無線傳感器網(wǎng)絡拓撲的監(jiān)控與維護

摘要：以ZigBee協(xié)議為基礎，提出了一種新的無線傳感器網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的監(jiān)控和維護方法。創(chuàng)新性地設計了基于葉子節(jié)點的通訊模式，該模式運用協(xié)議棧自有運行流程來獲取節(jié)點的加入或丟失信息、實現(xiàn)網(wǎng)絡拓撲的監(jiān)控，并通過設計一種基于關聯(lián)表的鏈表式存儲結(jié)構(gòu)來進行動態(tài)網(wǎng)絡拓撲的維護。經(jīng)過在實際辦公環(huán)境監(jiān)控平臺上驗證表明，該方法數(shù)據(jù)傳輸量小，資源占用少，操作簡便，具有較強的應用推廣價值。

關鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡；ZigBee；拓撲結(jié)構(gòu)；監(jiān)控與維護

0 引言

隨著無線傳感器網(wǎng)絡技術在軍事、工農(nóng)業(yè)、城市管理、環(huán)境監(jiān)控等各個領域的快速發(fā)展，作為系統(tǒng)基礎組成部分的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)成為研究的一個重要方面。目前，國內(nèi)外的科研機構(gòu)在網(wǎng)絡拓撲發(fā)現(xiàn)以及拓撲的監(jiān)控和管理方面開展了大量的相關研究工作，但大多停留在理論和仿真層面，這些通過在高性能的PC機上搭建仿真模型來驗證算法效果的研究，大多缺乏能夠應用到實際系統(tǒng)的可行性案例。安徽財經(jīng)大學的趙濤，根據(jù)在聚合節(jié)點(sink)收集到網(wǎng)絡內(nèi)部節(jié)點報文接收或丟失的情況，通過發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡中所有葉子節(jié)點到sink節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸路徑，來推測網(wǎng)絡的邏輯拓撲。該方法計算比較復雜，120節(jié)點規(guī)模網(wǎng)絡在主頻為2．8 GHz的CPU主機上運行尚需9秒的時間，同時會受到節(jié)點資源、計算速度、實施條件等限制，因此，這種方法很難在實際應用中實現(xiàn)。德州儀器(TI)公司的官方網(wǎng)站也給出了一種獲取網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的方法，該方法采用發(fā)送網(wǎng)絡發(fā)現(xiàn)命令的方式，并通過返回結(jié)果來確定網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。此法雖然能夠在實際應用中實施，但需要定期向網(wǎng)絡中的所有節(jié)點發(fā)送發(fā)現(xiàn)命令，因而數(shù)據(jù)消耗量巨大。

本文以Z-stack協(xié)議棧為基礎，采用葉子節(jié)點通訊方式，并利用協(xié)議自身的運行流程，提出了一種輕量數(shù)據(jù)消耗、真正面向應用的拓撲監(jiān)控方案，同時通過設計一種基于關聯(lián)表的鏈式存儲結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)對網(wǎng)絡拓撲信息的維護，因而在解決網(wǎng)絡監(jiān)控與維護方面更具有實際應用價值。

1 Z-stack協(xié)議棧原理簡介

作為ZigBee聯(lián)盟的一個重要的組織成員，2007年，TI公司宣布推出業(yè)界領先的ZigBee協(xié)議棧Z-Stack。Z-Stack符合ZigBee 2006規(guī)范，能支持多種平臺，其中包括本系統(tǒng)使用的、面向IEEE 802．15．4／ZigBee的CC2430片上系統(tǒng)解決方案。

1．1 ZigBee協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)及信息傳遞流程

ZigBee協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，由圖可見，ZigBee協(xié)議采用分層體系結(jié)構(gòu)，由物理層(PHY)、介質(zhì)接入控制子層(MAC層)、網(wǎng)絡層(NWK)和應用層(APL)組成。其中，應用層框架包括了應用支持子層(APS)、ZigBee設備對象(ZDO)及由制造商制定的應用對象。

在ZigBee網(wǎng)絡中，信息或數(shù)據(jù)的傳遞將依照上述層次結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。上層發(fā)送的數(shù)據(jù)或指令按照應用層-網(wǎng)絡層-MAC層-物理層的順序，從上至下依次進行處理；底層返回的數(shù)據(jù)則按照物理層-MAC層-網(wǎng)絡層-應用層的順序，從下至卜處理后返回給上層用戶。每個層次負責發(fā)送到本層數(shù)據(jù)的分析和判斷，并對于屬于本層次的數(shù)據(jù)或指令做出相應的動作響應；對于不屬十本層的數(shù)據(jù)，則按照規(guī)定格式打包后發(fā)送給上、下一層。

