智能家居ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建與路由優(yōu)化*

劉禮建，張廣明，唐桂忠，王祥華

(南京工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院 南京210009)

1 引言

隨著電子科學(xué)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的不斷發(fā)展以及人民生活水平的提高，人們對(duì)居住環(huán)境的要求也越來(lái)越高，智能家居逐漸成為未來(lái)家居生活的發(fā)展方向。目前實(shí)現(xiàn)智能家居控制的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)總體上可以歸為3大類：總線技術(shù)、無(wú)線技術(shù)及電力載波技術(shù)[1]?？偩€技術(shù)需要重新布線，對(duì)于已經(jīng)裝修好的家庭來(lái)說(shuō)重新布線不僅麻煩而且成本較高；電力載波技術(shù)由于電力線存在本身固有的脈沖干擾，容易造成信號(hào)傳輸不穩(wěn)定；ZigBee無(wú)線技術(shù)具有復(fù)雜度低、成本低、功耗低、延遲短、網(wǎng)絡(luò)容量大和安全性高等諸多優(yōu)點(diǎn)，適合用于組建智能家居系統(tǒng)的家庭網(wǎng)絡(luò)。

ZigBee協(xié)議是基于標(biāo)準(zhǔn)的7層開(kāi)放式系統(tǒng)互連(OSI)模型,802.15.4-2006標(biāo)準(zhǔn)定義了物理層(PHY)和介質(zhì)接入控制子層(MAC)；ZigBee聯(lián)盟提供網(wǎng)絡(luò)層(NWK)與應(yīng)用層(APL)的框架構(gòu)建。802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了3種設(shè)備類型，分為協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備，并且支持星型、樹(shù)簇型、網(wǎng)狀型3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)，并為接入網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)設(shè)備以分布式方式分配一個(gè)惟一的16位網(wǎng)絡(luò)地址，通過(guò)樹(shù)形路由協(xié)議和AODVjr路由協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。

2 智能家居ZigBee網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

該網(wǎng)絡(luò)以家庭為單位構(gòu)建，采用樹(shù)簇型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。每個(gè)家庭由一個(gè)協(xié)調(diào)器（樹(shù)形結(jié)構(gòu)的根節(jié)點(diǎn)0）建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)，路由器和終端設(shè)備向協(xié)調(diào)器請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器接受請(qǐng)求則發(fā)送允許加入信號(hào)，并以分布式方式為其分配一個(gè)全網(wǎng)惟一的16位網(wǎng)絡(luò)地址。

由于協(xié)調(diào)器和路由器需轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)量大，能量消耗快，所以協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)在能量供應(yīng)上有所區(qū)別。協(xié)調(diào)器和路由器由市電和AC/DC模塊對(duì)其供電；終端節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)量小，大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)，能量消耗少，由電池和DC/DC模塊對(duì)其供電。

2.1 通信協(xié)議

ZigBee通信協(xié)議幀結(jié)構(gòu)由數(shù)據(jù)模式、目標(biāo)地址、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)信息、校驗(yàn)和組成，格式如表1所示。

數(shù)據(jù)模式占用1 byte；目標(biāo)地址占用2 byte，表明數(shù)據(jù)發(fā)送的地址，即協(xié)調(diào)器分配的16位網(wǎng)絡(luò)地址；數(shù)據(jù)長(zhǎng)度占用1 byte，指示數(shù)據(jù)信息里數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)；數(shù)據(jù)信息是所有發(fā)送的數(shù)據(jù)，占用字節(jié)依發(fā)送的數(shù)據(jù)量而定；校驗(yàn)和占用1 byte，采用逐位異或的方式對(duì)幀結(jié)構(gòu)里的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)[2]。

表1 ZigBee通信協(xié)議幀結(jié)構(gòu)

