Zigbee在大数量节点应用中的问题研究
发布时间：2010-3-24 12:02
发布者：我芯依旧
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引言 Zigbee技术的目标就是针对工业，家庭自动化，遥测遥控，汽车自动化、农业自动化和医疗护理等应用。具体应用如灯光自动化控制，传感器的无线数据采集和监控，油田，电力，矿山和物流管理等应用领域。目前比较成熟的应用有家庭灯光控制系统。但是有一些特殊的应用场景，比如城市路灯监控应用场景，有其特殊的Zigbee组网需求。本文针对该类特殊应用场景，对Zigbee网络的潜力进行挖掘，使其在特殊应用场合可以正常工作。 1 特殊应用场景分析 在城市路灯监控这类特殊应用场景中，路灯有规律地排列在马路两旁，每相邻两根电灯杆之间标准距离是四十米。为了达到能够采集到每一盏路灯状态信息并能够控制每一盏路灯功率和开关状态，我们需要在每一盏路灯上安装一个Zigbee监控节点以便通过Zigbee无线局域网来监控每一盏路灯。与成熟的Zigbee应用场景，如家庭自动化相比，这类场景对网络规模，网络通讯能力，网络扩展能力的要求很特别，整个Zigbee无线局域网节点部署几乎在一条直线上。而家庭自动化场景则在一个较小的圆形范围内，汇节点可以与每个传感器节点直接无线连接，中间用到路由节点也很少。在路灯监控这类应用场景中，中继路由节点需求量将非常大，而且中继路由节点主要为了适应这种直线节点网络。显然网络深度和每两个相邻zigbee节点无线通讯距离是这类场景应用中要着重考虑的问题。 2 Zigbee技术简介 2．1 Zig,bee协议栈简介 Zigbee协议栈是基于标准的OSI七层模型，但只是在相关范围内定义一些相应层以完成特定任务。Zigbee协议由应用层、应用接口层、安全层，网络层、数据链路层和物理层组成。网络层以上协议由Zigbee联盟制定，IEEE802．15．4负责物理层和链路层标准。物理层提供了介质访问层与无线物理通道之间的接口。IEEE802．15．4有两个物理层，提供两个独立的频率段：868／915MHz和2．4GHz，2．4GHz频段使用在全世界范围内。这两个物理层都基于直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS)，使用相同的物理层数据包格式。MAC层沿用了WLAN中802．11系列标准的CSMA／CA方式，以提高系统相容性。网络层支持3种网络拓扑，分别为星型，树型和网型。Zigbee应用层由应用子层(APS sub-layer)，设备对象(ZDO)以及制造商定义的应用设备对象组成。Zigbee安全层并非独立的协议，Zigbee为其提供了一套基于128位AES算法的安全类和软件，并集成了IEEE802.15.4标准的安全元素，用来保证MAC层帧的机密性、一致性和真实性。 2．2 Zigbee节点类型和拓扑形式 Zigbee标准规定可以在一个单一网络中容纳65535个节点，所有Zigbee网络节点都属于以下三种类型：网络协调器节点．路由节点和终端节点。这三种节点类型都是网络层概念，他们的部署决定了网络拓扑形式。不论Zigbee网络采用何种拓扑方式，网络中都需要有一个并且只能有一个网络协调器节点。在网络层上，网络协调器节点通常只在系统初始化时起重要作用。其在网络层主要功能为选择网络所使用的频率通道，开启网络，将其他节点加入网络，通常还会提供信息路由，安全管理和其他服务。路由节点用以转发数据，延伸Zigbee网络规模，主要用于树型和网型拓扑结构中，路由节点不能够休眠。终端节点主要任务是发送和接收信息。节点类型定义和节点在应用中所起到的功能并不相关。 Zigbee网络可以实现下面三种网络拓扑形式：星型，树型，网型。如图1所示。 
图1网络拓扑结构图 星型拓扑是最简单的一种拓扑形式。星型拓扑包含一个网络协调器节点和一系列终端节点。每一个终端节点只能和网络协调器节点进行通讯。这种拓扑形式缺点在于节点之间数据路由只有一条唯一路径。网络协调器节点有可能成为整个网络瓶颈。树型拓扑包括一个网络协调器节点以及一系列路由节点和终端节点。网络协调器节点连接一系列路由节点和终端节点．其子节点的路由节点也可以连接一系列路由节点和终端节点。这样可以重复多个层级。树型拓扑中，网络协调器节点和路由节点可以包含自己的子节点；终端节点不能有自己的子节。网状拓扑包含一个网络协调器节点和一系列路由节点和终端节点。这种网络拓扑形式和树型拓扑相同。但是，网状网络拓扑具有更加灵活的信息路由规则，在可能的情况下，路由节点之间可以直接通讯。这种路由机制使得信息通讯变得更有效率，一旦一个路由路径出现问题，信息可以自动地沿着其他路由路径进行传输。 3 Zigbee组网技术分析 3．1地址分配技术 Zigbee底层地址分配算法基于树型拓扑。在网络层看来，有三种节点类型，分别是网络协调器节点，路由节点和终端节点。当一个节点设备加入网络时，它会被分配16比特的网络地址。终端节点设备将收到一个单独地址。路由节点将收到一个地址范围。该地址范围将包括该路由节点所有可能的后代节点。这个用于地址分配的算法叫做Cskip。 cskip是计算网络任一分支下所有可能节点总数目的方法。它有四个参数： Cm - 任一父节点拥有的孩子节点总数； Rm - 任一父节点拥有的路由孩子节点总数； Lm - 网络最大深度； d - 被考虑设备实际深度； 最大终端设备节点数=最大孩子节点数一最大路由节数=Cm-Rm； cskiD的定义式如下： Cskip(d)=l+Cm．