基于ZigBee的自愈自組網(wǎng)的設計與應用

饒達琴，張文超

（杭州電子科技大學 電子信息學院，浙江 杭州 310018）

無線傳感器網(wǎng)絡（WSN，Wireless Sensor Network）是由分布在有效區(qū)域內具有通訊功能的大量傳感器節(jié)點組成，通過無線方式自組織形成網(wǎng)絡系統(tǒng)，節(jié)點采集信息并通過無線網(wǎng)絡逐級傳送到監(jiān)控中心[1]。ZigBee是一種介于IEEE 802.11無線局域網(wǎng)與藍牙技術之間的無線通信網(wǎng)絡協(xié)議，是基于IEEE 802.15.4無線標準研制開發(fā)的有關組網(wǎng)、應用和安全方面的通信技術。ZigBee為用戶提供了一個低成本、低功耗、低復雜度、適中的數(shù)據(jù)傳輸速率、高容量以及短距離通信等特性的技術平臺[2]。依據(jù)該平臺，客戶通過創(chuàng)造性的研發(fā)工作，根據(jù)具體任務要求設計硬件系統(tǒng)和配備相應的軟件，就可以出色地完成很多任務。

本文采用集成了ZigBee技術和增強型8051內核的SOC芯片CC2530，配合相應的軟硬件，構建了一個無線測控網(wǎng)絡。

該無線測控網(wǎng)絡克服了目前一般無線網(wǎng)絡的穩(wěn)定性差易崩潰的缺點，支持星型、樹型以及網(wǎng)狀網(wǎng)的拓撲結構，除具有自組織功能外，還研發(fā)成功了自愈功能，對網(wǎng)絡的穩(wěn)定性、健壯性以及提高工作效率都有重大的意義。

下面首先簡述ZigBee協(xié)議和Z_Stack協(xié)議棧，重點論述自組網(wǎng)的設計實現(xiàn)、網(wǎng)絡自愈功能的研發(fā)與實現(xiàn)和該網(wǎng)絡的一個實際應用例子：對無人值守通信基站的交流電壓、電流和溫濕度環(huán)境等參數(shù)的遠程實時監(jiān)控。

1 ZigBee協(xié)議體系結構

ZigBee協(xié)議體系由稱為層的各模塊組成。每一層為其上層提供特定的服務：

即由數(shù)據(jù)服務實體提供數(shù)據(jù)傳輸服務；管理實體提供所有的其他服務。每個服務實體通過相應的服務接入點（SAP）為其上層提供一個接口，每個服務接入點通過服務原語來完成所對應的功能。ZigBee協(xié)議體系如圖1所示。

主要由應用層（APL）、網(wǎng)絡層（NWK）、媒介訪問控制層（MAC）和物理層（PHY）組成，其中媒介訪問控制層和物理層是由IEEE 802.15.4標準定義的，ZigBee聯(lián)盟則定義了網(wǎng)絡層和應用層架構[3]。物理層定義了物理無線信道和MAC子層之間的接口，提供物理層數(shù)據(jù)服務和物理層管理服務。媒介訪問控制層負責所有的物理無線信道的訪問，并產(chǎn)生網(wǎng)絡信號、同步信號；支持PAN連接和分離，提供2個對等（peer to peer）MAC之間可靠的鏈路。網(wǎng)絡層主要實現(xiàn)節(jié)點加入或離開網(wǎng)絡、接收或拋棄其他節(jié)點、路由查找及傳送數(shù)據(jù)等功能。應用層框架包括應用支持子層 （APS）、ZigBee設備對象（ZDO）和制造商所定義的應用對象。

圖1 ZigBee協(xié)議體系結構Fig.1 Architecture of ZigBee protocol

基于ZigBee協(xié)議應用開發(fā)中，用戶只需實現(xiàn)應用層框架即可，應更多的關注應用層框架 （創(chuàng)造性發(fā)揮也在這一層）。APS主要用于維持綁定表、在綁定設備之間傳送消息。ZDO主要定義設備在網(wǎng)絡中的角色 （ZigBee協(xié)調器還是路由或者終端），發(fā)起和響應綁定請求，在網(wǎng)絡設備之間建立安全機制等。

