基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的可控組網(wǎng)方法研究

摘要：ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)申節(jié)點(diǎn)多采用自組網(wǎng)的方式入網(wǎng)，這種方式容易引起網(wǎng)絡(luò)中部分節(jié)點(diǎn)的過(guò)度消耗。針對(duì)此種情況提出可控組網(wǎng)方式，通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)父節(jié)點(diǎn)的選擇控制，可以有效的監(jiān)控管理整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)分布，并延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)的壽命。通過(guò)在基于CC2530的開發(fā)系統(tǒng)申對(duì)可控組網(wǎng)方式編譯和實(shí)現(xiàn)，驗(yàn)證了其可行性。

隨著社會(huì)的發(fā)展，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在我們的各項(xiàng)活動(dòng)中扮演著越來(lái)越重要的角色。無(wú)線通信技術(shù)有很多，其中ZigBee技術(shù)以其低速率、短距離、低功耗的特點(diǎn)，較好地適用于智能家庭、智能建筑、醫(yī)療應(yīng)用和工業(yè)自動(dòng)化等某些特定的需求。

文中主要是對(duì)ZigBee網(wǎng)絡(luò)通訊組網(wǎng)方式的研究。ZigBee2007/PRO中規(guī)定的ZigBee網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)采取無(wú)線自組網(wǎng)的方式組建網(wǎng)絡(luò)。自組網(wǎng)容易將多個(gè)子節(jié)點(diǎn)經(jīng)同一父節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)，導(dǎo)致部分路由節(jié)點(diǎn)負(fù)擔(dān)過(guò)重耗電較快，進(jìn)而引起過(guò)早死亡。本文主要是研究通過(guò)一種可控的組網(wǎng)方式，使得用戶可以通過(guò)上位機(jī)自動(dòng)或手動(dòng)的選擇父節(jié)點(diǎn)讓節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)，這樣可以避免對(duì)個(gè)別關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的過(guò)量消耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。

1 無(wú)線自組網(wǎng)方法分析

無(wú)線自組網(wǎng)(Ad Hoc)又稱為多跳無(wú)線網(wǎng)，它是一種無(wú)中心節(jié)點(diǎn)、多跳的自組織技術(shù)。在ZigBee2007/PRO中倡導(dǎo)的組網(wǎng)方式中，一個(gè)新的節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中可以隨機(jī)放置，接通電源后先完成節(jié)點(diǎn)初始化，然后首先向協(xié)調(diào)點(diǎn)發(fā)送指令，協(xié)調(diào)點(diǎn)接收到請(qǐng)求分配級(jí)別指令后會(huì)記錄節(jié)點(diǎn)信息并分配對(duì)應(yīng)級(jí)別，并發(fā)送分配級(jí)別指令。節(jié)點(diǎn)在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)如果收到了分配指令，就會(huì)協(xié)調(diào)點(diǎn)發(fā)送包含白組織信息的數(shù)據(jù)包，確定自己在網(wǎng)絡(luò)中的級(jí)別和父節(jié)點(diǎn)信息，接入網(wǎng)絡(luò)。如果在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)沒有收到分配級(jí)別的指令，該節(jié)點(diǎn)就會(huì)從待機(jī)狀態(tài)喚醒，再次發(fā)送分配級(jí)別請(qǐng)求指令，循環(huán)執(zhí)行，直到接入成功。當(dāng)達(dá)到設(shè)置的上限次數(shù)但仍未獲得指令信息時(shí)，則節(jié)點(diǎn)接入失敗并報(bào)告錯(cuò)誤。節(jié)點(diǎn)自組織流程圖1所示。

2 改進(jìn)的組網(wǎng)方式

文中要實(shí)現(xiàn)的組網(wǎng)方式，是要讓子節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)實(shí)現(xiàn)有效的全程可控。當(dāng)新節(jié)點(diǎn)放入網(wǎng)絡(luò)后，會(huì)先廣播發(fā)送信標(biāo)幀，有效范圍內(nèi)的可用父節(jié)點(diǎn)收到信標(biāo)后會(huì)回復(fù)確認(rèn)消息，其中包含父節(jié)點(diǎn)本身的信息，新節(jié)點(diǎn)收到反饋的消息后會(huì)搜集父節(jié)點(diǎn)信息，整理后把包含父節(jié)點(diǎn)信息和自身信息的消息廣播發(fā)送給協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器接收到消息后會(huì)通過(guò)串口發(fā)送到上位機(jī)控制器，經(jīng)判斷后自動(dòng)或人為的選擇適合接入的父節(jié)點(diǎn)并將此消息發(fā)送給對(duì)應(yīng)父節(jié)點(diǎn)，父節(jié)點(diǎn)接收到此消息后向新節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息建立連接，節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)完成。

