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引言 Zigbee技術的目標就是針對工業，家庭自動化，遙測遙控，汽車自動化、農業自動化和醫療護理等應用。具體應用如燈光自動化控制，傳感器的無線數據采集和監控，油田，電力，礦山和物流管理等應用領域。目前比較成熟的應用有家庭燈光控制系統。但是有一些特殊的應用場景，比如城市路燈監控應用場景，有其特殊的Zigbee組網需求。本文針對該類特殊應用場景，對Zigbee網絡的潛力進行挖掘，使其在特殊應用場合可以正常工作。 1 特殊應用場景分析 在城市路燈監控這類特殊應用場景中，路燈有規律地排列在馬路兩旁，每相鄰兩根電燈桿之間標準距離是四十米。為了達到能夠采集到每一盞路燈狀態信息并能夠控制每一盞路燈功率和開關狀態，我們需要在每一盞路燈上安裝一個Zigbee監控節點以便通過Zigbee無線局域網來監控每一盞路燈。與成熟的Zigbee應用場景，如家庭自動化相比，這類場景對網絡規模，網絡通訊能力，網絡擴展能力的要求很特別，整個Zigbee無線局域網節點部署幾乎在一條直線上。而家庭自動化場景則在一個較小的圓形范圍內，匯節點可以與每個傳感器節點直接無線連接，中間用到路由節點也很少。在路燈監控這類應用場景中，中繼路由節點需求量將非常大，而且中繼路由節點主要為了適應這種直線節點網絡。顯然網絡深度和每兩個相鄰zigbee節點無線通訊距離是這類場景應用中要著重考慮的問題。 2 Zigbee技術簡介 2．1 Zig,bee協議棧簡介 Zigbee協議棧是基于標準的OSI七層模型，但只是在相關范圍內定義一些相應層以完成特定任務。Zigbee協議由應用層、應用接口層、安全層，網絡層、數據鏈路層和物理層組成。網絡層以上協議由Zigbee聯盟制定，IEEE802．15．4負責物理層和鏈路層標準。物理層提供了介質訪問層與無線物理通道之間的接口。IEEE802．15．4有兩個物理層，提供兩個獨立的頻率段：868／915MHz和2．4GHz，2．4GHz頻段使用在全世界范圍內。這兩個物理層都基于直接序列擴頻(Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS)，使用相同的物理層數據包格式。MAC層沿用了WLAN中802．11系列標準的CSMA／CA方式，以提高系統相容性。網絡層支持3種網絡拓撲，分別為星型，樹型和網型。Zigbee應用層由應用子層(APS sub-layer)，設備對象(ZDO)以及制造商定義的應用設備對象組成。Zigbee安全層并非獨立的協議，Zigbee為其提供了一套基于128位AES算法的安全類和軟件，并集成了IEEE802.15.4標準的安全元素，用來保證MAC層幀的機密性、一致性和真實性。 2．2 Zigbee節點類型和拓撲形式 Zigbee標準規定可以在一個單一網絡中容納65535個節點，所有Zigbee網絡節點都屬于以下三種類型：網絡協調器節點．路由節點和終端節點。這三種節點類型都是網絡層概念，他們的部署決定了網絡拓撲形式。不論Zigbee網絡采用何種拓撲方式，網絡中都需要有一個并且只能有一個網絡協調器節點。在網絡層上，網絡協調器節點通常只在系統初始化時起重要作用。其在網絡層主要功能為選擇網絡所使用的頻率通道，開啟網絡，將其他節點加入網絡，通常還會提供信息路由，安全管理和其他服務。路由節點用以轉發數據，延伸Zigbee網絡規模，主要用于樹型和網型拓撲結構中，路由節點不能夠休眠。終端節點主要任務是發送和接收信息。節點類型定義和節點在應用中所起到的功能并不相關。 Zigbee網絡可以實現下面三種網絡拓撲形式：星型，樹型，網型。如圖1所示。 