IEEE 802.15.4標準中定義了兩種設備類型，全功能設備（FFD）與精簡功能設備（RFD）。ZigBee協(xié)議也定義了這兩類設備，ZigBee協(xié)調器相當于IEEE 802.15.4標準中的PAN協(xié)調器，ZigBee路由器擁有IEEE 802.15.4標準中協(xié)調器的功能，ZigBee終端是網(wǎng)絡中最便宜的設備，擁有最少的功能。全功能設備（FFD）在ZigBee網(wǎng)絡中能完成拓撲結構中任何功能，而精簡功能設備（RFD）在ZigBee網(wǎng)絡中只能作為終端，且只能與全功能設備（FFD）通信。全功能設備（FFD）與精簡功能設備（RFD）硬件配置是可以完全相同，但在軟件的配置上不同。

網(wǎng)絡拓撲結構由ZigBee協(xié)議的網(wǎng)絡層決定，且必須是IEEE 802.15.4標準中定義的兩種類型之一：星型網(wǎng)絡和對等型網(wǎng)絡[4]。在星型網(wǎng)絡拓撲結構中，協(xié)調器建網(wǎng)與路由數(shù)據(jù)的功能，終端節(jié)點通過協(xié)調器進行通信。在對等網(wǎng)絡中，所有的節(jié)點在網(wǎng)絡范圍內都可以進行通信，所有的節(jié)點都參與數(shù)據(jù)傳遞。因此網(wǎng)絡能夠自組織以及通過多跳方式來進行通信（這也為實現(xiàn)自愈功能提供了必要的基礎）。

2 ZSTACK協(xié)議棧

CC2530是TI公司推出的一款兼容IEEE 802.15.4的SOC，集成了增強型8051內核，結合上TI的Z_Stack協(xié)議棧軟件，可組建網(wǎng)絡，同時加快開發(fā)周期，減小開發(fā)成本。

Z_Stack協(xié)議棧采用操作系統(tǒng)的思想來構建，采用基于優(yōu)先級的事件輪循機制，當各層初始化完成后進入低功耗模式，事件發(fā)生時，喚醒系統(tǒng)進入中斷處理事件函數(shù)，結束后繼續(xù)進入低功耗模式[5]。操作系統(tǒng)抽象層（OSAL）實現(xiàn)了一個易用的操作系統(tǒng)平臺，通過時間片輪轉函數(shù)實現(xiàn)任務調度，提供多任務處理機制。系統(tǒng)中tasksEvents數(shù)組中存放著每個任務標志位，輪循判斷各任務標志位來執(zhí)行對應的任務。Z_Stack協(xié)議棧工作流程如圖2所示。

圖2 Z_Stack協(xié)議棧工作流程Fig.2 Workflow of Z_Stack

Z_Stack協(xié)議棧提供多種任務事件觸發(fā)機制，可以直接通過API函數(shù)osal_set_event（）設置要觸發(fā)的任務標志位；也可以通過設置一個軟件定時器 osal_start_timeEx（）函數(shù)等待溢出來觸發(fā)；最后，也可以通過調用系統(tǒng)消息傳遞機制來觸發(fā)任務事件。在進行應用開發(fā)時，需要在tasksEvents數(shù)組中添加相應的任務，確定任務的ID號。同時在初始化系統(tǒng)任務函數(shù)osalInitTasks（）中添加任務的初始化函數(shù)，在事件處理函數(shù)數(shù)組tasksArr[]中添加任務處理函數(shù)。每個任務的ID號是唯一的，系統(tǒng)按每次檢測到的任務ID號執(zhí)行相對應的事件處理函數(shù)。

3 具有自愈功能的自組網(wǎng)設計與應用

通過對ZigBee協(xié)議體系的研究，利用Z_Stack協(xié)議棧在CC2530平臺上，實現(xiàn)ZigBee自愈功能的自組網(wǎng)，傳感器節(jié)點對無人值守通信基站的交流電壓、電流和溫濕度環(huán)境等參數(shù)進行信號調理和采集后經(jīng)路由器節(jié)點、協(xié)調器，再通過GPRS通信方式傳遞到監(jiān)控中心，實現(xiàn)對無人值守通信基站的交流電壓、電流和溫濕度環(huán)境等參數(shù)的實時監(jiān)控結構如圖3所示。

