王振福

摘 要：為了滿足流程工業(yè)設備狀態(tài)監(jiān)測的實際需求，構建了一套基于Zigbee的無線傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)。本文介紹了Zigbee無線傳感網(wǎng)絡的基本架構，并詳細描述了傳感網(wǎng)絡中接入網(wǎng)關對于網(wǎng)絡的管理作用。包含網(wǎng)絡主要參數(shù)節(jié)點狀態(tài)及丟包率的計算，以及無線傳感網(wǎng)絡的移動性管理。

關鍵詞：Zigbee；無線傳感網(wǎng)絡；無線接入網(wǎng)關

一、引言

為了滿足工業(yè)現(xiàn)場特殊環(huán)境的無線數(shù)據(jù)采集要求，不僅需要Zigbee的高效率協(xié)議棧，還需要與整套無線傳感器網(wǎng)絡匹配的網(wǎng)絡管理方法來實現(xiàn)網(wǎng)絡中各種設備的協(xié)調以及配置。

接入網(wǎng)關作為整套系統(tǒng)中承上啟下的設備，負責與節(jié)點和上位機兩邊的通信。本課題實現(xiàn)了以接入網(wǎng)關為核心，對于整個網(wǎng)絡的管理功能：包括接入網(wǎng)關對于數(shù)據(jù)的管理，對節(jié)點的發(fā)射功率，信道的控制，以及對于網(wǎng)絡服務質量中主要參數(shù)的控制。并且對于現(xiàn)場中一些特殊的移動性節(jié)點，實現(xiàn)了一種類似于手機漫游的管理機制。

二、基于Zigbee無線接入網(wǎng)絡概述

ZigBee標準是基于IEEE802.15.4標準的，ZigBee協(xié)議棧分為兩部分，IEEE802.15.4處理低級MAC層和物理層協(xié)議，而ZigBee聯(lián)盟對其網(wǎng)絡層和API進行標準化，ZigBee節(jié)省的大部分能量歸功于專為低功率設計的IEEE802.15.4協(xié)議，各層之間通過服務接入點來實現(xiàn)層層之間的數(shù)據(jù)通信與協(xié)議棧管理，層層之間有兩個服務接入點，一個提供數(shù)據(jù)傳輸服務，另一個實現(xiàn)網(wǎng)絡管理。ZigBee設備在工作時，各種不同的任務在不同層次上執(zhí)行，通過層的服務完成所要執(zhí)行的任務。

物理層完成收發(fā)數(shù)據(jù)、激活和休眠射頻收發(fā)器、信道能量檢測、空閑信道評估、數(shù)據(jù)鏈路質量指示的功能。MAC子層提供兩種服務，MAC層數(shù)據(jù)服務和管理服務，網(wǎng)絡層職責為加入和離開網(wǎng)絡機制、應用安全幀的機制及發(fā)現(xiàn)和保持設備之間的路徑。應用層由應用支持子層，應用框架、ZigBee設備對象及用戶定義的應用對象。應用支持子層的作用是維護設備綁定表，它具有根據(jù)服務及需求匹配兩設備的能力，且通過邊界的設備轉發(fā)信息。

三、接入網(wǎng)關對無線信道的管理

為了避免不同網(wǎng)關所屬子網(wǎng)之間的通信互不干擾，為每一個網(wǎng)關分配一個獨有的信道，由于在節(jié)點加入網(wǎng)關的階段，節(jié)點開始并不知道自己將加入哪一個網(wǎng)關，所以我們需要在劃分出一個公有信道來為用于未加入網(wǎng)絡的節(jié)點入網(wǎng)。當節(jié)點收到網(wǎng)關的確認入網(wǎng)幀后，就跳頻至網(wǎng)關所屬信道進行通信，直到其離開網(wǎng)關。而每個網(wǎng)關為了在接收節(jié)點收發(fā)數(shù)據(jù)的同時，還能保證其他節(jié)點加入網(wǎng)絡，需要在收完數(shù)據(jù)之后切換至公有信道，來接受入網(wǎng)幀。

對于第一次上電的接入網(wǎng)關，均使用公用信道向全網(wǎng)絡廣播網(wǎng)絡建立幀，這樣所有未加入網(wǎng)絡節(jié)點都可以偵聽到網(wǎng)絡建立幀，之后接入網(wǎng)關切換至私有信道，首先發(fā)送同步幀，并開始接受節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，當接收完一個節(jié)點的數(shù)據(jù)之后，將判斷是否有本子網(wǎng)的其它節(jié)點向接入網(wǎng)關發(fā)送數(shù)據(jù)，如果有將繼續(xù)等待數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)的管理，計算節(jié)電狀態(tài)，丟包率，否則，為了使更多節(jié)點加入網(wǎng)絡，接入網(wǎng)關將重新回到公有信道，廣播網(wǎng)絡建立幀。

四、主要無線網(wǎng)絡質量參數(shù)的計算

1.節(jié)電狀態(tài)的統(tǒng)計。

節(jié)電狀態(tài)主要是反映該節(jié)點當前周期，是否向網(wǎng)關發(fā)送了數(shù)據(jù)幀，有在線和離線兩種狀態(tài)。

由于每一個節(jié)點的更新周期不同，從一個單位時間至五個單位時間可配置，這就意味著不可以僅僅根據(jù)當前周期是否收到數(shù)據(jù)來判斷節(jié)點的狀態(tài)。在節(jié)點每一個數(shù)據(jù)幀中會將本節(jié)點當前更新周期的這一項參數(shù)傳上來。那么接入網(wǎng)關就可以根據(jù)這一字節(jié)來判斷出節(jié)點的更新周期。我們設節(jié)點的更新周期為Tupdate，以及節(jié)點周期內收到數(shù)據(jù)報個數(shù)Tcounter，則計算節(jié)點更新周期的算法如式4-1所示。