由于在智能家居中，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息主要是“三表”數(shù)據(jù)、用于家電控制的控制信號(hào)等，所以將數(shù)據(jù)信息的結(jié)構(gòu)再次劃分為節(jié)點(diǎn)號(hào)、功能編碼、原始數(shù)據(jù)。節(jié)點(diǎn)號(hào)是數(shù)據(jù)最終到達(dá)的目的地址 （與幀結(jié)構(gòu)里的目標(biāo)地址不同的是，幀結(jié)構(gòu)目標(biāo)地址可能是數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)過(guò)程中的中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)的地址）；功能編碼是控制器要求終端節(jié)點(diǎn)需要執(zhí)行哪種功能的功能代號(hào)，每種功能都對(duì)應(yīng)惟一的編碼；原始數(shù)據(jù)是傳輸?shù)膶?shí)際數(shù)據(jù)。

2.2 網(wǎng)絡(luò)地址分配

對(duì)于樹(shù)簇型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)地址分配采用分布式方式，使網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)分配到的網(wǎng)絡(luò)地址都是惟一的。在該網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，邏輯樹(shù)中相連的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)形成父子關(guān)系，每個(gè)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址都由父節(jié)點(diǎn)分配。

設(shè)父節(jié)點(diǎn)最多可以連接的子節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為Cm，子節(jié)點(diǎn)最多可以連接的路由節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為Rm,父節(jié)點(diǎn)所能分配子區(qū)段的地址數(shù)為Cskip，網(wǎng)絡(luò)的最大深度為L(zhǎng)m，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)深度為d，則：

若Cskip=0，則父節(jié)點(diǎn)不能再分配網(wǎng)絡(luò)地址，不再允許其他節(jié)點(diǎn)加入該網(wǎng)絡(luò)。ZigBee協(xié)議規(guī)定網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的當(dāng)前深度為0，網(wǎng)絡(luò)地址為0。設(shè)當(dāng)前父節(jié)點(diǎn)地址為A0，若加入的子節(jié)點(diǎn)是路由節(jié)點(diǎn)，則加入的第一個(gè)路由子節(jié)點(diǎn)的地址為A0+1，之后加入的路由子節(jié)點(diǎn)依次以Cskip為增量遞增[3～4]。第Rn個(gè)路由節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址計(jì)算如式（2）：

若加入的子節(jié)點(diǎn)是終端設(shè)備，則按式（3）連續(xù)分配地址。設(shè)En為加入的終端設(shè)備，則：

根據(jù)上述地址分配方法可推導(dǎo)出當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)深度為d，網(wǎng)絡(luò)地址為A0的父節(jié)點(diǎn)可分配的地址范圍為：AddRange=[A0,A0+Cskip×Rm+(Cm-Rm)]。Cm=4，Rm=4，Lm=3 的簇樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)，其地址分配如圖1所示，如該網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)22，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)深度為1，它可分配的地址范圍為[22,42]。

3 路由算法

3.1 AODVjr和Cluster-Tree算法

ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持的路由算法主要有AODVjr算法[5]和Cluster-Tree 算 法[6]。

AODVjr是 Ad hoc按需距離矢量路由協(xié)議（AODV）的改進(jìn)。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)要發(fā)送信息給目的節(jié)點(diǎn)時(shí)，首先查看自身的路由表是否有到目的節(jié)點(diǎn)的路由，若有則使用該路由直接轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。若沒(méi)有則以洪泛方式向網(wǎng)絡(luò)發(fā)出組播路由請(qǐng)求（route request,RREQ）包，每個(gè)收到RREQ的節(jié)點(diǎn)都維護(hù)著一條到達(dá)源節(jié)點(diǎn)的信息，同時(shí)幫助源節(jié)點(diǎn)廣播尋找目的節(jié)點(diǎn)。當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)收到RREQ包后，向源節(jié)點(diǎn)以單播方式返回一條RREP包，源節(jié)點(diǎn)收到RREP包后通過(guò)比較路由代價(jià)，建立一條代價(jià)最小的路由。該算法可以找到到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)路由，但因?yàn)槭窍蛉W(wǎng)絡(luò)洪泛廣播RREQ包，大量消耗網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量，可能使有些節(jié)點(diǎn)提前變成死亡節(jié)點(diǎn)，并且有較大的控制開(kāi)銷。

