基于IEEE1451.5的ZigBee智能傳感器即插即用性能優(yōu)化

姜世芬， 劉桂雄， 吳國光

（1.江門職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 江門 529090；2.華南理工大學(xué)，廣東 廣州 510640）

0 引 言

即插即用是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器互換性、互操作性的關(guān)鍵，IEEE 1451.5標準規(guī)范了無線智能傳感器體系結(jié)構(gòu)，為無線智能傳感器在不同現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)中的互換性、擴展性提供解決途徑。無線傳感器接口即插即用研究主要集中在傳感網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、無線接口即插即用設(shè)計、即插即用軟件協(xié)議配置等方面。無線接口即插即用設(shè)計涵蓋ZigBee/Bluetooth/WiFi/6LoWPAN即插即用的研究[1]，如西班牙Robotiker-Tecnalia公司[2]研究基于IEEE 1451.5藍牙標準，開發(fā)汽車環(huán)境下乘客健康狀況監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡(luò)，但因硬件資源受限，可接入傳感節(jié)點偏少且即插即用時間較長。Kun-Yung Lu等[3]提出基于事先定義并存儲于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫的ZigBee節(jié)點自標識信息，實現(xiàn)傳感器、儀器儀表即插即用，但該機制缺乏通用性。周岳斌等[4]提出無線傳感器接口定期關(guān)聯(lián)匹配通信（periodic association matching communication，PAMC）機制，實現(xiàn)無線傳感器即插即用，在一定程度上提高識別率，但未涉及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡化、路由優(yōu)化等。

本文基于PAMC機制實現(xiàn)傳感器即插即用，重點研究IEEE 1451.5 ZigBee智能傳感器即插即用性能優(yōu)化方法，通過TEDS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡化、優(yōu)化ZigBee路由算法，減小無線智能傳感器即插即用識別時間，提高識別率與網(wǎng)絡(luò)效率。

1 基于IEEE1451.5的ZigBee智能傳感器即插即用機制

圖1為基于定期關(guān)聯(lián)匹配通信PAMC的ZigBee IEEE 1451.5智能傳感系統(tǒng)架構(gòu)，由NCAP（network capable application processor）與 WTIM（Wireless Transducer Interface Module）組 成 ，NCAP 負 責(zé)WTIM接入、關(guān)聯(lián)配置表、遠程用戶訪問管理等，采用ZigBee方式與WTIM通信。

圖1 無線接入IEEE 1451.5智能傳感系統(tǒng)架構(gòu)

圖2為WTIM即插即用流程圖，NCAP上電后選擇一個頻率通道，以協(xié)調(diào)器模式建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)并等待WTIM加入；WTIM上電后通過掃描信道號、查詢網(wǎng)絡(luò)，向NCAP發(fā)送加入請求，若NCAP允許加入，WTIM得到16位網(wǎng)絡(luò)地址；WTIM與NCAP建立正常通信后，啟動向NCAP發(fā)送關(guān)聯(lián)信息，以標識WTIM網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)；NCAP加載TEDS，利用關(guān)聯(lián)信息建立關(guān)聯(lián)信息表，根據(jù)WTIM接入情況動態(tài)更新網(wǎng)絡(luò)參數(shù)與傳感信息；NCAP啟動傳感通道，WTIM按設(shè)定數(shù)據(jù)幀格式發(fā)送測量數(shù)據(jù)，NCAP完成傳感數(shù)據(jù)顯示和網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。

圖2 無線智能傳感器即插即用流程圖

無線傳感器接口即插即用PAMC機制采用網(wǎng)絡(luò)參數(shù)恢復(fù)和定期關(guān)聯(lián)匹配通信方式，縮短了NCAP對WTIM的配置時間，減少了即插即用識別時間。

2 無線智能傳感器即插即用性能優(yōu)化方法

ZigBee信道帶寬受限，當ZigBee網(wǎng)絡(luò)中較多WTIM傳輸數(shù)據(jù)且多個WTIM同時接入網(wǎng)絡(luò)時，TEDS數(shù)據(jù)量、路由選擇直接影響無線傳感器接口即插即用性能。因此，簡化TEDS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、優(yōu)化ZigBee路由算法，將有助于減小智能傳感器ZigBee無線接口即插即用識別時間、提高識別率。

2.1 TEDS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡化

標準TEDS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)較為繁雜，當系統(tǒng)忙或較多WTIM同時接入網(wǎng)絡(luò)時，瞬時大量TEDS數(shù)據(jù)會造成數(shù)據(jù)擁塞甚至數(shù)據(jù)丟失，嚴重影響即插即用速度與識別率。同時考慮到NCAP存儲資源有限，不宜保存大量TEDS數(shù)據(jù)，通過簡化WTIM的TEDS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可減少系統(tǒng)存儲容量要求。

基于IEEE1451.5的ZigBee無線傳感器接口必須包含 Meta-TEDS、Channel-TEDS、PHY TEDS，分別描述WTIM總體信息、通道屬性、物理特性[5]。本文采用的簡化原則為：

