高寒山地條件下地面?zhèn)鞲袀刹煜到y(tǒng)組網(wǎng)技術(shù)研究

崔建峰+梁隴成

摘 要：南疆喀喇昆侖山脈一線地屬高寒山地，地形復(fù)雜、高寒缺氧，地面?zhèn)鞲袀刹斓刃畔⒒b備在該地域往往會(huì)遇到通信能力減弱、生命周期縮短、維護(hù)保養(yǎng)不便等難題，為克服上述困難，文章采用的ZigBee組網(wǎng)技術(shù)是一種低速率、低功耗、自組性強(qiáng)的無(wú)線通信技術(shù)，能夠適應(yīng)在高寒山地條件下的實(shí)時(shí)偵察需求。文中重點(diǎn)對(duì)基于ZigBee技術(shù)的地面?zhèn)鞲袀刹煜到y(tǒng)的組網(wǎng)性能進(jìn)行了研究，并通過(guò)OPNET仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了ZigBee網(wǎng)絡(luò)具有良好的自組性和自適應(yīng)能力。

關(guān)鍵詞：高寒山地；ZigBee；傳感偵察系統(tǒng)；OPNET仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2015）10-00-04

0 引 言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)源于軍事應(yīng)用，目前已在國(guó)內(nèi)外軍事領(lǐng)域被廣泛使用。它可以用作戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知，使作戰(zhàn)單位對(duì)敵在前沿陣地及縱深活動(dòng)的情況實(shí)時(shí)掌握。比如通過(guò)飛行器或自動(dòng)化裝備將大量傳感器節(jié)點(diǎn)布設(shè)在相關(guān)地域，這些節(jié)點(diǎn)可以自組成網(wǎng)，將戰(zhàn)場(chǎng)信息收集、融合并傳輸至指控中心，為其提供準(zhǔn)確情報(bào)。

1 研究背景及意義

喀喇昆侖山脈一帶，地處高寒山地，該地區(qū)的平均海拔在5 000米以上，含氧量?jī)H為平地的45%左右，極寒缺氧的天氣和溝壑縱橫的地形嚴(yán)重影響了信息化裝備的戰(zhàn)技術(shù)性能，特別是對(duì)通信質(zhì)量、電池使用壽命、硬件損耗的影響較大。

針對(duì)這些自然因素帶來(lái)的難題，需要有一種能夠適應(yīng)這種高寒山地環(huán)境，低功耗、低成本、安全性能高的偵察系統(tǒng)來(lái)實(shí)時(shí)對(duì)任務(wù)區(qū)域進(jìn)行監(jiān)控偵察。ZigBee技術(shù)是一種具有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的短距離無(wú)線通信技術(shù)，它功耗低、成本低、易應(yīng)用，完全可以滿(mǎn)足高寒山地監(jiān)控偵察的需求。本文將設(shè)計(jì)一個(gè)基于ZigBee技術(shù)的地面?zhèn)鞲袀刹煜到y(tǒng)，構(gòu)建一套可靠、實(shí)用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對(duì)基于ZigBee的地面?zhèn)鞲袀刹煜到y(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)性能在OPNET平臺(tái)上進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

2 ZigBee技術(shù)

ZigBee是一種廉價(jià)的、低功耗的近距離無(wú)線雙向通信技術(shù)，“ZigBee”一詞來(lái)源于蜜蜂群的信息傳遞方式，當(dāng)某個(gè)蜜蜂發(fā)現(xiàn)花粉位置時(shí)，會(huì)通過(guò)跳“ZigZag”形舞來(lái)通知其它蜜蜂。因?yàn)槊鄯渫ㄟ^(guò)這種簡(jiǎn)捷的方式溝通，人們也就借此舞蹈來(lái)命名這種低功耗、低成本、低復(fù)雜度、低速率的近距離無(wú)線通信技術(shù)。