1．2 節(jié)點加入與失步流程

為了維護系統(tǒng)的正常運行，ZigBee協(xié)議棧還提供了一些必須的消息響應流程，其中包括節(jié)點加入網(wǎng)絡和失步響應的流程。

節(jié)點加入流程如圖2所示。當子節(jié)點申請加入網(wǎng)絡時，會啟動加入流程。子節(jié)點的加入請求通過其NWK層、MAC層、PHY層傳遞給父節(jié)點；父節(jié)點收到加入通知消息后，又通過其PHY層、MAC層、NWK層將該情況上傳給應用層，最后通過ZDO JoinIndicationCB()函數(shù)的調(diào)用，得到子節(jié)點加入的消息。

節(jié)點失步流程是指終端節(jié)點丟失其父節(jié)點的同步信號時，向上層報告的失步情況發(fā)生的流程。其具體流程如圖3所示。

終端節(jié)點每隔一段時間就會開啟與父節(jié)點的同步，當在設定時間內(nèi)沒有接收到父節(jié)點的同步信號時，就會產(chǎn)生失步指示信息，協(xié)議棧將該失步信息層層上傳，最后通過調(diào)用ZDOSynclndicationCB()函數(shù)，將信息傳達到應用層。

1．3 關聯(lián)表

TI的Z-stack協(xié)議棧在全功能節(jié)點中可以維護associateddevices t結(jié)構(gòu)的關聯(lián)表，關聯(lián)表中保存有與本節(jié)點直接關聯(lián)(父子節(jié)點)的相關信息，包括關聯(lián)節(jié)點的短地址、設備類型、連接狀態(tài)等，基本上可以滿足網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)監(jiān)控和維護的信息需求。

TI的ZigBee協(xié)議棧雖然可為用戶開發(fā)提供強大支持，但是在網(wǎng)絡監(jiān)控和維護上并沒有專用的接口。一方面，該協(xié)議棧只能發(fā)現(xiàn)節(jié)點加入網(wǎng)絡，但是無法發(fā)現(xiàn)節(jié)點非主動性的丟失或退出，因而不具備網(wǎng)絡拓撲監(jiān)控的功能；另一方面，協(xié)議在每個全功能節(jié)點中部維護了與之關聯(lián)設備的關聯(lián)表，但是并沒有維護整體網(wǎng)絡的關聯(lián)信息，因而無法掌控網(wǎng)絡拓撲的全貌。鑒于協(xié)議棧在網(wǎng)絡拓撲功能上的不足和缺陷，本文以協(xié)議基本流程為基礎，提出一種實現(xiàn)整體網(wǎng)絡拓撲監(jiān)控和維護的方法，該方法可以滿足一般系統(tǒng)對于拓撲結(jié)構(gòu)的監(jiān)控和維護需求。

2 網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)監(jiān)控

網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)監(jiān)控的主要目的是實現(xiàn)拓撲結(jié)構(gòu)的建立和在結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時及時獲取變化情況，其中最主要的是實現(xiàn)節(jié)點加入和退出事件的捕捉。節(jié)點加入事件的獲取相對容易，可以通過加入節(jié)點主動上報等方式來獲??；而節(jié)點丟失事件獲取要復雜得多。現(xiàn)階段，對節(jié)點丟失情況的監(jiān)控多采用系統(tǒng)定期查詢的手段。采用查詢方法時，其實時性與查詢周期的長短直接相關：查詢周期設置較長，拓撲變化反映時間增長，實時性變差；而查詢周期設置較短，則傳輸數(shù)據(jù)量增大，占用系統(tǒng)資源，往往很難在二者之間找到平衡點。協(xié)議棧中數(shù)據(jù)或消息的傳遞是一個復雜的過程，為了盡可能地降低系統(tǒng)資源的占用、節(jié)約能耗，除了維護系統(tǒng)正常運行所必須的數(shù)據(jù)通訊外，還應盡量減少人為添加(應用層)的數(shù)據(jù)通訊量。因此，最好的辦法就是利用協(xié)議自身的數(shù)據(jù)傳遞或者節(jié)點加入、失步等流程來實現(xiàn)相關信息的獲取。

