基于ZigBee的WSN路由研究与实验

  摘　要： 详细介绍了ZigBee无线协议的路由基本概念、路由算法及路由方式，并给出了基于ZigBee无线传感器网络的路由过程。通过使用Microchip公司提供的TSZ-008 ZigBee开发套件，进行了基于ZigBee的WSN路由的建立及确认实验。
关键词： ZigBee 无线传感器网络  TSZ-008  无线个人局域网络

　　 无线传感器网络是一种特殊的Ad-Hoc网络，网络中节点密集，数量巨大且分布在十分广泛的区域。目前，发展前景最为看好的是基于IEEE802.15.4标准的ZigBee无线网络。无线传感器网络通常并不需要较高的传输带宽，但却需要较低的传输延时和极低的功率消耗，使用户能拥有较长的电池寿命和较多的器件阵列，而ZigBee的出现正好解决了这一问题。ZigBee有着高通信效率、低复杂度、低功耗、低速率、低成本、高安全性以及全数字化等诸多优点。这些优点使得ZigBee与无线传感器网络完美地结合在一起。目前，基于ZigBee技术的无线传感器网络的研究和开发已得到越来越多的关注。
　　ZigBee是一个由多到65 000个无线数传模块组成的无线数传网络平台，十分类似现有的移动通信CDMA网或GSM网，每一个ZigBee网络数传模块类似移动网络的一个基站，在整个网络范围内，它们之间可以进行相互通信。不同的是，ZigBee网络主要为自动化控制数据传输而建立，每个ZigBee网络节点既可以与监控对象直接进行数据采集和监控，还可以自动中转其他网络节点传输的数据资料。除此之外，每个ZigBee网络节点还可在自己信号覆盖的范围内，与多个不承担网络信息中转任务的孤立子节点无线连接。ZigBee网络节点可支持31个传感器和受控设备，每个传感器与受控设备有8种不同的接口方式，用来采集、传输数字量和模拟量。
1 WSN路由基本算法
ZigBee WSN中的节点大体可以分为两种类型：有路由容量的节点和没有路由容量的节点。对于树簇拓扑的WSN来说，终端设备通常是RFD精简设备，因此没有路由容量；而路由器与协调器是由FFD全功能设备组成的，因此有路由容量。
　　树簇型拓扑的WSN中，通常采用树簇算法与AODVjr算法相结合的路由算法，其中树簇算法指的是消息沿着树型拓扑进行传输的算法，它是静态的，不需要存储路由表。该算法适用于节点静止或者移动较少的场合。而AODVjr算法则是对Ad Hoc按需距离矢量路由算法的改进，考虑到节能、应用方便性留了等因素，对AODV的一些特点进行了简化，但是仍然保留了AODV的原始功能。
　　这两种算法的结合使用确定了WSN路由的三种模式，即：禁止路由模式、使能路由模式和强制路由模式。禁止路由模式就是禁止对路径进行查找，因此处于该模式的网络只能使用树簇算法沿着树型拓扑进行路由。使能路由模式是将树簇算法与AODVjr算法相结合，视具体情况来决定到底采用哪种路由算法。强制路由模式完全使用了AODVjr算法，只要设备具有路径查找能力，不管消息传输的路径是否已经存在，都要启动一个路径查找过程，当查找完成，数据包将沿着计算出来的路径传送。
2 路由方式
　　路由的设定通常有三种模式：禁止路由发现、使能路由发现及强制路由发现。
　　禁止路由发现（SUPPRESS）：如果发现网络路由器存在，数据包路由指向该路由器。否则，数据包沿着树形推进。
　　使能路由发现（ENABLE）：如果发现网络路由器存在，数据包路由指向该路由器。如果网络路由器不能确定，路由器可以启动一个路由发现过程，当发现完成，数据包将沿着计算出来的路由传送。如果该路由器没有路由发现能力，数据包将沿着树形推进。
　　强制路由发现（FORCE）：如果路由器有路由发现能力，不管路由是否已经存在，都将启动一个路由发现过程。发现完成，数据包将沿着计算出来的路由传送。如果这个路由器没有路由发现能力，数据包将沿着树形推进。这个选择必须小心使用，因为它会产生较大的网络冗余。它的主要用途是修复破坏了的路由。
　　对于树形拓扑结构设备间的数据转发，通常将源地址简化为上行路由（route up）或下行路由（route down）。如果LocalAddr < DestAddr < LocalAddr + CSkip(d-1) 为下行路由，否则为上行路由。通常网络的协调器或路由器都含有一个邻接设备表，该表记录了一定区域内与其具有邻接关系的设备。若想使用邻接表进行路由，只要目标设备在物理区域内可见，即可直接发送信息。而对于网状拓扑结构，则要使用路由表来进行路由。通常协调器或路由器都拥有自己的路由表，如果目标设备在路由表中有相关的记录，则信息就可以根据路由表中的记录进行发送，否则就要沿着树形拓扑来传输数据。
3 路由过程
　　路由过程主要为以下几个步骤：
　　(1)一个设备发出路由请求命令帧启动路由发现过程;
　　(2)对应的接收设备收到该命令后，回复应答命令帧;
　　(3)对潜在的各条路径花费（跳转次数、延迟时间）进行评估比较;
　　(4)最佳路由记录添加到此路径上各个设备的路由表
中。
4 最短最优路径的判定方式
　　通常路径请求与路径应答都是由路由器或协调器创建的，当路由器广播发送路径请求时，通常不会只发一次，而是间隔一段时间重复进行发送，而且对于广播寻址来说，它拥有两大特点：一个是凡有无线RF收发使能的设备皆能接收到该帧；另外就是广播发送采用一种被动应答模式，即当某一设备广播发送消息时，它还要监听所有的邻居设备是否对该帧进行广播转发，若没有则设备还要再次广播发送该帧。这样就会出现网络中的设备可能多次收到同一个路径请求，目的设备也有可能在一段时间内多次收到同一个路径请求。目的设备究竟应该响应哪个路径请求呢？在路径算法的实现中笔者采用首接为最优的思想，即第一个收到的有效路径请求即为目的设备要响应的请求，在该请求中记录的路径即为消息传输的路径，应答命令将沿着收到的第一个路径请求命令帧中记录的上一级地址发送回去。
5 实验
　　本实验基于Microchip公司推出的TSZ-008系列开发套件，对ZigBee无线传感器网络路由的建立与确认等操作进行了实验测试。
5．1 ZigBee 无线传感器节点硬件
　　要创建WSN节点，本实验使用了以下的组件:一片带SPITM接口的PIC18F单片机;一个带有所需外部元件的RF收发器芯片CC2420; 一根天线，可以是PCB上的引线形成的天线或单极天线。

