ZigBee無線傳感網絡的路由協議研究

路染妮，張 剛

（西安航空職業技術學院 電子工程系，陜西 西安 710089）

ZigBee是一種新興的無線網絡技術，主要是針對低速率的通信網絡設計的。它是基于IEEE820.15.4協議棧的一組涉及到網絡、安全、應用方面的無線通信標準。IEEE820.15.4是一種新興的無線通信協議，它確定了低速個人區域網絡標準，定義了物理層PHY和介質訪問層MAC。ZigBee協議在PHY和MAC層的基礎上對網絡層NWK進行具體定義，為應用層提供API函數。

ZigBee無線傳感器網絡將傳感器技術、通信技術和計算機技術結合在一起，具有信息采集、傳輸和處理的能力。它可以組成星型、樹狀、網狀的網絡拓撲，可用于無線傳感器網絡（WSN）的組網以及其他無線應用。這些特點使得ZigBee無線傳感器網絡具 有廣泛的應用前景。

1 ZigBee技術

1.1 ZigBee技術概況

ZigBee是一種短距離無線通信技術，功耗低，被業界認為是最有可能應用在工控場合的無線方式。2.4 GHz頻帶提供的數據傳輸速率為250 Kb/s，915 MHz頻帶提供的數據速率為40 Kb/s，而868 MHz頻帶提供的數據速率為20 Kb/s。它采用跳頻技術和擴頻技術。另外，它可與254個節點聯網。節點可以包括儀器和家庭自動化應用設備。它本身的特點使得其在工業監控、傳感器網絡、家庭監控、安全系統等領域有很大的發展空間。ZigBee體系結構如圖1所示[1]。

圖1ZigBee體系結構圖Fig.1 Architecture diagram of ZigBee

1.2 ZigBee技術主要優點

1）低功耗由于ZigBee的傳輸速率低，發射功率僅為1 mW，而且采用了休眠模式，因此ZigBee設備非常省電。據估算，ZigBee設備僅靠2節5號電池就可以維持長達6個月到2年左右的使用時間。

2）時延短通信時延和從休眠狀態激活的時延都非常短，典型的搜索設備時延為30 ms，休眠激活的時延是15 ms，活動設備信道接入的時延為15 ms。因此ZigBee技術適用于對時延要求苛刻的無線控制（如工業控制場合等）應用。

3）網絡容量大一個星型結構的ZigBee網絡最多可以容納254個從設備和1個主設備，而且網絡組成靈活。

4）可靠采取了碰撞避免策略，同時為需要固定帶寬的通信業務預留了專用時隙，避開了發送數據的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數據傳輸模式，每個發送的數據包都必須等待接收方的確認信息。如果傳輸過程中出現問題可以進行重發。

2 ZigBee網絡節點構建

2.1 系統構成

傳感器節點由數據采集、數據處理、數據傳輸和電源等模塊組成。本系統采用以MSP430為核心的控制模塊，以CC2420為無線收發模塊，MSP430與CC2420通過SPI方式通信。MSP430采用主模式，CC2420采用從模式，節點的傳感器模塊與主板分離，模塊化的設計提高了節點在不同應用中的靈活性。系統構成框圖如圖2所示。

圖2 傳感器硬件節點組成框圖Fig.2 Block diagram of sensor hardware node

2.2 硬件接口電路

CC2420與處理器MSP430的連接非常方便。它使用SFD,FIFO,FIFOP和CCA等4個引腳表示收發數據的狀態；而處理器通過SPI接口與CC2420交換數據、發送命令等，其硬件接口電路如圖3所示。

圖3CC2420與MSP430的接口電路Fig.3 Interface circuit of CC2420 and MSP430

因為CC2420支持硬件加密、硬件校驗、硬件生成幀頭。MSP430是具有超低功耗的16位單片機，它是功能強大的CPU內核：16位CPU和高效的RISC指令系統，無外擴的數據地址總線，在8 MHz時可達到125 ns的指令周期，具有16個快速響應中斷，12位的A/D轉換器能及時處理各種緊急事件。CC2420具有完全集成的壓控振蕩器，只需要天線，16 MHz晶振等非常少的外圍電路就能在2.4 GHz頻段工作。

CC2420收到物理幀的SFD字段后，會在SFD引腳輸出高電平，直到接收完該幀。啟動了地址辨識，在地址辯識失敗后，SFD引腳立即轉為輸出低電平。FIFO和FIFOP引腳表示接收FIFO的緩存區狀態。如果接收FIFOP緩存區有數據，FIFO引腳輸出高電平；如果接收FIFO緩存區為空，FIFO引腳輸出低電平。當FIFOP引腳在接收FIFO緩存區的數據超過某個臨界值時，或者在CC2420接收到一個完整的幀以后輸出高電平。臨界值可以通過CC2420的寄存器設置。CCA引腳在信道有信號時輸出高電平，它只在接收狀態下有效。在CC2420進入接收狀態至少 8個符號（symbol）期后，才會在CCA引腳上輸出有效的信道狀態信息。

