WiFi和ZigBee混合自組織組網技術在飛行器通信系統中的應用研究

朱照紅

（江蘇省靖江中等專業學校，江蘇泰州，214500）

0 引言

無人飛行器無論在現代軍隊作戰領域、通信偵查領域，還是在消防演習領域，抗震救援領域等都能發揮不可替代的作用，體現其安全、迅速、高效的通信技術優勢。文獻研究還發現，早在21世紀初，美國諾斯羅普（Northrop）公司就提出了一種基于現代通信技術的自組織軍事聯合作戰的概念；而國內的一些高校的專家們在2012 年就首次將Wi Fi 通信技術應用到無人直升飛機上，并利用 Wi Fi 的組網能力成功實驗了1KM以上的數據鏈。本文開展了基于WiFi和ZigBee混合自組織組網技術在飛行器通信系統中的應用研究，取得了寶貴的實踐經驗和科學的參考數據。

1 WiFi和ZigBee網絡特點

WiFi是一種短距離高速無線網絡，用W iFi技術組件的網絡結構也可以實現定位及環境監測等功能。ZigBee是一種基于IEEE802.15.4標準的低速低功耗低成本的無線網絡，現在常用于物聯網系統，但其組網能力非常強大，并且也能很方便的實現定位、導航和監控等。構建一個兼容和互補二者優點的自組織網絡是本文研究的重點。

2 自組織混合通信模型建立

在四軸飛行器上可以使用的無線通信模塊主要有WIFI（如安信公司的ESP系列WiFi模塊）、藍牙、2.4G模塊、433M模塊、868M模塊等5種大類模塊。

基于WiFi技術和ZigBee技術的自組織混合通信模型如圖1所示，模型由工作于5GHz頻段的WiFi模塊和工作于2.4G頻段的ZigBee模塊兩大部分組成，并通過網關將WiFi網口、ZigBee串口及用戶控制的串口等完成數據處理。

圖1 自組織混合通信模型

3 混合自組織網絡硬件設計

在本文設計的自組織混合通信模型中，主要由WiFi模塊、ZigBee模塊和網關等三大模塊組成。

其中，WiFi模塊核心器件選用美國高通公司的AR9344集成芯片，內置4口100M以太網交換機，是2.4G和5G雙頻段單模工作模塊，為避免與ZigBee模塊2.4G沖突，這里選擇工作在5G頻段。本模塊還根據飛行器工作需要配置了基于W9751技術的RAM電路、8MFlash電路和基于RFFM4501技術的射頻收發集成電路等，這些集成電路的使用是得設計更為簡潔、性能更加優良、抗干擾能力更強、制作成本更加低廉。WiFi通信系統硬件結構和實物圖如圖 2所示。

圖2 基于AR9344的WiFi通信模塊設計

ZigBee模塊選用美國德州儀器公司生產的CC2530收發一體的集成芯片，實際使用時為增大通信和控制距離，通常在其和天線之間增加功率放大器達到遠距離通信的目的。由于CC2530射頻輸出是一收發合用的差分端子，不能直接構成射頻前端，因此可與CC2591射頻前后端專用集成電路直接連接，設計原理圖如圖3所示。

網關（Gatway）是連接基于不同通信協議的網絡設備，設置好網關的IP地址，TCP/IP協議變可實現不同網絡之間的通信。常用的網關模塊有博大光通GTi-M1301模塊、基于STM32F的智能家居網關模塊和基于ARMv7-M架構的Cortex-m4處理器網關模塊等。綜合比較后，選用第三種處理器網關。Cortex-m4處理器有兩種操作狀態（調試狀態和Thumb狀態）、兩種操作模式（處理模式和線程模式）和兩個訪問等級（特權訪問等級和非特權訪問等級）。

此外，飛行器在飛行過程中還離不開衛星導航，采用UM220衛星芯片通過接收 GPS信號，以實現定位功能和時鐘信號等。UM220為雙系統高性能模塊，同時支持BD2 B1、GPS L1兩個頻點，定位精度為2.5m，導航數據格式為NMEA0183。

4 混合自組織網路軟件設計

本系統的軟件設計主要包括WiFi自組織網絡、ZigBee軟件和網關軟件等。

圖3 基于CC2530和CC2591芯片技術的ZigBee通信原理圖

無線自組織網絡(Ad Hoc)是一種多跳的臨時性自治系統，具有網絡拓撲結構動態變化、自組織無中心網絡、多條網絡等特點，其網絡信息交換采用計算機網絡中的分組交換機制，并且，用戶終端是筆記本、PDA等可以移動的便攜式終端，每個用戶終端兼有路由器和主機兩種功能，可隨時處于移動或者靜止狀態。

