基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)節(jié)點(diǎn)設(shè)計與實現(xiàn)

引言

保護(hù)民族物質(zhì)文化和非物質(zhì)文化遺產(chǎn)的任務(wù)一直都為國家所重視，少數(shù)民族博物館中的文物是國家最為寶貴的民族物質(zhì)文化遺產(chǎn)，利用發(fā)展前景最為廣闊的無線傳感技術(shù)，將數(shù)字化保護(hù)概念落實到實際的少數(shù)民族遺產(chǎn)保護(hù)當(dāng)中，搭建無線傳感網(wǎng)絡(luò)以完成數(shù)據(jù)的采集和傳遞，將博物館中的實時環(huán)境信息轉(zhuǎn)換為易讀的數(shù)字信號傳遞給管理員。

受到“十一五”國家科技支撐計劃的重點(diǎn)課題《民族特需品數(shù)字化關(guān)鍵技術(shù)研究與示范應(yīng)用［課題編號2009BAH41B05］》項目的支持，研發(fā)一套適合民族家具博物館的物聯(lián)網(wǎng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品。本文對整個無線傳感網(wǎng)絡(luò)體系中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件、軟件提出具體設(shè)計思路和實現(xiàn)方法。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)路徑

1.1路由基本算法

ZigBee網(wǎng)絡(luò)區(qū)別于其他無線傳感網(wǎng)絡(luò)之處就在于其預(yù)先進(jìn)行地址分配，各節(jié)點(diǎn)由分布式算法根據(jù)一系列網(wǎng)絡(luò)參數(shù)來確定，節(jié)點(diǎn)只有通過協(xié)調(diào)器或者路由器節(jié)點(diǎn)才能加入網(wǎng)絡(luò)，加入網(wǎng)絡(luò)后隨即獲得一個唯一的地址。我們這里設(shè)Cm和Rm分別為節(jié)點(diǎn)所能分配的最大節(jié)點(diǎn)數(shù)和路由節(jié)點(diǎn)數(shù),L為網(wǎng)絡(luò)的最大深度，則網(wǎng)絡(luò)深度為d的路由節(jié)點(diǎn)所能分配的地址塊大小如式(1)所示：

深度為d的父親節(jié)點(diǎn)分配的第k個路由節(jié)點(diǎn)和第n個終端節(jié)點(diǎn)的地址分別為：

在式(2)、(3)中,代表負(fù)責(zé)分配網(wǎng)絡(luò)地址的父節(jié)點(diǎn)地址，ZigBee網(wǎng)絡(luò)路由算法應(yīng)用的就是這種分布式網(wǎng)絡(luò)地址分配機(jī)制。

1.2基于AODV路由算法

AODV即無線自組網(wǎng)按需平面距離向量路由協(xié)議，此算法通過檢查自己的路由表，如存在到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的表項則直接跳取到下一地址，否則節(jié)點(diǎn)以洪泛的方式向網(wǎng)絡(luò)廣播路由請求數(shù)據(jù)包，當(dāng)該數(shù)據(jù)包到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)時，目的節(jié)點(diǎn)以單播方式向路由發(fā)起節(jié)點(diǎn)回復(fù)路由數(shù)據(jù)包。當(dāng)路由發(fā)起節(jié)點(diǎn)收到路由回復(fù)包后，一條新加入到路由表的通信鏈路便產(chǎn)生了。

該算法有很多優(yōu)點(diǎn)能夠大大提高網(wǎng)絡(luò)通信效率，有效地避免傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)路由算法中出現(xiàn)的環(huán)路問題?；谛枨蟮木嚯x向量鏈路中由于發(fā)送數(shù)據(jù)之前需要對現(xiàn)有的通信路徑進(jìn)行遍歷過程，因此在網(wǎng)絡(luò)較大的情況時也會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸延時增大，進(jìn)而造成網(wǎng)絡(luò)效率不高的問題。

1.3基于樹型結(jié)構(gòu)路由算法

在網(wǎng)絡(luò)中，深度為d，源節(jié)點(diǎn)S若要想傳輸?shù)饺我夤?jié)點(diǎn)D時，就可以簡單地根據(jù)的公式S<D<S+Cskp(d-1)來判斷該節(jié)點(diǎn)是否屬于自己的子孫節(jié)點(diǎn)。

