，網絡樹路由算法對TEDS傳輸路徑選擇直接影響ZigBee接口即插即用性能。如當TWTIM節點A向NCAP節點O發送數據時，按照網絡樹路由算法的父子關系，數據需要依次經過B、C、D、O四跳才能到達NCAP；若節點A能直接經最近鄰節點E轉發到節點O僅需兩跳，傳輸路徑更優、延遲更短。

設Ap、Anr、Ant分別為父節點、第n個路由子節點、第n個終端子節點的地址，Lm、Cm、Rm、d、Cs（d）分別為網絡最大深度、節點最大子節點數、節點最大路由子節點數、子節點網絡深度、父節點與子節點間地址偏移量。協調器組網后網絡地址為0，網絡深度為0，新節點網絡地址確定公式為

若深度為d、網絡地址為A的路由節點收到網絡地址為D的目的節點數據，由式（4）判斷目的節點是否為其后代節點。

若是其后代節點，則下一跳節點地址Nhop由式（5）確定，否則下一跳節點為該節點父節點。

每個ZigBee設備都維持一個鄰居表用于存儲單跳范圍內節點信息，用戶根據需要調整鄰居表信息。節點收到鄰居節點任何幀都會更新鄰居表信息，可由ZigBee協議完成，不會帶來額外數據傳輸[7-8]，故可從鄰居表節點信息對網絡樹路由算法進行改進。

圖4為網絡樹路由算法定義的改進鄰居表格式，表中 NodeAddr、NodeType、NodeDepth、CurRload分別表示鄰居節點地址、類型（路由或終端）、網絡深度、當前路由負載能力。

圖4 改進的鄰居表格式

若表征接收數據幀能量、質量的鏈路質量指示為LQI（link quality indicator）、后代節點總數為Ndes，則當前路由負載能力CurRload表達式為

新WTIM加入網絡時，TEDS沿網絡樹結構傳至協調器，沿途路由節點將Ndes值加1；鏈路質量指示LQI（0≤LQI≤255）在 ZigBee收發模塊每接收一個數據幀都可以得到，數值越高表明鏈路質量越好、傳輸越可靠。鄰居節點后代節點總數Ndes、鏈路質量指示LQI一定程度上反映了鄰居節點潛在數據路由任務強度，體現鄰居節點當前路由負載能力大小。

圖5 改進后網絡樹路由算法流程圖

圖5為改進后網絡樹路由算法流程圖，圖中虛框部分為算法改進部分，借助鄰居表實時更新鄰居節點特性參數，獲得跳數較少路由路徑。具體步驟為：

（1）搜索目的節點。節點接收數據后首先判斷自己是否為目的節點，若不是則再判斷是否為其后代節點，若是其后代節點則轉發數據到相應子節點再返回步驟（1），否則轉至步驟（2）。

（2）數據丟棄判定。判斷當前網絡深度是否為0（表示路由失敗），是則丟棄數據、結束路由，不是則轉至步驟（3）。

（3）搜索鄰居表。如目的地址與鄰居節點地址相符，則直接發送數據到鄰居節點，否則搜索鄰居節點中是否有路由節點；無路由節點則發送數據到父節點，有路由節點則搜索與目的節點網絡深度差距最小的鄰居節點，并發送數據到該節點；若網絡深度差距相同，則再搜索當前路由負載能力（由Ndes、LQI反映）最大的鄰居節點，并發送數據到該節點，否則發送數據到父節點，返回步驟（1）。

3 仿真實驗與分析

在Matlab 2010R平臺上仿真基于IEEE1451.5的ZigBee無線智能傳感器接口即插即用性能優化前后對比效果，仿真參數為：網絡覆蓋面積、WTIM節點傳輸距離分別為200 m×200 m，20 m，數據傳輸速率、數據包、誤碼率分別為 250 kB/s、16 B、0，網絡延遲為 0ms，設置 Cm=4、Rm=4、Lm=5，時間 120s。圖 6 為算法優化前后平均跳數對比圖。

圖6 WTIM到NCAP平均跳數比較圖

圖7 WTIM到NCAP平均時延比較圖

圖7為算法優化前后平均時延結果對比圖，可以看出，隨著節點數目的增加，兩種算法平均跳數、平均延時隨之增加，但本文所提出的優化算法比原網絡樹路由算法平均跳數減少42.9%，平均延時降低28.1%，數據傳輸效率與網絡實時性得到較大提高。

4 結束語

基于IEEE1451.5的ZigBee智能傳感器網絡中較多WTIM傳輸數據且多個WTIM同時接入網絡時，TEDS數據量、路由選擇直接影響無線傳感器接口即插即用性能，采用定期關聯匹配通信機制（PAMC）縮短了NCAP對WTIM的配置時間，減少了ZigBee智能傳感器即插即用識別時間；簡化TES數據結構，刪除不必要TEDS數據字段、減小數據字段長度、簡化數據字段定義等原則簡化Meta-TEDS、Channel-TEDS、PHY TEDS數據結構，減少無線智能傳感器TEDS數據量，進一步減小WTIM即插即用識別時間；改進ZigBee路由算法，借助ZigBee節點鄰居表與節點特性參數，實現無線傳感接口即插即用數據最優路徑傳輸，可大大提高數據傳輸效率及網絡實時性，智能傳感器即插即用性能得到優化。

[1]Higuera J，Polo J，Gasulla M.A ZigBee wireless sensor network compliantwith the IEEE 1451 standard[C]∥Sensors Applications Symposium，2009：309-313.

[2]Larrauri J M，Larrinaga B A，Lopez M L，et al.A sensor network solution to evaluate the wellbeing of the passenger and improve safety in cars[C]∥International Conference on Wireless Information Networks and Systems，2010：61-66.

[3]Lu K Y.A plug-and-play data gathering system using ZigBee-based sensor network[J].Computers in Industry，2011，62（7）：719-728.

[4]PAMC based IEEE 1451-2012 wireless sensor interface plug and play mechanism and implementation.International Workshop on Information and Electronics Engineering[S]，2012：2511-2515.

[5]Sindhu M，Deniz G.IEEE 1451.0 compatible TEDS creation using NET framework[C]∥Sensors Applications Symposium，2009：281-286.

[6]戚劍超，魏臻.ZigBee樹型路由算法的改進[J].合肥工業大學學報：自然科學版，2010，33（4）：529-532.

[7]李剛，陳俊杰，葛文濤.一種改進的ZigBee網絡Cluster Tree 路由算法[J].測控技術，2009，28（9）：52-55.

[8]路染妮，張剛.ZigBee無線傳感網絡的路由協議研究[J].電子設計工程，2010，18（11）：182-185.