2.1 ZigBee技術(shù)特點(diǎn)

ZigBee自組網(wǎng)技術(shù)具有以下特點(diǎn)：

（1）低功耗。當(dāng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的某個(gè)節(jié)點(diǎn)處于待機(jī)低耗能模式下，2節(jié)5號(hào)干電池可支撐其工作6～24個(gè)月，藍(lán)牙則可以工作數(shù)周，WiFi可以工作數(shù)小時(shí)。

（2）低成本。ZigBee協(xié)議一般比較簡(jiǎn)潔實(shí)用，其成本不足藍(lán)牙的1/10，對(duì)處理器的要求也隨之降低。

（3）低速率。其傳輸速率為250 Kb/s，完全符合低速率傳輸?shù)膽?yīng)用需求。

（4）近距離。相鄰的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間，傳輸距離一般為10～100 m，若加大RF發(fā)射功率，可增加至1 km～3 km。如果是通過(guò)路由節(jié)點(diǎn)間接力通信，則可以更遠(yuǎn)。

（5）短時(shí)延。ZigBee網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)時(shí)間非常短，從休眠到喚醒一般只需15 ms，節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)只需30 ms，非常節(jié)能省電。比較來(lái)說(shuō)，藍(lán)牙需要3～10 s、WiFi需要3 s。

（6）大容量。ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以采用分簇混合型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以分為多個(gè)簇，而每個(gè)簇首可以管理多個(gè)子節(jié)點(diǎn)。這樣就可以構(gòu)建一個(gè)龐大的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，最多可以擴(kuò)容到65 535個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，ZigBee一般通過(guò)多跳的方式傳輸數(shù)據(jù)。

2.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2.2.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的功能設(shè)備、節(jié)點(diǎn)類(lèi)型以及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)包括全功能設(shè)備FFD（Full Function Device）和精簡(jiǎn)功能設(shè)備RFD（Reduced Function Device）兩種功能類(lèi)型的設(shè)備。全功能設(shè)備（FFD）的存儲(chǔ)能力、計(jì)算能力和通信能力都比較強(qiáng)，它可以雙向通信，協(xié)調(diào)發(fā)起網(wǎng)絡(luò)，也可以起到路由的作用。精簡(jiǎn)功能設(shè)備（RFD）可用作終端設(shè)備，通常只需要采集數(shù)據(jù)并向路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器傳輸，功能比較單一，內(nèi)存和電路設(shè)計(jì)都比較節(jié)省，同時(shí)也降低了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的成本。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)包括協(xié)調(diào)器 （ZigBee Coordinator）、路由節(jié)點(diǎn)（ZigBee Router）和終端設(shè)備（ZigBee EndDevice）三種。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒ㄐ切巍⒕W(wǎng)形和簇形三種結(jié)構(gòu)，如圖1所示。圖1中從左到右依次是星形拓?fù)?、網(wǎng)形拓?fù)浜痛匦瓮負(fù)洹?/p>

圖1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2.2 ZigBee路由協(xié)議

ZigBee路由協(xié)議主要包括：樹(shù)形路由（Cluster tree Routing）和ZigBee距離矢量路由協(xié)議改進(jìn)型（Zigbee Ad-hoc On-demand Distance Vector Routing，AODVjr）。Cluster tree路由算法中，終端節(jié)點(diǎn)直接將數(shù)據(jù)發(fā)給其父節(jié)點(diǎn)，通過(guò)父節(jié)點(diǎn)來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)，所以初始延遲比較小，而且實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，但缺點(diǎn)是路由并非最佳，適應(yīng)性較差；AODVjr路由算法通過(guò)路由發(fā)現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)路由的最佳，但要建立路由表，能耗開(kāi)銷(xiāo)也相對(duì)大一些。

3 基于ZigBee技術(shù)的地面?zhèn)鞲袀刹煜到y(tǒng)設(shè)計(jì)