NodeStatus=0，Tcounter%Tupdate=0

1，Tcounter%Tupdate≠0 （4.1）

在每個節(jié)點數(shù)據(jù)更新周期，每經(jīng)過一個單位時間Tcounter就會加一，當還未到節(jié)點更新數(shù)據(jù)的那個單位時間的時候，Tcounter一定會小于Tupdate的值，則Tcounter對Tupdate取余的值不為零，這就代表這個周期節(jié)點本不應該傳上數(shù)據(jù)，所以接入網(wǎng)關也不會在這個單位時間段內判斷節(jié)點是否發(fā)送數(shù)據(jù)。直到節(jié)點應發(fā)數(shù)據(jù)時，Tcounter與Tupdate的值吻合，此時Tcounter對Tupdate取余的值為零，所以接入網(wǎng)關在余值為零的那個周期即可根據(jù)節(jié)點是否傳上數(shù)據(jù)來判斷節(jié)點的狀態(tài)。這樣方式既避免了忽略本應傳遞數(shù)據(jù)的單位周期，也避免了在每一個周期頻繁等待節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，提高了網(wǎng)關的效率。而下一節(jié)丟包率的計算也采用了基于節(jié)點狀態(tài)的計算方式。

2.基于貝努利試驗的節(jié)點丟包率的計算。

丟包率作為反映無線傳感網(wǎng)絡傳輸質量的重要參數(shù)，其計算對于無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)很重要的作用。1）通過丟包率的變化，可以使用戶直觀地觀察網(wǎng)絡運行狀態(tài)，及早發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡中存在的故障。2）丟包率的變化對于網(wǎng)絡節(jié)點及網(wǎng)關的布置有著有很大的指導性意義，對于丟包率，鏈路質量等參數(shù)持續(xù)不理想的子網(wǎng)，可以考慮通過改變網(wǎng)絡設備安放的位置，直到網(wǎng)絡參數(shù)運行滿足工業(yè)現(xiàn)場的基本要求。

本課題設計并實現(xiàn)可以提供分時段的子網(wǎng)絡的32個節(jié)點的丟包率，這樣做的好處在于，當網(wǎng)絡運行很長時間后，整段時間的網(wǎng)絡可靠性下降而帶來的丟包率的變化并不明顯，不利于上位機及時發(fā)現(xiàn)問題，所以分時段的測量非常重要，每個時段統(tǒng)計一次這一時段單獨的丟包率，這樣及時網(wǎng)絡傳輸質量發(fā)生細微的變化，也可及時發(fā)現(xiàn)問題。基于上述分析，本文提出了一種基于貝努力試驗計算方法，基本思想如下：在接入網(wǎng)關應用層中為每一個節(jié)點設置一個環(huán)形隊列，隊列的長度為K，隊列中的每一項為節(jié)點每個數(shù)據(jù)更新周期的狀態(tài)，用0來表示離線，而用1來表示在線，當節(jié)點的周期數(shù)超過K之后，將覆蓋之前的節(jié)電狀態(tài)值，這也是分時段丟包率的核心思想。在每次網(wǎng)關單位周期結束之前，統(tǒng)計每個節(jié)點的環(huán)形隊列所有項的和，得到的就是每個節(jié)點的最近的K個周期的狀態(tài)，也就是近一百次應收數(shù)據(jù)的周期實際收到數(shù)據(jù)幀的次數(shù)。

根據(jù)上一張節(jié)點狀態(tài)統(tǒng)計一節(jié)所述，考慮一次包的收發(fā)過程，可能會引發(fā)兩種事件：接收方成功接收或接收方接收失敗，這等價于一次貝努利試驗。令Pi為Bernoulli隨機變量，如果包成功接收，則Pi為1，否則為0。那么，對于k次發(fā)送，包接收率能夠被定義如式4.2所示。

Prr=Pi （4.2）

由于Pi為隨機變量，根據(jù)大數(shù)定理，Prr能夠被近似地表示為E（Pi），表示平均成功接收一個包的概率。

由Prr的定義及計算公式可知，采用包接收率可以檢測出好的鏈路，能夠自適應慢速地跟蹤鏈路質量的變化。在以時間T為周期的多個時間段內，k的取值決定了評估的精度。k值越大，評估越精確，但開銷較大；k值較小，開銷較少，但評估精度不高。

將每個節(jié)點統(tǒng)計后的數(shù)據(jù)放入隸屬于每個節(jié)點數(shù)據(jù)區(qū)丟包率的一項，上位機就可以看到分段實時的節(jié)點丟包率，并將每一時段的丟包率記錄下來，綜合得到每天，每月甚至每年的綜合丟包率，來評估網(wǎng)絡任一時段，任一時長的傳輸質量。

五、結語

本文主要討論了基于Zigbee無線網(wǎng)絡接入網(wǎng)關對于整個無線傳感網(wǎng)絡的管理，具體論述了接入網(wǎng)關對于無線數(shù)據(jù)和信道的管理，以及網(wǎng)絡中諸如節(jié)點狀態(tài)，丟包率等對于本套系統(tǒng)有重要應用以及的性能參數(shù)的計算方式。

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