一個(gè)新節(jié)點(diǎn)放入網(wǎng)絡(luò)中，打開電源后會(huì)首先應(yīng)用層會(huì)向網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送一條發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求原語(yǔ)NLME-NETWORK-DISCOVERY.request對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初始化。網(wǎng)絡(luò)層收到網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)請(qǐng)求原語(yǔ)后會(huì)向MAC層發(fā)送節(jié)點(diǎn)掃描請(qǐng)求原語(yǔ)MLME-SCAN.request，來(lái)指示MAC層進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的主動(dòng)掃描。MAC層收到此條原語(yǔ)后就會(huì)指示物理層向網(wǎng)絡(luò)中廣播發(fā)送一條掃描父節(jié)點(diǎn)信標(biāo)幀，然后進(jìn)入待機(jī)模式等待反饋。在可用的父節(jié)點(diǎn)接收到信標(biāo)幀后，會(huì)向子節(jié)點(diǎn)反饋發(fā)送確認(rèn)消息，其確認(rèn)消息中將包含父節(jié)點(diǎn)本身的信息。節(jié)點(diǎn)的MAC層會(huì)接收每條具有有效負(fù)載的反饋信標(biāo)，然后對(duì)收到的信息進(jìn)行整理，確認(rèn)信標(biāo)負(fù)載、信標(biāo)的對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)地址等信息，整理后MAC層將會(huì)向NLME發(fā)送一條指示原語(yǔ)MLME-BEACON-NOTIFY.indication。NLME在收到原語(yǔ)后會(huì)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)中的地址字段進(jìn)行標(biāo)記，以確定是否與自己的近鄰表中現(xiàn)有地址相同。如果比對(duì)結(jié)果顯示二者相同，即重復(fù)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)會(huì)把信標(biāo)丟棄;如果二者不同，節(jié)點(diǎn)就保存信標(biāo)信息，并把其中的地址信息添加到自己的近鄰表中。MAC層在達(dá)到設(shè)定的計(jì)時(shí)周期后，就會(huì)向NLME發(fā)送掃描確認(rèn)原語(yǔ)MLME-SCAN.confirm，以標(biāo)志掃描過(guò)程結(jié)束。然后網(wǎng)絡(luò)層向應(yīng)用層法發(fā)送一條發(fā)現(xiàn)確認(rèn)原語(yǔ)NLME-NETWORK-DISCOVERY.confirm，將其掃描到的節(jié)點(diǎn)信息反饋給應(yīng)用層。應(yīng)用層在接收到網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送的發(fā)現(xiàn)確認(rèn)原語(yǔ)后，會(huì)向NLME發(fā)送加入請(qǐng)求原語(yǔ)NL ME-JOIN.request，發(fā)送的原語(yǔ)中對(duì)應(yīng)的標(biāo)識(shí)符參數(shù)與搜尋到的各節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符一致。網(wǎng)絡(luò)層在收到上層的加入請(qǐng)求指令后，會(huì)整理搜尋到的可用父節(jié)點(diǎn)信息，加入地址信息后發(fā)送加入請(qǐng)求原語(yǔ)MLME-JOIN.request給MAC層。MAC層收到原語(yǔ)后會(huì)指示物理層向網(wǎng)絡(luò)中廣播發(fā)送一條加入請(qǐng)求信標(biāo)幀，然后節(jié)點(diǎn)會(huì)打開定時(shí)器并進(jìn)入低功耗待機(jī)狀態(tài)，等待上級(jí)響應(yīng)。