Cluster-Tree算法是根據(jù)目的節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址來(lái)計(jì)算下一跳的地址。假設(shè)節(jié)點(diǎn)地址為A，深度為d的節(jié)點(diǎn)要轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)到目的地址D，根據(jù)式（4）判斷目的節(jié)點(diǎn)是否是該節(jié)點(diǎn)的后裔節(jié)點(diǎn)，即：

若是后裔節(jié)點(diǎn)則根據(jù)式（5）計(jì)算下一跳N，N=D是終端子節(jié)點(diǎn)，其他為路由子節(jié)點(diǎn)；若不是后裔節(jié)點(diǎn)，則轉(zhuǎn)發(fā)給其父節(jié)點(diǎn)[7]。該算法適合存儲(chǔ)能力受限的節(jié)點(diǎn)，不需要路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程，但容易造成業(yè)務(wù)量分配不均衡。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)被分成4種節(jié)點(diǎn)：協(xié)調(diào)器（coordinator）、有路由能力的路由節(jié)點(diǎn)（RN+）、沒(méi)有路由能力的路由節(jié)點(diǎn)(RN-)、終端設(shè)備節(jié)點(diǎn) （RFD）。RN-和RFD只能使用Cluster-Tree算法進(jìn)行路由選擇；coordinator和RN+可以使用AODVjr或Cluster-Tree算法進(jìn)行路由選擇。

3.2 問(wèn)題的提出

AODVjr算法以洪泛方式廣播RREQ包會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的RREQ分組，而有些分組對(duì)找到最佳路徑的貢獻(xiàn)很小但卻耗費(fèi)了資源。如圖1中，若22節(jié)點(diǎn)要發(fā)數(shù)據(jù)到65節(jié)點(diǎn)，由于65節(jié)點(diǎn)不是22節(jié)點(diǎn)的后裔節(jié)點(diǎn)，則22節(jié)點(diǎn)向其后裔節(jié)點(diǎn)發(fā)RREQ分組對(duì)找到65節(jié)點(diǎn)的最佳路徑的貢獻(xiàn)很小，但是卻耗費(fèi)了資源，加劇了22節(jié)點(diǎn)變成死亡節(jié)點(diǎn)的速度。

Cluster-Tree雖然不要維護(hù)路由表，可以減少控制開(kāi)銷和能量消耗，但它在選擇路徑時(shí)只考慮父子關(guān)系的節(jié)點(diǎn)，可能帶來(lái)更大的路由開(kāi)銷。如圖1中，若節(jié)點(diǎn)66要發(fā)數(shù)據(jù)到鄰居節(jié)點(diǎn)28，通過(guò)Cluster-Tree父子關(guān)系轉(zhuǎn)發(fā)要5跳，而將數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)發(fā)給鄰居節(jié)點(diǎn)28只需1跳。

針對(duì)Cluster-Tree在路徑選擇時(shí)只考慮父子關(guān)系的節(jié)點(diǎn)，參考文獻(xiàn)[6]和參考文獻(xiàn)[8]介紹了利用鄰居表來(lái)減少路由開(kāi)銷的方法，但沒(méi)有提到如何選擇鄰居節(jié)點(diǎn)，也未考慮到節(jié)點(diǎn)的剩余能量。如果節(jié)點(diǎn)的剩余能量低于警戒值，繼續(xù)使用該節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，很可能使該節(jié)點(diǎn)成為死亡節(jié)點(diǎn)，造成網(wǎng)絡(luò)分割，影響網(wǎng)絡(luò)通信效率，縮短網(wǎng)絡(luò)壽命。

4 路由算法改進(jìn)

