無線感應網(wǎng)絡的硬件構建技術研究

摘 要：無線剛硬網(wǎng)絡在生活與工作當中具有十分重要的應用，并且極具發(fā)展前景。在這種背景下，本文首先探討了無線感應網(wǎng)絡的概念與構建方式，進而分析了無線感應網(wǎng)絡構建的輔助硬件架構。通過分析，以求為更好的應用無線感應網(wǎng)絡技術提供必要的借鑒與參考。

關鍵詞：無線感應網(wǎng)絡；硬件；構建技術

中圖分類號：TM924；TM571

1 無線感應網(wǎng)絡的概念與構建方式

感應網(wǎng)絡（Sensor Network，SN）是一種針對居住或工作環(huán)境所設計的感應網(wǎng)絡架構，可提供自動化、安全監(jiān)控等應用。目前感應網(wǎng)絡的構建主要分為下列兩種方式。第一種是由企業(yè)針對居住或工作環(huán)境進行構建規(guī)劃，并由專業(yè)人員負責安裝。這種方式的優(yōu)點是系統(tǒng)整合度高，但是卻有構建成本高以及感應裝置不易增減或更動位置的缺點。第二種則是由使用者自行購置各式感應裝置來安裝，雖然該方式較為經(jīng)濟并且在裝置的配置上具有較高的彈性，然而使用者必須面對自行構建以及設定的問題。為了克服自行構建的問題，不少利用家庭及工作電力配線連接裝置的標準被提出。只要將支持這些標準的裝置接上插座，便能通過電力線傳送控制命令，達到實現(xiàn)自動化的目的。隨著無線感應網(wǎng)絡（Wireless Sensor Network；WSN）的發(fā)展，借助多個具有感應器（sensor）或制動器（actuator）的感應裝置所形成的無線網(wǎng)絡，可以監(jiān)測構建環(huán)境中的感應信息（如溫度、濕度及震動等）。感應裝置之間不再需要實體的連線，不但免除布線的困擾，同時也能隨意調整裝置的安裝位置。然而，為了使感應網(wǎng)絡能夠正常運作，裝置是否正確地設定將是一大關鍵。由ZigBee Alliance提出的ZigBee標準一直在無線感應網(wǎng)絡的發(fā)展中扮演著主要的角色，因此針對無線感應網(wǎng)絡的應用提出了自動化設定（Automation Profile），并明確制訂了系統(tǒng)中不同裝置的角色與不同種類封包的格式，使得系統(tǒng)開發(fā)商可以遵循一致性的界面與封包格式。此外，ZigBee規(guī)格書也加入對于啟用配對工具（Commission Tool）支持的描述，其中包含了初始參數(shù)（Startup Parameters）、初始化程序與后續(xù)管理參數(shù)等互通性設計的規(guī)范。

目前已有企業(yè)推出感應網(wǎng)絡的構建套件，為了改進目前感應網(wǎng)絡構建工具的不足，本文提出ITRIHSNDIY Kit，其包含了一系列構建感應網(wǎng)絡所需的軟硬件輔助工具，主要特色在除了提供易于使用的網(wǎng)絡構建功能外，并具備安全的資料傳輸機制以及避免外界裝置誤加入網(wǎng)絡的能力。感應網(wǎng)絡中構建輔助工具包含多個運作流程，其中構建輔助硬件可協(xié)助使用者一步一步地完成基本的感應裝置安裝工作；隨后使用者還可通過裝置管理界面進行后續(xù)的網(wǎng)絡裝置管理及設定功能。目的在于讓各式各樣的無線感應裝置能簡易、安全且正確地安裝與管理使用，進而可快速建構出具有安全性的家庭自動化環(huán)境。

2 無線感應網(wǎng)絡構建的輔助硬件架構

2.1 系統(tǒng)概述

本文所介紹的ITRIHSNDIY Kit構建輔助工具主要分為構建輔助硬件以及構建輔助軟件兩部分。使用者可利用構建輔助硬件完成無線感應裝置的新增和移除，以及中繼點（Repeater）安裝位置的選定；構建輔助軟件于感應網(wǎng)絡閘道器（HSN Gateway）上運作，除了提供和構建輔助硬件相同的基本構建功能外，并能讓使用者進行高級的裝置管理。構建輔助硬件包含下列四大功能：一是初始化（Initialization），構建輔助硬件在使用前通過HSN Gateway的網(wǎng)頁界面完成初始化并加入網(wǎng)絡；二是新增裝置（Add Devices），將構建輔助硬件移近要新增的裝置，利用相鄰性偵測（proximity detection）機制完成認證并允許新裝置加入網(wǎng)絡；三是移除裝置（Remove Devices），同樣利用鄰近偵測機制，將鄰近構建輔助硬件的裝置自網(wǎng)絡移除；四是尋找中繼點位置（Find Repeater Location），當新增的裝置無法加入網(wǎng)絡或既有裝置連線信號微弱時，可通過HSN Gateway網(wǎng)頁的中繼點構建快速引導，尋找適合構建中繼點的位置。