本文設計了一種基于網(wǎng)關——葉子節(jié)點通訊的節(jié)點丟失情況獲取方法，該方法可以利用協(xié)議棧自身的運行流程，以較少的數(shù)據(jù)通訊量和簡單的操作，實現(xiàn)網(wǎng)絡中所有節(jié)點的丟失情況獲取。

2．1 節(jié)點加入事件的獲取

通常情況下，節(jié)點加入事件多采用加入節(jié)點主動上報的方法來獲取。該方法操作簡單，但是需要人為地發(fā)送相關加入信息，會增加系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊量。由圖2所示的節(jié)點加入流程可知，如果有子節(jié)點加入網(wǎng)絡，加入的指示信息都會通過ZDOJoinIndmationCB()函數(shù)的調(diào)用報告給父節(jié)點。即該函數(shù)的調(diào)用證明有了節(jié)點的加入事件。因此，本文通過在此函數(shù)中添加向應用程序報告的功能，即可通知用戶了節(jié)點加入事件的發(fā)生。

2．2 節(jié)點丟失信息的獲取

由圖3所示的流程可知，協(xié)議棧通過調(diào)用vold ZDOSyncIndicationCB(byte type，uint16 shortAddr)函數(shù)可實現(xiàn)失步情況的報告。該函數(shù)具有節(jié)點丟失的指示功能，并能夠指示丟失節(jié)點與本節(jié)點的父子關系和短地址等。但在實際的應用中發(fā)現(xiàn)，該函數(shù)的調(diào)用是有條件限制的，具體實施條件如下：

父節(jié)點丟失：從失步報告流程可知，終端節(jié)點能夠自動輪詢發(fā)現(xiàn)其父節(jié)點同步信號的丟失，而無需人為添加任何觸發(fā)條件，引發(fā)函數(shù)調(diào)用。但路由節(jié)點不支持與父節(jié)點的輪詢機制，因而不能產(chǎn)生父節(jié)點丟失情況的報告。

子節(jié)點丟失：對于包括終端節(jié)點在內(nèi)的所有類型節(jié)點的子節(jié)點丟失，在未加相應處理的情況下，協(xié)議棧都不會引發(fā)該函數(shù)的調(diào)用。

由實施條件可知，該函數(shù)的丟失指示并不適用于所有類型節(jié)點的丟失情況，因此，如果要得到除終端父節(jié)點外網(wǎng)絡中所有節(jié)點的丟失情況，就需要人為加入其他處理，以觸發(fā)ZDOsynclndicationCB()函數(shù)的調(diào)用，從而實現(xiàn)丟失事件的獲取。

2．3 葉子節(jié)點通訊觸發(fā)方法

通常采用的基于查詢的網(wǎng)絡發(fā)現(xiàn)機制部需要在所有節(jié)點間發(fā)送數(shù)據(jù)，因而增大系統(tǒng)的數(shù)據(jù)開銷。這里以圖4所示的拓撲結(jié)構(gòu)為例，圖中的葉子通訊需要進行14條數(shù)據(jù)的查詢和14條數(shù)據(jù)的應答才能夠完成一次節(jié)點丟失情況的獲取。為了盡可能減少數(shù)據(jù)通訊和操作的復雜度，本文設計了一種基于網(wǎng)關——葉子節(jié)點通訊的節(jié)點丟失情況獲取方法，以便用較少的數(shù)據(jù)通訊量和簡單的操作來實現(xiàn)網(wǎng)絡中聽有節(jié)點的丟失情況獲取。

研究發(fā)現(xiàn)，失步函數(shù)的觸發(fā)可以通過加入數(shù)據(jù)通訊來實現(xiàn)。因為在數(shù)據(jù)發(fā)送的過程中，協(xié)議棧會開啟數(shù)據(jù)發(fā)送流程，數(shù)據(jù)發(fā)送后則會自動檢測接收方應答幀。這樣，如果節(jié)點丟失，則發(fā)送節(jié)點無法接收到有效應答，進而引發(fā)節(jié)點失步指示函數(shù)的觸發(fā)。

具體觸發(fā)時，如果節(jié)點之間有數(shù)據(jù)通訊，發(fā)送數(shù)據(jù)節(jié)點則能夠發(fā)現(xiàn)接收數(shù)據(jù)節(jié)點的丟失，從而引發(fā)vold ZDOSynclndicationCB(byte type，uint16 shortAddr)函數(shù)的調(diào)用。

