基于Zigbee的網(wǎng)絡(luò)接入網(wǎng)關(guān)的研究

王振福

摘 要：為了滿足流程工業(yè)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的實際需求，構(gòu)建了一套基于Zigbee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。本文介紹了Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的基本架構(gòu)，并詳細(xì)描述了傳感網(wǎng)絡(luò)中接入網(wǎng)關(guān)對于網(wǎng)絡(luò)的管理作用。包含網(wǎng)絡(luò)主要參數(shù)節(jié)點狀態(tài)及丟包率的計算，以及無線傳感網(wǎng)絡(luò)的移動性管理。

關(guān)鍵詞：Zigbee；無線傳感網(wǎng)絡(luò)；無線接入網(wǎng)關(guān)

一、引言

為了滿足工業(yè)現(xiàn)場特殊環(huán)境的無線數(shù)據(jù)采集要求，不僅需要Zigbee的高效率協(xié)議棧，還需要與整套無線傳感器網(wǎng)絡(luò)匹配的網(wǎng)絡(luò)管理方法來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中各種設(shè)備的協(xié)調(diào)以及配置。

接入網(wǎng)關(guān)作為整套系統(tǒng)中承上啟下的設(shè)備，負(fù)責(zé)與節(jié)點和上位機兩邊的通信。本課題實現(xiàn)了以接入網(wǎng)關(guān)為核心，對于整個網(wǎng)絡(luò)的管理功能：包括接入網(wǎng)關(guān)對于數(shù)據(jù)的管理，對節(jié)點的發(fā)射功率，信道的控制，以及對于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量中主要參數(shù)的控制。并且對于現(xiàn)場中一些特殊的移動性節(jié)點，實現(xiàn)了一種類似于手機漫游的管理機制。

二、基于Zigbee無線接入網(wǎng)絡(luò)概述

ZigBee標(biāo)準(zhǔn)是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的，ZigBee協(xié)議棧分為兩部分，IEEE802.15.4處理低級MAC層和物理層協(xié)議，而ZigBee聯(lián)盟對其網(wǎng)絡(luò)層和API進行標(biāo)準(zhǔn)化，ZigBee節(jié)省的大部分能量歸功于專為低功率設(shè)計的IEEE802.15.4協(xié)議，各層之間通過服務(wù)接入點來實現(xiàn)層層之間的數(shù)據(jù)通信與協(xié)議棧管理，層層之間有兩個服務(wù)接入點，一個提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，另一個實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理。ZigBee設(shè)備在工作時，各種不同的任務(wù)在不同層次上執(zhí)行，通過層的服務(wù)完成所要執(zhí)行的任務(wù)。

物理層完成收發(fā)數(shù)據(jù)、激活和休眠射頻收發(fā)器、信道能量檢測、空閑信道評估、數(shù)據(jù)鏈路質(zhì)量指示的功能。MAC子層提供兩種服務(wù)，MAC層數(shù)據(jù)服務(wù)和管理服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)層職責(zé)為加入和離開網(wǎng)絡(luò)機制、應(yīng)用安全幀的機制及發(fā)現(xiàn)和保持設(shè)備之間的路徑。應(yīng)用層由應(yīng)用支持子層，應(yīng)用框架、ZigBee設(shè)備對象及用戶定義的應(yīng)用對象。應(yīng)用支持子層的作用是維護設(shè)備綁定表，它具有根據(jù)服務(wù)及需求匹配兩設(shè)備的能力，且通過邊界的設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)信息。

三、接入網(wǎng)關(guān)對無線信道的管理

為了避免不同網(wǎng)關(guān)所屬子網(wǎng)之間的通信互不干擾，為每一個網(wǎng)關(guān)分配一個獨有的信道，由于在節(jié)點加入網(wǎng)關(guān)的階段，節(jié)點開始并不知道自己將加入哪一個網(wǎng)關(guān)，所以我們需要在劃分出一個公有信道來為用于未加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點入網(wǎng)。當(dāng)節(jié)點收到網(wǎng)關(guān)的確認(rèn)入網(wǎng)幀后，就跳頻至網(wǎng)關(guān)所屬信道進行通信，直到其離開網(wǎng)關(guān)。而每個網(wǎng)關(guān)為了在接收節(jié)點收發(fā)數(shù)據(jù)的同時，還能保證其他節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)，需要在收完數(shù)據(jù)之后切換至公有信道，來接受入網(wǎng)幀。

