董航飛，許仁德

（1.南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南通 226010；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第五十二研究所）

引 言

ZigBee技術(shù)是一種新興的近距離無線通信技術(shù)，它具有功耗低、成本低、使用方便的優(yōu)點(diǎn)，在傳感器網(wǎng)絡(luò)、家庭監(jiān)控、工業(yè)監(jiān)控、安全系統(tǒng)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。為了有效增加圖像數(shù)據(jù)每一幀中的數(shù)據(jù)凈載荷，提高傳輸效率，采用數(shù)據(jù)幀跨層傳輸?shù)姆椒▊鬏擹igBee無線圖像數(shù)據(jù)。其基本思想是：一旦邏輯鏈路建立完成，ZigBee協(xié)調(diào)器組織中的通信網(wǎng)絡(luò)有且僅有一條鏈路可以使用；并且數(shù)據(jù)幀采用跨層傳輸，傳輸完成后協(xié)調(diào)器斷開該鏈路；再有新任務(wù)出現(xiàn)時(shí)，重新建立鏈路。

1 鏈路建立、喚醒機(jī)制的實(shí)現(xiàn)

邏輯鏈路建立、喚醒機(jī)制的實(shí)現(xiàn)步驟如圖1所示。各步驟實(shí)現(xiàn)如下：

① 當(dāng)協(xié)調(diào)器檢測(cè)到有圖像傳輸任務(wù)后，向APL層發(fā)送鏈路建立命令，喚醒該鏈路上的傳輸設(shè)備進(jìn)入常態(tài)，并保存鏈路節(jié)點(diǎn)地址。

② 若協(xié)調(diào)器喚醒鏈路設(shè)備不成功，需重新建立路由路徑，則啟動(dòng)ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)中路由發(fā)現(xiàn)功能，自行建立鏈路。

③ 若出現(xiàn)超時(shí)現(xiàn)象，則顯示異常信息。

④ 若鏈路建立成功，協(xié)調(diào)器和該鏈路上的所有路由設(shè)備都保存下一跳的地址，當(dāng)傳輸路由設(shè)備接收到數(shù)據(jù)幀任務(wù)時(shí)，就直接通過已經(jīng)保存的地址完成數(shù)據(jù)幀傳輸。

圖1 邏輯鏈路建立、喚醒機(jī)制實(shí)現(xiàn)步驟

2 圖像數(shù)據(jù)幀跨層傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)

標(biāo)準(zhǔn)ZigBee傳輸協(xié)議中，數(shù)據(jù)傳輸從應(yīng)用層到物理層逐層依次傳輸，由于每一幀圖像數(shù)據(jù)幀都包含各層的完整幀頭信息，其數(shù)據(jù)凈載荷相對(duì)減小。當(dāng)傳輸較大圖片時(shí)，由于數(shù)據(jù)量大、冗余信息多，極大地降低了傳輸速率和系統(tǒng)的工作效率。若采用跨層傳輸方式，圖像數(shù)據(jù)幀直接從應(yīng)用層傳輸?shù)組AC層，略去網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)幀頭等相關(guān)冗余信息。

ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用層的數(shù)據(jù)幀中包括11字節(jié)MAC幀頭、8字節(jié)網(wǎng)絡(luò)層幀頭、6字節(jié)APS幀頭、4字節(jié)APL幀頭、1字節(jié)幀長(zhǎng)度，共30字節(jié)。而跨層傳輸方式下數(shù)據(jù)幀中僅包括1字節(jié)幀長(zhǎng)度、11字節(jié)MAC幀頭、4字節(jié)APL幀頭，每一幀數(shù)據(jù)減少14字節(jié)。

當(dāng)傳輸連續(xù)多幀的圖像數(shù)據(jù)時(shí)，提高通信效率顯而易見，并且數(shù)據(jù)量越大，效率提高越明顯。當(dāng)然，只有原數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的鏈路建立以后，跨層傳輸才可以實(shí)現(xiàn)。MAC層請(qǐng)求NWK層進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)服務(wù)的流程如圖2所示。MAC層接收到應(yīng)用層傳輸過來的圖像數(shù)據(jù)幀后，進(jìn)行數(shù)據(jù)類型分析，并選擇相應(yīng)的傳輸方式，向NWK層傳輸。協(xié)調(diào)器向終端設(shè)備發(fā)送圖像數(shù)據(jù)幀時(shí)，同樣采用基于鏈路建立、喚醒機(jī)制的數(shù)據(jù)幀跨層傳輸方式。

2 MAC層請(qǐng)求NWK層進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)服務(wù)流程

3 無線圖像傳輸軟件的設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)備特點(diǎn)和功能不同，該設(shè)計(jì)定義了3種FFD網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：PAN Coordinator、Router和End Device。FFD網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以縮短圖像數(shù)據(jù)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，并采用條件編譯的方式來優(yōu)化程序設(shè)計(jì)。

3.1 主函數(shù)流程設(shè)計(jì)

主函數(shù)流程的設(shè)計(jì)思想就是要包含3種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備各自的主函數(shù)處理過程。其流程如圖3所示。其中，通過條件編譯選項(xiàng)，可以選擇End Device、Router的功能，比如End Device設(shè)備可以選擇具有路由功能。

系統(tǒng)復(fù)位時(shí)首先查看網(wǎng)絡(luò)配置是否完成，其依據(jù)是定義在外部Flash中的變量——CONFIG＿COMPLETE的值。如果網(wǎng)絡(luò)參數(shù)被重新配置，這些參數(shù)都會(huì)在外部Flash中保存，并置位CONFIG＿COMPLETE。

