基于ZigBee的自愈自組網的設計與應用
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3．1 自組網的設計
ZigBee無線網絡中，只有一個節(jié)點作為協(xié)調器，其他節(jié)點都是路由器或終端。網絡中每個節(jié)點都有兩個地址：64位IEEE擴展地址和16位網絡地址。64位IEEE擴展地址類似于MAC地址，它唯一的標識著每一個設備。16位的網絡地址在節(jié)點加入網絡時由其父節(jié)點(協(xié)調器或路由器)動態(tài)分配，該地址僅在路由或者數(shù)據(jù)傳輸時使用。
ZigBee無線網絡有兩種地址模式，靜態(tài)地址分配和樹狀地址分配。協(xié)調器確定整個網絡節(jié)點數(shù)目，每個節(jié)點都擁有一個網絡深度，用以指示在其父子鏈路上數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調器所需的最小跳數(shù)。協(xié)調器的深度為0，而它的孩子節(jié)點深度為1。可知，多跳網絡中深度大于1，網絡深度是由協(xié)調器來決定的。ZigBee網絡中，假設一個父節(jié)點有最大孩子節(jié)點數(shù)為Cm，網絡最大深度為Lm，一個父節(jié)點的最大路由數(shù)為Rm，可以計算網絡中每個節(jié)點的功能函數(shù)Cskip(d)：
式中d是節(jié)點到協(xié)調器的深度。如果Cskip(d)的值為0，則表明此節(jié)點為葉子節(jié)點，而Cskip(d)的值大于0，則表明該節(jié)點可作為一個父節(jié)點，這個父節(jié)點可以接收子節(jié)點并根據(jù)它們是否具有路由能力來分配地址。具體過程是：首先一個子節(jié)點的地址被分配，子節(jié)點地址比父節(jié)點的地址多1，然后其余節(jié)點根據(jù)下式求出：
An=Aparent+Cskip(d)*Rm+n (2)
式中1≤n≤(Cm-Rm)，Aparent代表父節(jié)點的地址。
ZigBee協(xié)調器在上電后，首先要建立一個無線網絡。在Z_Stack協(xié)議棧中，通過函數(shù)ZDApp_NetworkInit()進行網絡初始化，系統(tǒng)檢測到ZDP任務的ZDO_NETWORK_INIT事件，調用處理函數(shù)ZDO_StartDevice()啟動網絡的組建。通過變量logicalType判斷設備類型，如為協(xié)調器，則調用ZStatus_t NLME_NetworkFormationRequest()來完成網絡的組建，同時該函數(shù)產生一個回調函數(shù)ZDO_Network Formation ConfirmCB()，通過該函數(shù)，根據(jù)系統(tǒng)消息判斷網絡組建是否成功。
當網絡建立完成并允許新設備加入時，子設備(即子節(jié)點)才可以請求加入網絡。在Z_Stack協(xié)議棧中，子節(jié)點上電后調用ZDApp_Networkl nit()進行網絡初始化，之后調用NLME_NetworkDiscovery Request()來尋找射頻范圍內存在的ZigBee網絡，該函數(shù)會產生回調函數(shù)ZDO_Netwo rk Discovery ConfirmCB()，系統(tǒng)就是通過該函數(shù)來得到發(fā)現(xiàn)的網絡信息。在發(fā)現(xiàn)有已經建好的ZigBee網絡后，調用NLME_JoinRequest()加入網絡，同時產生回調函數(shù)ZDO_JoinConfirmCB()，通過該函數(shù)判斷加入網絡是否成功。路由器在網絡中負責信息的轉發(fā)，發(fā)現(xiàn)鄰居等，同時路由器必須在另一個路由的射頻范圍內，并且持續(xù)監(jiān)聽網絡內傳遞的新信息。終端節(jié)點負責各種數(shù)據(jù)的采集與上傳以及接收下傳命令并執(zhí)行，同時監(jiān)聽網絡。
3．2 自愈功能的實現(xiàn)
如果在網絡的正常運行情況下，有路由器因故障離網，導致原有的路由線路破壞。ZigBee提供了實現(xiàn)網絡自愈功能的基礎，在用戶研發(fā)的軟硬件配合下，可以實現(xiàn)強大的網絡自愈功能，使得整個網絡不因個別節(jié)點的變動而能持續(xù)工作。終端節(jié)點在這種情況下，又會再次啟動發(fā)現(xiàn)網絡加入網絡的過程。但，前提是在終端節(jié)點的射頻范圍內存在著可用的路由器。在Z_Stack協(xié)議棧中，通過調用zb_ReadConfiguration()可以訪問非易失性存儲器NV中的信息，其中包括節(jié)點的設備類型logicalType，節(jié)點的IEEE地址，節(jié)點的啟動模式startOptions等重要信息，同時也可以通過調用zh_WriteComqguration()來寫入這些設備信息，能夠在協(xié)議棧中靈活的配置網絡節(jié)點，實現(xiàn)整個網絡的自啟動、自組網以及自愈等功能，提高了網絡的穩(wěn)定性、健壯性也同時提高了網絡的工作效率。
3．3 所研發(fā)網絡的一個應用例子
在像無人值守通信基站(或局站)等重要場合，需對基站的交流電壓、電流和溫濕度環(huán)境等參數(shù)實時監(jiān)控。采用本網絡對基站的各種參數(shù)進行采集，軟件設計主要在Z_Stack協(xié)議棧的應用層上實現(xiàn)。各種參數(shù)信號經過外部調理電路處理后連接到CC2530的模擬IO口，CC2530的ADC轉換模塊采集各個參數(shù)并在內部進行定標和各種運算處理。處理后的數(shù)據(jù)部分供給采集子節(jié)點本地使用；部分需上傳的數(shù)據(jù)經過CC2530的系統(tǒng)觸發(fā)數(shù)據(jù)傳送事件，調用afStatus_tAF_DataRequest()將數(shù)據(jù)無線發(fā)送給協(xié)調器。
協(xié)調器接收到各種測量參數(shù)對應的無線數(shù)據(jù)后直接發(fā)送至登記注冊過的端點。應用程序將通過AF_INCOMING_MSG_CMD OSAL消息事件處理接收到的數(shù)據(jù)包(包內主要有：數(shù)據(jù)組號group ID、發(fā)送節(jié)點的網絡地址、端點號、數(shù)據(jù)類型以及各種測量參數(shù)對應的數(shù)據(jù))。協(xié)調器通過對數(shù)據(jù)包的分析，準確的提取出所需要的節(jié)點號以及各種測量參數(shù)數(shù)據(jù)，最后通過GPRS通信方式將采集的數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控中心，實現(xiàn)對無人值守通信基站的交流電壓、電流和溫濕度環(huán)境等參數(shù)的實時監(jiān)控。
4 結束語
文中分析了ZigBee協(xié)議體系結構各層主要功能，以及ZigBee網絡中兩種網絡拓撲結構；研究分析了TI的Z_Stack協(xié)議棧的開發(fā)與工作流程，以及自組網、自愈組網的協(xié)議開發(fā)過程?；贑C2530無線單片機硬件平臺設計了一個具有自組網、自愈功能的ZigBee無線傳感器網絡，很好地實現(xiàn)了網絡的自組網和自愈功能，同時完成了對無人值守通信基站的交流電壓、電流和溫濕度環(huán)境等參數(shù)的實時監(jiān)控。該系統(tǒng)應用廣泛，還可以用在其他工業(yè)遠程測控、路燈遙測遙控以及環(huán)境監(jiān)測等無人值守領域，有非常好的應用前景和顯著的社會經濟效益。本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/153494.htm
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