在同一條數(shù)據(jù)通路上的節(jié)點進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時，數(shù)據(jù)傳遞路徑上的各個節(jié)點都會發(fā)現(xiàn)其父節(jié)點(數(shù)據(jù)由下而上)或者子節(jié)點(數(shù)據(jù)由上而下)的丟失，進而調(diào)用void ZDOSynclndicationCB(byte type，uint16 shortAddr)函數(shù)。如圖4所示，如果網(wǎng)關發(fā)送數(shù)據(jù)到終端節(jié)點1，則在網(wǎng)關到終端節(jié)點1數(shù)據(jù)路徑上的所有節(jié)點(網(wǎng)關、路由1、路由2、終端1)都能夠發(fā)現(xiàn)其了節(jié)點的丟失；終端節(jié)點1發(fā)送數(shù)據(jù)到網(wǎng)關，則路徑1上的所有節(jié)點都能發(fā)現(xiàn)其父節(jié)點的丟失。

該方法通過建立數(shù)據(jù)通路上起始節(jié)點和末端節(jié)點的數(shù)據(jù)通訊來實現(xiàn)整條路徑上節(jié)點丟失情況的獲取。其具體操作過程分為兩個部分：其一是父節(jié)點丟失情況的獲取。由前面提到的實施條件可知，終端節(jié)點無需任何人為操作就能夠發(fā)現(xiàn)其父節(jié)點的丟失，而無需對此部分做特殊處理，因而只需對路由節(jié)點做出處理。而由路由葉子節(jié)點(如圖4中路由節(jié)點2、4)向網(wǎng)關發(fā)送數(shù)據(jù)時，則可實現(xiàn)整條路徑上所有節(jié)點丟失情況的獲取。其二是了節(jié)點丟失情況的獲取。子節(jié)點丟失的獲取可以通過網(wǎng)關向葉子節(jié)點(圖4中所有終端節(jié)點和路由4)發(fā)送數(shù)據(jù)的方法來覆蓋整個網(wǎng)絡中的所有節(jié)點，從而使全部節(jié)點都能夠發(fā)現(xiàn)其了節(jié)點的丟失情況。

人為加入上述兩部分數(shù)據(jù)通訊后，只要整個網(wǎng)絡中有節(jié)點丟失，該丟失節(jié)點的父節(jié)點和子節(jié)點都會產(chǎn)生失步函數(shù)voidZDO_SyncIndicat ionCB(byte type，uint16 shortAddr)的調(diào)用，這樣就可以簡單地在該函數(shù)中添加向上層應用報告的功能，實現(xiàn)網(wǎng)絡中節(jié)點丟失信息獲取。并且數(shù)據(jù)通訊量由原來的28條減少到6條，從而大大減少了數(shù)據(jù)消耗和由此帶來的系統(tǒng)資源占用。

3 網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)與維護

Z-stack協(xié)議棧在全功能節(jié)點中只維護與本節(jié)點直接關聯(lián)的節(jié)點信息的關聯(lián)表，沒有整體網(wǎng)絡信息的存儲功能。為了解決Z-stack關于網(wǎng)絡全貌信息缺失的缺陷，結(jié)合本文提出的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)監(jiān)控方法，設計一種拓撲結(jié)構(gòu)維護的方法，在占用少量資源的情況下獲取整個網(wǎng)絡的拓撲信息，并將信息整合到網(wǎng)關節(jié)點中統(tǒng)一維護和管理，從而建立網(wǎng)絡拓撲的管理辦法，實現(xiàn)具有自組織、自適應能力的智能網(wǎng)絡管理機制。

3．1 管理模式

網(wǎng)絡信息管理可采用搜集模式和監(jiān)控模式相結(jié)合的方式。搜集模式通過發(fā)送指令搜集網(wǎng)絡拓撲信息，賦予用戶即時獲取當前網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的能力；監(jiān)控模式通過監(jiān)控從網(wǎng)絡組建起歷史網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)變化，實現(xiàn)網(wǎng)絡拓撲信息更新，從而整合為當前網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。

搜集模式在實現(xiàn)時，首先由網(wǎng)關設備廣播一個命令來搜集設備信息；然后，收到廣播信息的路由節(jié)點再按照一定的數(shù)據(jù)格式，由網(wǎng)關返回子節(jié)點關聯(lián)信息；當網(wǎng)關收到各個路由節(jié)點的返回信息后，再將其組合為整個網(wǎng)絡中的設備信息。

