基于ZigBee 技術的礦井無線傳感器網絡設計

張弘華 余員琴 陳海文 李晨 王葉

湖南交通工程學院電氣與信息工程學院

0 引言

1 ZigBee 技術

ZigBee 是ZigBee 聯(lián)盟（ZigBee Alliance）在IEEE802.15.4標準基礎上進行商業(yè)推廣的名稱，來自蜜蜂群之間的一種有效、簡單的通信方式，蜜蜂（Bee）通過飛“Z”字形舞蹈，以向其他蜜蜂表達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準，如表1 所示。

表1 ZigBee 技術

2 ZigBee WSN 拓撲模型

基于ZigBee WSN 有星形（Star）、簇樹（Clustet）和網狀（Mesh）3 種拓撲模型，如圖1 所示，其對比分析如表2 所示。

表2 對比分析

圖1 ZigBee WSN 3 種拓撲模型

3 ZigBee 組建無線傳感器網絡

3.1 無線傳感器網絡整體結構設計

WSN 整體結構設計如圖2 所示，包括WSN ZC（WSN ZigBee Coordinator）ZigBee 協(xié)調器的創(chuàng)建，WSN ZC 的初始化，網絡節(jié)點入網的開啟，數(shù)據(jù)的傳送。

圖2 ZigBee 組建無線傳感器網絡流程

3.2 WSN ZC 節(jié)點初始化

采用TI 公司研發(fā)的ZigBee Stack 協(xié)議棧Zmain.C 庫文件中main 函數(shù)實現(xiàn)硬件、網絡、任務列表初始化，從main 函數(shù)開始運行執(zhí)行，進入任務處理循環(huán)。

建立一個WSNx 時，必須由且只有一個ZC 發(fā)起，若WSNx 和WSNy 相交的子節(jié)點，且此子節(jié)點已入WSNy，則該子節(jié)點不可作為WSNx 中ZC，只作為新子節(jié)點入網。判定節(jié)點是否為全功能設備（Full Function Device，F(xiàn)FD）節(jié)點，若是，則發(fā)送一個信標請求命令，設定掃描期（T_scan_duration），在掃描期內主動掃描，且未檢測到信標，就認定該節(jié)點POS（point of sale 多功能終端）范圍內無ZC，即其確定WSNX 中ZC，其后挑選信道和設置地址。

（1）選擇信道。檢測指定或默認信道的能量，且將其遞增排序、篩選及標記可用信道，再主動掃描可用信道，搜索網絡中廣播信息，依據(jù)獲得的這些信息和已記錄的結果，篩選出最佳信道。

（2）設置ZigBeeWSN 地址。篩選出最佳信道后，ZC 為新建的WSNx 隨機挑選一個未分配的，且小于等于0×3FFF的標識符為網絡地址，其中，0×FFFF 不能分配為廣播地址。

李清平等提出，ZigBeeWSN 中節(jié)點地址有64 位的IEEE地址和16 位的網絡地址兩種之分。前者也叫物理地址或擴展地址，后者也叫邏輯地址或短地址。64 位IEEE 地址由制造商設定或在安裝時由工程師設置，一旦給節(jié)點設備設置了地址，則其終身不變，是全球唯一標識；網絡地址是由父節(jié)點分配給網絡中子節(jié)點或設備唯一標識，其地址用于節(jié)點之間的通信。初始化含確定初始化參數(shù)和參數(shù)配置兩個方面，0×0000 一般設為ZC 的短地址。

3.3 入網節(jié)點連ZC 組網

節(jié)點入網需在ZC 或ZigBee路由器（ZigBee Router，ZR）允許下進行。組建新網WSNx 時，WSNx 首層節(jié)點入網先關聯(lián)ZC，其他層節(jié)點入網在多功能終端區(qū)域內篩選出最強信號節(jié)點，作為其父節(jié)點加入網絡。最強信號節(jié)點也可是ZC，成功入網后ZC 分配一個16 位的網絡地址，并將所有入網信息存留在各自閃存（Flash memory）中，其信息包括網絡地址、網絡拓撲結構、其各節(jié)點間的關系等。