設(shè)備完成初始配置后運(yùn)行任務(wù)函數(shù)。為便于系統(tǒng)程序在以后的實(shí)踐操作中可以添加新任務(wù)或者優(yōu)化，該部分程序設(shè)計(jì)改進(jìn)了操作系統(tǒng)中原有的任務(wù)劃分的設(shè)計(jì)思想，使各任務(wù)間沒有信息交換，更加簡(jiǎn)練。若設(shè)備沒有數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，就進(jìn)入空閑狀態(tài)。而Router和End Device在空閑狀態(tài)下確保能夠正常接收數(shù)據(jù)幀，協(xié)調(diào)器設(shè)備通過外部中斷來喚醒，并根據(jù)命令要求進(jìn)入正常工作方式。

圖3 主函數(shù)流程

3.2 協(xié)調(diào)器任務(wù)處理流程

協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)配置完成或Router、End Device添加到網(wǎng)絡(luò)中后，設(shè)備會(huì)進(jìn)入空閑模式。協(xié)調(diào)器任務(wù)處理流程如圖4所示。當(dāng)協(xié)調(diào)器有圖像傳輸任務(wù)時(shí)，檢測(cè)Flash中是否已經(jīng)保存該邏輯鏈路的路由表。如果已存在，就可以發(fā)送一條建立邏輯鏈路的命令幀，喚醒該鏈路上的所有設(shè)備。因?yàn)閿?shù)據(jù)傳輸過程難免出現(xiàn)異常情況，為確保能從各種異常情況下自動(dòng)恢復(fù)，協(xié)調(diào)器任務(wù)流程中就必須包括圖像數(shù)據(jù)傳輸異常的處理過程。

圖4 協(xié)調(diào)器任務(wù)處理流程

3.3 End Device任務(wù)流程

End Device設(shè)備的功能具有選擇性，可以具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的功能，也可以具有終端設(shè)備的無線圖像傳輸應(yīng)用程序功能。終端設(shè)備中無線圖像傳輸功能涉及的應(yīng)用函數(shù)比較多，包含于ZigBee協(xié)議棧處理傳輸任務(wù)的整個(gè)過程中，由于篇幅有限，不再展開分析。

4 無線圖像傳輸完整功能實(shí)現(xiàn)

為驗(yàn)證該設(shè)計(jì)的可行性、高效性，利用相關(guān)設(shè)備完成基于鏈路喚醒機(jī)制的無線圖像跨層傳輸完整功能測(cè)試。內(nèi)容主要包括：網(wǎng)絡(luò)基本功能測(cè)試，設(shè)備低功耗控制測(cè)試，基于邏輯鏈路建立、喚醒機(jī)制的圖像數(shù)據(jù)幀跨層傳輸方式測(cè)試，節(jié)點(diǎn)設(shè)備通信異常測(cè)試等。

4.1 測(cè)試系統(tǒng)硬件配置

測(cè)試?yán)么貥渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)備與攝像頭采用串口連接，終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備通過串口與PC機(jī)連接，其測(cè)試系統(tǒng)硬件連接結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 測(cè)試系統(tǒng)硬件連接結(jié)構(gòu)

4.2 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試中，采用96.35kb／s作為圖像數(shù)據(jù)幀傳輸速率。串口波特率設(shè)置為所用攝像頭工作的最大速率57 600bps。該攝像頭采集640×480像素的圖像，經(jīng)壓縮后其數(shù)據(jù)量一般為10～20KB。測(cè)試結(jié)果表明，在該條件下，簇樹拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中采用基于鏈路建立、喚醒機(jī)制的圖像數(shù)據(jù)幀跨層傳輸方式時(shí)，一張圖像的傳輸時(shí)間約為0.76～1.65s。無線圖像傳輸完整功能的演示結(jié)果如圖6、圖7所示。攝像頭連續(xù)拍攝640×480像素的圖像通過協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)備、路由節(jié)點(diǎn)設(shè)備發(fā)送給終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備，終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備接收到圖像數(shù)據(jù)并發(fā)送給上位機(jī)來顯示。采用按鍵觸發(fā)的形式停止圖像數(shù)據(jù)傳輸。由測(cè)試結(jié)果可以看出，圖像數(shù)據(jù)幀傳輸完整、連續(xù)。

圖6 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試最后一幀數(shù)據(jù)圖

結(jié) 語(yǔ)

ZigBee技術(shù)是近年來迅速成長(zhǎng)并運(yùn)用越來越廣泛的一門技術(shù)。針對(duì)ZigBee技術(shù)在可視門禁系統(tǒng)運(yùn)用中出現(xiàn)的傳輸數(shù)據(jù)效率低、實(shí)時(shí)性差的問題，設(shè)計(jì)了新型的鏈路建立、喚醒機(jī)制及數(shù)據(jù)幀跨層傳輸?shù)哪Ｊ?，?jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)與運(yùn)用檢測(cè)，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求和結(jié)果，并成功在實(shí)際的公司項(xiàng)目中運(yùn)用，具有很高的運(yùn)用價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)前景。

圖7 測(cè)試結(jié)果

[1] Communications Design Conference.ZigBee technology：Wireless Control that Simply Works[EB／OL].[2012－03].http：／／freedownload. is／doc／zigbee－technology－wirelesscontrol－that－simply－works－3777062.html.

[2] Gang Ding，Sahinoglu Z，Orlik P，et al.Tree－Based Data Broadcast in IEEE 802.15.4and ZigBee Networks[J].Mobile Computing，2006：1561－1574.

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