基于Zigbee技术的无线传感器网络协议的设计

1       引言

无线传感器网络是由多个无线网络传感器构成，这些传感器集传感器执行、控制器和通信装置于一体，集传感与驱动控制能力、计算能力、通信能力于一身的资源受限的嵌入式设备。由这些微型传感器构成的无线传感器网络能够实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种监测对象信息，并对这些信息进行处理，传送给需要这些信息的用户。无线传感器网络具有自组织、自愈、多跳等特点，并且节点放置位置大多固定。由于有些无线传感器现场工作环境比较恶劣，因此在设计无线传感器网络协议的时候就必须充分考虑传感器节点的节能问题和采集数据的实时性传输问题。

ZigBee技术是一个具有统一技术标准的短距离无线通信技术，其PHY层和MAC层协议为IEEE802.15.4协议标准。本文提出的无线传感器网络工作在全球通用的ISM(Industrial,Scientific and Medica1)免付费频段2.4GHz上，其数据传输速率为250Kb/s,划分为16个信道。与蓝牙或802.11b等同属短距离无线通信技术相比，ZigBee技术具有先天的优势。ZigBee设备为低功耗设备，具有能量检测和链路质量指示的功能。同时，由于采用了碰撞避免机制(CSMA—CA)，避免了发送数据时的冲突。在网络安全方面，采用了密钥长度为128位的加密算法，对所传输的数据信息进行加密处理，保证了数据传输时的高可靠性和安全性。

用ZigBee技术组成的无线传感器网络结构简单、体积小、性价比高、放置灵活、扩展简便、成本低、功耗低、安全可靠，这种新兴的无线传感器网络必将有广泛的应用前景。

2       Zigbee无线传感器网络

目前，zigbee技术在国外已经在家庭网络、控制网络、手机移动终端等领域有了一定的应用，但是现有zigbee技术构成的网络都是仅限于zigbee技术的无线个域网（WPN）拓扑结构，每个接入点所能接纳的传感器的节点数远远低于协议所标称的255个，为了达到传感器网络密集覆盖的目的，就必须进行复杂的组网，这不仅增加了网络的复杂性，还增加了网络整体的功耗，传感器节点的寿命大大降低。本文提出的是构建簇树形拓扑结构的无线传感器网络。网络示意图如图1：

图 1 簇形传感网络示意图

在此网络中邻近区域内的节点构成了一个簇，每个簇有且仅有一个簇头，相邻的簇头又循环构成了另一个簇，这样依次反复，构成了一个树形结构的传感网络。在此结构中，树根节点作为整个网络的协调器可以和PC机相连，接收传感器所采集的数据，并对数据进行显示和处理。

3       网络协议的设计

3．1网络的自组织

无线传感器网络最初是由全功能设备（FFD）的节点发起并建立，无线传感器网络建立后，此发起设备就作为整个网络协调器，该协调器可以通过串行接口和PC相连接，处理接收到的各种数据，也可以和其他异种网络进行数据交换。节点自发建网过程如下：FFD节点首先进行信道能量检测（ED），选取检测到的能量峰值最小的那个信道作为要建立的无线传感器网络的数据传输信道；然后在此信道上发送跨网信标（beacon）请求帧，用以获取节点操作范围内其他无线传感器网络信息参数，在接收到beacon帧后，选择未被使用的网络标号，最后根据已确定的网络信道号、网络标号及其他相关参数来设定硬件中相关寄存器的值，至此无线传感网中网络协调器就形成了。图2是设备自发建网示意图。

图 2 设备自发建网示意图

当一个节点要申请加入已经建好的无线传感器网络的时候，此节点首先预设好网络标号和使用的信道，然后发送网内beacon请求广播帧，在接收到多个带有链路质量信号参数的beacon帧后，选取链路质量较好、剩余能量较多的节点进行连接，向相应的协调器发送入网请求命令帧，协调器允许后会分配网内短地址给该节点。每个节点都有一张邻居表，并且对其动态维护。在该邻居表中含有一个父节点地址（除了根节点）和多个子节点地址（除了叶结点）。依次重复这样的过程，所有的节点就可以自组成一个簇树状的无线传感网。图3是节点入网握手示意图：

图 3   节点入网握手示意图         图 4   节点出网握手示意图

同理，一个节点要离开网络的话，只要向其父节点发送请求命令帧，父节点在接收到请求后会做出相应的操作并发送响应帧给于回应。图4是节点出网握手示意图。

3．2网络的自愈合和自节能

       无线传感器网络除了节点有自组网能力外，还具有自愈和自节能的特点。当某一节点因为某种客观环境原因或是原传感网参数发生变化，导致此节点和传感网脱离，脱离节点可以发送孤立（orphan）显示请求帧给协调器，协调器在接收到请求帧后确定此节点是不是自己原先的孩子节点，在做出判定后向该节点发送响应帧，以确定是否重新接收该节点为自己的孩子节点。图5 为orphan请求的握手示意图。

图5 节点orphan请求的握手示意图

    由于无线传感器网络中的协调器具有多跳的功能，那么充当协调器的节点就会为转发接收到的数据而耗费额外的能量开销。因此，我们设定一个最低能量极限值，并且使节点周期性的检测当前所剩余的能量值，当检测到本节点的剩余能量低于此极限值时，则此协调器向其所有孩子节点发送出网命令帧，随之，各子节点相继执行入网的相关操作后，脱离了原先的父节点，而依附于新的协调器节点。此时原先的协调器节点就成为了叶节点，不用承担数据转发的责任，从而达到减小能耗的要求，增加了该节点使用寿命，进而提高了整个无线传感器网络的使用年限。

3．3 帧的形成和转发

每个节点通过传感装置所获取到的数据，经过节点处理后形成帧，而后将此帧发向其父节点，依次循环，最终由网络协调器获得，随后交由PC来处理。

Zigbee协议定义了四种帧，分别是：命令帧，数据帧，beacon帧，确认帧。通用帧的格式如表1所示：

表 1通用帧格式

帧控制域中主要包括了帧类型和源、目的地址模式。

4．结束语

在测试中，我们使用三个无线传感器节点来构建对等网络。其中，有一个节点通过串口和PC相连，作为网络协调器，通过它可以将采集到的数据交给PC机。无线传感器节点主要以Philips公司的p89lpc932单片机为核心，无线数据收发芯片采用Ubec公司的基于zigbee协议的UZ2400，节点硬件概况图如下。通常情况下节点一般处于休眠状态，当有中断请求时激活节点工作，接收数据。

图6 无线传感器节点硬件概况图

初步实验结果表明：由PC机向网络协调器发送自组网指令后，其他两个无线传感器节点都能正常的入网，各节点之间能够正常的发送和接收数据。同时，网络协调器可以把自身采集的数据或是由其他传感器传送过来的数据交由PC机处理。

由于，相比使用其他无线设备来构建传感网，所花费的成本要低，自组网能力强，相信利用此种技术来构建无线传感网的前景将非常乐观。