子節(jié)點(diǎn)會(huì)在指定的時(shí)間間隔周期的喚醒接收上級(jí)的指令。協(xié)調(diào)器完成父節(jié)點(diǎn)選擇后會(huì)給指定的父節(jié)點(diǎn)發(fā)送確認(rèn)加入指令，父節(jié)點(diǎn)接收到消息后會(huì)給子節(jié)點(diǎn)發(fā)送一條加入請(qǐng)求原語(yǔ)NLME-DIRECT-JOIN.request來(lái)完成初始化，原語(yǔ)中的參數(shù)DeviceAddress記錄將要加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)地址信息，然后向子節(jié)點(diǎn)發(fā)送一條請(qǐng)求加入的信標(biāo)幀。子節(jié)點(diǎn)在收到父節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)幀后，MAC層會(huì)向網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送指示原語(yǔ)MLME-ASSOICATE.in dication，將接收到的父節(jié)點(diǎn)信息發(fā)送到上層。網(wǎng)絡(luò)層收到原語(yǔ)后將記錄父節(jié)點(diǎn)信息并比對(duì)與近鄰表中記錄的可用父節(jié)點(diǎn)信息是否一致，若一致，則向MAC層發(fā)送加入請(qǐng)求原語(yǔ)MLME-JOIN.request;若不一致則發(fā)送錯(cuò)誤報(bào)告。MAC層在與父節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)成功后會(huì)向網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送加入確認(rèn)原語(yǔ)MLME-JOIN.confirm指示加入成功，網(wǎng)絡(luò)層將向應(yīng)用層發(fā)送加入確認(rèn)原語(yǔ)NLME-JOIN.confirm，告知節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)成功。新節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)中子節(jié)點(diǎn)的信息流程圖如2所示。

作為父節(jié)點(diǎn)的協(xié)調(diào)點(diǎn)或路由節(jié)點(diǎn)收到子節(jié)點(diǎn)發(fā)出的節(jié)點(diǎn)掃描信標(biāo)幀后，NLME會(huì)先查看自己的近鄰表中是否存在與之相匹配的地址信息，以對(duì)新節(jié)點(diǎn)是否加入過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行判斷。如果發(fā)現(xiàn)有相匹配的地址信息，則路由節(jié)點(diǎn)NLME會(huì)記錄此條地址信息，然后按照下文的網(wǎng)絡(luò)原有節(jié)點(diǎn)重新加入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行操作;如果發(fā)現(xiàn)沒有相匹配的地址信息，則路由節(jié)點(diǎn)NLME會(huì)向MAC層發(fā)送一條響應(yīng)原語(yǔ)MIME-ASSOCIATE.resPonse。MAC層收到響應(yīng)原語(yǔ)后會(huì)指示節(jié)點(diǎn)物理層向新節(jié)點(diǎn)發(fā)送一條狀態(tài)信息，信息中記錄路由節(jié)點(diǎn)的地址和標(biāo)識(shí)符等信息。等收到子節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的整理完成的信息幀時(shí)，路由節(jié)點(diǎn)的MAC層會(huì)讀取信息幀中的頭地址信息，然后向NLME發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送請(qǐng)求原語(yǔ)MLME-SEND.request，網(wǎng)絡(luò)層收到請(qǐng)求原語(yǔ)后判斷發(fā)送地址是否正確并尋找發(fā)送數(shù)據(jù)需要的路徑。路徑建立后網(wǎng)絡(luò)層向MAC層發(fā)送發(fā)送確認(rèn)原語(yǔ)MLME-SEND.response，指示節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)信息發(fā)送到協(xié)調(diào)點(diǎn)并經(jīng)上位機(jī)選擇后會(huì)生成一條指示入網(wǎng)命令幀，然后發(fā)送。網(wǎng)絡(luò)會(huì)根據(jù)上位機(jī)選擇的父節(jié)點(diǎn)地址將命令幀轉(zhuǎn)發(fā)給對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)。選擇的父節(jié)點(diǎn)收到命令幀后會(huì)讀取命令信息，然后節(jié)點(diǎn)MAC層發(fā)送加入請(qǐng)求原語(yǔ)MLME-JOIN.request給網(wǎng)絡(luò)層，NLME收到原語(yǔ)后會(huì)給新節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)地址。父節(jié)點(diǎn)接收入網(wǎng)請(qǐng)求成功，NLME會(huì)在節(jié)點(diǎn)近鄰表中加入新節(jié)點(diǎn)的地址等信息，然后發(fā)送加入確認(rèn)原語(yǔ)MLME-JOI N.confirm給MAC層以報(bào)告關(guān)聯(lián)成功。新節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)中時(shí)路由節(jié)點(diǎn)的信息流程圖如圖3所示。

3 組網(wǎng)過(guò)程的實(shí)現(xiàn)

在進(jìn)行ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)應(yīng)用時(shí)，首先應(yīng)選取合適的硬件設(shè)備。TI公司的CC2530微控制器是新一代的片上系統(tǒng)解決方案。本文選取了成都無(wú)線龍公司生產(chǎn)的較為成熟的基于ZigBee的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)開發(fā)系統(tǒng)C51RF-CC2530-PK。軟件開發(fā)環(huán)境本文選取了IAR Embedded Workbench的C/C++交叉編譯器和調(diào)試器。

