楊兆輝+梁麗麗+姜宇

[摘 要] 針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中失去連接變成鏈路故障節(jié)點(diǎn)問題，提出了一種優(yōu)化的基于ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)思路。利用節(jié)點(diǎn)感知自身網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)變化的方式，減少了網(wǎng)絡(luò)資源的消耗；利用節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)移的方式，擴(kuò)展了節(jié)點(diǎn)重新加入網(wǎng)絡(luò)的處理機(jī)制。仿真實(shí)驗(yàn)證明，該方法有效地增加了故障節(jié)點(diǎn)重新加入網(wǎng)絡(luò)的成功率。

[關(guān)鍵詞] ZigBee；故障節(jié)點(diǎn)；網(wǎng)絡(luò)失聯(lián)；子樹節(jié)點(diǎn)

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2017. 17. 074

[中圖分類號] TP212.9 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2017）17- 0163- 02

0 引 言

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)支撐技術(shù)之一的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也不斷成熟。Zig Bee 專注于無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，也是嵌入式應(yīng)用的一大熱點(diǎn)，針對孤立子樹的問題應(yīng)用動態(tài)重構(gòu)樹方法恢復(fù)，但此節(jié)點(diǎn)若要重新加入網(wǎng)絡(luò)不能更充分地利用地址空間。

1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)自主配置技術(shù)

1.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)鏈路故障

鏈路故障節(jié)點(diǎn)是指失去網(wǎng)絡(luò)連接的節(jié)點(diǎn)，在樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中找不到父節(jié)點(diǎn)，當(dāng)與父節(jié)點(diǎn)失聯(lián)后，在樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中ZigBee的數(shù)據(jù)采集是向匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，所以當(dāng)鏈路故障發(fā)生后也就無法成功地向匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。

在這個(gè)樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中節(jié)點(diǎn)需要和協(xié)調(diào)器保持?jǐn)?shù)據(jù)同步，此時(shí)R1節(jié)點(diǎn)失去網(wǎng)絡(luò)連接，那么R1與R2就會斷開，R2以及后代節(jié)點(diǎn)也就形成了孤立子樹，無法再接收到同步消息。

1.2 鏈路故障節(jié)點(diǎn)重新加入網(wǎng)絡(luò)自主配置方案設(shè)計(jì)

1.2.1 無子節(jié)點(diǎn)的鏈路故障節(jié)點(diǎn)

如果鏈路故障節(jié)點(diǎn)無子節(jié)點(diǎn)，當(dāng)重新發(fā)起網(wǎng)絡(luò)請求時(shí)，如父節(jié)點(diǎn)有空余的地址空間，則根據(jù)地址分配公式 Cskip 計(jì)算網(wǎng)絡(luò)地址，如無地址空間則拒絕其加入，該故障節(jié)點(diǎn)會經(jīng)過一段時(shí)間重新再發(fā)起請求。

1.2.2 有子節(jié)點(diǎn)的鏈路故障節(jié)點(diǎn)

若鏈路故障節(jié)點(diǎn)有子節(jié)點(diǎn)，要重新加入網(wǎng)絡(luò)就必須考慮孤立子樹問題。鏈路故障節(jié)點(diǎn)充當(dāng)子樹網(wǎng)絡(luò)的代理協(xié)調(diào)器，向所有子樹網(wǎng)絡(luò)發(fā)送消息，在發(fā)送請求時(shí)同時(shí)考慮子樹的節(jié)點(diǎn)數(shù)、高度等參數(shù)。如果請求失敗則放棄代理子樹按照鏈路故障節(jié)點(diǎn)重新加入網(wǎng)絡(luò)過程。

2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)原型系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)的總體實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)具有自行組網(wǎng)能力，自主配置并收發(fā)數(shù)據(jù)，由路由節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組成，而網(wǎng)絡(luò)的具體角色需要代碼來設(shè)定，由于網(wǎng)絡(luò)中只有一個(gè)協(xié)調(diào)器，所以首先編譯該部分源碼，終端節(jié)點(diǎn)能耗低因此代碼也簡單。