若未搜索到信標，采用多次間歇式重啟掃描方法繼續(xù)搜索到一個或多個信標，且選取最優(yōu)網絡，發(fā)送請求連接ZC。ZC 將收接到的入網連接指示原語送交上層，同時，回復關聯(lián)響應確認幀ACK（Acknowledgement）給節(jié)點，上層根據(jù)自身資源，如地址分配狀況、存儲空間、能量多少和安全級別等，決定該節(jié)點的入網請求成功與否。若其資源允許連接成功，ZC 將連接成功響應原語Association response 和分配給該節(jié)點入網的16 位網絡地址發(fā)送給該節(jié)點，隨后便可以與ZC 通信；否則，入網節(jié)點重發(fā)請求信息，至成功連接入網。

3.4 入網節(jié)點經ZR 組網

余修武提出，入網有加入節(jié)點，發(fā)起連接程序來入網的聯(lián)合方式和加入節(jié)點，直接同一個預先指定的父節(jié)點ZR 連接入網的直接方式兩種。基于Zigbee 的WSN 中以聯(lián)合方式為主，輔助直接方式，將入網節(jié)點經ZR 組建網絡。新建WSNx 中，首層FFD 子節(jié)點全部與ZC 連接成功后，其他各層子節(jié)點經由WSNx 首層已關聯(lián)好ZC 的FFD 子節(jié)點或ZR 子節(jié)點視為其父節(jié)點加入網絡。

待加入WSNx 的節(jié)點中有新節(jié)點和孤兒節(jié)點，孤兒節(jié)點是由于本身或父節(jié)點資源狀態(tài)未滿足關聯(lián)要求，已與其父節(jié)點失去了關聯(lián)的節(jié)點。孤兒節(jié)點再次與原父節(jié)點關聯(lián)，通過其相鄰表中保留的信息且以直接入網方式發(fā)送請求給原父節(jié)點，原父節(jié)點依據(jù)自身現(xiàn)有的邏輯地址分配狀況、存儲空間、能量多少和安全級別等資源，視孤兒節(jié)點為新節(jié)點入網與節(jié)點關聯(lián)ZC 相同，即入網成功，便可傳輸數(shù)據(jù)。

3.5 入網節(jié)點地址分配方案

入網節(jié)點有分布式地址分配（Distributed Address Assignment Mechanism，DAAM）和隨機地址分配（Stochasticaddress Assignment Mechanism，SAAM）兩種機制，其中，DAAM 為主要地址分配方案。設置以0×00 為NIB 中nwkAddrAlloc 值，即默認值實施分布式地址分配方案，設置以0×02 為隨機地址分配方案，其中，0×01 暫保留。DAAM中各層父節(jié)點可給子節(jié)點分配的邏輯地址間隔數(shù)由Cskip（d）函數(shù)計算。

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

Lm（nwk max Depth）網絡的最大深度，ZC 深度為0，其子節(jié)點深度為1，由ZC 決定；Rm（nwk max Routers）父節(jié)點中擁有路由器子節(jié)點最大值；d每層子節(jié)點的網絡深度。

當Cskip（d）＞0時，表示父節(jié)點可以關聯(lián)子節(jié)點；當Cskip（d）≤0 時，表示此子節(jié)點只能視終端葉子節(jié)點入網，包括ZR 節(jié)點在內。分配第一個ZR 子節(jié)點地址等于以父節(jié)點地址+1，其余ZR 子節(jié)點地址由Cskip（d）函數(shù)計算獲得；而所有的ZED 子節(jié)點中第一個ZED 子節(jié)點的地址等于最后一個ZR 節(jié)點地址+Cskip（d）計算值，其余ZED 子節(jié)點地址在第一個ZED 子節(jié)點地址依次+1。網絡各層（d）第n 個子節(jié)點的網絡地址分配如式（2）

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

4 結束語

由于井下環(huán)境特殊，比較適用短距離無線通信，因此，基于ZigBee 的WSN 應該是最佳方案，其具有功耗最低、成本最低，網絡容量大、擴展性好、傳輸速率低、時延小等優(yōu)勢，可確保WSN 井下安全監(jiān)測的可靠性和可行性。