監(jiān)控模式則是從網(wǎng)絡形成起，網(wǎng)關節(jié)點就開始監(jiān)控所有節(jié)點的狀態(tài)；當路由節(jié)點檢測到其子節(jié)點加入或者退出的時候，向網(wǎng)關上報該子節(jié)點的狀態(tài)變化信息，而網(wǎng)關節(jié)點檢測到子節(jié)點加入或者退出則不用上報，直接在網(wǎng)關內(nèi)部處理；當網(wǎng)關接收到路由節(jié)點上報的狀態(tài)信息后，就會刪除或者增加該路由子節(jié)點的關聯(lián)信息，同時更新整體網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。

3．2 網(wǎng)絡拓撲存儲結(jié)構(gòu)

網(wǎng)關節(jié)點作為整個網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)管理的中心，負責拓撲結(jié)構(gòu)的添加、刪除和更新，因此，必須在網(wǎng)關節(jié)點存儲整體的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)信息。受網(wǎng)關資源的限制，本文采用分級動態(tài)鏈表的形式保存網(wǎng)絡拓撲信息，以便以較少的資源占用實現(xiàn)拓撲信息的動態(tài)存儲。本設計的網(wǎng)絡拓撲存儲結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5中，AssocLisHead是裝載路由節(jié)點頭信息的數(shù)組，包含有該路由節(jié)點的長地址、短地址、父節(jié)點短地址和擁有的子節(jié)點數(shù)以及指向其子節(jié)點鏈表assoc list的頭指針；assoclist鏈表中記載著這一路由下的了節(jié)點信息，包括子節(jié)點的短地址、長地址、類型、連接狀態(tài)等。在該路由下每增加一個子節(jié)點，就會在assoc list鏈表中添加一個節(jié)點信息，當節(jié)點離開時，又會將相對應的鏈表刪除。這樣，網(wǎng)關就可以方便地對當前網(wǎng)絡中的昕有節(jié)點的拓撲和相關信息進行查找、更新、維護。

3．3 網(wǎng)絡維護方案

網(wǎng)絡維護的實施要建立網(wǎng)絡中所有類型節(jié)點間的區(qū)分與協(xié)作機制。區(qū)分是根據(jù)節(jié)點類型的不同、事件類型的不同做出區(qū)別處理；協(xié)作是在所有節(jié)點間建立連動響應機制，相互配合，并實現(xiàn)信息的匯聚和統(tǒng)一管理。具體的網(wǎng)絡維護分為事件響應和信息維護兩部分。

3. 3. 1 拓撲變化事件的響應

拓撲變化主要是指節(jié)點加入事件和節(jié)點退出事件。當節(jié)點加入事件是指節(jié)點加入網(wǎng)絡時，其父節(jié)點負責將該子節(jié)點加入信息上報網(wǎng)關；節(jié)點退出事件則是指獲取到的網(wǎng)絡節(jié)點丟失信息的處理。處理可分為兩種情況：一種是當傳遞來的type=1時，即丟失節(jié)點為本節(jié)點的父節(jié)點時，開啟網(wǎng)絡加入流程，使節(jié)點可以重新加入網(wǎng)絡，并恢復網(wǎng)絡的正常運行；第二種情況是type=0時，即本節(jié)點發(fā)現(xiàn)其中一子節(jié)點丟失。本方法對于長時間無法連接的子節(jié)點，將啟動移除(LEAVE)流程，將該子節(jié)點從網(wǎng)絡中刪除，同時向網(wǎng)關節(jié)點報告子節(jié)點退出的消息。

需要注意的是：當子節(jié)點丟失時，有的時候是真正丟失了(長時間或永久無法連接)，但更多的時候只是暫時地失去聯(lián)系，隨著子節(jié)點的重新加入申請，又可以加入網(wǎng)絡，恢復正常的運行狀態(tài)。因此，設計時需要將暫時失步和真正丟失這兩種情況區(qū)分開，再分別做出合理的處理。

本文采用延時判斷的方式，即當檢測到失步現(xiàn)象發(fā)生后，先定時一段時間，冉做判斷：如果定時一段時間后，節(jié)點仍舊失去聯(lián)系，則判定是真的丟失了節(jié)點，此時可通過NLMELeaveReq移除子節(jié)點，同時上報網(wǎng)關節(jié)點丟失的消息；否則認為只是暫時的節(jié)點失步。節(jié)點退出情況的處理流程如圖6所示。