ZigBee組網可分網絡初始化和節點入網兩步。其中節點入網可通過協調器連接入網，也可通過父節點入網，下文重點介紹通過協調器入網。因此，任何一個zigbee節點要組建一個網絡必須要滿足這樣兩點要求：（1）節點是FFD節點，具備zigbee協調器的能力；（2）節點還沒有與其他網絡連接，當節點已經與其他網絡連接時，此節點只能作為該網絡的子節點，因為一個zigbee網絡中有且只有一個網絡協調器。

（1）初始化。首先選定網絡協調器。判斷節點是否是全功能FFD節點，接著判斷此FFD節點是否在其他網絡里或者網絡里是否已經存在協調器。一般是通過主動掃描，發送一個信標請求命令（Beaconrequest command），然后設置一個掃描期限（T_scan_duraTIon），如果在掃描期限內都沒有檢測到信標，那么就認為FFD在其pos內沒有協調器，那么此時就可以建立自己的zigbee網絡，并且作為這個網絡的協調器不斷地產生信標并廣播出去。其次進行信道掃描，完成能量掃描和主動掃描兩個過程——先以遞增的方式對所測量的能量值進行信道排序，排除能量值超出了可允許能量水平的信道；接著進行主動掃描，搜索節點通信半徑內的網絡信息，節點通過主動信道掃描方式獲得這些信標幀，并根據這些信息，找到一個最好的、相對安靜的信道，通過記錄的結果，選擇一個信道。設置網絡ID。最后設置網絡ID。找到合適的信道后，協調器將為網絡選定一個網絡標識符（PAN ID，取值《=0x3FFF），PAN ID可以通過偵聽其他網絡的ID然后選擇一個不會沖突的ID的方式來獲取。

（2）節點入網。節點入網一般包括查找網絡、發送請求命令、等待協調器處理、發送數據請求命令和回復等五步。①查找網絡協調器。首先會主動掃描查找周圍網絡的協調器，如果在掃描期限內檢測到信標，那么將獲得了協調器的有關信息，這時就向協調器發出連接請求。在選擇合適的網絡之后，上層將請求MAC層對物理層PHY和MAC層的 phyCurrentChannel、macPANID等PIB屬性進行相應的設置。如果沒有檢測到，間隔一段時間后，節點重新發起掃描。②發送關聯請求命令（Associaterequest command）。節點將關聯請求命令發送給協調器，協調器收到后立即回復一個確認幀（ACK），同時向它的上層發送連接指示原語，表示已經收到節點的連接請求。當協調器的MAC層的上層接收到連接指示原語后，將根據自己的資源情況（存儲空間和能量）決定給節點的MAC層發送響應。③等待協調器處理。當節點收到協調器加入關聯請求命令的ACK后，節點MAC將等待一段時間，接受協調器的連接響應。若協調器的資源足夠，協調器會給節點分配一個16位的短地址，并產生包含新地址和連接成功狀態的連接響應命令，則此節點將成功的和協調器建立連接并可以開始通信。④發送數據請求命令。如果協調器在響應時間內同意節點加入，那么將產生關聯響應命令（Associateresponse command）并存儲這個命令。當響應時間過后，節點發送數據請求命令（Datarequest command）給協調器，協調器收到后立即回復ACK，然后將存儲的關聯響應命令發給節點。如果在響應時間到后，協調器還沒有決定是否同意節點加入，那么節點將試圖從協調器的信標幀中提取關聯響應命令，成功的話就可以入網成功，否則重新發送請求信息直到入網成功。⑤回復。節點收到關聯響應命令后，立即向協調器回復一個確認幀（ACK），以確認接收到連接響應命令，此時節點將保存協調器的短地址和擴展地址，并且節點的MLME向上層發送連接確認原語，通告關聯加入成功的信息。

圖4 網關數據轉換

網關軟件。網關軟件的作用的是把系統及用戶數據約定標準化的通信協議，按預設格式完成數據之間的打包和轉換，最終實現互相通信。數據包的轉換通常要完成拆包、提取、分發端口和數據打包、重新封裝等方面的工作，如下圖4所示。串口異步通信數據每次按8bit為基數傳輸，開始由FE和長度信息組成。網口數據信源地址和信宿地址均為對應總線地址。

5 通信與測試

小型飛行器的測試參數主要涉及飛行器的轉速、姿態和位置。因此，運用MATLAB設計圖形用戶界面GUI程序，然后按照各自標準的通信協議，依次發送WIiFi信號或ZigBee信號來控制和觸發旋翼電機和主控，完成數據變換和傳輸，并通過MATLAB對飛行器傳回的數據進行處理、存儲及顯示。經系統調試和測試，本混合自組織通信系統能夠較準確可靠的完成小型飛行器的各項主要參數的測試和調整。

6 小結

本文在綜合比較了WIiFi技術和ZigBee技術的各自優缺點后，提出混合式自組織網絡體系的概念，在架構了這一自組織體系的基礎上，從硬件和軟件的兩個方面設計一款適用于小型飛行器完成各種控制的通信組織網絡。