SPI接口由CSn，SI，SO和SCLK引腳組成。處理器通過SPI接口訪問CC2420內部寄存器和存儲器。在訪問過程中，CC2420是SPI接口的從設備，接收來自處理器的時鐘信號和片選信號，并在處理器的控制下執行輸入/輸出操作。SPI接口接收或者發送數據時，都與時鐘下降沿對齊。CC2420與MSP430是通過SPI連接的，其中MSP430處于主模式，CC2420處于從模式。MSP430還有4個I/0與CC2420相連，主要起查詢CC2420狀態的作用。

2.3 節點設計注意事項

1）電路板設計時，要采取抗干擾措施。射頻電路沒有占用布線面積，而需覆銅并連接到地，以屏蔽RF，從而達到有效抗干擾目的。

2）CC2420底部應接地。為了降低延遲，減少串擾，確保高頻信號的傳輸，要使用多個接地過孔將CC 2420芯片底部和地層相連;器件要緊密地分布在CC2420的四周，并使用較小的封裝。

3）應用中的傳感器節點要高度集成，保證不會對目標系統的特性造成影響，受外形尺寸限制，模塊必須能夠集成更多元件。

3 ZigBee網絡拓撲

ZigBee網絡層主要支持3種拓撲結構[2-3]：星形網絡（Star-Network）[4]、樹狀網絡（Cluster-Tree Network）、網狀網絡（Mesh Network）[5-6]。

3.1 星形網絡

星形網是由1個ZigBee協調點 （FFD）和1個或多個ZigBee終端節點（RFD）組成的，如圖4所示。

圖4 星形網絡Fig.4 Star network

ZigBee協調點必須是FFD，它位于網絡的中心，負責發起建立和維護整個網絡。其他的節點(終端節點)一般為RFD，也可以為FFD，它們分布在ZigBee協調點的覆蓋范圍內，直接與ZigBee協調點進行通信。星形網的控制和同步都比較簡單，通常用于節點數量較少的場合。

3.2 樹狀網絡

樹狀結構中，節點可以采用Cluster-Tree路由傳輸數據和控制信息，如圖5所示。

圖5 樹狀網絡Fig.5 Tree network

枝干末端的葉子節點一般為RFD。每一個在其覆蓋范圍中充當協調點的FFD向與其相連的節點提供同步服務，這些協調點又受ZigBee協調點的控制，ZigBee協調點比網絡中的其他協調點具有更強夫的處理能力和存儲空間。

3.3 網狀網絡

網格形網（Mesh網）一般是由若干個FFD連接在一起組成骨干網，它們之間是完全的對等通信，如圖6所示。

圖6 網狀網絡Fig.6 Mesh network

每個節點都可以與其無線通信范圍內的其他節點通信，但也有被推薦為ZigBee協調點。網狀網絡是一種高可靠性網絡，具有“自恢復”能力，它可為傳輸的數據包提供多條路徑，一旦一條路徑出現故障，則存在另一條或多條路徑可供選擇，但正是由于兩個節點之間存在多條路徑，它也是一種“高冗余”的網絡。

4 ZigBee路由算法

ZigBee路由選擇協議應該滿足以下條件：1）必須對拓撲的變化具有快速反應能力，并且避免路由環路的產生；2）必須高效利用帶寬資源，盡可能壓縮開銷；3）必須盡可能縮短傳遞的數據量，節約能源。

基于以上基本要求，ZigBee路由協議主要有以下算法：Cluster-Tree路由算法，ADDVjr路由算法，Cluster-Tree&ADDVjr路由算法。

4.1 Cluster-Tree路由算法

Cluster-Tree路由算法的描述如下：當一個網絡地址為A，網絡深度為D的路由節點（FFD）收到目的地址為D的轉發分組時，路由節點首先需要判斷目的地址D是否為自身的一個子節點，然后根據判斷的結果采取不同的方式來處理這個分組。若地址D滿足