圖3 無人值守通信基站參數(shù)實時監(jiān)控示意圖Fig.3 Schemes of the unattended communication stations parameter real-time monitoring

3.1 自組網(wǎng)的設計

ZigBee無線網(wǎng)絡中，只有一個節(jié)點作為協(xié)調器，其他節(jié)點都是路由器或終端。網(wǎng)絡中每個節(jié)點都有兩個地址：64位IEEE擴展地址和16位網(wǎng)絡地址。64位IEEE擴展地址類似于MAC地址，它唯一的標識著每一個設備。16位的網(wǎng)絡地址在節(jié)點加入網(wǎng)絡時由其父節(jié)點（協(xié)調器或路由器）動態(tài)分配，該地址僅在路由或者數(shù)據(jù)傳輸時使用[6]。

ZigBee無線網(wǎng)絡有兩種地址模式，靜態(tài)地址分配和樹狀地址分配。協(xié)調器確定整個網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)目，每個節(jié)點都擁有一個網(wǎng)絡深度，用以指示在其父子鏈路上數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調器所需的最小跳數(shù)。協(xié)調器的深度為0，而它的孩子節(jié)點深度為1。可知，多跳網(wǎng)絡中深度大于1，網(wǎng)絡深度是由協(xié)調器來決定的。ZigBee網(wǎng)絡中，假設一個父節(jié)點有最大孩子節(jié)點數(shù)為Cm，網(wǎng)絡最大深度為Lm，一個父節(jié)點的最大路由數(shù)為Rm，可以計算網(wǎng)絡中每個節(jié)點的功能函數(shù)Cskip（d）：

式中d是節(jié)點到協(xié)調器的深度。如果Cskip（d）的值為0，則表明此節(jié)點為葉子節(jié)點，而Cskip（d）的值大于0，則表明該節(jié)點可作為一個父節(jié)點，這個父節(jié)點可以接收子節(jié)點并根據(jù)它們是否具有路由能力來分配地址。具體過程是：首先一個子節(jié)點的地址被分配，子節(jié)點地址比父節(jié)點的地址多1，然后其余節(jié)點根據(jù)下式求出：

式中 1≤n≤（Cm-Rm），Aparent代表父節(jié)點的地址。

ZigBee協(xié)調器在上電后，首先要建立一個無線網(wǎng)絡。在Z_Stack協(xié)議棧中，通過函數(shù)ZDApp_NetworkInit（）進行網(wǎng)絡初始化，系統(tǒng)檢測到ZDP任務的ZDO_NETWORK_INIT事件，調用處理函數(shù)ZDO_StartDevice（）啟動網(wǎng)絡的組建。通過變量logicalType判斷設備類型，如為協(xié)調器，則調用ZStatus_t NLME_NetworkFormationRequest（）來完成網(wǎng)絡的組建，同時該函數(shù)產(chǎn)生一個回調函數(shù)ZDO_Network Formation ConfirmCB（），通過該函數(shù)，根據(jù)系統(tǒng)消息判斷網(wǎng)絡組建是否成功。

當網(wǎng)絡建立完成并允許新設備加入時，子設備（即子節(jié)點）才可以請求加入網(wǎng)絡。在Z_Stack協(xié)議棧中，子節(jié)點上電后調用ZDApp_Network Init（）進行網(wǎng)絡初始化，之后調用 NLME_NetworkDiscovery Request（）來尋找射頻范圍內存在的ZigBee網(wǎng)絡，該函數(shù)會產(chǎn)生回調函數(shù)ZDO_Network Discovery ConfirmCB（），系統(tǒng)就是通過該函數(shù)來得到發(fā)現(xiàn)的網(wǎng)絡信息。在發(fā)現(xiàn)有已經(jīng)建好的ZigBee網(wǎng)絡后，調用NLME_JoinRequest（）加入網(wǎng)絡，同時產(chǎn)生回調函數(shù)ZDO_JoinConfirmCB（），通過該函數(shù)判斷加入網(wǎng)絡是否成功。路由器在網(wǎng)絡中負責信息的轉發(fā)，發(fā)現(xiàn)鄰居等，同時路由器必須在另一個路由的射頻范圍內，并且持續(xù)監(jiān)聽網(wǎng)絡內傳遞的新信息。終端節(jié)點負責各種數(shù)據(jù)的采集與上傳以及接收下傳命令并執(zhí)行，同時監(jiān)聽網(wǎng)絡。