對于第一次上電的接入網(wǎng)關(guān)，均使用公用信道向全網(wǎng)絡(luò)廣播網(wǎng)絡(luò)建立幀，這樣所有未加入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點都可以偵聽到網(wǎng)絡(luò)建立幀，之后接入網(wǎng)關(guān)切換至私有信道，首先發(fā)送同步幀，并開始接受節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，當(dāng)接收完一個節(jié)點的數(shù)據(jù)之后，將判斷是否有本子網(wǎng)的其它節(jié)點向接入網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)，如果有將繼續(xù)等待數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)的管理，計算節(jié)電狀態(tài)，丟包率，否則，為了使更多節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)，接入網(wǎng)關(guān)將重新回到公有信道，廣播網(wǎng)絡(luò)建立幀。

四、主要無線網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量參數(shù)的計算

1.節(jié)電狀態(tài)的統(tǒng)計。

節(jié)電狀態(tài)主要是反映該節(jié)點當(dāng)前周期，是否向網(wǎng)關(guān)發(fā)送了數(shù)據(jù)幀，有在線和離線兩種狀態(tài)。

由于每一個節(jié)點的更新周期不同，從一個單位時間至五個單位時間可配置，這就意味著不可以僅僅根據(jù)當(dāng)前周期是否收到數(shù)據(jù)來判斷節(jié)點的狀態(tài)。在節(jié)點每一個數(shù)據(jù)幀中會將本節(jié)點當(dāng)前更新周期的這一項參數(shù)傳上來。那么接入網(wǎng)關(guān)就可以根據(jù)這一字節(jié)來判斷出節(jié)點的更新周期。我們設(shè)節(jié)點的更新周期為Tupdate，以及節(jié)點周期內(nèi)收到數(shù)據(jù)報個數(shù)Tcounter，則計算節(jié)點更新周期的算法如式4-1所示。

NodeStatus=0，Tcounter%Tupdate=0

1，Tcounter%Tupdate≠0 （4.1）

在每個節(jié)點數(shù)據(jù)更新周期，每經(jīng)過一個單位時間Tcounter就會加一，當(dāng)還未到節(jié)點更新數(shù)據(jù)的那個單位時間的時候，Tcounter一定會小于Tupdate的值，則Tcounter對Tupdate取余的值不為零，這就代表這個周期節(jié)點本不應(yīng)該傳上數(shù)據(jù)，所以接入網(wǎng)關(guān)也不會在這個單位時間段內(nèi)判斷節(jié)點是否發(fā)送數(shù)據(jù)。直到節(jié)點應(yīng)發(fā)數(shù)據(jù)時，Tcounter與Tupdate的值吻合，此時Tcounter對Tupdate取余的值為零，所以接入網(wǎng)關(guān)在余值為零的那個周期即可根據(jù)節(jié)點是否傳上數(shù)據(jù)來判斷節(jié)點的狀態(tài)。這樣方式既避免了忽略本應(yīng)傳遞數(shù)據(jù)的單位周期，也避免了在每一個周期頻繁等待節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，提高了網(wǎng)關(guān)的效率。而下一節(jié)丟包率的計算也采用了基于節(jié)點狀態(tài)的計算方式。

2.基于貝努利試驗的節(jié)點丟包率的計算。

丟包率作為反映無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量的重要參數(shù)，其計算對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)很重要的作用。1）通過丟包率的變化，可以使用戶直觀地觀察網(wǎng)絡(luò)運行狀態(tài)，及早發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中存在的故障。2）丟包率的變化對于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點及網(wǎng)關(guān)的布置有著有很大的指導(dǎo)性意義，對于丟包率，鏈路質(zhì)量等參數(shù)持續(xù)不理想的子網(wǎng)，可以考慮通過改變網(wǎng)絡(luò)設(shè)備安放的位置，直到網(wǎng)絡(luò)參數(shù)運行滿足工業(yè)現(xiàn)場的基本要求。

