姜世芬， 劉桂雄， 吳國(guó)光

（1.江門職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 江門 529090；2.華南理工大學(xué)，廣東 廣州 510640）

0 引 言

即插即用是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器互換性、互操作性的關(guān)鍵，IEEE 1451.5標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了無(wú)線智能傳感器體系結(jié)構(gòu)，為無(wú)線智能傳感器在不同現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)中的互換性、擴(kuò)展性提供解決途徑。無(wú)線傳感器接口即插即用研究主要集中在傳感網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、無(wú)線接口即插即用設(shè)計(jì)、即插即用軟件協(xié)議配置等方面。無(wú)線接口即插即用設(shè)計(jì)涵蓋ZigBee/Bluetooth/WiFi/6LoWPAN即插即用的研究[1]，如西班牙Robotiker-Tecnalia公司[2]研究基于IEEE 1451.5藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)汽車環(huán)境下乘客健康狀況監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)，但因硬件資源受限，可接入傳感節(jié)點(diǎn)偏少且即插即用時(shí)間較長(zhǎng)。Kun-Yung Lu等[3]提出基于事先定義并存儲(chǔ)于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)的ZigBee節(jié)點(diǎn)自標(biāo)識(shí)信息，實(shí)現(xiàn)傳感器、儀器儀表即插即用，但該機(jī)制缺乏通用性。周岳斌等[4]提出無(wú)線傳感器接口定期關(guān)聯(lián)匹配通信（periodic association matching communication，PAMC）機(jī)制，實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器即插即用，在一定程度上提高識(shí)別率，但未涉及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、路由優(yōu)化等。

本文基于PAMC機(jī)制實(shí)現(xiàn)傳感器即插即用，重點(diǎn)研究IEEE 1451.5 ZigBee智能傳感器即插即用性能優(yōu)化方法，通過(guò)TEDS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、優(yōu)化ZigBee路由算法，減小無(wú)線智能傳感器即插即用識(shí)別時(shí)間，提高識(shí)別率與網(wǎng)絡(luò)效率。

1 基于IEEE1451.5的ZigBee智能傳感器即插即用機(jī)制

圖1為基于定期關(guān)聯(lián)匹配通信PAMC的ZigBee IEEE 1451.5智能傳感系統(tǒng)架構(gòu)，由NCAP（network capable application processor）與 WTIM（Wireless Transducer Interface Module）組 成 ，NCAP 負(fù) 責(zé)WTIM接入、關(guān)聯(lián)配置表、遠(yuǎn)程用戶訪問(wèn)管理等，采用ZigBee方式與WTIM通信。

圖1 無(wú)線接入IEEE 1451.5智能傳感系統(tǒng)架構(gòu)

圖2為WTIM即插即用流程圖，NCAP上電后選擇一個(gè)頻率通道，以協(xié)調(diào)器模式建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)并等待WTIM加入；WTIM上電后通過(guò)掃描信道號(hào)、查詢網(wǎng)絡(luò)，向NCAP發(fā)送加入請(qǐng)求，若NCAP允許加入，WTIM得到16位網(wǎng)絡(luò)地址；WTIM與NCAP建立正常通信后，啟動(dòng)向NCAP發(fā)送關(guān)聯(lián)信息，以標(biāo)識(shí)WTIM網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)；NCAP加載TEDS，利用關(guān)聯(lián)信息建立關(guān)聯(lián)信息表，根據(jù)WTIM接入情況動(dòng)態(tài)更新網(wǎng)絡(luò)參數(shù)與傳感信息；NCAP啟動(dòng)傳感通道，WTIM按設(shè)定數(shù)據(jù)幀格式發(fā)送測(cè)量數(shù)據(jù)，NCAP完成傳感數(shù)據(jù)顯示和網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。

圖2 無(wú)線智能傳感器即插即用流程圖

無(wú)線傳感器接口即插即用PAMC機(jī)制采用網(wǎng)絡(luò)參數(shù)恢復(fù)和定期關(guān)聯(lián)匹配通信方式，縮短了NCAP對(duì)WTIM的配置時(shí)間，減少了即插即用識(shí)別時(shí)間。

2 無(wú)線智能傳感器即插即用性能優(yōu)化方法

ZigBee信道帶寬受限，當(dāng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中較多WTIM傳輸數(shù)據(jù)且多個(gè)WTIM同時(shí)接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，TEDS數(shù)據(jù)量、路由選擇直接影響無(wú)線傳感器接口即插即用性能。因此，簡(jiǎn)化TEDS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、優(yōu)化ZigBee路由算法，將有助于減小智能傳感器ZigBee無(wú)線接口即插即用識(shí)別時(shí)間、提高識(shí)別率。

2.1 TEDS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化

標(biāo)準(zhǔn)TEDS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)較為繁雜，當(dāng)系統(tǒng)忙或較多WTIM同時(shí)接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，瞬時(shí)大量TEDS數(shù)據(jù)會(huì)造成數(shù)據(jù)擁塞甚至數(shù)據(jù)丟失，嚴(yán)重影響即插即用速度與識(shí)別率。同時(shí)考慮到NCAP存儲(chǔ)資源有限，不宜保存大量TEDS數(shù)據(jù)，通過(guò)簡(jiǎn)化WTIM的TEDS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可減少系統(tǒng)存儲(chǔ)容量要求。

基于IEEE1451.5的ZigBee無(wú)線傳感器接口必須包含 Meta-TEDS、Channel-TEDS、PHY TEDS，分別描述WTIM總體信息、通道屬性、物理特性[5]。本文采用的簡(jiǎn)化原則為：

