基于ZigBee的網(wǎng)絡(luò)偵聽系統(tǒng)設(shè)計

高 菲

（寶雞職業(yè)技術(shù)學(xué)院，寶雞721000）

基于ZigBee的網(wǎng)絡(luò)偵聽系統(tǒng)設(shè)計

高 菲

（寶雞職業(yè)技術(shù)學(xué)院，寶雞721000）

設(shè)計ZigBee網(wǎng)絡(luò)偵聽系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)，從功能上劃分，本系統(tǒng)包括兩個部分：偵聽節(jié)點部分和偵聽軟件部分。偵聽節(jié)點主要包括串口配置模塊、命令交互模塊、數(shù)據(jù)收發(fā)模塊和數(shù)據(jù)上傳模塊。這些模塊主要實現(xiàn)了串口初始化、信道設(shè)置、網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包的獲取和把獲取的數(shù)據(jù)包傳到上位機。偵聽軟件主要實現(xiàn)了對下位機的控制和對獲取數(shù)據(jù)的處理，以及分析結(jié)果的顯示。系統(tǒng)利用CC2430強大的DMA功能把數(shù)據(jù)從RFD寄存器轉(zhuǎn)存到串口發(fā)送緩沖區(qū)。最后調(diào)用串口收發(fā)函數(shù)將數(shù)據(jù)上傳到上位機或者將上位機發(fā)送過來的數(shù)據(jù)傳遞到CC2430，同時詳細介紹了各功能模塊的實現(xiàn)。在CC2430芯片上完成了偵聽節(jié)點程序的設(shè)計，分別闡述偵聽程序、偵聽軟件、數(shù)據(jù)包上傳和任務(wù)調(diào)度的設(shè)計方法。搭建無線傳感器偵聽系統(tǒng)，對當(dāng)前ZigBee網(wǎng)絡(luò)進行偵聽。通過大量的測試實驗對軟件實現(xiàn)的功能進行測試和評估。

無線通信；傳感器網(wǎng)絡(luò)；偵聽；數(shù)據(jù)包；偵聽軟件；協(xié)議

1 引 言

在WSN的研究和開發(fā)過程中會遇見各種各樣的問題。雖然可以通過調(diào)試和仿真的方法解決某些問題，但在一些惡劣環(huán)境和存在某些電磁干擾情況下，需要實時監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的變化，從而制定出相應(yīng)的解決方案［1］。本系統(tǒng)通過對ZigBee協(xié)議的解析獲取無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中相應(yīng)的通信信息，并對獲取的信息進行加工和整合，以便能夠從整體上評估和分析網(wǎng)絡(luò)的工作狀況。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)偵聽系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 偵聽系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

從功能上來劃分本系統(tǒng)包括兩個部分：偵聽節(jié)點部分和偵聽軟件部分。它們按照自身的功能需要又分為不同的模塊。偵聽節(jié)點主要包括串口配置模塊、命令交互模塊、數(shù)據(jù)收發(fā)模塊和數(shù)據(jù)上傳模塊。這些模塊主要實現(xiàn)串口初始化、信道設(shè)置、網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包獲取和把獲取的數(shù)據(jù)包傳到上位機。偵聽軟件主要實現(xiàn)對下位機的控制和對獲取數(shù)據(jù)的處理，以及分析結(jié)果的顯示。主要包括命令控制模塊、串口接收模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、幀解析模塊、拓撲圖模塊和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)模塊。

3 偵聽節(jié)點程序設(shè)計方案

偵聽節(jié)點的主要任務(wù)是抓取網(wǎng)絡(luò)中的RF包［2］。在RF接收模塊，CC2430必須能夠不加過濾地接收網(wǎng)絡(luò)中的全部RF包。而獲取的RF包中有不滿足ZigBee協(xié)議的，所以在程序設(shè)計中還要對不滿足要求的數(shù)據(jù)包進行過濾。接收到的數(shù)據(jù)包會暫存在RFD寄存器中，利用CC2430強大的DMA功能把數(shù)據(jù)從RFD寄存器轉(zhuǎn)存到串口發(fā)送緩沖區(qū)。最后調(diào)用串口收發(fā)函數(shù)將數(shù)據(jù)上傳到上位機或者將上位機發(fā)送過來的數(shù)據(jù)傳遞到CC2430［3］。偵聽節(jié)點的程序設(shè)計流程如圖2所示。

