基于zigbee技術(shù)在礦井下節(jié)點切換機制的研究

趙剛　敖文杰

摘 要：節(jié)點接入切換機制和路由技術(shù)是井下定位系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)礦井環(huán)境的特點，改進移動節(jié)點入網(wǎng)接入方式，提出移動節(jié)點地址分配的新方案。該方案中移動節(jié)點的地址不由協(xié)調(diào)器分配，在入井前由程序直接設(shè)定，且不隨位置的移動而改變。仿真結(jié)果表明，提高移動節(jié)點入網(wǎng)成功率，減少了端到端的延時和丟包率，提高了數(shù)據(jù)傳輸效率。

關(guān)鍵詞：Zigbee；切換機制；礦井；人員定位系統(tǒng)

中圖分類號：TN926 文獻標識碼：A

Abstract：The joining and switching mechanism of motive node and routing is the key technologies in people's position system under mine. According to the characteristics of underground mine environment， we improved the joining and switching mechanism of motive node， and put forward a new scheme of node address allocation. In this scheme， the motive node's address was not assigned by the coordinator， but was directly set before entering the mine， and did not change with the location of the mobile . The simulation results show that the scheme can raise the success rate of motive node to join the network， reduce endtoend latency and packet loss rate， and increase the data transfer efficiency.

Key words：Zigbee；switching mechanism；mine；personnel position system

1 引 言

基于ZigBee技術(shù)[1]的煤礦井下人員無線定位監(jiān)控系統(tǒng)已成為研究的熱點。煤礦井下人員跟蹤定位目標一般較多，定位精度要求更高，數(shù)據(jù)采集和系統(tǒng)反應(yīng)速度要求較快，情況也較復(fù)雜，在系統(tǒng)中移動節(jié)點的接入切換機制是系統(tǒng)成功的關(guān)鍵。本文根據(jù)井下人員定位的特點，提出了適合于井下的移動節(jié)點切換機制. 提高了移動節(jié)點入網(wǎng)的成功率。

2 移動節(jié)點接入和切換機制

在井下定位系統(tǒng)中，移動節(jié)點的加入，增加了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度。移動節(jié)點能否成功入網(wǎng)成為系統(tǒng)的關(guān)鍵，如果移動節(jié)點根本無法成功接入網(wǎng)絡(luò)，那么，數(shù)據(jù)的傳輸就無法實現(xiàn)。更不可能對移動節(jié)點定位。因此，一個良好的節(jié)點接入與切換機制的確立是至關(guān)重要的。

3 zigbee技術(shù)移動節(jié)點入網(wǎng)切換機制

3.1 父設(shè)備以直接方式將子設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)

在一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)中具有路由能力設(shè)備與一個新設(shè)備連接時，它就與新加入的設(shè)備形成父子關(guān)系。新設(shè)備成為子設(shè)備，而原有的設(shè)備成為父設(shè)備。在zigBee網(wǎng)絡(luò)中，子設(shè)備通過預(yù)先分配的父設(shè)備（ZigBee協(xié)調(diào)器或路由器）直接同網(wǎng)絡(luò)連接。

父設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)層管理實體首先需要確定所指定的設(shè)備是否己經(jīng)存在于網(wǎng)絡(luò)中。為了完成這個父設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)層管理實體將搜索它的鄰居表，以確定是否有一個相匹配的64位地址。如果該地址存在，則網(wǎng)絡(luò)層管理實體將終止該過程，并向上層報告該設(shè)備已經(jīng)存在于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備列表中。

如果父設(shè)備沒有搜索到匹配的64位地址，網(wǎng)絡(luò)層管理實體將為這個新設(shè)備分配為一個16位網(wǎng)絡(luò)地址，該16位地址在網(wǎng)絡(luò)中是唯一的，每一個父設(shè)備具有一定的可分配地址空間，如果父設(shè)備有足夠的空間，則它將為該設(shè)備在它的鄰居表中創(chuàng)建一個新的入口，同時向上層報告連接成功。如果空間不夠，則終止該過程，并且向上層報告空間不足。

每一個父設(shè)備的地址空間大小由ZigBee協(xié)調(diào)器分配。在父設(shè)備將子設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)的過程中，他們并不交換任何信息。一旦父設(shè)備把子設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)，子設(shè)備為了建立父子網(wǎng)絡(luò)關(guān)系必須與父設(shè)備進行通信。此時子設(shè)備將啟動孤點方式進行網(wǎng)絡(luò)連接。

