ZigBee無(wú)線(xiàn)路由協(xié)議ZLGnet

ZigBee名字來(lái)源于蜂群使用的賴(lài)以生存和發(fā)展的通信方式，蜜蜂通過(guò)跳ZigZag形狀的舞蹈來(lái)通知發(fā)現(xiàn)的新食物源的位置、距離和方向等信息，ZigBee技術(shù)模仿蜜蜂通過(guò)跳舞來(lái)傳遞信息的方式，通過(guò)相鄰網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間信息的接力傳遞，將信息從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)竭h(yuǎn)處的另外一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

ZigBee聯(lián)盟制定了ZigBee協(xié)議棧的規(guī)范，各個(gè)無(wú)線(xiàn)廠商根據(jù)自己的硬件平臺(tái)和應(yīng)用環(huán)境，編寫(xiě)自己的ZigBee協(xié)議棧。

本文介紹一種實(shí)際工程的ZigBee對(duì)等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的開(kāi)發(fā)過(guò)程。

1 一般路由測(cè)試方法

無(wú)線(xiàn)路由協(xié)議一般是按照以下方式進(jìn)行路徑查找的:由源節(jié)點(diǎn)發(fā)出廣播的路徑查找請(qǐng)求，在網(wǎng)絡(luò)中傳播，到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之后，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)選擇一個(gè)最佳路徑(中間節(jié)點(diǎn)也做最佳路徑的篩選)，返回給源節(jié)點(diǎn)。路由查找過(guò)程如圖1所示。

2 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧一般開(kāi)發(fā)過(guò)程

一個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的開(kāi)發(fā)，需要一個(gè)詳細(xì)的規(guī)劃，完成路由算法的設(shè)計(jì)、代碼實(shí)施、硬件平臺(tái)的搭建、測(cè)試方法的選擇和實(shí)施等，下面逐一介紹。

(1)路由算法

無(wú)線(xiàn)路由協(xié)議需要考慮兩個(gè)因素:速度和穩(wěn)定性。查找路徑時(shí)，有時(shí)收到一個(gè)時(shí)間非常快的應(yīng)答，但是這并不一定是最佳的路徑，有可能是查找路由表的瞬間兩點(diǎn)之間，信號(hào)剛好達(dá)到臨界信號(hào)強(qiáng)度(即“超常發(fā)揮路徑”)，接下來(lái)傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)候，恢復(fù)障礙物之后，信號(hào)又不能達(dá)到之前的速度，這在有移動(dòng)遮擋物的時(shí)候，特別容易出現(xiàn)，如圖2所示。“超常發(fā)揮路徑”判斷的依據(jù)是接收信號(hào)強(qiáng)度。

最短路徑和最佳信號(hào)質(zhì)量的結(jié)合，才是最佳路徑，在實(shí)際應(yīng)用中，還需要預(yù)留一條備用路徑，即次佳路徑。如圖3所示。

(2)測(cè)試開(kāi)發(fā)過(guò)程

按照路由算法實(shí)施代碼之后，需要進(jìn)行小規(guī)模的測(cè)試，因?yàn)樵缙趦?yōu)化更改比較多，需要每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行更新，因此最好在小范圍內(nèi)操作，改變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試也方便。這個(gè)測(cè)試環(huán)境還必須很穩(wěn)定，節(jié)點(diǎn)之間的信號(hào)不要變化太大，否則早期測(cè)試的時(shí)候會(huì)引入很多的變量，測(cè)試快要結(jié)束的時(shí)候，才可以放入嘈雜的環(huán)境，進(jìn)行穩(wěn)定性測(cè)試。

如圖4所示，測(cè)試節(jié)點(diǎn)懸掛在通道的兩側(cè)，離地面2 m左右，彼此間的通訊不會(huì)因?yàn)槿说淖邉?dòng)而干擾，每個(gè)節(jié)點(diǎn)由電線(xiàn)供電，也有獨(dú)立的電源開(kāi)關(guān)，可以關(guān)掉其中的任意一個(gè)，制造節(jié)點(diǎn)損壞的現(xiàn)象。

如圖5所示，在測(cè)試時(shí)，可以查找到達(dá)某個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路徑地址和路由級(jí)數(shù)，在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖上即可看是否是最優(yōu)的路徑。通過(guò)此表，還可以查看整個(gè)路徑中最差信號(hào)強(qiáng)度以及節(jié)點(diǎn)號(hào)碼，通過(guò)此號(hào)碼，我們可以判斷哪些節(jié)點(diǎn)之間的信號(hào)最差，為改善網(wǎng)絡(luò)整體鏈路通信質(zhì)量提供一個(gè)簡(jiǎn)便的定位方法。

(3)拉遠(yuǎn)及穩(wěn)定性測(cè)試

這一階段進(jìn)行大規(guī)模、干擾性測(cè)試，主要包括:

·增加移動(dòng)障礙物，影響節(jié)點(diǎn)之間的信號(hào)質(zhì)量；

·增加同頻段信號(hào)干擾；

·長(zhǎng)時(shí)間路由查找成功率測(cè)試。

3 ZLGnet性能參數(shù)

ZLGnet在無(wú)線(xiàn)路由中的實(shí)際測(cè)試效果如表1所示。

按照每級(jí)1 km計(jì)算(20 dbm輸出模塊ZICM2410P2在7 dbi天線(xiàn)下可靠視距通訊距離1.5 km)，默認(rèn)20級(jí)路由可以實(shí)現(xiàn)40 km(前后20 km)覆蓋。

表1 ZLGnet實(shí)際測(cè)試效果

無(wú)線(xiàn)路由協(xié)議設(shè)計(jì)還包括其他很多方面的內(nèi)容，如路徑節(jié)點(diǎn)丟失報(bào)告機(jī)制，路徑表的老化和更新，底層重傳次數(shù)的最佳選擇，要做好一個(gè)無(wú)線(xiàn)路由協(xié)議棧，需要做大量路由決策及測(cè)試分析，但是相信隨著對(duì)環(huán)境變量的增加，測(cè)試環(huán)境的更多變化，ZLGnet將會(huì)越來(lái)越完善穩(wěn)定。

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