基于ZigBee 技術(shù)的礦井無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

張弘華 余員琴 陳海文 李晨 王葉

湖南交通工程學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院

0 引言

1 ZigBee 技術(shù)

ZigBee 是ZigBee 聯(lián)盟（ZigBee Alliance）在IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上進(jìn)行商業(yè)推廣的名稱，來(lái)自蜜蜂群之間的一種有效、簡(jiǎn)單的通信方式，蜜蜂（Bee）通過(guò)飛“Z”字形舞蹈，以向其他蜜蜂表達(dá)新找到的食物源的具體位置信息。IEEE802.15.4 和ZigBee 聯(lián)盟制定硬件與軟件標(biāo)準(zhǔn)，如表1 所示。

表1 ZigBee 技術(shù)

2 ZigBee WSN 拓?fù)淠Ｐ?/h2>

基于ZigBee WSN 有星形（Star）、簇樹(shù)（Clustet）和網(wǎng)狀（Mesh）3 種拓?fù)淠Ｐ?，如圖1 所示，其對(duì)比分析如表2 所示。

表2 對(duì)比分析

圖1 ZigBee WSN 3 種拓?fù)淠Ｐ?/p>

3 ZigBee 組建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

3.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

WSN 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2 所示，包括WSN ZC（WSN ZigBee Coordinator）ZigBee 協(xié)調(diào)器的創(chuàng)建，WSN ZC 的初始化，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)的開(kāi)啟，數(shù)據(jù)的傳送。

圖2 ZigBee 組建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)流程

3.2 WSN ZC 節(jié)點(diǎn)初始化

采用TI 公司研發(fā)的ZigBee Stack 協(xié)議棧Zmain.C 庫(kù)文件中main 函數(shù)實(shí)現(xiàn)硬件、網(wǎng)絡(luò)、任務(wù)列表初始化，從main 函數(shù)開(kāi)始運(yùn)行執(zhí)行，進(jìn)入任務(wù)處理循環(huán)。

建立一個(gè)WSNx 時(shí)，必須由且只有一個(gè)ZC 發(fā)起，若WSNx 和WSNy 相交的子節(jié)點(diǎn)，且此子節(jié)點(diǎn)已入WSNy，則該子節(jié)點(diǎn)不可作為WSNx 中ZC，只作為新子節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)。判定節(jié)點(diǎn)是否為全功能設(shè)備（Full Function Device，F(xiàn)FD）節(jié)點(diǎn)，若是，則發(fā)送一個(gè)信標(biāo)請(qǐng)求命令，設(shè)定掃描期（T_scan_duration），在掃描期內(nèi)主動(dòng)掃描，且未檢測(cè)到信標(biāo)，就認(rèn)定該節(jié)點(diǎn)POS（point of sale 多功能終端）范圍內(nèi)無(wú)ZC，即其確定WSNX 中ZC，其后挑選信道和設(shè)置地址。

（1）選擇信道。檢測(cè)指定或默認(rèn)信道的能量，且將其遞增排序、篩選及標(biāo)記可用信道，再主動(dòng)掃描可用信道，搜索網(wǎng)絡(luò)中廣播信息，依據(jù)獲得的這些信息和已記錄的結(jié)果，篩選出最佳信道。

（2）設(shè)置ZigBeeWSN 地址。篩選出最佳信道后，ZC 為新建的WSNx 隨機(jī)挑選一個(gè)未分配的，且小于等于0×3FFF的標(biāo)識(shí)符為網(wǎng)絡(luò)地址，其中，0×FFFF 不能分配為廣播地址。

李清平等提出，ZigBeeWSN 中節(jié)點(diǎn)地址有64 位的IEEE地址和16 位的網(wǎng)絡(luò)地址兩種之分。前者也叫物理地址或擴(kuò)展地址，后者也叫邏輯地址或短地址。64 位IEEE 地址由制造商設(shè)定或在安裝時(shí)由工程師設(shè)置，一旦給節(jié)點(diǎn)設(shè)備設(shè)置了地址，則其終身不變，是全球唯一標(biāo)識(shí)；網(wǎng)絡(luò)地址是由父節(jié)點(diǎn)分配給網(wǎng)絡(luò)中子節(jié)點(diǎn)或設(shè)備唯一標(biāo)識(shí)，其地址用于節(jié)點(diǎn)之間的通信。初始化含確定初始化參數(shù)和參數(shù)配置兩個(gè)方面，0×0000 一般設(shè)為ZC 的短地址。

3.3 入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)連ZC 組網(wǎng)

節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)需在ZC 或ZigBee路由器（ZigBee Router，ZR）允許下進(jìn)行。組建新網(wǎng)WSNx 時(shí)，WSNx 首層節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)先關(guān)聯(lián)ZC，其他層節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)在多功能終端區(qū)域內(nèi)篩選出最強(qiáng)信號(hào)節(jié)點(diǎn)，作為其父節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。最強(qiáng)信號(hào)節(jié)點(diǎn)也可是ZC，成功入網(wǎng)后ZC 分配一個(gè)16 位的網(wǎng)絡(luò)地址，并將所有入網(wǎng)信息存留在各自閃存（Flash memory）中，其信息包括網(wǎng)絡(luò)地址、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、其各節(jié)點(diǎn)間的關(guān)系等。