基于ZigBee的地面?zhèn)鞲袀刹煜到y(tǒng)，就是將ZigBee無(wú)線通信技術(shù)與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，對(duì)監(jiān)控區(qū)域或戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)進(jìn)行實(shí)時(shí)情報(bào)感知。ZigBee良好的自適應(yīng)能力和低能耗低成本的特點(diǎn)可以有效克服高寒缺氧、地形復(fù)雜和補(bǔ)給困難等問(wèn)題。

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

3.1.1 總體架構(gòu)

在任務(wù)區(qū)域，因?yàn)榈匦螐?fù)雜、環(huán)境惡劣，需要布置多個(gè)探測(cè)節(jié)點(diǎn)以提高偵察的精度。所以本系統(tǒng)選擇分布式主從節(jié)點(diǎn)模式，包括一個(gè)協(xié)調(diào)器和多個(gè)前哨探測(cè)節(jié)點(diǎn)，其中前哨探測(cè)節(jié)點(diǎn)由不同功能的父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)組成，對(duì)所屬區(qū)域全方位監(jiān)控偵察。

地面?zhèn)鞲袀刹煜到y(tǒng)主要包括前哨探測(cè)節(jié)點(diǎn)（傳感器節(jié)點(diǎn)）、中繼（匯聚節(jié)點(diǎn)）和數(shù)據(jù)處理終端（任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)）三部分，其大體結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中前哨探測(cè)節(jié)點(diǎn)為網(wǎng)絡(luò)的最底層，由若干個(gè)FFD和RFD分為多個(gè)節(jié)點(diǎn)簇，F(xiàn)FD節(jié)點(diǎn)也就是父節(jié)點(diǎn)（主節(jié)點(diǎn)），主要是發(fā)揮路由加探測(cè)目標(biāo)信息的作用；RFD節(jié)點(diǎn)為子節(jié)點(diǎn)，只用于探測(cè)感知目標(biāo)信息。匯聚節(jié)點(diǎn)也就是整個(gè)偵察系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器，通常只有一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)。任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)相當(dāng)于一個(gè)小的指揮所，它負(fù)責(zé)將傳輸回來(lái)的信息進(jìn)行接收和分析處理。

3.1.2 系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的功能

前哨探測(cè)節(jié)點(diǎn)的主要功能分為兩種情況：對(duì)于子節(jié)點(diǎn)RFD設(shè)備來(lái)說(shuō)，它的主要任務(wù)就是通過(guò)自身攜帶的紅外、振動(dòng)、聲音或是磁敏傳感器采集進(jìn)入監(jiān)控區(qū)域的目標(biāo)信息，包括目標(biāo)的性質(zhì)、數(shù)量、位置和運(yùn)動(dòng)方向等，將數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理后通過(guò)父節(jié)點(diǎn)傳輸至匯聚節(jié)點(diǎn)。對(duì)于父節(jié)點(diǎn)FFD設(shè)備來(lái)說(shuō)，它是若干前哨探測(cè)節(jié)點(diǎn)的核心，也就是某個(gè)節(jié)點(diǎn)簇的簇首，主要起數(shù)據(jù)路由轉(zhuǎn)發(fā)的作用，因?yàn)榫嚯x的原因，RFD設(shè)備的前哨探測(cè)節(jié)點(diǎn)通常不能直接將數(shù)據(jù)傳輸至匯聚節(jié)點(diǎn)，所以須經(jīng)過(guò)父節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。同時(shí)，父節(jié)點(diǎn)還具有數(shù)據(jù)融合處理和壓縮存儲(chǔ)的功能，可以將節(jié)點(diǎn)簇內(nèi)多個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的信息進(jìn)行甄別，重復(fù)的就進(jìn)行融合壓縮，而不需要將每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的信息都傳輸至匯聚節(jié)點(diǎn)。