（1）刪除不必要TEDS數(shù)據(jù)字段。IEEE 1451.0標準中，Meta-TEDS原有23種數(shù)據(jù)字段保留5種，Channel-TEDS原有55種數(shù)據(jù)字段保留10種，IEEE 1451.5的PHY TEDS原有20種數(shù)據(jù)字段保留8種。

（2）減小數(shù)據(jù)字段長度。為增強適用性，IEEE 1451標準定義的TEDS數(shù)據(jù)字段長度一般偏大，實際應(yīng)用可適當減小，如原為4字節(jié)Length字段減為1字節(jié)，原為4字節(jié)LowLimit、HiLimit字段減為2字節(jié)。

（3）簡化數(shù)據(jù)字段定義。如物理單位字段原采用9種基本單位指數(shù)形式表示，共13字節(jié)，描述方法雖完善，但對常見傳感量不夠直觀、簡潔且解析過程復(fù)雜，表1為簡化后物理單位定義表，僅占1字節(jié)。

表1 物理單位簡化定義

表2是簡化后的 Meta-TEDS、Channel-TEDS、PHY TEDS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

表2 無線智能傳感器TEDS簡化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

借助以上措施，可實現(xiàn)無線智能傳感器TEDS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡化。WTIM將簡化的TEDS數(shù)據(jù)發(fā)送至NCAP，NCAP通過相應(yīng)TEDS解析算法得到WTIM及傳感通道相關(guān)信息，配置相關(guān)資源，實現(xiàn)WTIM即插即用。

2.2 ZigBee路由算法改進

ZigBee采用網(wǎng)絡(luò)樹路由算法，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)地址和父子關(guān)系實現(xiàn)路由選擇，優(yōu)點是沒有路由發(fā)現(xiàn)過程，無需存儲路由表，但數(shù)據(jù)并非沿最優(yōu)路徑傳輸，易造成服務(wù)延遲、流量不均衡[6]。圖3是IEEE 1451.5無線智能傳感器系統(tǒng)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)樹路由結(jié)構(gòu)圖。

圖3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)樹路由結(jié)構(gòu)圖

NCAP以協(xié)調(diào)器模式建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)后，WTIM作為路由節(jié)點（RWTIM）或終端節(jié)點（TWTIM）加入網(wǎng)絡(luò)，形成樹狀拓撲結(jié)構(gòu)。當TWTIM申請加入網(wǎng)絡(luò)，只能選擇RWTIM或NCAP作為父節(jié)點，獲得父節(jié)點分配的16b網(wǎng)絡(luò)地址。當較多WTIM同時接入時，網(wǎng)絡(luò)樹路由算法對TEDS傳輸路徑選擇直接影響ZigBee接口即插即用性能。如當TWTIM節(jié)點A向NCAP節(jié)點O發(fā)送數(shù)據(jù)時，按照網(wǎng)絡(luò)樹路由算法的父子關(guān)系，數(shù)據(jù)需要依次經(jīng)過B、C、D、O四跳才能到達NCAP；若節(jié)點A能直接經(jīng)最近鄰節(jié)點E轉(zhuǎn)發(fā)到節(jié)點O僅需兩跳，傳輸路徑更優(yōu)、延遲更短。

設(shè)Ap、Anr、Ant分別為父節(jié)點、第n個路由子節(jié)點、第n個終端子節(jié)點的地址，Lm、Cm、Rm、d、Cs（d）分別為網(wǎng)絡(luò)最大深度、節(jié)點最大子節(jié)點數(shù)、節(jié)點最大路由子節(jié)點數(shù)、子節(jié)點網(wǎng)絡(luò)深度、父節(jié)點與子節(jié)點間地址偏移量。協(xié)調(diào)器組網(wǎng)后網(wǎng)絡(luò)地址為0，網(wǎng)絡(luò)深度為0，新節(jié)點網(wǎng)絡(luò)地址確定公式為

若深度為d、網(wǎng)絡(luò)地址為A的路由節(jié)點收到網(wǎng)絡(luò)地址為D的目的節(jié)點數(shù)據(jù)，由式（4）判斷目的節(jié)點是否為其后代節(jié)點。

若是其后代節(jié)點，則下一跳節(jié)點地址Nhop由式（5）確定，否則下一跳節(jié)點為該節(jié)點父節(jié)點。

每個ZigBee設(shè)備都維持一個鄰居表用于存儲單跳范圍內(nèi)節(jié)點信息，用戶根據(jù)需要調(diào)整鄰居表信息。節(jié)點收到鄰居節(jié)點任何幀都會更新鄰居表信息，可由ZigBee協(xié)議完成，不會帶來額外數(shù)據(jù)傳輸[7-8]，故可從鄰居表節(jié)點信息對網(wǎng)絡(luò)樹路由算法進行改進。

圖4為網(wǎng)絡(luò)樹路由算法定義的改進鄰居表格式，表中 NodeAddr、NodeType、NodeDepth、CurRload分別表示鄰居節(jié)點地址、類型（路由或終端）、網(wǎng)絡(luò)深度、當前路由負載能力。

圖4 改進的鄰居表格式

若表征接收數(shù)據(jù)幀能量、質(zhì)量的鏈路質(zhì)量指示為LQI（link quality indicator）、后代節(jié)點總數(shù)為Ndes，則當前路由負載能力CurRload表達式為