則可以判斷D地址節點是A地址節點的一個后代節點。

判斷后采取的分組轉發措施如下：

1）目的節點是自身的一個后代節點，則下一跳（next hop）的節點地址為：

2）目的節點不是自身的一個后代節點，路由節點將把該包送交自己的父節點處理。這一點與TCP／IP協議中路由器將路由表項中不存在的分組轉發給自己的網關處理類似。

4.2 AODVjr[7]路由算法

AODVjr（AODV Junior）協議是一種基于按需距離矢量路由 AODV（Ad．Hoc On．Demand Distance Vector）的簡化版本的AODV路由協議，而AODV路由協議是一種按需路由協議，它利用擴展環搜索的辦法來限制搜索發現過的目的節點的范圍，支持組播，可以實現在ZigBee節點間動態的、自發的路由，使節點很快的獲得通向所需目的的路由。

一次路由建立由以下3個步驟組成：1）路由發現；2）反向路由建立；3）正向路由的建立。經過這3個步驟，即可建立起一條路由節點到目的節點的有效傳輸路徑。在這個路由建立的過程中，AODVjr使用 3種消息作為控制信息：1）Route Request（RREQ），路由請求分組；2）Route Replies(RREP)，路由回復分組；3）Route Error(RERR)，路由錯誤分組。

AODVjr的優點是，相對于有線網絡的路由協議而言，它不需要周期性的路由信息廣播，節省了一定的網絡資源，并降低了網絡功耗。缺點是在需要時才發起路由尋找過程，會增加交換分組到達目的地址的時間。由于ZigBee網絡中對數據的實時性要求不大，而更重視對網絡能量的節省，因此可以說AODVjr協議是非常適合應用在ZigBee網絡中的。

4.3 Cluster-Tree&AODVjr路由算法

在 ZigBee中，目前常用的的是“Cluster-Tree&AODVjr”路由算法，這種方法結合了Cluster-Tree與AODVjr的算法優點。網絡中的節點被分成 Coordinator、RN+、RN-、RFD 這 4種類型。其中Coordinator和RF+的路由算法相同，Coordinator、RN+、RN-是全功能節點，能充當其他節點的路由節點；RFD只能充當Cluster-Tree的葉子（Leaf-Node）。如果待發送數據的目標節點是自己的鄰居，即直接通信。反之，3種類型的節點處理數據包的方式各不相同：RN+可以啟動AODVjr，主動查找到目標節點的最佳路由，且它可以扮演路由代理（Routing Agent）的角色，幫助其他節點查找路由；RN-只能使用Cluster-Tree算法，它可通過計算判斷該把數據包交給自己的父節點還是由某個子節點轉發；而RFD只能把數據交給父節點轉發。

5 系統應用

基于本文設計的用ZigBee方式通信的無線測溫系統在某變電站中進行了安裝實驗。現場測溫節點安裝在變電站的母線上，通過無線通信方式將測來的數據傳輸到計算機終端以便監控母線的溫升。實踐表明具有以下優點：

1）實時性好，通信方便且速率高；2）建設成本低。由予采用ZigBee的無線公網平臺，只需安裝好設備即可，不需要專門布線，投資少、見效快，后期升級、維護成本低；3）覆蓋范圍大，易組成網絡，容易增加測溫點。

6 結束語

ZigBee依據IEEE 802.15.4標準和ZigBee規范，可以在數千個微小的傳感器之間實現協同通信。在“ZigBee無線傳感網絡的路由協議研究”中，應用ZigBee技術來構建無線傳感器網絡，并利用文中介紹的3種拓撲形式和3種通信協議來組成無線網絡，很好地實現了設計目標，為構建無線傳感網絡提供了很好的解決方法。隨著微電子技術、ZigBee技術以及傳感器技術的發展，ZigBee無線傳感網絡將有更大的發展空間。

[1]BARKER N.ZigBee and Bluetooth strengths and weakness for industrial application[J].Journal of Computing&Control Engineeing，2005，16（2）：20-25.

[2]IAN Marsden．Network Layer Overview[EB／OL].（2005-06-15）[2010-03-17].http://www.zigbee.org/en/events/documents

[3]HEILE Bob．Wireless sensors and control networks：enabling new opportunities[EB／OL]．（2005-06-06） [2010-04-02]http://www.zigbee.org/en/events/documents.

[4]Heideman J，Silva F，Intanagonwiwat C，et al.Building efficient wireless sensor networks with low-level naming[R].Proceedings of the Eighteenth ACM symposium on Operating Systems Principles，2001:146-159.

[5]Akyildiz I F，Su W，Sankarasubramaniam Y，et al.Wireless sensor network：a survey[J].Computer Networks，2002（38）：393-422.

[6]Zorzi M，Rao R R.Geographic random forwarding（GeRaF）for ad hoc and sensor networks：multihop performance[R].IEEE Transactions on Mobile Computing，2003，2 （4）：121-135.

[7]Chakems I D，Klein-Berndt L．AODVjr，AODV simplified[J].ACM SZGMOBIL Mobile Computingand Communications Review，2002，6（3）：100-101．