3.2 自愈功能的實現(xiàn)

如果在網(wǎng)絡的正常運行情況下，有路由器因故障離網(wǎng)，導致原有的路由線路破壞。ZigBee提供了實現(xiàn)網(wǎng)絡自愈功能的基礎，在用戶研發(fā)的軟硬件配合下，可以實現(xiàn)強大的網(wǎng)絡自愈功能，使得整個網(wǎng)絡不因個別節(jié)點的變動而能持續(xù)工作。終端節(jié)點在這種情況下，又會再次啟動發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡加入網(wǎng)絡的過程。但，前提是在終端節(jié)點的射頻范圍內存在著可用的路由器。在 Z_Stack協(xié)議棧中，通過調用zb_ReadConfiguration（）可以訪問非易失性存儲器NV中的信息，其中包括節(jié)點的設備類型logicalType，節(jié)點的IEEE地址，節(jié)點的啟動模式startOptions等重要信息，同時也可以通過調用zb_WriteConfiguration（）來寫入這些設備信息，能夠在協(xié)議棧中靈活的配置網(wǎng)絡節(jié)點，實現(xiàn)整個網(wǎng)絡的自啟動、自組網(wǎng)以及自愈等功能，提高了網(wǎng)絡的穩(wěn)定性、健壯性也同時提高了網(wǎng)絡的工作效率。

3.3 所研發(fā)網(wǎng)絡的一個應用例子

在像無人值守通信基站（或局站）等重要場合，需對基站的交流電壓、電流和溫濕度環(huán)境等參數(shù)實時監(jiān)控。采用本網(wǎng)絡對基站的各種參數(shù)進行采集，軟件設計主要在Z_Stack協(xié)議棧的應用層上實現(xiàn)。各種參數(shù)信號經(jīng)過外部調理電路處理后連接到CC2530的模擬IO口，CC2530的 ADC轉換模塊采集各個參數(shù)并在內部進行定標和各種運算處理。處理后的數(shù)據(jù)部分供給采集子節(jié)點本地使用；部分需上傳的數(shù)據(jù)經(jīng)過CC2530的系統(tǒng)觸發(fā)數(shù)據(jù)傳送事件，調用afStatus_t AF_DataRequest（）將數(shù)據(jù)無線發(fā)送給協(xié)調器。

協(xié)調器接收到各種測量參數(shù)對應的無線數(shù)據(jù)后直接發(fā)送至登記注冊過的端點。應用程序將通過AF_INCOMING_MSG_CMD OSAL消息事件處理接收到的數(shù)據(jù)包（包內主要有：數(shù)據(jù)組號group ID、發(fā)送節(jié)點的網(wǎng)絡地址、端點號、數(shù)據(jù)類型以及各種測量參數(shù)對應的數(shù)據(jù)）。協(xié)調器通過對數(shù)據(jù)包的分析，準確的提取出所需要的節(jié)點號以及各種測量參數(shù)數(shù)據(jù)，最后通過GPRS通信方式將采集的數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控中心，實現(xiàn)對無人值守通信基站的交流電壓、電流和溫濕度環(huán)境等參數(shù)的實時監(jiān)控。

4 結束語

文中分析了ZigBee協(xié)議體系結構各層主要功能，以及ZigBee網(wǎng)絡中兩種網(wǎng)絡拓撲結構；研究分析了TI的Z_Stack協(xié)議棧的開發(fā)與工作流程，以及自組網(wǎng)、自愈組網(wǎng)的協(xié)議開發(fā)過程。基于CC2530無線單片機硬件平臺設計了一個具有自組網(wǎng)、自愈功能的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡，很好地實現(xiàn)了網(wǎng)絡的自組網(wǎng)和自愈功能，同時完成了對無人值守通信基站的交流電壓、電流和溫濕度環(huán)境等參數(shù)的實時監(jiān)控。該系統(tǒng)應用廣泛，還可以用在其他工業(yè)遠程測控、路燈遙測遙控以及環(huán)境監(jiān)測等無人值守領域，有非常好的應用前景和顯著的社會經(jīng)濟效益。

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