基于zigbee技術在礦井下節點切換機制的研究

趙剛　敖文杰

摘 要：節點接入切換機制和路由技術是井下定位系統的關鍵技術。根據礦井環境的特點，改進移動節點入網接入方式，提出移動節點地址分配的新方案。該方案中移動節點的地址不由協調器分配，在入井前由程序直接設定，且不隨位置的移動而改變。仿真結果表明，提高移動節點入網成功率，減少了端到端的延時和丟包率，提高了數據傳輸效率。

關鍵詞：Zigbee；切換機制；礦井；人員定位系統

中圖分類號：TN926 文獻標識碼：A

Abstract：The joining and switching mechanism of motive node and routing is the key technologies in people's position system under mine. According to the characteristics of underground mine environment， we improved the joining and switching mechanism of motive node， and put forward a new scheme of node address allocation. In this scheme， the motive node's address was not assigned by the coordinator， but was directly set before entering the mine， and did not change with the location of the mobile . The simulation results show that the scheme can raise the success rate of motive node to join the network， reduce endtoend latency and packet loss rate， and increase the data transfer efficiency.

Key words：Zigbee；switching mechanism；mine；personnel position system

1 引 言

基于ZigBee技術[1]的煤礦井下人員無線定位監控系統已成為研究的熱點。煤礦井下人員跟蹤定位目標一般較多，定位精度要求更高，數據采集和系統反應速度要求較快，情況也較復雜，在系統中移動節點的接入切換機制是系統成功的關鍵。本文根據井下人員定位的特點，提出了適合于井下的移動節點切換機制. 提高了移動節點入網的成功率。

2 移動節點接入和切換機制

在井下定位系統中，移動節點的加入，增加了網絡的復雜度。移動節點能否成功入網成為系統的關鍵，如果移動節點根本無法成功接入網絡，那么，數據的傳輸就無法實現。更不可能對移動節點定位。因此，一個良好的節點接入與切換機制的確立是至關重要的。

3 zigbee技術移動節點入網切換機制

3.1 父設備以直接方式將子設備加入網絡

在一個ZigBee網絡中具有路由能力設備與一個新設備連接時，它就與新加入的設備形成父子關系。新設備成為子設備，而原有的設備成為父設備。在zigBee網絡中，子設備通過預先分配的父設備（ZigBee協調器或路由器）直接同網絡連接。

父設備的網絡層管理實體首先需要確定所指定的設備是否己經存在于網絡中。為了完成這個父設備的網絡層管理實體將搜索它的鄰居表，以確定是否有一個相匹配的64位地址。如果該地址存在，則網絡層管理實體將終止該過程，并向上層報告該設備已經存在于網絡設備列表中。

如果父設備沒有搜索到匹配的64位地址，網絡層管理實體將為這個新設備分配為一個16位網絡地址，該16位地址在網絡中是唯一的，每一個父設備具有一定的可分配地址空間，如果父設備有足夠的空間，則它將為該設備在它的鄰居表中創建一個新的入口，同時向上層報告連接成功。如果空間不夠，則終止該過程，并且向上層報告空間不足。

每一個父設備的地址空間大小由ZigBee協調器分配。在父設備將子設備加入網絡的過程中，他們并不交換任何信息。一旦父設備把子設備加入網絡，子設備為了建立父子網絡關系必須與父設備進行通信。此時子設備將啟動孤點方式進行網絡連接。

3.2 通過孤點方式加入或重新加入網絡

一個已經同網絡連接的設備為了完成建立它與其父設備的關系，應開始執行孤點流程。另外，如果一個以前已經連接網絡的設備，其網絡層管理實體不斷收到來自于MAC層發送的通信失敗信息，則設備同樣開始執行孤點流程。

l）子設備連接過程

子設備的網絡層管理實體將請求MAC層對物理層所規定的所有有效通信信道進行孤點掃描，如果成功掃描到父設備，網絡層管理實體將向其上層報告請求連接或重新連接網絡己經成功執行；如果孤點掃描不成功，網絡層管理實體同樣向上層報告，并終止該過程。

2）父設備連接過程

父設備的網絡層管理實體首先判斷該孤點設備是否是它的子設備。為了對其進行判斷，需要將孤點設備的擴展地址和在鄰居表中所記錄的子設備地址相比較，如果存在相匹配的地址，則網絡層管理實體將得到其相應的16位網絡地址以及它所對應MAC層的孤點響應狀態；如果不存在相匹配的地址，說明孤點設備不是他的子設備，網絡層管理實體將在隨后對MAC層的孤點響應報告中報告孤點設備不是它的子設備。

