ZigBee無線傳感網絡的路由協議研究

路染妮，張 剛

（西安航空職業(yè)技術學院 電子工程系，陜西 西安 710089）

ZigBee是一種新興的無線網絡技術，主要是針對低速率的通信網絡設計的。它是基于IEEE820.15.4協議棧的一組涉及到網絡、安全、應用方面的無線通信標準。IEEE820.15.4是一種新興的無線通信協議，它確定了低速個人區(qū)域網絡標準，定義了物理層PHY和介質訪問層MAC。ZigBee協議在PHY和MAC層的基礎上對網絡層NWK進行具體定義，為應用層提供API函數。

ZigBee無線傳感器網絡將傳感器技術、通信技術和計算機技術結合在一起，具有信息采集、傳輸和處理的能力。它可以組成星型、樹狀、網狀的網絡拓撲，可用于無線傳感器網絡（WSN）的組網以及其他無線應用。這些特點使得ZigBee無線傳感器網絡具 有廣泛的應用前景。

1 ZigBee技術

1.1 ZigBee技術概況

ZigBee是一種短距離無線通信技術，功耗低，被業(yè)界認為是最有可能應用在工控場合的無線方式。2.4 GHz頻帶提供的數據傳輸速率為250 Kb/s，915 MHz頻帶提供的數據速率為40 Kb/s，而868 MHz頻帶提供的數據速率為20 Kb/s。它采用跳頻技術和擴頻技術。另外，它可與254個節(jié)點聯網。節(jié)點可以包括儀器和家庭自動化應用設備。它本身的特點使得其在工業(yè)監(jiān)控、傳感器網絡、家庭監(jiān)控、安全系統(tǒng)等領域有很大的發(fā)展空間。ZigBee體系結構如圖1所示[1]。

圖1ZigBee體系結構圖Fig.1 Architecture diagram of ZigBee

1.2 ZigBee技術主要優(yōu)點

1）低功耗由于ZigBee的傳輸速率低，發(fā)射功率僅為1 mW，而且采用了休眠模式，因此ZigBee設備非常省電。據估算，ZigBee設備僅靠2節(jié)5號電池就可以維持長達6個月到2年左右的使用時間。

2）時延短通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短，典型的搜索設備時延為30 ms，休眠激活的時延是15 ms，活動設備信道接入的時延為15 ms。因此ZigBee技術適用于對時延要求苛刻的無線控制（如工業(yè)控制場合等）應用。

3）網絡容量大一個星型結構的ZigBee網絡最多可以容納254個從設備和1個主設備，而且網絡組成靈活。

4）可靠采取了碰撞避免策略，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙，避開了發(fā)送數據的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數據傳輸模式，每個發(fā)送的數據包都必須等待接收方的確認信息。如果傳輸過程中出現問題可以進行重發(fā)。

2 ZigBee網絡節(jié)點構建

2.1 系統(tǒng)構成

傳感器節(jié)點由數據采集、數據處理、數據傳輸和電源等模塊組成。本系統(tǒng)采用以MSP430為核心的控制模塊，以CC2420為無線收發(fā)模塊，MSP430與CC2420通過SPI方式通信。MSP430采用主模式，CC2420采用從模式，節(jié)點的傳感器模塊與主板分離，模塊化的設計提高了節(jié)點在不同應用中的靈活性。系統(tǒng)構成框圖如圖2所示。

圖2 傳感器硬件節(jié)點組成框圖Fig.2 Block diagram of sensor hardware node

2.2 硬件接口電路

CC2420與處理器MSP430的連接非常方便。它使用SFD,FIFO,FIFOP和CCA等4個引腳表示收發(fā)數據的狀態(tài)；而處理器通過SPI接口與CC2420交換數據、發(fā)送命令等，其硬件接口電路如圖3所示。

圖3CC2420與MSP430的接口電路Fig.3 Interface circuit of CC2420 and MSP430

因為CC2420支持硬件加密、硬件校驗、硬件生成幀頭。MSP430是具有超低功耗的16位單片機，它是功能強大的CPU內核：16位CPU和高效的RISC指令系統(tǒng)，無外擴的數據地址總線，在8 MHz時可達到125 ns的指令周期，具有16個快速響應中斷，12位的A/D轉換器能及時處理各種緊急事件。CC2420具有完全集成的壓控振蕩器，只需要天線，16 MHz晶振等非常少的外圍電路就能在2.4 GHz頻段工作。