需要入網(wǎng)的子節(jié)點(diǎn)在完成初始化后，就會(huì)啟動(dòng)入網(wǎng)過(guò)程。節(jié)點(diǎn)會(huì)向網(wǎng)絡(luò)中廣播信標(biāo)幀，然后等待可用路由節(jié)點(diǎn)的反饋。廣播發(fā)送數(shù)據(jù)的函數(shù)如下所示：

當(dāng)收到反饋的可用父節(jié)點(diǎn)信息時(shí)，節(jié)點(diǎn)會(huì)將反饋的信息搜集整理后發(fā)送出去，然后進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，等待入網(wǎng)反饋。節(jié)點(diǎn)廣播入網(wǎng)請(qǐng)求信息函數(shù)段如下所示：

當(dāng)上位機(jī)選取合適的父節(jié)點(diǎn)后，父節(jié)點(diǎn)會(huì)與子節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)經(jīng)指定節(jié)點(diǎn)直接入網(wǎng)過(guò)程。此部分程序在ZigBee協(xié)議棧中有例子程序，在此不再詳述。

在子節(jié)點(diǎn)有效距離內(nèi)的路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器會(huì)在于節(jié)點(diǎn)廣播消息時(shí)接收到掃描幀，當(dāng)路由節(jié)點(diǎn)收到子節(jié)點(diǎn)的掃描幀時(shí)會(huì)首先判斷自身是否具有加入新節(jié)點(diǎn)的能力，包括是否有足夠地址空間等。路由節(jié)點(diǎn)反饋的函數(shù)段如下所示：

子節(jié)點(diǎn)搜集收到信息后會(huì)給路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求，其入網(wǎng)請(qǐng)求信息中包含可用父節(jié)點(diǎn)信息。向協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)請(qǐng)求入網(wǎng)信息的函數(shù)段如下所示：

父節(jié)點(diǎn)收到指令后會(huì)啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)過(guò)程。

文中用包括一個(gè)協(xié)調(diào)器、兩個(gè)路由節(jié)點(diǎn)和一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。程序編寫完成后將協(xié)調(diào)器代碼下載至節(jié)點(diǎn)1，并將此節(jié)點(diǎn)標(biāo)記為協(xié)調(diào)器;將父節(jié)點(diǎn)程序分別下載至節(jié)點(diǎn)2和節(jié)點(diǎn)3，并將這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)作為原網(wǎng)絡(luò)的路由節(jié)點(diǎn)，也即子節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)時(shí)的可用父節(jié)點(diǎn);將入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)程序下載至節(jié)點(diǎn)4。

下載完成后分別先打開協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)1和路由節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)2節(jié)點(diǎn)3的電源，用USB線將協(xié)調(diào)器與上位機(jī)連接起來(lái)，等待路由節(jié)點(diǎn)自動(dòng)加入網(wǎng)絡(luò)，組建所需主干網(wǎng)。待組建完成后打開節(jié)點(diǎn)4電源，并打開串口調(diào)試助手，此時(shí)會(huì)看到節(jié)點(diǎn)4掃描可用父節(jié)點(diǎn)信息后發(fā)送的入網(wǎng)請(qǐng)求信息，并在上微機(jī)軟件窗口顯示節(jié)點(diǎn)信息，此時(shí)選擇節(jié)點(diǎn)3作為接入父節(jié)點(diǎn)，此時(shí)可通過(guò)串口調(diào)試助手看到確認(rèn)接入命令。節(jié)點(diǎn)3接收到指令后會(huì)啟動(dòng)接收節(jié)點(diǎn)4為其子節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)4加入網(wǎng)絡(luò)。加入網(wǎng)絡(luò)成功后會(huì)在上位機(jī)軟件顯示網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)組建網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)過(guò)程的運(yùn)行實(shí)現(xiàn)，驗(yàn)證了所做的可控組網(wǎng)改進(jìn)方法達(dá)到了預(yù)期設(shè)定的目的，實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)通過(guò)選取可用的父節(jié)點(diǎn)對(duì)入網(wǎng)過(guò)程的控制。這樣的情況下當(dāng)在一些特殊情況下或者已知路由節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的情況下可以很好地避開功能較弱或者剩余電量較低的節(jié)點(diǎn)，可有效地提高關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的壽命，進(jìn)而提高了網(wǎng)絡(luò)的壽命。