数字热本与表用
浅析ZigBee无线传感器网络设计
庞娜曹健李枫
(北华大学信息技术学院吉林吉林132013)
通信技术
摘要：ZigBee星形和树形网络存在数据传输途径单一，路由方式不灵活等缺点。为了解决上述问题，提出Cluster一Tree十AODVjr混含路曲) 算法，结合了两种算法的优点，能够实现网状网络架构，可以为数据传输提供多路由方式，能够实现自组、自愈功能，保证网络良好的进行通信。文中给出了ZigBee节点硬件和软件的设计方案，搭建了小型网状ZigBee无线传感器网络，验证了ZigBee节点组网过程及路由算法的有效性，提高了传感器网络数据传输的可靠性，
关键调：ZigBee网状网络无线传感器
中图分类号：TP393.1
文献标识码：A
文章编号：1007-9416(2012)08-0027-02
ZigBee技术作为一种新兴的短距离、低速率无线通信技术，是一种介于无线标记和蓝牙之间的技术方案，主要用于近距离无线连接。由于ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的用于检测与控制应用的通信标准，所以它已经成为无线传感器网络首选的技术平台。然而 ZigBee网络中星形和树形网络，如果某些节点摊痪将导致网络无法进行正常通信。网状结构ZigBee无线传感器网络组网自由灵活，即使有些节点损坏不会影响整体网络的性能。可靠稳定的传感器网络，在多个领域上具有广阔的应用前景。所以网状结构ZgBee无线
传感器网络的研究具有十分重要的理论及实际意义。 1、网络总体设计方案
1.1网络结构设计
无线传感器网络由多个ZigBee节点组成，构建一个网状网络，将所有ZigBee终端采集到的数据传送到ZigBee协调器，然后通过申行总线将采集到的数据发送给上位机进行显示。
1.2网络路由算法设计
对于网状拓扑结构的ZigBee网络来讲，需要有更为灵活的路由方式，本文设计的路由方法采用一种混合路由算法，将AODVir算法和Cluster-Tree算法相结合，综合了上述两种算法的优点。在 ZigBee网络中路由
@
(2)
6
(3)
O
RN
广播路径
QRN
反向路径
S
@
(4)
交了美系最终路径
图1ZigBee路由建立过程
Fig. 1 The process of ZigBee routing establishment
节点分为两类：RN+路由节点和RN-路由节点，其中前者存储能力强，能够执行AODVjr路由算法；而RN-存储空间能力有限，只能执行Cluster-Tree算法转发数据，
ZigBee路由建立过程如图1所示，节点0为ZigBee协调器，节点 2要发送数据给节点9，但是节点2的路由表中没有到达节点9的路由记录。节点2是一个RN+节点，首先开启路由发现过程，向邻居节点广播RREQ分组，如图(1)所示。邻居节点1.0.3接收到RREQ后建立反向路由并且转发RREQ，如图(2)所示。节点3接收到RREQ后，将其转发给子节点4，又因为节点4是RN-节点，发现目的节点不是自已，只能将分组转发给其父节点（节点3)，节点0将RREQ转发给相邻节点1.3.8，这3个节点分别转发RREQ给相邻节点，其中节点8接收到RREQ后将其转发给节点1.3.5.9，得知目的节点是其子节点9，节点
1同时转发RREQ给节点8，节点8办亦可得知目的节点是其子节点9，由于混合路由算法分别计算各条路径的开销之后，节点1到节点8的路径未被采用。所以节点8将着反向路径给源节点回复一个RREP，如图(3) 所示。接收到RREP的节点建立到达目的节点的反向路径，直到节点2 接收到RREP后，反向路由建立，如图(4)所示，建立起从源节点到达目
的节点的正向路由即2-0-8-9,数据分组沿该路径进行传输。 2、ZigBee节点设计
2.1ZigBee节点软件设计
ZigBee协议架构是以OSI七层参考模型为基础，但只定义了其中与LR-WPAN应用有关的协议层。在ZigBee节点软件设计方面，考患到节点之间通信协议的兼容性，在Microchip公司提供的 ZigBee协议栈MpZBee的基础上，加人Cluster-Tree+AODVjr混合路由算法，在应用层加人驱动传感器进行数据采集，控制发射芯片完成数据收发，将接收到的数据通过申口发送给上位机。
2.2ZigBee节点硬件设计
ZigBee节点结构包括4个基本单元：微处理单元，无线通信单元、传感器单元以及能量供应单元
微处理单元控制整个传感器节点，包括运行ZgBee通信协议栈高层应用程序、控制无线收发器和驱动传感器。本文选用PIC18LF4620微处理器，该处理器具有多种省电模式，降低了功耗，无线通信单元负责节点之间进行的通信，选用符合IEEE802.15.4标准的无线收发器 CC2420，传感器模块完成信息的采集，采用具有I2C总线接口的温混度-体的数字式传感器SHT11，通过两线串行接口电路与微处理器连
接。能量供应单元主要为ZigBee节点运行提供能量。 3、实验及结论
在实验室内构建小型网状ZigBee网络，将多个节点分散在不同的位置。ZigBee节点的网络短地址由分布式地址分配算法，路由节点加入网络的先后顺序及ZigBee节点地理位置来决定的，
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图2ZigBee协调器收到温湿度数据
Fig. 2 ZigBee coordinator receives temperature and humidity data
ZigBee协调器建立网络：如图2所示节点首先进行初始化，当 ZigBee网络组网成功时，显示新建网络PANID号为3F97，并且提示：JoiningDermitted，允许其它节点加人。当路由节点加人时，显示路由节点的MAC地址，并且提示已经接收到ZigBee终端采集的数据。终端搜索周围路由节点加人网络，如果成功进人网络，开始采