4.1 鄰居表

若兩個(gè)節(jié)點(diǎn)在一跳范圍內(nèi)，則稱為鄰居節(jié)點(diǎn)，如圖1中節(jié)點(diǎn)2與節(jié)點(diǎn)7、43、44之間是鄰居節(jié)點(diǎn)關(guān)系。鄰居表?xiàng)l目的信息如表2所示。

表2 鄰居表?xiàng)l目信息

為鄰居節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址；NodeType為節(jié)點(diǎn)的類型，0表示沒(méi)有路由功能，1表示有路由功能；NodePower為鄰居節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前剩余能量值。

4.2 節(jié)點(diǎn)最小剩余能量

[9]對(duì)節(jié)點(diǎn)最小剩余能量做了詳細(xì)的描述，假設(shè)初始能量為P0，深度為d的節(jié)點(diǎn)，最小剩余能量Pmin的計(jì)算式如下：

t為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)間；為特定系數(shù)，用于減緩Pmin減小的速度。從式（6）看出Pmin與時(shí)間t成反比，且時(shí)間越大，減緩的速度越慢，這符合網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量的實(shí)際情況，開(kāi)始節(jié)點(diǎn)能量充足，Pmin可以減緩得相對(duì)較快，當(dāng)時(shí)間越長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)能量較小時(shí)，Pmin遞減的幅度應(yīng)該變小[9]。

4.3 改進(jìn)的路由算法

改進(jìn)算法為每個(gè)節(jié)點(diǎn)（除終端節(jié)點(diǎn)RFD外）建立一個(gè)鄰居表，記錄鄰居節(jié)點(diǎn)的信息。對(duì)RFD和RN-節(jié)點(diǎn)使用Cluster-Tree算法和鄰居表選擇路由；對(duì)coordinator和RN+節(jié)點(diǎn)使用AODVjr算法，并對(duì)RREQ洪泛方向進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?。在上述路由選擇過(guò)程中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都判斷自身的剩余能量值，當(dāng)?shù)陀谧钚∈Ｓ嗄芰繒r(shí)告知源節(jié)點(diǎn)在路由選擇時(shí)避開(kāi)該節(jié)點(diǎn)。具體算法如下。

（1）若是RFD節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，則直接轉(zhuǎn)發(fā)給其父節(jié)點(diǎn)。

（2）若轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)不是RFD節(jié)點(diǎn)：① 首先檢查目的節(jié)點(diǎn)是否是它本身，若不是則判斷該節(jié)點(diǎn)能量P。如果PPmin，進(jìn)入下一步；② 檢查目的節(jié)點(diǎn)是否在鄰居表中，若在則直接轉(zhuǎn)發(fā)，否則檢查自身節(jié)點(diǎn)類型NodeType，若NodeType=0 轉(zhuǎn)第（3）步，否則轉(zhuǎn)第（4）步。

（3）當(dāng)RN-節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)：①用式（4）檢查目的節(jié)點(diǎn)是否是該節(jié)點(diǎn)的后裔節(jié)點(diǎn)，若是后裔節(jié)點(diǎn)則按Cluster-Tree轉(zhuǎn)發(fā)，并更新自身能量值，否則進(jìn)入下一步；② 按|D-Ak|搜索鄰居節(jié)點(diǎn)Ak中到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)D最近的節(jié)點(diǎn)A，將數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)給A，并更新自身能量值；③若A為目的節(jié)點(diǎn)，則數(shù)據(jù)幀傳遞完成，否則在A節(jié)點(diǎn)重新開(kāi)始第（2）步。

（4）當(dāng)RN+節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)：①檢查目的節(jié)點(diǎn)是否是該節(jié)點(diǎn)的后裔節(jié)點(diǎn)，若是后裔節(jié)點(diǎn)則只向子節(jié)點(diǎn)發(fā)送RREQ包，否則進(jìn)入下一步；②檢查目的節(jié)點(diǎn)是否在其父節(jié)點(diǎn)或子節(jié)點(diǎn)的鄰居表內(nèi)，若在則只向父節(jié)點(diǎn)或子節(jié)點(diǎn)發(fā)送RREQ包，否則進(jìn)入下一步；③按搜索鄰居節(jié)點(diǎn)Ak中到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)D最近的節(jié)點(diǎn)A，并給節(jié)點(diǎn)A發(fā)送RREQ包；④根據(jù)返回的RREP包建立路由，沿著路由轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，并更新自身能量值。