CC2420收到物理幀的SFD字段后，會在SFD引腳輸出高電平，直到接收完該幀。啟動了地址辨識，在地址辯識失敗后，SFD引腳立即轉為輸出低電平。FIFO和FIFOP引腳表示接收FIFO的緩存區(qū)狀態(tài)。如果接收FIFOP緩存區(qū)有數據，FIFO引腳輸出高電平；如果接收FIFO緩存區(qū)為空，FIFO引腳輸出低電平。當FIFOP引腳在接收FIFO緩存區(qū)的數據超過某個臨界值時，或者在CC2420接收到一個完整的幀以后輸出高電平。臨界值可以通過CC2420的寄存器設置。CCA引腳在信道有信號時輸出高電平，它只在接收狀態(tài)下有效。在CC2420進入接收狀態(tài)至少 8個符號（symbol）期后，才會在CCA引腳上輸出有效的信道狀態(tài)信息。

SPI接口由CSn，SI，SO和SCLK引腳組成。處理器通過SPI接口訪問CC2420內部寄存器和存儲器。在訪問過程中，CC2420是SPI接口的從設備，接收來自處理器的時鐘信號和片選信號，并在處理器的控制下執(zhí)行輸入/輸出操作。SPI接口接收或者發(fā)送數據時，都與時鐘下降沿對齊。CC2420與MSP430是通過SPI連接的，其中MSP430處于主模式，CC2420處于從模式。MSP430還有4個I/0與CC2420相連，主要起查詢CC2420狀態(tài)的作用。

2.3 節(jié)點設計注意事項

1）電路板設計時，要采取抗干擾措施。射頻電路沒有占用布線面積，而需覆銅并連接到地，以屏蔽RF，從而達到有效抗干擾目的。

2）CC2420底部應接地。為了降低延遲，減少串擾，確保高頻信號的傳輸，要使用多個接地過孔將CC 2420芯片底部和地層相連;器件要緊密地分布在CC2420的四周，并使用較小的封裝。

3）應用中的傳感器節(jié)點要高度集成，保證不會對目標系統(tǒng)的特性造成影響，受外形尺寸限制，模塊必須能夠集成更多元件。

3 ZigBee網絡拓撲

ZigBee網絡層主要支持3種拓撲結構[2-3]：星形網絡（Star-Network）[4]、樹狀網絡（Cluster-Tree Network）、網狀網絡（Mesh Network）[5-6]。

3.1 星形網絡

星形網是由1個ZigBee協調點 （FFD）和1個或多個ZigBee終端節(jié)點（RFD）組成的，如圖4所示。

圖4 星形網絡Fig.4 Star network

ZigBee協調點必須是FFD，它位于網絡的中心，負責發(fā)起建立和維護整個網絡。其他的節(jié)點(終端節(jié)點)一般為RFD，也可以為FFD，它們分布在ZigBee協調點的覆蓋范圍內，直接與ZigBee協調點進行通信。星形網的控制和同步都比較簡單，通常用于節(jié)點數量較少的場合。

3.2 樹狀網絡

樹狀結構中，節(jié)點可以采用Cluster-Tree路由傳輸數據和控制信息，如圖5所示。

圖5 樹狀網絡Fig.5 Tree network

枝干末端的葉子節(jié)點一般為RFD。每一個在其覆蓋范圍中充當協調點的FFD向與其相連的節(jié)點提供同步服務，這些協調點又受ZigBee協調點的控制，ZigBee協調點比網絡中的其他協調點具有更強夫的處理能力和存儲空間。

3.3 網狀網絡

網格形網（Mesh網）一般是由若干個FFD連接在一起組成骨干網，它們之間是完全的對等通信，如圖6所示。

圖6 網狀網絡Fig.6 Mesh network

每個節(jié)點都可以與其無線通信范圍內的其他節(jié)點通信，但也有被推薦為ZigBee協調點。網狀網絡是一種高可靠性網絡，具有“自恢復”能力，它可為傳輸的數據包提供多條路徑，一旦一條路徑出現故障，則存在另一條或多條路徑可供選擇，但正是由于兩個節(jié)點之間存在多條路徑，它也是一種“高冗余”的網絡。

4 ZigBee路由算法

ZigBee路由選擇協議應該滿足以下條件：1）必須對拓撲的變化具有快速反應能力，并且避免路由環(huán)路的產生；2）必須高效利用帶寬資源，盡可能壓縮開銷；3）必須盡可能縮短傳遞的數據量，節(jié)約能源。

基于以上基本要求，ZigBee路由協議主要有以下算法：Cluster-Tree路由算法，ADDVjr路由算法，Cluster-Tree&ADDVjr路由算法。

4.1 Cluster-Tree路由算法

Cluster-Tree路由算法的描述如下：當一個網絡地址為A，網絡深度為D的路由節(jié)點（FFD）收到目的地址為D的轉發(fā)分組時，路由節(jié)點首先需要判斷目的地址D是否為自身的一個子節(jié)點，然后根據判斷的結果采取不同的方式來處理這個分組。若地址D滿足