圖2 偵聽程序流程圖

當(dāng)偵聽節(jié)點上電后，首先對串口進行初始化。串口初始化完成后命令交互模塊就可用了，開始等待上位機發(fā)送控制指令。接收到控制命令時點亮LED1。若接收到啟動或設(shè)置信道命令，則開始執(zhí)行啟動設(shè)備為默認信道或設(shè)置為特定信道。執(zhí)行完命令后熄滅LED1。然后開始抓取網(wǎng)絡(luò)中的RF包，收到數(shù)據(jù)包后點亮LED2。之后把獲取的RF包上傳到上位機并熄滅LED2。執(zhí)行完這一操作后，檢測上位機是否有控制命令發(fā)送。若沒有命令則按上一次的命令設(shè)置繼續(xù)運行，否則執(zhí)行新的命令設(shè)置。

4 偵聽軟件設(shè)計方案

偵聽軟件主要完成對偵聽節(jié)點上傳的RF包進行解析和對解析后的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，最后把分析后的數(shù)據(jù)顯示到軟件界面上。這里把偵聽軟件的實現(xiàn)分為三個部分［4］：RF包解析模塊、數(shù)據(jù)統(tǒng)計模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊。RF包解析模塊實質(zhì)上是根據(jù)ZigBee協(xié)議規(guī)定的幀格式對RF包逐個解包，還原RF包在通信網(wǎng)絡(luò)中攜帶的真實信息。數(shù)據(jù)統(tǒng)計模塊則是對還原后的信息進行統(tǒng)計和分類，根據(jù)這些信息可以計算丟包率，網(wǎng)絡(luò)通信量，畫網(wǎng)絡(luò)拓撲圖等［5］。數(shù)據(jù)顯示模塊則側(cè)重于界面的可視化操作和管理，讓使用者能夠便捷的查看網(wǎng)絡(luò)運行狀態(tài)。

偵聽軟件的設(shè)計流程如圖3所示。首先，需要配置串口，以便能夠發(fā)現(xiàn)連接到PC的串口設(shè)備。當(dāng)發(fā)現(xiàn)串口后向偵聽節(jié)點發(fā)送控制指令，如啟動偵聽節(jié)點，配置信道等。其次，接收偵聽節(jié)點上傳的RF包，并對RF包進行解析。這里的解析主要是針對IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的解析［6］。再次，對解析后的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，并存入到數(shù)據(jù)庫中。最后，訪問數(shù)據(jù)庫，調(diào)用畫圖工具將相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息顯示到軟件界面上。

圖3 偵聽軟件程序設(shè)計流程圖

5 數(shù)據(jù)包上傳和任務(wù)調(diào)度

圖4 偵聽節(jié)點系統(tǒng)調(diào)度流程圖調(diào)度

數(shù)據(jù)接收完成后還要把接收到的數(shù)據(jù)通過串口上傳到上位機。這里收到的數(shù)據(jù)包是物理層數(shù)據(jù)包去掉幀頭（即沒有幀引導(dǎo)序列和SFD）和加了幀尾（FCS）的部分。其第一個字節(jié)代表的是這個數(shù)據(jù)包長度，因此可以根據(jù)第一個字節(jié)標(biāo)示的幀長度把指定長度的數(shù)據(jù)上傳到上位機［7］?？紤]到傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，對每一個數(shù)據(jù)包在上傳時添加幀頭“us”和幀尾“st”，以便上位機讀取數(shù)據(jù)包和驗證數(shù)據(jù)包的完整性［8］。

任務(wù)調(diào)度負責(zé)對數(shù)據(jù)收發(fā)、DMA和數(shù)據(jù)上傳等模塊的調(diào)度。而串口接收模塊處于任務(wù)調(diào)度之外，因為只有初始化好了串口之后偵聽節(jié)點才能接收上位機的命令。接收到相應(yīng)的命令才能進行系統(tǒng)命令的處理，這樣任務(wù)調(diào)度才算開始。該任務(wù)調(diào)度分兩部分：一部分是命令設(shè)置成功后開始初始化信道和DMA；另一部分是RF包的接收和上傳。整個偵聽節(jié)點系統(tǒng)設(shè)計流程如圖4所示。