圖1網絡拓撲結構圖 星型拓撲是最簡單的一種拓撲形式。星型拓撲包含一個網絡協調器節點和一系列終端節點。每一個終端節點只能和網絡協調器節點進行通訊。這種拓撲形式缺點在于節點之間數據路由只有一條唯一路徑。網絡協調器節點有可能成為整個網絡瓶頸。樹型拓撲包括一個網絡協調器節點以及一系列路由節點和終端節點。網絡協調器節點連接一系列路由節點和終端節點．其子節點的路由節點也可以連接一系列路由節點和終端節點。這樣可以重復多個層級。樹型拓撲中，網絡協調器節點和路由節點可以包含自己的子節點；終端節點不能有自己的子節。網狀拓撲包含一個網絡協調器節點和一系列路由節點和終端節點。這種網絡拓撲形式和樹型拓撲相同。但是，網狀網絡拓撲具有更加靈活的信息路由規則，在可能的情況下，路由節點之間可以直接通訊。這種路由機制使得信息通訊變得更有效率，一旦一個路由路徑出現問題，信息可以自動地沿著其他路由路徑進行傳輸。 3 Zigbee組網技術分析 3．1地址分配技術 Zigbee底層地址分配算法基于樹型拓撲。在網絡層看來，有三種節點類型，分別是網絡協調器節點，路由節點和終端節點。當一個節點設備加入網絡時，它會被分配16比特的網絡地址。終端節點設備將收到一個單獨地址。路由節點將收到一個地址范圍。該地址范圍將包括該路由節點所有可能的后代節點。這個用于地址分配的算法叫做Cskip。 cskip是計算網絡任一分支下所有可能節點總數目的方法。它有四個參數： Cm - 任一父節點擁有的孩子節點總數； Rm - 任一父節點擁有的路由孩子節點總數； Lm - 網絡最大深度； d - 被考慮設備實際深度； 最大終端設備節點數=最大孩子節點數一最大路由節數=Cm-Rm； cskiD的定義式如下： Cskip(d)=l+Cm．(Lm-d-1)，當Rm為1時， Cskip(d)=(1+Cm-Rm-Cm．Rm lm-d-1)／(1-Rm)，當Rm不為1時； —個深度為d的父節點的第N個路由孩子的地址計算公式如下： ARouter=A．Parent+Cskip(d).n+l 一個深度為d的父節點的第N個終端孩子的地址計算公式如下： AEndDevice=Aparent+Cskip(d)．Rm+n 在一棵樹里，潛在節點總數計算公式如下： Nodes total=Cskip(O)．Rm+(Cm-Rm)+l； 允許的所有節點最大數目是65535(即2 16-1)，因為網絡短地址是由16比特的數字組成，OXFFFF作為廣播地址系統保留超出使用。對于網絡來說．用完了所有分配的地址，但并非所有地址都被實際設備所使用的情況可能發生。這是岡為一個新設備要求的網絡地址超出了其父節點可用的網絡地址范圍，但是要求的地址在其他父節點地址范圍內。不合理設置Rm，Cm，Lm的值會導致網絡內節點數目超過65536節點數目限制。 3．2 網絡參數設定 首先介紹Cm，Rm，Lm參數變化對節點總數的影響。在表1中，我們假設Cm=20，Rm=6和Lm=5，分別將Cm，Rm，Lm的值增加1。 表1 Cskip參數計算表