依據(jù)式(4)來進(jìn)行跳到下一個地址的行為，否則將數(shù)據(jù)輸出給父親節(jié)點(diǎn)。該算法的優(yōu)點(diǎn)是空間復(fù)雜度以及時間復(fù)雜度比較簡單，適用在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目不是很多的情況，否則會導(dǎo)致分組傳輸時延高的缺點(diǎn)，從而造成網(wǎng)絡(luò)效率低下的問題。

Cluster-Tree算法是在樹型路由算法技術(shù)基礎(chǔ)上，由協(xié)調(diào)器作為中心點(diǎn)生成簇樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過判斷目的節(jié)點(diǎn)是否是具有轉(zhuǎn)發(fā)功能設(shè)備的下屬節(jié)點(diǎn)，以決定是否進(jìn)行數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)，最終達(dá)到分層遍歷查找目的節(jié)點(diǎn)的結(jié)果叫這種算法可以大大減少信息冗余度和源節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率，對于數(shù)據(jù)高內(nèi)聚非常有利，也在一定程度上彌補(bǔ)了樹型結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計

2.1節(jié)點(diǎn)總體硬件設(shè)計

節(jié)點(diǎn)按功能共可分為CC2430模塊、電源模塊和天線模塊三大模塊。其總體硬件設(shè)計如圖1所示。

2.2CC2430模塊

CC2430具有增強(qiáng)性能的8051MCU,8KBRAM等，其增強(qiáng)的8051MCU核的性能是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)8051核性能的8倍叫CC2430/CC2431還具備直接存儲器定址(DMA)功能，它能夠被用于減輕8051微控制器內(nèi)核對數(shù)據(jù)搬移，因此提高了芯片整體的性能、可編程看門狗定時器、AES-128安全協(xié)處理器、多達(dá)8輸入的8?14位ADC、USART、睡眠模式定時、上電復(fù)位、掉電檢測電路(BrownOutDetection)等，CC2430有兩個晶振，分別是32MHz晶振和32.768kHz晶振。

2.3天線模塊

CC2430發(fā)送數(shù)據(jù)時，信號從差分射頻端口RF_P、RF_N經(jīng)巴倫電路變?yōu)閱味诵盘?，由RXTX_SWITCH信號控制2個邏輯開關(guān)，選通功率放大電路(PA),放大后的信號從天線發(fā)射出去。接收信號時，在RXTX_SWITCH信號控制下，從天線接收的信號經(jīng)低噪聲放大電路(LNA)放大，巴倫電路轉(zhuǎn)換,由RF_P、RF_N端口接收。天線模塊電路圖如圖2所示。2.4電源模塊

電源模塊主要是由TPS79533低壓穩(wěn)壓器輸出3.3V電壓，其輸入電壓范圍是2.7?5.5V，并具有較高的電源抑制比、超低噪聲、較好的電壓線性和負(fù)載瞬態(tài)效應(yīng)以及較小的電壓漂移?？梢詫?V的電源通過DC-DC變換器得到3.3V的工作電壓，電源電路如圖3所示。

圖2天線模塊電路

圖3電源模塊電路

ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計3.1ZigBee協(xié)議棧

ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)，是建立在ZigBee協(xié)議棧［5,6］的基礎(chǔ)上的，協(xié)議棧采用分層的結(jié)構(gòu)，協(xié)議分層的目的是為了使各層相對獨(dú)立，每一層都提供一些服務(wù)，服務(wù)由協(xié)議定義,它們向高層提供服務(wù)，并由低層提供服務(wù)。

在ZigBee協(xié)議棧中，物理層、MAC層位于最低層，且與硬件相關(guān)；網(wǎng)絡(luò)層、安全層、應(yīng)用框架層以及安全層建立在物理層和MAC層之上，并且完全與硬件無關(guān)。分層的結(jié)構(gòu)脈絡(luò)清晰、一目了然，給設(shè)計和調(diào)試帶來極大的方便。

Z-Stack采用了操作系統(tǒng)的思想來構(gòu)建，采用事件輪循機(jī)制［7］，當(dāng)各層初始化之后，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式，事件發(fā)生時,喚醒系統(tǒng)，開始進(jìn)入中斷處理事件，結(jié)束后繼續(xù)進(jìn)入低功耗模式。如果同時有幾個事件發(fā)生，先判斷優(yōu)先級，再逐次處理事件。