3.3 節點地址分配

網絡地址分配主要依據三個網絡參數，最多子設備數（nwkMaxChildren，Cm）、最大網絡深度（nwkMaxDepth，Lm）、設備允許鏈接的最大路由器數（nwkMaxRouters，Rm），根據下面的公式（1）計算地址偏移量Cskip（d），其中d為網絡深度，地址偏移量決定了設備可以分配給其具有路由能力的子設備的地址塊的大小。

4 改進后的節點接入切換方式

4.1 節點入網接入切換方式的缺點：

1）在相同網絡下，移動節點的平均接入成功率隨著移動速度的上升顯著下降。無論移動節點是直接入網還是通過孤點方式入網，都執行了掃描、確認、地址分配等一系列的復雜握手程序，減少了移動節點的接入成功率，曾加了網絡的響應時間。

2）在一個ZigBee網絡中，每個設備的網絡地址都是唯一的。當一個父節點所連接的子節點數目沒有達到允許連接最大值時，其對應子節點地址留空，為新加入的設備預留。沒有預留地址的父節點無法接納新設備，此時新設備就需要尋找其他父節點。如果在允許的傳輸距離內沒有能夠接納新設備的父節點，那么除非有其他設備退出，否則新設備將無法加入網絡正常工作。這也造成有些節點不能入網。

3）應用公式1為網絡中節點分配地址，節點數量存在飽和度。當節點數量多于飽和數量時候，超出的節點不能分配地址，這樣就造成了有的節點不能入網。在井下人員定位中，當井下人員數量超過一定數額時候超過飽和度的人員不能定位，這對于井下人員定位系統的缺點是致命的。如：在給出當Cm=4，RM=4，Lm=3時，圖1中，設備B的周圍最多容納21個節點，I的周圍最多容納5個節點。

4.2 改進后的移動節點接入方式

針對原有移動節點入網接入切換機制中的不足，對移動節點的入網方式做了如下改進。

1 ）在本系統中設定移動節點在井下通過泛洪的方式與移動節點有效通信范圍內的所有信標節點進行通信。

2 ）在默認情況下，ZigBee網絡使用樹狀拓撲模型分配地址，每個節點的地址都由父節點分配。其父節點分配所有地址在同一網絡中都是唯一的。為了避免網絡中的地址重復，我們對地址分配的區間做了規定。協調器提供給固定節點節點（包括信標節點和其他放置在指定位置采集瓦斯濃度、溫度等信息的節點）地址范圍是0X0000～0XEF00，包括協調器在內最多可以放置61440個信標節點。移動節點的地址不是由協調器分配，移動節點在井下的任何位置，其地址是唯一的，入網前由程序直接寫入，范圍是0X0F00～OXFFF，每次入井人數最多可以達到4096人。

4.3 移動節點入網仿真實驗

NS2[2]的全稱是：networkSimulato：（version2）。NS2是面向對象的離散事件驅動的網絡模擬器，由Berkley的California大學VINT項目研究組開發，后來 CaenegieMellon大學的Monarch研究組對其進行擴展，支持節點移動性并包括了無線電傳播模型、無線網絡接口和媒體訪問控制（MAC）的現實物理層。NS2是基于LINUX操作系統的仿真環境，它使用C++語言完成各個協議的實現；仿真腳本采用Otlc語言編寫；并提供了各種格式的trace文件。NS2支持廣域網、局域網、移動通信網、衛星通信網等多種網絡。

我們用Ns-2進行仿真，設有24個信標節點以3×8矩形方陣形式均勻分布。節點間距離是20米。節點間的最大通信距離為30米，協調器在節點分布區域的最右端。設有5個移動節點同時從最左端開始以速度為0.5m/s速度向右邊移動，以后分別再以1m/s、1.5m/s、2.0m/s、2.5m/s、3m/s，的速度從左邊地動到右邊。用傳統的zigbee技術節點接入方式和改進后的節點接入方式實驗結果如圖2所示。

從圖2中我們可以看出zigbee技術移動節點的入網成功通信率隨節點移動速度的增加急速降低。改進后隨移動節點速度的增加節點入網成功通信率緩慢降低，且相同速度下的通信成功率高于傳統的zigbee技術。我們定義節點入網通信成功率為：

節點入網通信成功率=協調器接收數據包的個數節點發送數據包的個數

5 結 論

通過對移動節點入網方式的改變，減少了所有由于移動節點的位置變化而帶來的復雜控制。避免了由于節點的移動而使部分移動節點不能成功入網的現象。由于移動節點不由協調其分配地址，避免的由于父節點沒有預留地址而使新加入的移動節點無法入網。

參考文獻

[1] ZigBee Alliance. ZigBee Specification[EB/OL] . http ：/ /www. zigbee. org ，2005-05-10.

[2] 徐雷鳴，龐博，趙耀.NS 與網絡模擬[M].北京：人民郵電出版社，2003.