基于ZigBee的傳感器網絡設計

楊兆輝+梁麗麗+姜宇

[摘 要] 針對無線傳感器網絡節(jié)點在網絡中失去連接變成鏈路故障節(jié)點問題，提出了一種優(yōu)化的基于ZigBee傳感器網絡設計思路。利用節(jié)點感知自身網絡連接狀態(tài)變化的方式，減少了網絡資源的消耗；利用節(jié)點轉移的方式，擴展了節(jié)點重新加入網絡的處理機制。仿真實驗證明，該方法有效地增加了故障節(jié)點重新加入網絡的成功率。

[關鍵詞] ZigBee；故障節(jié)點；網絡失聯(lián)；子樹節(jié)點

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2017. 17. 074

[中圖分類號] TP212.9 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2017）17- 0163- 02

0 引 言

近年來，隨著物聯(lián)網技術的飛速發(fā)展，作為物聯(lián)網技術的基礎支撐技術之一的無線傳感器網絡技術也不斷成熟。Zig Bee 專注于無線通信網絡技術，也是嵌入式應用的一大熱點，針對孤立子樹的問題應用動態(tài)重構樹方法恢復，但此節(jié)點若要重新加入網絡不能更充分地利用地址空間。

1 ZigBee網絡自主配置技術

1.1 ZigBee網絡鏈路故障

鏈路故障節(jié)點是指失去網絡連接的節(jié)點，在樹形拓撲結構中找不到父節(jié)點，當與父節(jié)點失聯(lián)后，在樹形拓撲結構中ZigBee的數(shù)據(jù)采集是向匯聚節(jié)點發(fā)送信息，所以當鏈路故障發(fā)生后也就無法成功地向匯聚節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。

在這個樹形拓撲結構中節(jié)點需要和協(xié)調器保持數(shù)據(jù)同步，此時R1節(jié)點失去網絡連接，那么R1與R2就會斷開，R2以及后代節(jié)點也就形成了孤立子樹，無法再接收到同步消息。

1.2 鏈路故障節(jié)點重新加入網絡自主配置方案設計

1.2.1 無子節(jié)點的鏈路故障節(jié)點

如果鏈路故障節(jié)點無子節(jié)點，當重新發(fā)起網絡請求時，如父節(jié)點有空余的地址空間，則根據(jù)地址分配公式 Cskip 計算網絡地址，如無地址空間則拒絕其加入，該故障節(jié)點會經過一段時間重新再發(fā)起請求。

1.2.2 有子節(jié)點的鏈路故障節(jié)點

若鏈路故障節(jié)點有子節(jié)點，要重新加入網絡就必須考慮孤立子樹問題。鏈路故障節(jié)點充當子樹網絡的代理協(xié)調器，向所有子樹網絡發(fā)送消息，在發(fā)送請求時同時考慮子樹的節(jié)點數(shù)、高度等參數(shù)。如果請求失敗則放棄代理子樹按照鏈路故障節(jié)點重新加入網絡過程。

2 ZigBee網絡設計原型系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)的總體實現(xiàn)結構

ZigBee網絡具有自行組網能力，自主配置并收發(fā)數(shù)據(jù)，由路由節(jié)點、終端節(jié)點、協(xié)調器節(jié)點組成，而網絡的具體角色需要代碼來設定，由于網絡中只有一個協(xié)調器，所以首先編譯該部分源碼，終端節(jié)點能耗低因此代碼也簡單。

實現(xiàn)步驟：通過Socket接口與網關進行通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)；緩存區(qū)負責存儲數(shù)據(jù)，當緩存區(qū)存滿時就向數(shù)據(jù)庫中插入數(shù)據(jù)也就是數(shù)據(jù)緩存；從緩存表中提取網絡拓撲信息也就是網絡拓撲繪制；軟件把采集到的傳感數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中，以便提供給用戶查詢也就是數(shù)據(jù)庫管理。

2.2 鏈路網絡狀態(tài)檢測

檢測網絡狀態(tài)只要是對鏈路故障的排查，當節(jié)點已成為故障節(jié)點，故障節(jié)點需要發(fā)起重新加入網絡的申請，啟動用于同步信標的定時器并設置其計數(shù)值，若收到信標消息計數(shù)器清零，否則計數(shù)器值加1，當累加值超過5時，其值的設定一方面依據(jù)Z-Stack 協(xié)議棧源代碼 f8w Config.cfg 文件中的宏定義：-DBEACON_REQUEST_DELAY=1000，為了避免向已發(fā)生故障的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，需要在該周期內判斷是否發(fā)生故障。

2.3 更新子樹節(jié)點信息

鏈路故障節(jié)點有子節(jié)點時，如果成功加入網絡，則攜帶的整棵子樹需要更新狀態(tài)，此時需要廣播狀態(tài)更新消息，使節(jié)點同步更新高度、地址、網絡等信息，主要代碼如下：

void Sub_Tree_Update（）{

SUBTREE_UPDATE sub_update；

for（int i=0；i

if（AF_DataRequest（&SampleApp_SubUbdate_DstAddr，//

&SampleApp_epDesc，

SAMPLEAPP_SUBTREE_UPDATE_CLUSTERID，

（uint16）sizeof（sub_update），

（uint8*）sub_update，

&SampleApp_TranslD，

AF_DISCV_ROUTE， //AF_DISCV_ROUTE，

AF_DEFAULT_RADIUS==afStatus_SUCCESS）{}

3 基于MATLAB仿真平臺實驗測試與結果分析

為了評價基于ZigBee的傳感器網絡設計的性能，本文將與ZigBee標準協(xié)議下的修復能力相關算法應用MATLAB仿真進行了比較。

（1）生成網絡拓撲：在仿真環(huán)境中模擬生成 Zig Bee 網絡節(jié)點。

（2）設置故障點：將帶子節(jié)點的網絡節(jié)點設置為故障節(jié)點。

（3）變化節(jié)點個數(shù)：改變ZED和ZR進行測試。

將上述實驗結果換算成節(jié)點加入率，繪制節(jié)點加入率隨節(jié)點數(shù)量變化的曲線圖：

圖1和圖2顯示當 ZED 在節(jié)點中比例越高其節(jié)點加入率急劇下降，在修復鏈路故障后，鏈路故障節(jié)點重新加入網絡處理機制的修復能力比 ZigBee 標準協(xié)議修復能力有所提高，但隨 ZED 比例提高。

基于ZigBee的傳感器網絡設計，可以滿足實際運行的需要。在與 ZigBee 標準協(xié)議對比下，可以看出鏈路故障節(jié)點重新加入網絡處理機制在處理鏈路故障節(jié)點重新加入網絡時的成功率要比 ZigBee 標準協(xié)議有所提高。

主要參考文獻

[1]劉濤濤.基于ZigBee技術的設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)設計[D].太原：中北大學，2014.

[2]李蔚.基于ZigBee的無線傳感器網絡通信協(xié)議棧設計與實現(xiàn)[D].成都：電子科技大學，2012.

[3] 朱思建.基于開源系統(tǒng)的無線傳感器網絡組網的研究[D].武漢：湖北工業(yè)大學，2014.