5 仿真結(jié)果與分析

仿真采用Omnet++，網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積為200 m×200 m，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目100個(gè)，數(shù)據(jù)傳輸率250 KB，數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度128 bit，節(jié)點(diǎn)初始能量 1 000 J，Cm=4，Rm=4，Lm=5，α=2。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2、圖3所示。

在相同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下比較傳統(tǒng)算法和改進(jìn)算法的性能。由于AODVjr算法可以找到最優(yōu)的路由（代價(jià)是耗費(fèi)大量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量），所以在比較平均跳數(shù)時(shí)只和Cluster-Tree算法比較；同樣的Cluster-Tree算法在網(wǎng)絡(luò)能量消耗上較少（代價(jià)是難以找到最優(yōu)路由），在死亡節(jié)點(diǎn)比較上只和AODVjr算法比較。

圖2中用平均跳數(shù) （平均跳數(shù)=所有數(shù)據(jù)包被轉(zhuǎn)發(fā)的次數(shù)/接收到的個(gè)數(shù)）來(lái)表示路由開(kāi)銷。節(jié)點(diǎn)數(shù)目越多，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越大，平均跳數(shù)也越大。由于傳統(tǒng)的Cluster-Tree算法只考慮父子關(guān)系的節(jié)點(diǎn)，需要的跳數(shù)較多。改進(jìn)算法將Cluster-Tree算法和AODVjr算法相結(jié)合并借助鄰居表的幫助，平均跳數(shù)明顯小于傳統(tǒng)Cluster-Tree算法，且隨節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加平均跳數(shù)的增加幅度較小。

圖3比較了改進(jìn)算法和傳統(tǒng)AODVjr算法的死亡節(jié)點(diǎn)數(shù)量。初始階段節(jié)點(diǎn)能量充足，不會(huì)出現(xiàn)死亡節(jié)點(diǎn)，隨著時(shí)間的增加，節(jié)點(diǎn)不斷轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)能量消耗很大，出現(xiàn)了死亡節(jié)點(diǎn)。由于改進(jìn)算法考慮了節(jié)點(diǎn)最小剩余能量，其出現(xiàn)死亡節(jié)點(diǎn)的時(shí)間遲于傳統(tǒng)AODVjr算法。同時(shí)改進(jìn)算法避開(kāi)了能量低的節(jié)點(diǎn)，選擇能量高的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，避免了節(jié)點(diǎn)過(guò)早死亡，均衡了網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，最大化網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了智能家居中ZigBee網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建過(guò)程中的通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)地址分配，并重點(diǎn)說(shuō)明傳統(tǒng)的路由算法在路由選擇及能量控制上的不足。針對(duì)該不足，對(duì)傳統(tǒng)算法進(jìn)行改進(jìn)，將AODVjr和Cluster-Tree算法相結(jié)合，引入鄰居表，適當(dāng)控制RREQ轉(zhuǎn)發(fā)方向，并考慮節(jié)點(diǎn)最小剩余能量。仿真結(jié)果比較了傳統(tǒng)算法和改進(jìn)算法在路由選擇過(guò)程中平均跳數(shù)和死亡節(jié)點(diǎn)數(shù)的不同，結(jié)果表明改進(jìn)算法能夠減少路由開(kāi)銷，延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的生存時(shí)間，均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。在以后的工作中，筆者將重點(diǎn)研究網(wǎng)絡(luò)過(guò)程中多路由的動(dòng)態(tài)選擇，進(jìn)一步優(yōu)化ZigBee網(wǎng)絡(luò)的整體性能。

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