(Lm-d-1)，当Rm为1时， Cskip(d)=(1+Cm-Rm-Cm．Rm lm-d-1)／(1-Rm)，当Rm不为1时； —个深度为d的父节点的第N个路由孩子的地址计算公式如下： ARouter=A．Parent+Cskip(d).n+l 一个深度为d的父节点的第N个终端孩子的地址计算公式如下： AEndDevice=Aparent+Cskip(d)．Rm+n 在一棵树里，潜在节点总数计算公式如下： Nodes total=Cskip(O)．Rm+(Cm-Rm)+l； 允许的所有节点最大数目是65535(即2 16-1)，因为网络短地址是由16比特的数字组成，OXFFFF作为广播地址系统保留超出使用。对于网络来说．用完了所有分配的地址，但并非所有地址都被实际设备所使用的情况可能发生。这是冈为一个新设备要求的网络地址超出了其父节点可用的网络地址范围，但是要求的地址在其他父节点地址范围内。不合理设置Rm，Cm，Lm的值会导致网络内节点数目超过65536节点数目限制。 3．2 网络参数设定 首先介绍Cm，Rm，Lm参数变化对节点总数的影响。在表1中，我们假设Cm=20，Rm=6和Lm=5，分别将Cm，Rm，Lm的值增加1。 表1 Cskip参数计算表 
从上表可以得出结论：将CM或Rm增加1，是允许的；但Lm增加1是不允许的。因为它明显导致节点总数超过65535这个极限值。将Rm增加2也会导致节点总数超过65535极限值。也是不允许的。在本论文实现平台Jennie Zigbee栈中Cm，Rm，Lm单值最大值是20，20，8，显然对于Cm，Rm，Lm三个值的组合是不能用三个最大值的。在本文应用中，Cm，Rm。Lm的组合值为20，2，8。这个值可以根据自己的应用来改变，但要符合两点：一，不能超过Cm，Rm，Lm单值最大值是20，20，8；二，其组合值按上述公式计算不能超过节点总数65535极限值。 3．3节点部署 前面分析了Zi曲ee无线网络，下面详细阐述路灯控制实际应用场景，路灯控制应用要求和zi曲ee组网能力。首先路灯按路控制，有一个控制箱控制一条支路上若干盏路灯，路灯基本上在一条直线上，一根灯杆上一般有两盏灯；其次，标准路灯杆之间距离是40米；再次，根据Zigbee规格4．0标准，Zigbee网络层最多有15跳，即网络深度最大为15，但在实际应用中希望尽可能多地控制路灯杆数；再次，节点位置一旦安装好以后位置不变，两个节点之间无线通讯距离可以计算。 节点之间距离是由发射功率和接受灵敏度决定的。本论文选用的JN5121Module有三种可供选择，其间通讯距离随模块选取不同而不同，MOO／M01／M03外接天线可达400米，M02／M04接天线可达4000米覆盖范围。 其计算公式如下： 
R表示覆盖范围，单位是米： 入表示在空气介质中的波长，单位是米； Ptx表示发射功率，单位是Watts； Prx表示接受灵敏度，单位是Watts； 综上所述，本论文节点部署以某一路灯支路一百根电线杆为例，该一百根电线杆排列在一条直线上，从左到右分别为灯0，灯l，灯2，一直到灯100。 从覆盖范围角度，最小Zigbee网络覆盖范围理论计算值，网络协调器和路由节点通讯半径两倍。根据上面公式可以调整发射功率。灯50放置网络协调器节点，除了控制所在的灯以外，还将起列网络协调器功能；路由节点分别放在灯0，灯10，灯20．灯30，灯40，灯60，灯70，灯80．灯90，灯100，它们除了控制所在的灯以外，还将起到路由功能；其余非lO倍数的灯杆放置终端节点。他们用于控制灯杆处的灯以外，还与离它最近的路由节点通讯。两个路由节点之间距离可以计算出来。路由节点之间距离等于每相邻两杆的距离乘以杆数。得到结果为400米，所以本文选用Jennic zigbee 模块JN5121一M03，其天线通讯范围可达500米，满足路由节点之间通讯需求。再计算终端节点通讯半径，只要大于两个相邻路由节点之间距离的一半即可，既其通讯半径达到200米以上即可，我选用Jennie Zi出ee模块JN5121一M01模块和天线，可以满足要求。比如从第11号到19号之问的灯，11，12，13，14号终端节点明确以第10号上的路由节点为其父节点，16，17，18，19号终端节点明确以第20号上的路由节点为其父节点，15号终端节点可任意选择第10号上的路由节点为其父节点或者第20号上的路由节点为其父节点。在路灯控制的特殊应用场景中，Zigbee可以发挥其巨大功能。 从应用层看，每个节点都会控制一个灯杆。可用网络深度为5的Zigbee网络来控制一条直线上排列的100盏灯，而不需要网络深度为100，这远远超过了Zigbee协议栈的能力，Zigbee规格04网络深度最大值为15。 4 结论与展望 本文作者创新点：本文以城市路灯控制为应用背景，解决了该类大数量节点排列在一条直线上应用场景的Zigbee网络层参数设置问题和网络节点部署问题，使Zigbee无线局域网技术在该类型大数量节点应用场景中有其用武之地，充分挖掘了Zigbee组网技术的能力极限和突破实现平台的客观限制。但是还有可以改进的地方，对该类特殊网络拓扑需求的应用场景，可以直接利用802．15．4协议层，这样可以开发出符合特殊应用要求的网络层，而有效避免了应用Zigbee网络层带来的限制。 作者：姚春 来源：《微计算机信息》(嵌入式与SOC)2009年第25卷第1-2期 |
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