6 性能評估

系統(tǒng)對一個現(xiàn)有ZigBee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行了測試。該ZigBee網(wǎng)絡(luò)包括1個協(xié)調(diào)器、6個路由器和20個終端設(shè)備。在這些設(shè)備中按其型號不同燒寫對應(yīng)的SampleApp測試代碼的源程序。本實驗的平面視圖如圖5所示，標(biāo)注了不同設(shè)備的位置。

圖5 測試實驗的平面布局

幀結(jié)構(gòu)的顯示通過調(diào)用WPF中xaml定義的格式顯示模板和對應(yīng)的數(shù)據(jù)源綁定，來顯示相應(yīng)的幀格式。當(dāng)點擊幀結(jié)構(gòu)中顯示的某條數(shù)據(jù)后，將會觸發(fā)幀數(shù)據(jù)顯示事件顯示幀數(shù)據(jù)的原始二進制碼等參數(shù)。在包數(shù)據(jù)顯示部分，可顯示包索引、幀長度、原包數(shù)據(jù)、RSSI和CRC的值。經(jīng)多次實驗，該模塊可以正確的解析和顯示各種幀信息。

網(wǎng)絡(luò)分析模塊則傾向于對所關(guān)注的數(shù)據(jù)進行分析，主要是丟包率、通信效率等的分析。對ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)過程進行了偵聽。圖6顯示的是柱狀圖。該柱狀圖顯示在組網(wǎng)過程中各幀占的比例。信標(biāo)幀在組網(wǎng)完成后占的比例會越來越小，而命令幀占的比例會越來越大。這是因為在組網(wǎng)過程中節(jié)點通過發(fā)送信標(biāo)請求尋找協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器發(fā)現(xiàn)節(jié)點后廣播信標(biāo)。組網(wǎng)后不再使用信標(biāo)，而是節(jié)點周期性地向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)請求命令。圖7是網(wǎng)絡(luò)通信量顯示圖。該圖波動比較明顯的地方是因為有節(jié)點請求加入網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)后，網(wǎng)絡(luò)的通信量曲線將趨于平穩(wěn)。經(jīng)過大量的測試實驗，該數(shù)據(jù)分析模塊能夠正確分析網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的通信狀況。但是穩(wěn)定性和兼容性方面還需要進一步提高。

圖6 MAC層各種幀占的比例

圖7 網(wǎng)絡(luò)通信量分析

7 結(jié)束語

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)偵聽技術(shù)是一項對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分析技術(shù)。通過對網(wǎng)絡(luò)的分析，可以分析和解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作中遇到的問題。將來可以更好的把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到人們的日常生活中去。

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Design of Network Interception System Based on ZigBee

Gao Fei
（Baoji Vocational Technology College，Baoji721000，China）

The frame structure of ZigBee network interception system is designed in this paper.The system consists of two parts，interception node and software.The interception node includes a serial port configuration module，command interaction module，data transceiver module and data upload module，etc.，which mainly realizes serial port initialization and channel setting，and obtains the packets in the network and sends them to the uppermachine.The software is used to control themachine，processes the data obtained and displays the analysis results.It sends data from RFD registers to a serial port to send buffer by DMA of CC2430.A serial port is used to send and receive function，uploading data to PC or transferring the data of the PC to CC2430，and the realization of each function module are introduced in detail.On chip CC2430，the interception node program is designed，the interception program，the interception software，data packet uploading and design method of task scheduling are described respectively.A wireless sensor interception system is set up to intercept the current ZigBee network.The experiments are performed to test and evaluate the function of the software implementation.

Wireless communication；Sensor network；Interception；Packets；Interception software；Protocal

10.3969/j.issn.1002－2279.2015.06.09

TP277

B

1002－2279（2015）06－0033－03

高菲（1981－），女，陜西省寶雞市人，碩士研究生，主研方向：計算機教育。

2015－03－24