圖2 地面?zhèn)鞲袀刹煜到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

中繼匯聚節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)將探測(cè)節(jié)點(diǎn)傳輸過(guò)來(lái)的信息進(jìn)一步融合處理后發(fā)送至任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)，它與任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)之間的通信依靠外部網(wǎng)絡(luò)。所以，中繼匯聚節(jié)點(diǎn)相當(dāng)于一個(gè)橋梁紐帶，它可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)兩種網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，既可以將任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)的指令通過(guò)各個(gè)父節(jié)點(diǎn)傳達(dá)至網(wǎng)內(nèi)的每個(gè)探測(cè)節(jié)點(diǎn)，也可以將前哨探測(cè)節(jié)點(diǎn)偵測(cè)到的信息實(shí)時(shí)反饋到任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)。

任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)主要的任務(wù)是將監(jiān)控偵察到的信息進(jìn)行接收，并通過(guò)信息處理分析后形成報(bào)告，以便對(duì)該區(qū)域采取相應(yīng)的措施。

3.2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及路由協(xié)議

本文選擇分簇（混合）型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分簇（混合）型網(wǎng)兼具星型網(wǎng)的簡(jiǎn)潔低功耗以及網(wǎng)型網(wǎng)的長(zhǎng)距離傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)。它既可以滿(mǎn)足基于ZigBee的地面?zhèn)鞲袀刹煜到y(tǒng)低功耗的需求，又可以實(shí)現(xiàn)在任務(wù)區(qū)域內(nèi)大范圍的布設(shè)多個(gè)探測(cè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)部署任務(wù)。

對(duì)于分簇（混合）型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，隨著ZigBee技術(shù)的不斷發(fā)展，其路由算法也在不斷改進(jìn)，除了采用Cluster tree算法和AODVjr算法外，已經(jīng)有研究人員結(jié)合兩種算法的優(yōu)點(diǎn)，提出了優(yōu)化后的算法。本文提出的是一種基于最小跳數(shù)的分簇路由算法。主要是將分簇技術(shù)引入ZigBee網(wǎng)絡(luò)，簇與簇之間采用AODVjr算法進(jìn)行路由選擇及數(shù)據(jù)傳輸，簇內(nèi)則選擇Cluster tree算法直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。該算法不僅可以使整個(gè)傳感偵察系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)選擇最佳路徑傳輸，而且網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的諸多前哨探測(cè)節(jié)點(diǎn)只采用Cluster tree算法，從而極大地降低了整個(gè)傳感偵察系統(tǒng)的能耗。同時(shí)，為了防止出現(xiàn)簇首路由節(jié)點(diǎn)負(fù)荷消耗過(guò)大而失效的情況，該算法還專(zhuān)門(mén)設(shè)置了備用節(jié)點(diǎn)。

4 網(wǎng)絡(luò)仿真

OPNET 14.5版本支持三種ZigBee節(jié)點(diǎn)：協(xié)調(diào)器（Coordinator）、路由器（Router）和終端設(shè)備（End_device），我們系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的匯聚節(jié)點(diǎn)就擔(dān)任協(xié)調(diào)器的角色，前哨探測(cè)節(jié)點(diǎn)中的父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)分別由路由器和終端設(shè)備來(lái)?yè)?dān)任。

4.1 地面?zhèn)鞲袀刹煜到y(tǒng)穩(wěn)定性仿真

接下來(lái)主要通過(guò)對(duì)端到端的時(shí)延（ETE）及數(shù)據(jù)量（Data Traffic Rcvd/Sent）來(lái)評(píng)測(cè)其穩(wěn)定性。

可在2 km×2 km的范圍內(nèi)，構(gòu)建一個(gè)office環(huán)境下的ZigBee模型，包括1個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、2個(gè)路由節(jié)點(diǎn)和2個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，如圖3所示。