3.2 通過孤點方式加入或重新加入網(wǎng)絡(luò)

一個已經(jīng)同網(wǎng)絡(luò)連接的設(shè)備為了完成建立它與其父設(shè)備的關(guān)系，應(yīng)開始執(zhí)行孤點流程。另外，如果一個以前已經(jīng)連接網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，其網(wǎng)絡(luò)層管理實體不斷收到來自于MAC層發(fā)送的通信失敗信息，則設(shè)備同樣開始執(zhí)行孤點流程。

l）子設(shè)備連接過程

子設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)層管理實體將請求MAC層對物理層所規(guī)定的所有有效通信信道進行孤點掃描，如果成功掃描到父設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)層管理實體將向其上層報告請求連接或重新連接網(wǎng)絡(luò)己經(jīng)成功執(zhí)行；如果孤點掃描不成功，網(wǎng)絡(luò)層管理實體同樣向上層報告，并終止該過程。

2）父設(shè)備連接過程

父設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)層管理實體首先判斷該孤點設(shè)備是否是它的子設(shè)備。為了對其進行判斷，需要將孤點設(shè)備的擴展地址和在鄰居表中所記錄的子設(shè)備地址相比較，如果存在相匹配的地址，則網(wǎng)絡(luò)層管理實體將得到其相應(yīng)的16位網(wǎng)絡(luò)地址以及它所對應(yīng)MAC層的孤點響應(yīng)狀態(tài)；如果不存在相匹配的地址，說明孤點設(shè)備不是他的子設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)層管理實體將在隨后對MAC層的孤點響應(yīng)報告中報告孤點設(shè)備不是它的子設(shè)備。

3.3 節(jié)點地址分配

網(wǎng)絡(luò)地址分配主要依據(jù)三個網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，最多子設(shè)備數(shù)（nwkMaxChildren，Cm）、最大網(wǎng)絡(luò)深度（nwkMaxDepth，Lm）、設(shè)備允許鏈接的最大路由器數(shù)（nwkMaxRouters，Rm），根據(jù)下面的公式（1）計算地址偏移量Cskip（d），其中d為網(wǎng)絡(luò)深度，地址偏移量決定了設(shè)備可以分配給其具有路由能力的子設(shè)備的地址塊的大小。

4 改進后的節(jié)點接入切換方式

4.1 節(jié)點入網(wǎng)接入切換方式的缺點：

1）在相同網(wǎng)絡(luò)下，移動節(jié)點的平均接入成功率隨著移動速度的上升顯著下降。無論移動節(jié)點是直接入網(wǎng)還是通過孤點方式入網(wǎng)，都執(zhí)行了掃描、確認、地址分配等一系列的復(fù)雜握手程序，減少了移動節(jié)點的接入成功率，曾加了網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)時間。

2）在一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，每個設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)地址都是唯一的。當一個父節(jié)點所連接的子節(jié)點數(shù)目沒有達到允許連接最大值時，其對應(yīng)子節(jié)點地址留空，為新加入的設(shè)備預(yù)留。沒有預(yù)留地址的父節(jié)點無法接納新設(shè)備，此時新設(shè)備就需要尋找其他父節(jié)點。如果在允許的傳輸距離內(nèi)沒有能夠接納新設(shè)備的父節(jié)點，那么除非有其他設(shè)備退出，否則新設(shè)備將無法加入網(wǎng)絡(luò)正常工作。這也造成有些節(jié)點不能入網(wǎng)。

3）應(yīng)用公式1為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點分配地址，節(jié)點數(shù)量存在飽和度。當節(jié)點數(shù)量多于飽和數(shù)量時候，超出的節(jié)點不能分配地址，這樣就造成了有的節(jié)點不能入網(wǎng)。在井下人員定位中，當井下人員數(shù)量超過一定數(shù)額時候超過飽和度的人員不能定位，這對于井下人員定位系統(tǒng)的缺點是致命的。如：在給出當Cm=4，RM=4，Lm=3時，圖1中，設(shè)備B的周圍最多容納21個節(jié)點，I的周圍最多容納5個節(jié)點。