3.2協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)的建立

在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器具有建立一個網(wǎng)絡(luò)、維護(hù)鄰居設(shè)備表、對邏輯網(wǎng)絡(luò)地址進(jìn)行分配、允許設(shè)備MAC層/應(yīng)用層的連接或斷開網(wǎng)絡(luò)的功能，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器在進(jìn)行一些初始化之后調(diào)用aplFormNetwork()來建立網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器通過掃描一個空信道來建立一個新的網(wǎng)絡(luò)，然后選擇一個隨機(jī)的

PANID并開始監(jiān)聽此信道冏。同時協(xié)調(diào)器還有一個目前連接設(shè)備的列表，以支持其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)建立程序如下：

voidmain(void){halInit()；//硬件初始化aplInit()；//協(xié)議棧初始化aplFormNetwork()；//建立網(wǎng)絡(luò)while(apsBusy()){apsFSM()；}//等待網(wǎng)絡(luò)相應(yīng)while(1)

{apsFSM()；//執(zhí)行協(xié)議棧

}

}

3.3節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)一個網(wǎng)絡(luò)建立成功以后，便要考慮路由節(jié)點(diǎn)和RFD節(jié)點(diǎn)如何加入到網(wǎng)絡(luò)中去。節(jié)點(diǎn)通過調(diào)用aplJoinNetword()函數(shù)加入到協(xié)調(diào)器建立的網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中。通過掃描信道找到協(xié)調(diào)器并進(jìn)一步申請加入網(wǎng)絡(luò)，獲取協(xié)調(diào)器的地址，同時將自己的地址發(fā)送給協(xié)調(diào)器。網(wǎng)絡(luò)加入成功以后,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)則進(jìn)入休眠狀態(tài),知道有命令或者數(shù)據(jù)發(fā)送時才被喚醒。網(wǎng)絡(luò)加入的程序如下：

voidmain(void){

halInit()；//硬件初始化

aplInit()；//協(xié)議棧初始化

do{

aplJoinNetwork()；//加入網(wǎng)絡(luò)while(apsBusy()){apsFSM()；}//等待網(wǎng)絡(luò)格式化}while(aplGetStatus()=WXLPAN_STATUS_SUCCESS)；while(1){apsFSM()；}//執(zhí)行協(xié)議棧

3.4數(shù)據(jù)發(fā)送與接收

在ZigBee協(xié)議棧中進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送可以調(diào)用AF-DataRequest函數(shù)來實現(xiàn)，該函數(shù)會調(diào)用協(xié)議棧里面與硬件相關(guān)的函數(shù)最終將數(shù)據(jù)通過天線發(fā)送出去。以下是AF_DataRequest數(shù)據(jù)發(fā)送程序：

afStatus_tAF_DataRequest(afAddrType_t*dstAddr，

endPointDesc_t*srcEP，，

uintl6cID，

uint16len，

uint8*buf,

uint8*transID，

uint8options，

uint8radius)

上面的程序中：afAddrType_t*dstAddr為包含了目的節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址以及發(fā)送數(shù)據(jù)的格式；endPointDesc_t*srcEP為使用網(wǎng)絡(luò)地址來區(qū)分不同的節(jié)點(diǎn)，用端口號來區(qū)分統(tǒng)一節(jié)點(diǎn)的不同端口；uint16cID為描述命令號，不同的命令號代表不同的控制命令，用來表示不同的控制操作；uint16len為表示發(fā)送數(shù)據(jù)的長度；uint8*buf為指向發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的指針；uint8*transID為指向發(fā)送序號的指針，每次發(fā)送數(shù)據(jù)后就會自動加1,配合接收端計算丟包率；uint8options為默認(rèn)取AF_DISCV_ROUTE；uint8radius為默認(rèn)取AF_DEFAULT_RADIUSo

在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，接收的設(shè)備必須處于工作狀態(tài)，否則將會出現(xiàn)“丟包”上層使用NLME-SYNC.request原語初始化設(shè)備，打開其接收機(jī)，該原語將引起網(wǎng)絡(luò)層使用MLME-POLL.request原語對其父設(shè)備進(jìn)行輪詢図。ZigBee協(xié)調(diào)器或路由器的網(wǎng)絡(luò)層必須在最大程度上保證任何時間接收機(jī)總是處于接收狀態(tài)。