圖3 單個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?/p>

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ蜆?gòu)建好后，再對(duì)其參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)PAN ID固定為1，兩個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的目的地址設(shè)為Coordinator。統(tǒng)計(jì)量主要包括兩個(gè)終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的業(yè)務(wù)量、目的節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)以及端到端的延遲等信息。

運(yùn)行仿真1個(gè)小時(shí)后，如圖4所示，顯示了在1個(gè)小時(shí)內(nèi)Coordinator、 Router1、Router2、End_device1和End_device2的數(shù)據(jù)流量。Coordinator的數(shù)據(jù)流量恰好是Router1和Router2的總和，也是End_device1和End_device2的總和。說(shuō)明沒(méi)有丟包，而且網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后，數(shù)據(jù)收發(fā)非常穩(wěn)定。

圖4 網(wǎng)絡(luò)中5個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)流量圖

圖5所示是路由及終端節(jié)點(diǎn)到協(xié)調(diào)器延遲的即時(shí)分布。從圖上可以看出，在Coordinator發(fā)起和創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)后，Router1比其它節(jié)點(diǎn)要較晚接入網(wǎng)絡(luò)，Router1到End_device2的時(shí)延在0.018秒左右，其余3個(gè)節(jié)點(diǎn)端到端的時(shí)延基本在0.012秒左右。這是因?yàn)槎嗵脑颍珽nd_device2等節(jié)點(diǎn)到Coordinator要經(jīng)過(guò)Router1的轉(zhuǎn)發(fā)。但總體來(lái)看，兩種時(shí)延非常小，對(duì)研究地面?zhèn)鞲袀刹煜到y(tǒng)的穩(wěn)定性不造成影響。

4.2 地面?zhèn)鞲袀刹煜到y(tǒng)容錯(cuò)性仿真

接下來(lái)我們仿真的場(chǎng)景是網(wǎng)絡(luò)中某些節(jié)點(diǎn)失效或損壞，以驗(yàn)證其它節(jié)點(diǎn)能不能通過(guò)重啟發(fā)現(xiàn)路由來(lái)重新組網(wǎng)。圖6所示是在2 km×2 km的范圍內(nèi)，構(gòu)建一個(gè)office環(huán)境下的ZigBee網(wǎng)絡(luò)模型，它設(shè)置1個(gè)協(xié)調(diào)器Coordinator發(fā)起和創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)，隨機(jī)設(shè)置10個(gè)路由節(jié)點(diǎn)Router，2個(gè)終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)End_device。

圖5路由及終端節(jié)點(diǎn)到 圖6隨機(jī)設(shè)置的ZigBee

協(xié)調(diào)器的延遲（As Is） 網(wǎng)絡(luò)模型

將各個(gè)節(jié)點(diǎn)和收集統(tǒng)計(jì)量配置完畢后，開(kāi)始仿真，仿真持續(xù)時(shí)間30分鐘后，將仿真后的數(shù)據(jù)流向情況可視化如圖7所示。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)趨于穩(wěn)定后，多余的節(jié)點(diǎn)將進(jìn)入休眠狀態(tài)，其它工作節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)流向如圖8所示。綜合兩幅圖可以看出，在協(xié)調(diào)器Coordinator發(fā)起和創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)后，10個(gè)路由節(jié)點(diǎn)Router和2個(gè)終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)End_device均順利加入了網(wǎng)絡(luò)，趨于穩(wěn)定后，根據(jù)基于最小跳數(shù)分簇路由協(xié)議，ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器選擇了最短最快的路徑將數(shù)據(jù)傳輸至終端節(jié)點(diǎn)。End_device1是通過(guò)Router4來(lái)接收Coordinator發(fā)出的數(shù)據(jù)，End_device2是通過(guò)Router7來(lái)接收Coordinator發(fā)出的數(shù)據(jù)。

圖7節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程示意圖 圖8基于最小跳數(shù)分簇路由協(xié)

