基于Zig Bee的煤層氣體泄漏監控系統網絡拓撲分析

(吉林建筑大學電氣與計算機學院　吉林　長春　130118)

引言

無線傳感器網絡技術快速發展，成為21世紀影響力巨大的科學技術之一。其應用范圍廣泛，安全監控、自動化控制等應用領域都為它的立足發展提供了肥沃土壤，ZigBee技術作為無線網絡技術中的一種，憑借其成本低，功耗小、組網靈活等優勢快速發展[1]。作為一種無線通信技術，ZigBee具備良好可靠性、網絡容量大、安全性突出以及兼容性良好等特點。本文針對這些優勢，對煤層氣體泄露監控系統網絡拓撲結構進行分析。

一、ZigBee無線傳感器網絡

ZigBee無線傳感器網絡的基本單元是各個ZigBee節點，其無線網絡協議是一種基于標準的5層開放式系統互聯(OSI)模型。IEEE802.15.4標準定義了最下面的2層—物理層(PHY)和介質接入控制子層(MAC)。ZigBee協議定義了網絡層、應用程序支持子層以及應用層的數據傳輸規范[5]，如圖1所示，也就是說，ZigBee無線網絡分為5層，即物理層(PHY)、介質訪問控制層(MAC)、網絡層(NWK)、應用程序支持子層(APS)、應用層(APL)。分層思想優點很多。例如：協議部分變化時，只需對其有關層修改，其它層不變。

應用層網絡層應用程序支持子層物理層介質接入控制子層ZigBee協議定義IEEE802.15.4標準定義ZigBee無線網絡

圖1

(一)ZigBee節點

ZigBee無線網絡由各個ZigBee節點構成，每個節點都加載了ZigBee協議棧并具備ZigBee功能。ZigBee節點分為三種：ZigBee協調器、ZigBee路由器和ZigBee終端。節點具有尺寸小、功耗低和適應性強等特點。其中ZigBee協調器主要負責建立和維護無線網絡，路由器負責路由信息和采集信息，而終端只負責無線網絡數據采集。ZigBee協調器和路由器可以與其他類型節點通信，而終端只與ZigBee協調器或路由器通信，且終端之間不能通信。

二、ZigBee無線網絡拓撲結構

多個ZigBee節點互聯構成ZigBee無線網絡，該網絡支持3種類型的網絡拓撲結構，即星形、樹狀和網狀。由于星形拓撲和樹形拓撲都可以看做是網狀拓撲的簡單形式，故而網狀拓撲最為重要。

(一)星形拓撲

星形拓撲是3種拓撲結構中最為簡單的，其構成主要是協調器和一系列的FFD/RFD(全功能設備/簡化功能設備)。ZigBee協調器作為整個星形網絡的中心，建立、管理并維護整個網絡，其它所有節點都只能通過協調器加入網絡，各個節點也只能與協調器進行通信，即各節點間數據路由唯一，不可選擇。其網絡結構如圖2所示。

(二)樹形拓撲

與星形拓撲不同，在樹形拓撲中，終端節點不僅可以通過協調器加入網絡，也可以通過路由器加入網絡。相比之下，其結構更具優勢。ZigBee協議規定，樹形結構中，各個節點僅能與其父節點和子節點進行通信。也就是說，數據傳輸時，信息只能沿著樹的路徑方向傳遞給協調器或目標節點。在樹形拓撲中，由網絡層處理信息路由過程，且路由唯一。其結構如圖3所示。

(三)網狀拓撲

在網狀網絡拓撲結構中，各個節點，地位平等，可以與其通信范圍內的所有節點直接通信。網狀拓撲是在樹形拓撲的基礎上實現的。但相比樹形拓撲更加靈活、可靠。并且，各個協調器之間可以組成更為復雜的網絡結構。其結構如圖4所示。

三、煤層氣體泄漏監控系統的組網方案

煤層氣體泄漏監控系統中對網絡結構要求大致分為幾個方面：網絡全面覆蓋，連通性高；部分節點失效時，能夠實現重建；抗干擾能力強；系統能耗低，壽命長[6]。根據這些要求，其網絡結構如圖5所示，其設計思想是利用其終端設備采集數據信息，由路由器打包并傳遞信息止協調器，再由協調器傳遞至上位機，實現動態顯示，從而實現礦下安全工作。

圖5

(一)煤層氣體泄露監控系統的網絡節點

在整個煤層氣體泄漏監控系統網絡結構中，各個網絡節點都是一個子系統，可以獨立完成各自所承擔的功能。網絡節點一般分為幾個模塊：傳感器模塊、數據處理模塊、通信模塊、電源模塊，如圖6所示。

圖6

四、結語

ZigBee無線傳感網絡具有廣泛的應用前景，而網絡拓撲作為無線傳感器網絡中的重要部分，對網絡性能、整個系統的性能都有巨大影響，良好的網絡拓撲結構能提高路由協議和MAC協議的效率，為數據處理、時間同步、目標定位奠定基礎。因此，對網絡拓撲的研究十分重要的。