基于ZigBee的WSN路由研究与实验

　　无线传感器网络是一种特殊的Ad-Hoc网络，网络中节点密集，数量巨大且分布在十分广泛的区域。目前，发展前景最为看好的是基于IEEE802.15.4标准的 ZigBee无线网络。无线传感器网络通常并不需要较高的传输带宽，但却需要较低的传输延时和极低的功率消耗，使用户能拥有较长的电池寿命和较多的器件阵列，而ZigBee的出现正好解决了这一问题。ZigBee有着高通信效率、低复杂度、低功耗、低速率、低成本、高安全性以及全数字化等诸多优点。这些优点使得ZigBee与无线传感器网络完美地结合在一起。目前，基于ZigBee技术的无线传感器网络的研究和开发已得到越来越多的关注。

　　ZigBee是一个由多到65 000个无线数传模块组成的无线数传网络平台，十分类似现有的移动通信CDMA网或GSM网，每一个ZigBee网络数传模块类似移动网络的一个基站，在整个网络范围内，它们之间可以进行相互通信。不同的是，ZigBee网络主要为自动化控制数据传输而建立，每个ZigBee网络节点既可以与监控对象直接进行数据采集和监控，还可以自动中转其他网络节点传输的数据资料。除此之外，每个ZigBee网络节点还可在自己信号覆盖的范围内，与多个不承担网络信息中转任务的孤立子节点无线连接。ZigBee网络节点可支持31个传感器和受控设备，每个传感器与受控设备有8种不同的接口方式，用来采集、传输数字量和模拟量。

　　1 WSN路由基本算法

　　ZigBee WSN中的节点大体可以分为两种类型：有路由容量的节点和没有路由容量的节点。对于树簇拓扑的WSN来说，终端设备通常是RFD精简设备，因此没有路由容量;而路由器与协调器是由FFD全功能设备组成的，因此有路由容量。

　　树簇型拓扑的WSN中，通常采用树簇算法与AODVjr算法相结合的路由算法，其中树簇算法指的是消息沿着树型拓扑进行传输的算法，它是静态的，不需要存储路由表。该算法适用于节点静止或者移动较少的场合。而AODVjr算法则是对Ad Hoc按需距离矢量路由算法的改进，考虑到节能、应用方便性留了等因素，对AODV的一些特点进行了简化，但是仍然保留了AODV的原始功能。

　　这两种算法的结合使用确定了WSN路由的三种模式，即：禁止路由模式、使能路由模式和强制路由模式。禁止路由模式就是禁止对路径进行查找，因此处于该模式的网络只能使用树簇算法沿着树型拓扑进行路由。使能路由模式是将树簇算法与AODVjr算法相结合，视具体情况来决定到底采用哪种路由算法。强制路由模式完全使用了AODVjr算法，只要设备具有路径查找能力，不管消息传输的路径是否已经存在，都要启动一个路径查找过程，当查找完成，数据包将沿着计算出来的路径传送。

　　2 路由方式

　　路由的设定通常有三种模式：禁止路由发现、使能路由发现及强制路由发现。

　　禁止路由发现(SUPPRESS)：如果发现网络路由器存在，数据包路由指向该路由器。否则，数据包沿着树形推进。

　　使能路由发现(ENABLE)：如果发现网络路由器存在，数据包路由指向该路由器。如果网络路由器不能确定，路由器可以启动一个路由发现过程，当发现完成，数据包将沿着计算出来的路由传送。如果该路由器没有路由发现能力，数据包将沿着树形推进。

　　强制路由发现(FORCE)：如果路由器有路由发现能力，不管路由是否已经存在，都将启动一个路由发现过程。发现完成，数据包将沿着计算出来的路由传送。如果这个路由器没有路由发现能力，数据包将沿着树形推进。这个选择必须小心使用，因为它会产生较大的网络冗余。它的主要用途是修复破坏了的路由。

　　对于树形拓扑结构设备间的数据转发，通常将源地址简化为上行路由(route up)或下行路由(route down)。如果LocalAddr < DeSTAddr < LocalAddr + CSkip(d-1) 为下行路由，否则为上行路由。通常网络的协调器或路由器都含有一个邻接设备表，该表记录了一定区域内与其具有邻接关系的设备。若想使用邻接表进行路由，只要目标设备在物理区域内可见，即可直接发送信息。而对于网状拓扑结构，则要使用路由表来进行路由。通常协调器或路由器都拥有自己的路由表，如果目标设备在路由表中有相关的记录，则信息就可以根据路由表中的记录进行发送，否则就要沿着树形拓扑来传输数据。

　　无线传感器网络是一种特殊的Ad-Hoc网络，网络中节点密集，数量巨大且分布在十分广泛的区域。目前，发展前景最为看好的是基于 IEEE802.15.4标准的ZigBee无线网络。无线传感器网络通常并不需要较高的传输带宽，但却需要较低的传输延时和极低的功率消耗，使用户能拥有较长的电池寿命和较多的器件阵列，而ZigBee的出现正好解决了这一问题。ZigBee有着高通信效率、低复杂度、低功耗、低速率、低成本、高安全性以及全数字化等诸多优点。这些优点使得ZigBee与无线传感器网络完美地结合在一起。目前，基于ZigBee技术的无线传感器网络的研究和开发已得到越来越多的关注。