　　如图1所示，控制器通过SPI总线与RF收发器芯片CC2420相连。控制器充当SPI主器件而CC2420充当从器件。控制器实现了IEEE 802.15.4 MAC 层和ZigBee协议层。它还包含了特定的应用逻辑，并使SPI总线与RF收发器交互。Microchip协议栈提供了完全集成的驱动程序，免除了主应用程序管理RF收发器功能的任务。如果需要，可以将某些非SPI控制信号重新分配到其他端口引脚以适合应用的硬件。在这种情况下，必须修改物理层接口定义，包括正确的引脚分配。
5．2 设计步骤
　　以微芯的ZigBee协议栈为例，为了设计ZigBee协议系统，应按以下步骤进行设计：(1)获得OUI;(2)根据数据传输率及市场的需要，确定无线通信的频带;(3)使用TSZ-008开发系统进行开发设计;(4)利用微芯协议栈提供的源文件扩展ZigBee协议应用;(5)进行RF规范论证;(6)进行ZigBee协议互操作规范论证。
　　具体设计时应遵从以下步骤:
　　(1)确定系统需要使用的配置文件;
　　(2)确定每个设备具备的终端结构;
　　(3)创建一个新的项目目录，将所有的具体应用源文件及项目文件置于该目录中;
　　(4)使用ZENA软件产生基于设备类型、设备配置及终端结构的配置文件并编写相关源代码。
5．3 虚拟路径建立过程
　　相关源码如下：
　　case NLME_START_ROUTER_confirm:
　　　　if (!params.NLME_START_ROUTER_confirm.Status)
　　　　　　{
　　　　　　 ConsolePutROMString( (ROM char *)"Router Started!
　　　　　　　　　　Enabling joins...rn" );
　　　　　　 params.NLME_PERMIT_JOINING_request.PermitDura-
　　　　　　　　　　tion=0xFF;
　　　　　　　currentPrimitive=NLME_PERMIT_JOINING_request;
　　　　　　 }
　　　　else
　　　　　　{
　　　　　　　　PrintChar( params.NLME_JOIN_confirm.Status );
　　　　　　　　ConsolePutROMString( (ROM char *)" Router start
　　　　　　　　unsuccessful. We cannot route frames.rn" );
　　　　　　　　currentPrimitive = NO_PRIMITIVE;
　　　　　　}
　　　　break;
5．4 确认路径过程
　　相关源码如下：
　　case NLME_PERMIT_JOINING_confirm:
　　　　if (!params.NLME_PERMIT_JOINING_confirm.Status)
　　　　　　{
　　　　　　　　ConsolePutROMString( (ROM char *)"Joining permitted.rn" );
　　　　　　　　currentPrimitive = NO_PRIMITIVE;
　　　　　　}
　　　　else
　　　　　　{
　　　　　　　　PrintChar( params.NLME_PERMIT_JOINING_confirm.Status );
　　　　　　　　ConsolePutROMString( (ROM char *)" Join permission unsuccessful. We cannot allow joins.rn" );
　　　　　　　　currentPrimitive = NO_PRIMITIVE;
　　　　　　}
　　　　break;
5．5  实验结果
　　笔者主要对树簇网进行了验证。实验中，路由器与终端设备组建了小型星形网络，这个星形网络是以路由器为中心，以终端设备为子节点的。与标准星形网络不同的是，在以路由器为中心的小型星形网络中，路由器不会向终端设备发出任何控制命令，它只起中继的作用，实际的控制命令是由协调器发出的。这样通过路由器的连接中继作用，协调器可以控制超出它的能量覆盖范围的终端设备。路由器没有组建树簇网络的功能，但它可以接收终端设备形成星形网络，也可以加入协调器参与到树簇网络中。
　　可以使用开发板进行路由器的定位实现简单路由，也可以实现帧转发，但是路由表的建立维护功能不全。协调器和路由器不能自动地发起路由探询与路由修复，所以在应用层传输数据包之前，需要通过按下某一固定键盘的方式人工激发路由探询。在路由探询等待中，在接收缓存中只允许存放一个等待传送的数据包。
　　未来对ZigBee无线传感器网络的路由研究需要做很多工作，包括数据包路由的安全性保障、更优越路由算法的研究以及如何在降低功耗的情况下使网络得到最大限度的扩展，且不影响路由的建立与自动修复等等。无庸置疑，基于ZigBee协议的无线传感器网络会将拥有更大的发展空间与前景。
参考文献
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