從上表可以得出結論：將CM或Rm增加1，是允許的；但Lm增加1是不允許的。因為它明顯導致節點總數超過65535這個極限值。將Rm增加2也會導致節點總數超過65535極限值。也是不允許的。在本論文實現平臺Jennie Zigbee棧中Cm，Rm，Lm單值最大值是20，20，8，顯然對于Cm，Rm，Lm三個值的組合是不能用三個最大值的。在本文應用中，Cm，Rm。Lm的組合值為20，2，8。這個值可以根據自己的應用來改變，但要符合兩點：一，不能超過Cm，Rm，Lm單值最大值是20，20，8；二，其組合值按上述公式計算不能超過節點總數65535極限值。 3．3節點部署 前面分析了Zi曲ee無線網絡，下面詳細闡述路燈控制實際應用場景，路燈控制應用要求和zi曲ee組網能力。首先路燈按路控制，有一個控制箱控制一條支路上若干盞路燈，路燈基本上在一條直線上，一根燈桿上一般有兩盞燈；其次，標準路燈桿之間距離是40米；再次，根據Zigbee規格4．0標準，Zigbee網絡層最多有15跳，即網絡深度最大為15，但在實際應用中希望盡可能多地控制路燈桿數；再次，節點位置一旦安裝好以后位置不變，兩個節點之間無線通訊距離可以計算。 節點之間距離是由發射功率和接受靈敏度決定的。本論文選用的JN5121Module有三種可供選擇，其間通訊距離隨模塊選取不同而不同，MOO／M01／M03外接天線可達400米，M02／M04接天線可達4000米覆蓋范圍。 其計算公式如下：
R表示覆蓋范圍，單位是米： 入表示在空氣介質中的波長，單位是米； Ptx表示發射功率，單位是Watts； Prx表示接受靈敏度，單位是Watts； 綜上所述，本論文節點部署以某一路燈支路一百根電線桿為例，該一百根電線桿排列在一條直線上，從左到右分別為燈0，燈l，燈2，一直到燈100。 從覆蓋范圍角度，最小Zigbee網絡覆蓋范圍理論計算值，網絡協調器和路由節點通訊半徑兩倍。根據上面公式可以調整發射功率。燈50放置網絡協調器節點，除了控制所在的燈以外，還將起列網絡協調器功能；路由節點分別放在燈0，燈10，燈20．燈30，燈40，燈60，燈70，燈80．燈90，燈100，它們除了控制所在的燈以外，還將起到路由功能；其余非lO倍數的燈桿放置終端節點。他們用于控制燈桿處的燈以外，還與離它最近的路由節點通訊。兩個路由節點之間距離可以計算出來。路由節點之間距離等于每相鄰兩桿的距離乘以桿數。得到結果為400米，所以本文選用Jennic zigbee 模塊JN5121一M03，其天線通訊范圍可達500米，滿足路由節點之間通訊需求。再計算終端節點通訊半徑，只要大于兩個相鄰路由節點之間距離的一半即可，既其通訊半徑達到200米以上即可，我選用Jennie Zi出ee模塊JN5121一M01模塊和天線，可以滿足要求。比如從第11號到19號之問的燈，11，12，13，14號終端節點明確以第10號上的路由節點為其父節點，16，17，18，19號終端節點明確以第20號上的路由節點為其父節點，15號終端節點可任意選擇第10號上的路由節點為其父節點或者第20號上的路由節點為其父節點。在路燈控制的特殊應用場景中，Zigbee可以發揮其巨大功能。 從應用層看，每個節點都會控制一個燈桿。可用網絡深度為5的Zigbee網絡來控制一條直線上排列的100盞燈，而不需要網絡深度為100，這遠遠超過了Zigbee協議棧的能力，Zigbee規格04網絡深度最大值為15。 4 結論與展望 本文作者創新點：本文以城市路燈控制為應用背景，解決了該類大數量節點排列在一條直線上應用場景的Zigbee網絡層參數設置問題和網絡節點部署問題，使Zigbee無線局域網技術在該類型大數量節點應用場景中有其用武之地，充分挖掘了Zigbee組網技術的能力極限和突破實現平臺的客觀限制。但是還有可以改進的地方，對該類特殊網絡拓撲需求的應用場景，可以直接利用802．15．4協議層，這樣可以開發出符合特殊應用要求的網絡層，而有效避免了應用Zigbee網絡層帶來的限制。 作者：姚春 來源：《微計算機信息》(嵌入式與SOC)2009年第25卷第1-2期 |