4.2 改進后的移動節(jié)點接入方式

針對原有移動節(jié)點入網(wǎng)接入切換機制中的不足，對移動節(jié)點的入網(wǎng)方式做了如下改進。

1 ）在本系統(tǒng)中設(shè)定移動節(jié)點在井下通過泛洪的方式與移動節(jié)點有效通信范圍內(nèi)的所有信標節(jié)點進行通信。

2 ）在默認情況下，ZigBee網(wǎng)絡(luò)使用樹狀拓撲模型分配地址，每個節(jié)點的地址都由父節(jié)點分配。其父節(jié)點分配所有地址在同一網(wǎng)絡(luò)中都是唯一的。為了避免網(wǎng)絡(luò)中的地址重復(fù)，我們對地址分配的區(qū)間做了規(guī)定。協(xié)調(diào)器提供給固定節(jié)點節(jié)點（包括信標節(jié)點和其他放置在指定位置采集瓦斯?jié)舛?、溫度等信息的?jié)點）地址范圍是0X0000～0XEF00，包括協(xié)調(diào)器在內(nèi)最多可以放置61440個信標節(jié)點。移動節(jié)點的地址不是由協(xié)調(diào)器分配，移動節(jié)點在井下的任何位置，其地址是唯一的，入網(wǎng)前由程序直接寫入，范圍是0X0F00～OXFFF，每次入井人數(shù)最多可以達到4096人。

4.3 移動節(jié)點入網(wǎng)仿真實驗

NS2[2]的全稱是：networkSimulato：（version2）。NS2是面向?qū)ο蟮碾x散事件驅(qū)動的網(wǎng)絡(luò)模擬器，由Berkley的California大學VINT項目研究組開發(fā)，后來 CaenegieMellon大學的Monarch研究組對其進行擴展，支持節(jié)點移動性并包括了無線電傳播模型、無線網(wǎng)絡(luò)接口和媒體訪問控制（MAC）的現(xiàn)實物理層。NS2是基于LINUX操作系統(tǒng)的仿真環(huán)境，它使用C++語言完成各個協(xié)議的實現(xiàn)；仿真腳本采用Otlc語言編寫；并提供了各種格式的trace文件。NS2支持廣域網(wǎng)、局域網(wǎng)、移動通信網(wǎng)、衛(wèi)星通信網(wǎng)等多種網(wǎng)絡(luò)。

我們用Ns-2進行仿真，設(shè)有24個信標節(jié)點以3×8矩形方陣形式均勻分布。節(jié)點間距離是20米。節(jié)點間的最大通信距離為30米，協(xié)調(diào)器在節(jié)點分布區(qū)域的最右端。設(shè)有5個移動節(jié)點同時從最左端開始以速度為0.5m/s速度向右邊移動，以后分別再以1m/s、1.5m/s、2.0m/s、2.5m/s、3m/s，的速度從左邊地動到右邊。用傳統(tǒng)的zigbee技術(shù)節(jié)點接入方式和改進后的節(jié)點接入方式實驗結(jié)果如圖2所示。

從圖2中我們可以看出zigbee技術(shù)移動節(jié)點的入網(wǎng)成功通信率隨節(jié)點移動速度的增加急速降低。改進后隨移動節(jié)點速度的增加節(jié)點入網(wǎng)成功通信率緩慢降低，且相同速度下的通信成功率高于傳統(tǒng)的zigbee技術(shù)。我們定義節(jié)點入網(wǎng)通信成功率為：

節(jié)點入網(wǎng)通信成功率=協(xié)調(diào)器接收數(shù)據(jù)包的個數(shù)節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包的個數(shù)

5 結(jié) 論

通過對移動節(jié)點入網(wǎng)方式的改變，減少了所有由于移動節(jié)點的位置變化而帶來的復(fù)雜控制。避免了由于節(jié)點的移動而使部分移動節(jié)點不能成功入網(wǎng)的現(xiàn)象。由于移動節(jié)點不由協(xié)調(diào)其分配地址，避免的由于父節(jié)點沒有預(yù)留地址而使新加入的移動節(jié)點無法入網(wǎng)。

參考文獻

[1] ZigBee Alliance. ZigBee Specification[EB/OL] . http ：/ /www. zigbee. org ，2005-05-10.

[2] 徐雷鳴，龐博，趙耀.NS 與網(wǎng)絡(luò)模擬[M].北京：人民郵電出版社，2003.