2.2 初始化（Initialization）

為了讓構建輔助硬件可以正確運作，必須將其加入由HSN Gateway所形成的感應網(wǎng)絡。為了達到避免外界裝置誤加入網(wǎng)絡的目的，HSN Gateway利用白名單（white lists）控管所有加入感應網(wǎng)絡中的裝置，因此必須先將構建輔助硬件的MAC address加入白名單中。另一方面，為了確保構建輔助硬件被加入網(wǎng)絡，使用者需要進入在HSN Gateway上運作的構建輔助軟件操作界面，借助比對出現(xiàn)在待加入裝置清單以及構建輔助硬件上標示的MAC address，使用者可以選擇正確的裝置以完成驗證程序。當構建輔助硬件被列入白名單后，每次開啟時便能自動加入感應網(wǎng)絡而不需再進行驗證程序。

2.3 新增裝置（Add Devices）

一旦構建輔助硬件的初始化完成后，使用者便可通過該裝置新增其他無線感應裝置，其步驟詳述如下：一是使用者將構建輔助硬件與待新增的感應裝置攜至安裝地點，并打開兩者電源；構建輔助硬件，一旦收到新增裝置的Beacon Request，便以目前的TX Power發(fā)送回應信息；三是一旦新增裝置接收到構建輔助硬件發(fā)出的Beacon，便發(fā)出加入網(wǎng)絡的請求（Join Request）；四是若構建輔助硬件收到加入請求，則將其中包含的新增裝置MAC address存入新增裝置清單（Add Device List），并傳回HSN Gateway；我也是HSN Gateway收到裝置清單后，會將內含的MAC address加入白名單（white lists）；六是HSN Gateway一旦收到新增裝置的加入請求，由于其MAC address已在白名單中，因此允許加入。

2.4 移除裝置（Remove Devices）

若使用者欲移除已加入感應網(wǎng)絡中的裝置，同樣可通過構建輔助硬件來進行，其步驟詳述如下：一是使用者將構建輔助硬件移至想要移除的感應裝置旁并啟動移除裝置功能；二是構建輔助硬件以最低的TX Power搜尋周邊的感應裝置；三是構建輔助硬件一旦收到感應裝置的回應，則將其中包含的MAC address加入移除裝置清單（Remove DeviceList）并傳回HSN Gateway；四是HSN Gateway將移除裝置清單中的MAC address自白名單中移除，并向該感應裝置發(fā)出移除通知（Leave Request）。

2.5 尋找中繼點位置（Find Repeater Location）

雖然無線感應網(wǎng)絡可節(jié)省實體布線的負擔，然而室內的復雜環(huán)境卻容易造成無線信號覆蓋的死角。為了使感應裝置與HSN Gateway維持穩(wěn)定的連線，可利用ZigBee支持mesh網(wǎng)絡與multi-hop傳輸?shù)奶匦?，在信號較弱或是失聯(lián)的感應裝置附近構建中繼節(jié)點（Repeater）。使用者可通過構建輔助硬件的協(xié)助尋找中繼節(jié)點的構建位置，直到感應裝置可和HSN Gateway正常連線為止。其步驟詳述如下：一是使用者啟動構建輔助硬件的尋找中繼節(jié)點構建位置功能；二是使用者將構建輔助硬件移往失聯(lián)的感應裝置；三是構建輔助硬件以正常的TX Power搜尋周邊的感應裝置；四是若無法接收到所有的回應，可考慮在此構建中繼節(jié)點）；五是重復上述流程，一旦構建輔助硬件到達失聯(lián)的感應裝置所在處，表示中繼節(jié)點構建完成。

3 結束語

本文首先介紹目前在感應網(wǎng)絡中進行感應裝置構建的方式以及所面臨的問題。接著介紹ITRIHSNDIY Kit構建輔助工具，并針對構建輔助硬件的架構與實作進行說明。構建輔助硬件讓使用者無需通過網(wǎng)頁界面，便能完成感應裝置的新增、移除，以及尋找中繼點安裝位置等三大功能。同時借助動態(tài)調整ZigBee無線信號發(fā)射的功率，達到防止外界裝置誤接入網(wǎng)絡的情形發(fā)生。由測試結果可知，通過構建輔助硬件進行裝置構建整體所需的時間較使用網(wǎng)頁界面要少。此外，借助使用構建輔助硬件進行構建確實能達到防止裝置誤接入的目的。對于目前在既有平臺上開發(fā)構建輔助硬件的方式而言，使用者操作界面的設計較為受限。未來可考慮在該平臺上加入LCD等裝置以提供等待新增/移除裝置的信息。隨著具有Micro/Mini SD等界面的ZigBee裝置問世，也可以考慮將構建輔助硬件與手機等隨身裝置進行整合。

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作者單位：江蘇工程職業(yè)技術學院，江蘇南通 226007