則可以判斷D地址節(jié)點是A地址節(jié)點的一個后代節(jié)點。

判斷后采取的分組轉發(fā)措施如下：

1）目的節(jié)點是自身的一個后代節(jié)點，則下一跳（next hop）的節(jié)點地址為：

2）目的節(jié)點不是自身的一個后代節(jié)點，路由節(jié)點將把該包送交自己的父節(jié)點處理。這一點與TCP／IP協議中路由器將路由表項中不存在的分組轉發(fā)給自己的網關處理類似。

4.2 AODVjr[7]路由算法

AODVjr（AODV Junior）協議是一種基于按需距離矢量路由 AODV（Ad．Hoc On．Demand Distance Vector）的簡化版本的AODV路由協議，而AODV路由協議是一種按需路由協議，它利用擴展環(huán)搜索的辦法來限制搜索發(fā)現過的目的節(jié)點的范圍，支持組播，可以實現在ZigBee節(jié)點間動態(tài)的、自發(fā)的路由，使節(jié)點很快的獲得通向所需目的的路由。

一次路由建立由以下3個步驟組成：1）路由發(fā)現；2）反向路由建立；3）正向路由的建立。經過這3個步驟，即可建立起一條路由節(jié)點到目的節(jié)點的有效傳輸路徑。在這個路由建立的過程中，AODVjr使用 3種消息作為控制信息：1）Route Request（RREQ），路由請求分組；2）Route Replies(RREP)，路由回復分組；3）Route Error(RERR)，路由錯誤分組。

AODVjr的優(yōu)點是，相對于有線網絡的路由協議而言，它不需要周期性的路由信息廣播，節(jié)省了一定的網絡資源，并降低了網絡功耗。缺點是在需要時才發(fā)起路由尋找過程，會增加交換分組到達目的地址的時間。由于ZigBee網絡中對數據的實時性要求不大，而更重視對網絡能量的節(jié)省，因此可以說AODVjr協議是非常適合應用在ZigBee網絡中的。

4.3 Cluster-Tree&AODVjr路由算法

在 ZigBee中，目前常用的的是“Cluster-Tree&AODVjr”路由算法，這種方法結合了Cluster-Tree與AODVjr的算法優(yōu)點。網絡中的節(jié)點被分成 Coordinator、RN+、RN-、RFD 這 4種類型。其中Coordinator和RF+的路由算法相同，Coordinator、RN+、RN-是全功能節(jié)點，能充當其他節(jié)點的路由節(jié)點；RFD只能充當Cluster-Tree的葉子（Leaf-Node）。如果待發(fā)送數據的目標節(jié)點是自己的鄰居，即直接通信。反之，3種類型的節(jié)點處理數據包的方式各不相同：RN+可以啟動AODVjr，主動查找到目標節(jié)點的最佳路由，且它可以扮演路由代理（Routing Agent）的角色，幫助其他節(jié)點查找路由；RN-只能使用Cluster-Tree算法，它可通過計算判斷該把數據包交給自己的父節(jié)點還是由某個子節(jié)點轉發(fā)；而RFD只能把數據交給父節(jié)點轉發(fā)。

5 系統(tǒng)應用

基于本文設計的用ZigBee方式通信的無線測溫系統(tǒng)在某變電站中進行了安裝實驗?，F場測溫節(jié)點安裝在變電站的母線上，通過無線通信方式將測來的數據傳輸到計算機終端以便監(jiān)控母線的溫升。實踐表明具有以下優(yōu)點：

1）實時性好，通信方便且速率高；2）建設成本低。由予采用ZigBee的無線公網平臺，只需安裝好設備即可，不需要專門布線，投資少、見效快，后期升級、維護成本低；3）覆蓋范圍大，易組成網絡，容易增加測溫點。

6 結束語

ZigBee依據IEEE 802.15.4標準和ZigBee規(guī)范，可以在數千個微小的傳感器之間實現協同通信。在“ZigBee無線傳感網絡的路由協議研究”中，應用ZigBee技術來構建無線傳感器網絡，并利用文中介紹的3種拓撲形式和3種通信協議來組成無線網絡，很好地實現了設計目標，為構建無線傳感網絡提供了很好的解決方法。隨著微電子技術、ZigBee技術以及傳感器技術的發(fā)展，ZigBee無線傳感網絡將有更大的發(fā)展空間。

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[3]HEILE Bob．Wireless sensors and control networks：enabling new opportunities[EB／OL]．（2005-06-06） [2010-04-02]http://www.zigbee.org/en/events/documents.

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