議網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)鏈路圖

End_device1、End_device2與Coordinator的數(shù)據(jù)流量為圖9所示，趨于穩(wěn)定后，Coordinator收到的數(shù)據(jù)為3000b/s，End_device1和End_device2均為1 000 b/s。End_device1、End_device2到Coordinator的ETE圖見(jiàn)圖10。時(shí)延基本在0.016 s左右，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行不構(gòu)成影響。

圖9 兩個(gè)終端節(jié)點(diǎn)與 圖10 兩個(gè)終端節(jié)點(diǎn)

協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)流量圖 到協(xié)調(diào)器的ETE

接下來(lái)，我們隨機(jī)設(shè)置的10個(gè)路由節(jié)點(diǎn)Router中的5個(gè)停止工作（假定其失效或損壞），如圖11所示，紅色的叉表示該節(jié)點(diǎn)已經(jīng)停止工作，而后重新仿真，驗(yàn)證系統(tǒng)的容錯(cuò)性。重新仿真30分鐘，仿真后將節(jié)點(diǎn)連接情況可視化，如圖12所示。

圖11 部分節(jié)點(diǎn)停止工作情況 圖12 部分節(jié)點(diǎn)停止工作

下網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D 情況下網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路圖

由以上可以看出，除了停止工作的5個(gè)Router節(jié)點(diǎn)外，其余Router節(jié)點(diǎn)和兩個(gè)End_device節(jié)點(diǎn)均已加入到Coordinator發(fā)起和創(chuàng)建的網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行趨于穩(wěn)定后，根據(jù)基于最小跳數(shù)分簇路由協(xié)議，如圖13所示，Coordinator選擇了最佳路徑將數(shù)據(jù)傳至End_device，其它節(jié)點(diǎn)可以休眠，以節(jié)省能耗。

圖13 基于最小跳數(shù)分簇路由協(xié)議網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)鏈路圖

圖14所示為End_device1、End_device2與Coordinator的數(shù)據(jù)流量圖，圖15為End_device1、End_device2到Coordinator的即時(shí)時(shí)延分布圖。

圖14 協(xié)調(diào)器與終端設(shè)備 圖15 終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)到協(xié)調(diào)器

節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)流量圖 的即時(shí)時(shí)延分布圖

綜合上面兩幅圖與節(jié)點(diǎn)未減少之前相比，終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)流量沒(méi)有發(fā)生變化，協(xié)調(diào)器接收的數(shù)據(jù)流量減少，這是因?yàn)槁酚晒?jié)點(diǎn)減少了，協(xié)調(diào)器接收的總量自然就減少了。

通過(guò)仿真，我們可以看到，即使在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部有部分路由節(jié)點(diǎn)停止工作的情況下，系統(tǒng)仍然能夠自我修復(fù)，自動(dòng)重新組網(wǎng)，說(shuō)明系統(tǒng)具有較好的容錯(cuò)性和自我修復(fù)能力，適合在高寒山地的惡劣條件下使用。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文結(jié)合工作實(shí)際，設(shè)計(jì)了基于ZigBee技術(shù)的一種地面?zhèn)鞲袀刹煜到y(tǒng)，重點(diǎn)研究了基于ZigBee的無(wú)線傳感器組網(wǎng)技術(shù)。系統(tǒng)采用分簇（混合）型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，優(yōu)化了通信質(zhì)量，擴(kuò)展了偵察范圍；提出了一種基于最小跳數(shù)的分簇路由協(xié)議，提高了數(shù)據(jù)傳輸效率，同時(shí)大大節(jié)約了能耗。利用OPNET軟件，對(duì)高寒山地條件下的系統(tǒng)運(yùn)行情況及地面?zhèn)鞲袀刹煜到y(tǒng)ZigBee組網(wǎng)的關(guān)鍵性能進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，主要包括系統(tǒng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和容錯(cuò)性。通過(guò)仿真，驗(yàn)證了該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和自適應(yīng)能力。

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