若未搜索到信標(biāo)，采用多次間歇式重啟掃描方法繼續(xù)搜索到一個(gè)或多個(gè)信標(biāo)，且選取最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送請(qǐng)求連接ZC。ZC 將收接到的入網(wǎng)連接指示原語(yǔ)送交上層，同時(shí)，回復(fù)關(guān)聯(lián)響應(yīng)確認(rèn)幀ACK（Acknowledgement）給節(jié)點(diǎn)，上層根據(jù)自身資源，如地址分配狀況、存儲(chǔ)空間、能量多少和安全級(jí)別等，決定該節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請(qǐng)求成功與否。若其資源允許連接成功，ZC 將連接成功響應(yīng)原語(yǔ)Association response 和分配給該節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)的16 位網(wǎng)絡(luò)地址發(fā)送給該節(jié)點(diǎn)，隨后便可以與ZC 通信；否則，入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)重發(fā)請(qǐng)求信息，至成功連接入網(wǎng)。

3.4 入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)經(jīng)ZR 組網(wǎng)

余修武提出，入網(wǎng)有加入節(jié)點(diǎn)，發(fā)起連接程序來(lái)入網(wǎng)的聯(lián)合方式和加入節(jié)點(diǎn)，直接同一個(gè)預(yù)先指定的父節(jié)點(diǎn)ZR 連接入網(wǎng)的直接方式兩種?；赯igbee 的WSN 中以聯(lián)合方式為主，輔助直接方式，將入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)經(jīng)ZR 組建網(wǎng)絡(luò)。新建WSNx 中，首層FFD 子節(jié)點(diǎn)全部與ZC 連接成功后，其他各層子節(jié)點(diǎn)經(jīng)由WSNx 首層已關(guān)聯(lián)好ZC 的FFD 子節(jié)點(diǎn)或ZR 子節(jié)點(diǎn)視為其父節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。

待加入WSNx 的節(jié)點(diǎn)中有新節(jié)點(diǎn)和孤兒節(jié)點(diǎn)，孤兒節(jié)點(diǎn)是由于本身或父節(jié)點(diǎn)資源狀態(tài)未滿足關(guān)聯(lián)要求，已與其父節(jié)點(diǎn)失去了關(guān)聯(lián)的節(jié)點(diǎn)。孤兒節(jié)點(diǎn)再次與原父節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)，通過(guò)其相鄰表中保留的信息且以直接入網(wǎng)方式發(fā)送請(qǐng)求給原父節(jié)點(diǎn)，原父節(jié)點(diǎn)依據(jù)自身現(xiàn)有的邏輯地址分配狀況、存儲(chǔ)空間、能量多少和安全級(jí)別等資源，視孤兒節(jié)點(diǎn)為新節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)與節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)ZC 相同，即入網(wǎng)成功，便可傳輸數(shù)據(jù)。

3.5 入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)地址分配方案

入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)有分布式地址分配（Distributed Address Assignment Mechanism，DAAM）和隨機(jī)地址分配（Stochasticaddress Assignment Mechanism，SAAM）兩種機(jī)制，其中，DAAM 為主要地址分配方案。設(shè)置以0×00 為NIB 中nwkAddrAlloc 值，即默認(rèn)值實(shí)施分布式地址分配方案，設(shè)置以0×02 為隨機(jī)地址分配方案，其中，0×01 暫保留。DAAM中各層父節(jié)點(diǎn)可給子節(jié)點(diǎn)分配的邏輯地址間隔數(shù)由Cskip（d）函數(shù)計(jì)算。

式中，Cm（nwK max Chilren）父節(jié)點(diǎn)能擁有子節(jié)點(diǎn)數(shù)最大值，由ZC 決定；

Lm（nwk max Depth）網(wǎng)絡(luò)的最大深度，ZC 深度為0，其子節(jié)點(diǎn)深度為1，由ZC 決定；Rm（nwk max Routers）父節(jié)點(diǎn)中擁有路由器子節(jié)點(diǎn)最大值；d每層子節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)深度。

當(dāng)Cskip（d）＞0時(shí)，表示父節(jié)點(diǎn)可以關(guān)聯(lián)子節(jié)點(diǎn)；當(dāng)Cskip（d）≤0 時(shí)，表示此子節(jié)點(diǎn)只能視終端葉子節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)，包括ZR 節(jié)點(diǎn)在內(nèi)。分配第一個(gè)ZR 子節(jié)點(diǎn)地址等于以父節(jié)點(diǎn)地址+1，其余ZR 子節(jié)點(diǎn)地址由Cskip（d）函數(shù)計(jì)算獲得；而所有的ZED 子節(jié)點(diǎn)中第一個(gè)ZED 子節(jié)點(diǎn)的地址等于最后一個(gè)ZR 節(jié)點(diǎn)地址+Cskip（d）計(jì)算值，其余ZED 子節(jié)點(diǎn)地址在第一個(gè)ZED 子節(jié)點(diǎn)地址依次+1。網(wǎng)絡(luò)各層（d）第n 個(gè)子節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址分配如式（2）

式中，Aparent為父節(jié)點(diǎn)地址；Achild為子節(jié)點(diǎn)地址。

4 結(jié)束語(yǔ)

由于井下環(huán)境特殊，比較適用短距離無(wú)線通信，因此，基于ZigBee 的WSN 應(yīng)該是最佳方案，其具有功耗最低、成本最低，網(wǎng)絡(luò)容量大、擴(kuò)展性好、傳輸速率低、時(shí)延小等優(yōu)勢(shì)，可確保WSN 井下安全監(jiān)測(cè)的可靠性和可行性。