　　ZigBee是一个由多到65 000个无线数传模块组成的无线数传网络平台，十分类似现有的移动通信CDMA网或GSM网，每一个ZigBee网络数传模块类似移动网络的一个基站，在整个网络范围内，它们之间可以进行相互通信。不同的是，ZigBee网络主要为自动化控制数据传输而建立，每个ZigBee网络节点既可以与监控对象直接进行数据采集和监控，还可以自动中转其他网络节点传输的数据资料。除此之外，每个ZigBee网络节点还可在自己信号覆盖的范围内，与多个不承担网络信息中转任务的孤立子节点无线连接。ZigBee网络节点可支持31个传感器和受控设备，每个传感器与受控设备有8种不同的接口方式，用来采集、传输数字量和模拟量。

　　2.1 ZigBee 无线传感器节点硬件

　　要创建WSN节点，本实验使用了以下的组件:一片带SPITM接口的PIC18F单片机;一个带有所需外部元件的RF收发器芯片CC2420; 一根天线，可以是PCB上的引线形成的天线或单极天线。

　　如图1所示，控制器通过SPI总线与RF收发器芯片CC2420相连。控制器充当SPI主器件而CC2420充当从器件。控制器实现了IEEE 802.15.4 MAC 层和ZigBee协议层。它还包含了特定的应用逻辑，并使SPI总线与RF收发器交互。Microchip协议栈提供了完全集成的驱动程序，免除了主应用程序管理RF收发器功能的任务。如果需要，可以将某些非SPI控制信号重新分配到其他端口引脚以适合应用的硬件。在这种情况下，必须修改物理层接口定义，包括正确的引脚分配。

　　2.2 设计步骤

　　以微芯的ZigBee协议栈为例，为了设计ZigBee协议系统，应按以下步骤进行设计：(1)获得OUI;(2)根据数据传输率及市场的需要，确定无线通信的频带;(3)使用TSZ-008开发系统进行开发设计;(4)利用微芯协议栈提供的源文件扩展ZigBee协议应用;(5)进行RF规范论证;(6)进行ZigBee协议互操作规范论证。

　　具体设计时应遵从以下步骤:

　　(1)确定系统需要使用的配置文件;

　　(2)确定每个设备具备的终端结构;

　　(3)创建一个新的项目目录，将所有的具体应用源文件及项目文件置于该目录中;

　　(4)使用ZENA软件产生基于设备类型、设备配置及终端结构的配置文件并编写相关源代码。

　　2.3 虚拟路径建立过程

　　相关源码如下：

　　case NLME_START_ROUTER_confirm:

　　if (!params.NLME_START_ROUTER_confirm.Status)

　　{

　　ConsolePutROMString( (ROM char *)"Router Started!

　　Enabling joins...rn" );

　　params.NLME_PERMIT_JOINING_request.PermitDura-

　　TIon=0xFF;

　　currentPrimitive=NLME_PERMIT_JOINING_request;

　　}

　　else

　　{

　　PrintChar( params.NLME_JOIN_confirm.Status );

　　ConsolePutROMString( (ROM char *)" Router start

　　unsuccessful. We cannot route frames.rn" );

　　currentPrimitive = NO_PRIMITIVE;

　　}

　　break;

　　2.4 确认路径过程

　　相关源码如下：

　　case NLME_PERMIT_JOINING_confirm:

　　if (!params.NLME_PERMIT_JOINING_confirm.Status)

　　{

　　ConsolePutROMString( (ROM char *)"Joining permitted.rn" );

　　currentPrimitive = NO_PRIMITIVE;

　　}

　　else

　　{

　　PrintChar( params.NLME_PERMIT_JOINING_confirm.Status );

 　　ConsolePutROMString( (ROM char *)" Join permission unsuccessful. We cannot allow joins.rn" );

　　currentPrimiTIve = NO_PRIMITIVE;

　　}

　　break;

　　2.5 实验结果

　　笔者主要对树簇网进行了验证。实验中，路由器与终端设备组建了小型星形网络，这个星形网络是以路由器为中心，以终端设备为子节点的。与标准星形网络不同的是，在以路由器为中心的小型星形网络中，路由器不会向终端设备发出任何控制命令，它只起中继的作用，实际的控制命令是由协调器发出的。这样通过路由器的连接中继作用，协调器可以控制超出它的能量覆盖范围的终端设备。路由器没有组建树簇网络的功能，但它可以接收终端设备形成星形网络，也可以加入协调器参与到树簇网络中。

　　可以使用开发板进行路由器的定位实现简单路由，也可以实现帧转发，但是路由表的建立维护功能不全。协调器和路由器不能自动地发起路由探询与路由修复，所以在应用层传输数据包之前，需要通过按下某一固定键盘的方式人工激发路由探询。在路由探询等待中，在接收缓存中只允许存放一个等待传送的数据包。