本課題設(shè)計并實現(xiàn)可以提供分時段的子網(wǎng)絡(luò)的32個節(jié)點的丟包率，這樣做的好處在于，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)運行很長時間后，整段時間的網(wǎng)絡(luò)可靠性下降而帶來的丟包率的變化并不明顯，不利于上位機及時發(fā)現(xiàn)問題，所以分時段的測量非常重要，每個時段統(tǒng)計一次這一時段單獨的丟包率，這樣及時網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量發(fā)生細(xì)微的變化，也可及時發(fā)現(xiàn)問題?；谏鲜龇治?，本文提出了一種基于貝努力試驗計算方法，基本思想如下：在接入網(wǎng)關(guān)應(yīng)用層中為每一個節(jié)點設(shè)置一個環(huán)形隊列，隊列的長度為K，隊列中的每一項為節(jié)點每個數(shù)據(jù)更新周期的狀態(tài)，用0來表示離線，而用1來表示在線，當(dāng)節(jié)點的周期數(shù)超過K之后，將覆蓋之前的節(jié)電狀態(tài)值，這也是分時段丟包率的核心思想。在每次網(wǎng)關(guān)單位周期結(jié)束之前，統(tǒng)計每個節(jié)點的環(huán)形隊列所有項的和，得到的就是每個節(jié)點的最近的K個周期的狀態(tài)，也就是近一百次應(yīng)收數(shù)據(jù)的周期實際收到數(shù)據(jù)幀的次數(shù)。

根據(jù)上一張節(jié)點狀態(tài)統(tǒng)計一節(jié)所述，考慮一次包的收發(fā)過程，可能會引發(fā)兩種事件：接收方成功接收或接收方接收失敗，這等價于一次貝努利試驗。令Pi為Bernoulli隨機變量，如果包成功接收，則Pi為1，否則為0。那么，對于k次發(fā)送，包接收率能夠被定義如式4.2所示。

Prr=Pi （4.2）

由于Pi為隨機變量，根據(jù)大數(shù)定理，Prr能夠被近似地表示為E（Pi），表示平均成功接收一個包的概率。

由Prr的定義及計算公式可知，采用包接收率可以檢測出好的鏈路，能夠自適應(yīng)慢速地跟蹤鏈路質(zhì)量的變化。在以時間T為周期的多個時間段內(nèi)，k的取值決定了評估的精度。k值越大，評估越精確，但開銷較大；k值較小，開銷較少，但評估精度不高。

將每個節(jié)點統(tǒng)計后的數(shù)據(jù)放入隸屬于每個節(jié)點數(shù)據(jù)區(qū)丟包率的一項，上位機就可以看到分段實時的節(jié)點丟包率，并將每一時段的丟包率記錄下來，綜合得到每天，每月甚至每年的綜合丟包率，來評估網(wǎng)絡(luò)任一時段，任一時長的傳輸質(zhì)量。

五、結(jié)語

本文主要討論了基于Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)接入網(wǎng)關(guān)對于整個無線傳感網(wǎng)絡(luò)的管理，具體論述了接入網(wǎng)關(guān)對于無線數(shù)據(jù)和信道的管理，以及網(wǎng)絡(luò)中諸如節(jié)點狀態(tài)，丟包率等對于本套系統(tǒng)有重要應(yīng)用以及的性能參數(shù)的計算方式。

參考文獻：

[1]Willig，A.，K.Matheus，andA.Wolisz，Wireless Technology in Industrial Networks. Proceedings of the IEEE，2005.93（6）：p.1130-1151.

[2]唐忠，etal.，工業(yè)無線通信技術(shù)第十二章工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場總線的互連方法研究.儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計量，2008（06）：p.30-32+35.

[3]夏飛，基于Z-Stack協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點研究.電子元器件應(yīng)用，2009（12）：p.74-76.