實(shí)現(xiàn)步驟：通過Socket接口與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)；緩存區(qū)負(fù)責(zé)存儲數(shù)據(jù)，當(dāng)緩存區(qū)存滿時(shí)就向數(shù)據(jù)庫中插入數(shù)據(jù)也就是數(shù)據(jù)緩存；從緩存表中提取網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒁簿褪蔷W(wǎng)絡(luò)拓?fù)淅L制；軟件把采集到的傳感數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中，以便提供給用戶查詢也就是數(shù)據(jù)庫管理。

2.2 鏈路網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)檢測

檢測網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)只要是對鏈路故障的排查，當(dāng)節(jié)點(diǎn)已成為故障節(jié)點(diǎn)，故障節(jié)點(diǎn)需要發(fā)起重新加入網(wǎng)絡(luò)的申請，啟動用于同步信標(biāo)的定時(shí)器并設(shè)置其計(jì)數(shù)值，若收到信標(biāo)消息計(jì)數(shù)器清零，否則計(jì)數(shù)器值加1，當(dāng)累加值超過5時(shí)，其值的設(shè)定一方面依據(jù)Z-Stack 協(xié)議棧源代碼 f8w Config.cfg 文件中的宏定義：-DBEACON_REQUEST_DELAY=1000，為了避免向已發(fā)生故障的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，需要在該周期內(nèi)判斷是否發(fā)生故障。

2.3 更新子樹節(jié)點(diǎn)信息

鏈路故障節(jié)點(diǎn)有子節(jié)點(diǎn)時(shí)，如果成功加入網(wǎng)絡(luò)，則攜帶的整棵子樹需要更新狀態(tài)，此時(shí)需要廣播狀態(tài)更新消息，使節(jié)點(diǎn)同步更新高度、地址、網(wǎng)絡(luò)等信息，主要代碼如下：

void Sub_Tree_Update（）{

SUBTREE_UPDATE sub_update；

for（int i=0；i

if（AF_DataRequest（&SampleApp_SubUbdate_DstAddr，//

&SampleApp_epDesc，

SAMPLEAPP_SUBTREE_UPDATE_CLUSTERID，

（uint16）sizeof（sub_update），

（uint8*）sub_update，

&SampleApp_TranslD，

AF_DISCV_ROUTE， //AF_DISCV_ROUTE，

AF_DEFAULT_RADIUS==afStatus_SUCCESS）{}

3 基于MATLAB仿真平臺實(shí)驗(yàn)測試與結(jié)果分析

為了評價(jià)基于ZigBee的傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的性能，本文將與ZigBee標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議下的修復(fù)能力相關(guān)算法應(yīng)用MATLAB仿真進(jìn)行了比較。

（1）生成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌涸诜抡姝h(huán)境中模擬生成 Zig Bee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

（2）設(shè)置故障點(diǎn)：將帶子節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)置為故障節(jié)點(diǎn)。

（3）變化節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)：改變ZED和ZR進(jìn)行測試。

將上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果換算成節(jié)點(diǎn)加入率，繪制節(jié)點(diǎn)加入率隨節(jié)點(diǎn)數(shù)量變化的曲線圖：

圖1和圖2顯示當(dāng) ZED 在節(jié)點(diǎn)中比例越高其節(jié)點(diǎn)加入率急劇下降，在修復(fù)鏈路故障后，鏈路故障節(jié)點(diǎn)重新加入網(wǎng)絡(luò)處理機(jī)制的修復(fù)能力比 ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議修復(fù)能力有所提高，但隨 ZED 比例提高。

基于ZigBee的傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，可以滿足實(shí)際運(yùn)行的需要。在與 ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議對比下，可以看出鏈路故障節(jié)點(diǎn)重新加入網(wǎng)絡(luò)處理機(jī)制在處理鏈路故障節(jié)點(diǎn)重新加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)的成功率要比 ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議有所提高。

主要參考文獻(xiàn)

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