3．3．2 拓撲信息的維護

由網(wǎng)絡各個路由上報的節(jié)點加入或退出的信息最終將存網(wǎng)關匯集，網(wǎng)關按照上報的節(jié)電加入、退出信息對網(wǎng)絡拓撲存儲關聯(lián)表進行添加、刪除、更新，以維護當前網(wǎng)絡拓撲狀態(tài)。其具體方法是先判斷接收信息的種類，然后對節(jié)點加入信息和節(jié)點退出信息分別處理。對于加入信息，可核查是否是已經(jīng)存在于網(wǎng)絡中的點，如果是已經(jīng)存在的，則更新存儲的節(jié)點信息；如果是一個全新的點，則為該節(jié)點分配存儲空間，并在對應的父節(jié)點下增添子節(jié)點分支。對于退出信息，同樣核查是否是存在于網(wǎng)絡中的點，如果該節(jié)點已經(jīng)不存在了，則報錯處理；

如果是存在的點，則將該節(jié)點信息刪除，并解除與其父節(jié)點的父子聯(lián)系。

網(wǎng)關在接收到由父節(jié)點上報的節(jié)點加入消息時，還需要對加入子節(jié)點類型進行判斷；如果是終端節(jié)點，則在其父節(jié)點的鏈表中更新或加入該子節(jié)點的相關信息；如果加入節(jié)點是路由節(jié)點，除了在該路由節(jié)點父節(jié)點的鏈表中加入該子節(jié)點信息外，還要添加該子路由關聯(lián)頭信息。圖7所示是實現(xiàn)網(wǎng)絡拓撲維護管理的示意圖。

4 實驗驗證

本文的實驗驗證可在基于CC2430搭建的WSN開發(fā)平臺上進行，該平臺共使用5個終端節(jié)點、5個路由節(jié)點、1個網(wǎng)關和PC調(diào)試機。所有傳感器節(jié)點自組織成無線網(wǎng)絡，并將感知信息和拓撲信息匯報給網(wǎng)關節(jié)點，網(wǎng)關節(jié)點與PC機通過串口相連，操作人員可以通過上位機的調(diào)試軟件對網(wǎng)絡狀態(tài)進行實時監(jiān)控。圖8所示是其上位機監(jiān)控程序界面。該試驗網(wǎng)絡的節(jié)點布局示意圖如圖9所示。

實驗時隨機選取監(jiān)控過程中兩個時間點的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)監(jiān)控過程示意圖如圖10所示。其中兩個時間點在實驗過程中上報的拓撲變化信息如表1所列。

從實驗結(jié)果可以看出，一方面，父節(jié)點能夠?qū)崟r上報其子節(jié)點加入和丟失的網(wǎng)絡變化情況；另一方面，子節(jié)點也能夠及時檢測出其父節(jié)點的丟失，并選擇其他父節(jié)點重新申請加入網(wǎng)絡?？梢姡鞠到y(tǒng)具有網(wǎng)絡的自組織、自適應的動態(tài)網(wǎng)絡監(jiān)控與維護功能。

5 結(jié)語

本文提出了一種通過終端與父節(jié)點間的失步信號來捕捉與基于葉子節(jié)點人為觸發(fā)失步函數(shù)調(diào)用的方法，可以實現(xiàn)整個網(wǎng)絡節(jié)點丟失情況的獲取。其中，通過終端與父節(jié)點間失步信號來捕捉節(jié)點丟失信息的方法無需人為干預，能夠通過協(xié)議自動實現(xiàn)，從而減少了查詢的數(shù)據(jù)量和對其操作帶來的系統(tǒng)資源占用；基于葉子節(jié)點的失步函數(shù)觸發(fā)機制，只通過葉子節(jié)點與網(wǎng)關的數(shù)據(jù)傳輸，就能夠完成整個線路上節(jié)點丟失情況的獲取，在實際應用中，經(jīng)常由終端上報數(shù)據(jù)，相當于終端自動完成數(shù)據(jù)線路上父節(jié)點丟失情況的發(fā)現(xiàn)，使該方法的實施更加簡單。這兩種方法的結(jié)合，能夠以較小的數(shù)據(jù)通訊量、簡單的操作和較小的系統(tǒng)資源占用來實現(xiàn)網(wǎng)絡發(fā)現(xiàn)的功能，因而具有較高的實際應用價值。

本文提出的網(wǎng)絡拓撲維護方法具備網(wǎng)絡拓撲的自組織、自適應功能，可滿足無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)對于網(wǎng)絡組織結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能要求。同時具備拓撲結(jié)構(gòu)的存儲功能，能以較少的系統(tǒng)資源保存整個網(wǎng)絡的動態(tài)拓撲結(jié)構(gòu)，十分方便網(wǎng)絡的管理和控制。