當(dāng)協(xié)調(diào)器接收到節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的數(shù)據(jù)后，操作系統(tǒng)會將該數(shù)據(jù)封裝成一個消息，然后放入消息隊列中，每個消息都有自己的消息ID,表示接收到新數(shù)據(jù)的消息的ID是AF_INCOMING_MSG_CMD[10]，其宏定義為：

#defineAF_INCOMING_MSG_CMD0x1A

在協(xié)調(diào)器中相應(yīng)代碼如下：

MSGpkt=(afIncomingMSGPacket_t*)osal_msg_receive(GenericApp_TaskID)；

while(MSGpkt)

{

switch(MSGpkt->hdr.event)

{

caseAF_INCOMING_MSG_CMD；

GenericApp_MessageMSGCB(MSGpkt)；

break；

}

}

首先使用osal_msg_receive函數(shù)從消息隊列中接收一個消息，然后使用switch-case語句udixiaoxileixing進(jìn)行判斷(判斷消息ID),如果消息ID是AF_INCOMING_MSG_CMD貝丫進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，進(jìn)而完成數(shù)據(jù)的接收。

4測試結(jié)果

測試釆用的軟件是PacketSniffer,PacketSniffer是一款專門的協(xié)議分析軟件，可以對各層協(xié)議上的信息包進(jìn)行分析和解碼；顯示出錯的包以及接入錯誤；指示觸發(fā)包；在接收和注冊過程中可連續(xù)顯示包，可以利用PacketSniffer分析ZigBee建立網(wǎng)絡(luò)，加入網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送數(shù)據(jù)，接收數(shù)據(jù)的過程[11]oIEEE8022.15.4/ZigBee協(xié)議下協(xié)調(diào)器的組網(wǎng)過程如圖4所示。

圖4協(xié)調(diào)器組網(wǎng)

從圖4中顯示的數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)中，第2行到第7行是建立一個網(wǎng)絡(luò)的過程，在這里可以看出在網(wǎng)絡(luò)層管理實體一旦選擇了一個PAN標(biāo)識符，就會立刻選擇一個0x0000的16位網(wǎng)絡(luò)地址，并且設(shè)置MAC層的macShortAddressPIB屬性，使其等于所選擇的網(wǎng)絡(luò)地址。

第8行的源地址是路由器的物理地址0x1716151413120030,它的PANID沒有確定為0xFFFFF,這時的路由器還沒有加入網(wǎng)絡(luò)，所以還沒有網(wǎng)絡(luò)地址，目的地址為協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)地址0x0000，它的PANID為0x0022；它的命令是聯(lián)合方式加入請求。該行表示的意思是向協(xié)調(diào)器發(fā)送聯(lián)合方式加入請求，發(fā)送完成后將得到一個應(yīng)答。

節(jié)點(diǎn)在等待應(yīng)答并回應(yīng)后，就開始加入建立好的無線網(wǎng)絡(luò)，其加入網(wǎng)絡(luò)的過程如圖5所示。

圖5節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)

從圖中可見，已成功組網(wǎng)的協(xié)調(diào)器在收到應(yīng)答以后，節(jié)點(diǎn)開始加入網(wǎng)絡(luò)。與此同時，協(xié)調(diào)器開始為路由器分配網(wǎng)絡(luò)地址，路由器分配到的網(wǎng)絡(luò)地址(SourceAddress)為0x0001。這樣就完成了節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)的過程，并分配了各自的網(wǎng)絡(luò)地址,從而也完成了無線網(wǎng)絡(luò)的組建和節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)的過程。

5結(jié)語

本系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)設(shè)計無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，其設(shè)計思想簡單，成本較低并且有著很好的擴(kuò)展性，可以適應(yīng)不同環(huán)境對系統(tǒng)的要求，與此同時，通過通用串口搭載不同的傳感器又可以輕而易舉地實現(xiàn)對各種信息的采集和傳輸工作，在短距離無線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用上有著明顯的優(yōu)勢，相信日后的發(fā)展前景會更好，給人們?nèi)粘Ｉ罟ぷ鲙砀蟮谋憷?

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