新WTIM加入網(wǎng)絡(luò)時，TEDS沿網(wǎng)絡(luò)樹結(jié)構(gòu)傳至協(xié)調(diào)器，沿途路由節(jié)點將Ndes值加1；鏈路質(zhì)量指示LQI（0≤LQI≤255）在 ZigBee收發(fā)模塊每接收一個數(shù)據(jù)幀都可以得到，數(shù)值越高表明鏈路質(zhì)量越好、傳輸越可靠。鄰居節(jié)點后代節(jié)點總數(shù)Ndes、鏈路質(zhì)量指示LQI一定程度上反映了鄰居節(jié)點潛在數(shù)據(jù)路由任務(wù)強度，體現(xiàn)鄰居節(jié)點當前路由負載能力大小。

圖5 改進后網(wǎng)絡(luò)樹路由算法流程圖

圖5為改進后網(wǎng)絡(luò)樹路由算法流程圖，圖中虛框部分為算法改進部分，借助鄰居表實時更新鄰居節(jié)點特性參數(shù)，獲得跳數(shù)較少路由路徑。具體步驟為：

（1）搜索目的節(jié)點。節(jié)點接收數(shù)據(jù)后首先判斷自己是否為目的節(jié)點，若不是則再判斷是否為其后代節(jié)點，若是其后代節(jié)點則轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)到相應(yīng)子節(jié)點再返回步驟（1），否則轉(zhuǎn)至步驟（2）。

（2）數(shù)據(jù)丟棄判定。判斷當前網(wǎng)絡(luò)深度是否為0（表示路由失敗），是則丟棄數(shù)據(jù)、結(jié)束路由，不是則轉(zhuǎn)至步驟（3）。

（3）搜索鄰居表。如目的地址與鄰居節(jié)點地址相符，則直接發(fā)送數(shù)據(jù)到鄰居節(jié)點，否則搜索鄰居節(jié)點中是否有路由節(jié)點；無路由節(jié)點則發(fā)送數(shù)據(jù)到父節(jié)點，有路由節(jié)點則搜索與目的節(jié)點網(wǎng)絡(luò)深度差距最小的鄰居節(jié)點，并發(fā)送數(shù)據(jù)到該節(jié)點；若網(wǎng)絡(luò)深度差距相同，則再搜索當前路由負載能力（由Ndes、LQI反映）最大的鄰居節(jié)點，并發(fā)送數(shù)據(jù)到該節(jié)點，否則發(fā)送數(shù)據(jù)到父節(jié)點，返回步驟（1）。

3 仿真實驗與分析

在Matlab 2010R平臺上仿真基于IEEE1451.5的ZigBee無線智能傳感器接口即插即用性能優(yōu)化前后對比效果，仿真參數(shù)為：網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積、WTIM節(jié)點傳輸距離分別為200 m×200 m，20 m，數(shù)據(jù)傳輸速率、數(shù)據(jù)包、誤碼率分別為 250 kB/s、16 B、0，網(wǎng)絡(luò)延遲為 0ms，設(shè)置 Cm=4、Rm=4、Lm=5，時間 120s。圖 6 為算法優(yōu)化前后平均跳數(shù)對比圖。

圖6 WTIM到NCAP平均跳數(shù)比較圖

圖7 WTIM到NCAP平均時延比較圖

圖7為算法優(yōu)化前后平均時延結(jié)果對比圖，可以看出，隨著節(jié)點數(shù)目的增加，兩種算法平均跳數(shù)、平均延時隨之增加，但本文所提出的優(yōu)化算法比原網(wǎng)絡(luò)樹路由算法平均跳數(shù)減少42.9%，平均延時降低28.1%，數(shù)據(jù)傳輸效率與網(wǎng)絡(luò)實時性得到較大提高。

4 結(jié)束語

基于IEEE1451.5的ZigBee智能傳感器網(wǎng)絡(luò)中較多WTIM傳輸數(shù)據(jù)且多個WTIM同時接入網(wǎng)絡(luò)時，TEDS數(shù)據(jù)量、路由選擇直接影響無線傳感器接口即插即用性能，采用定期關(guān)聯(lián)匹配通信機制（PAMC）縮短了NCAP對WTIM的配置時間，減少了ZigBee智能傳感器即插即用識別時間；簡化TES數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，刪除不必要TEDS數(shù)據(jù)字段、減小數(shù)據(jù)字段長度、簡化數(shù)據(jù)字段定義等原則簡化Meta-TEDS、Channel-TEDS、PHY TEDS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，減少無線智能傳感器TEDS數(shù)據(jù)量，進一步減小WTIM即插即用識別時間；改進ZigBee路由算法，借助ZigBee節(jié)點鄰居表與節(jié)點特性參數(shù)，實現(xiàn)無線傳感接口即插即用數(shù)據(jù)最優(yōu)路徑傳輸，可大大提高數(shù)據(jù)傳輸效率及網(wǎng)絡(luò)實時性，智能傳感器即插即用性能得到優(yōu)化。

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