（1）刪除不必要TEDS數(shù)據(jù)字段。IEEE 1451.0標(biāo)準(zhǔn)中，Meta-TEDS原有23種數(shù)據(jù)字段保留5種，Channel-TEDS原有55種數(shù)據(jù)字段保留10種，IEEE 1451.5的PHY TEDS原有20種數(shù)據(jù)字段保留8種。

（2）減小數(shù)據(jù)字段長(zhǎng)度。為增強(qiáng)適用性，IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn)定義的TEDS數(shù)據(jù)字段長(zhǎng)度一般偏大，實(shí)際應(yīng)用可適當(dāng)減小，如原為4字節(jié)Length字段減為1字節(jié)，原為4字節(jié)LowLimit、HiLimit字段減為2字節(jié)。

（3）簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)字段定義。如物理單位字段原采用9種基本單位指數(shù)形式表示，共13字節(jié)，描述方法雖完善，但對(duì)常見(jiàn)傳感量不夠直觀、簡(jiǎn)潔且解析過(guò)程復(fù)雜，表1為簡(jiǎn)化后物理單位定義表，僅占1字節(jié)。

表1 物理單位簡(jiǎn)化定義

表2是簡(jiǎn)化后的 Meta-TEDS、Channel-TEDS、PHY TEDS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

表2 無(wú)線智能傳感器TEDS簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

借助以上措施，可實(shí)現(xiàn)無(wú)線智能傳感器TEDS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。WTIM將簡(jiǎn)化的TEDS數(shù)據(jù)發(fā)送至NCAP，NCAP通過(guò)相應(yīng)TEDS解析算法得到WTIM及傳感通道相關(guān)信息，配置相關(guān)資源，實(shí)現(xiàn)WTIM即插即用。

2.2 ZigBee路由算法改進(jìn)

ZigBee采用網(wǎng)絡(luò)樹路由算法，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)地址和父子關(guān)系實(shí)現(xiàn)路由選擇，優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程，無(wú)需存儲(chǔ)路由表，但數(shù)據(jù)并非沿最優(yōu)路徑傳輸，易造成服務(wù)延遲、流量不均衡[6]。圖3是IEEE 1451.5無(wú)線智能傳感器系統(tǒng)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)樹路由結(jié)構(gòu)圖。

圖3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)樹路由結(jié)構(gòu)圖

NCAP以協(xié)調(diào)器模式建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)后，WTIM作為路由節(jié)點(diǎn)（RWTIM）或終端節(jié)點(diǎn)（TWTIM）加入網(wǎng)絡(luò)，形成樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。當(dāng)TWTIM申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)，只能選擇RWTIM或NCAP作為父節(jié)點(diǎn)，獲得父節(jié)點(diǎn)分配的16b網(wǎng)絡(luò)地址。當(dāng)較多WTIM同時(shí)接入時(shí)，網(wǎng)絡(luò)樹路由算法對(duì)TEDS傳輸路徑選擇直接影響ZigBee接口即插即用性能。如當(dāng)TWTIM節(jié)點(diǎn)A向NCAP節(jié)點(diǎn)O發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，按照網(wǎng)絡(luò)樹路由算法的父子關(guān)系，數(shù)據(jù)需要依次經(jīng)過(guò)B、C、D、O四跳才能到達(dá)NCAP；若節(jié)點(diǎn)A能直接經(jīng)最近鄰節(jié)點(diǎn)E轉(zhuǎn)發(fā)到節(jié)點(diǎn)O僅需兩跳，傳輸路徑更優(yōu)、延遲更短。

設(shè)Ap、Anr、Ant分別為父節(jié)點(diǎn)、第n個(gè)路由子節(jié)點(diǎn)、第n個(gè)終端子節(jié)點(diǎn)的地址，Lm、Cm、Rm、d、Cs（d）分別為網(wǎng)絡(luò)最大深度、節(jié)點(diǎn)最大子節(jié)點(diǎn)數(shù)、節(jié)點(diǎn)最大路由子節(jié)點(diǎn)數(shù)、子節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)深度、父節(jié)點(diǎn)與子節(jié)點(diǎn)間地址偏移量。協(xié)調(diào)器組網(wǎng)后網(wǎng)絡(luò)地址為0，網(wǎng)絡(luò)深度為0，新節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址確定公式為

若深度為d、網(wǎng)絡(luò)地址為A的路由節(jié)點(diǎn)收到網(wǎng)絡(luò)地址為D的目的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，由式（4）判斷目的節(jié)點(diǎn)是否為其后代節(jié)點(diǎn)。

若是其后代節(jié)點(diǎn)，則下一跳節(jié)點(diǎn)地址Nhop由式（5）確定，否則下一跳節(jié)點(diǎn)為該節(jié)點(diǎn)父節(jié)點(diǎn)。

每個(gè)ZigBee設(shè)備都維持一個(gè)鄰居表用于存儲(chǔ)單跳范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)信息，用戶根據(jù)需要調(diào)整鄰居表信息。節(jié)點(diǎn)收到鄰居節(jié)點(diǎn)任何幀都會(huì)更新鄰居表信息，可由ZigBee協(xié)議完成，不會(huì)帶來(lái)額外數(shù)據(jù)傳輸[7-8]，故可從鄰居表節(jié)點(diǎn)信息對(duì)網(wǎng)絡(luò)樹路由算法進(jìn)行改進(jìn)。

圖4為網(wǎng)絡(luò)樹路由算法定義的改進(jìn)鄰居表格式，表中 NodeAddr、NodeType、NodeDepth、CurRload分別表示鄰居節(jié)點(diǎn)地址、類型（路由或終端）、網(wǎng)絡(luò)深度、當(dāng)前路由負(fù)載能力。

圖4 改進(jìn)的鄰居表格式

若表征接收數(shù)據(jù)幀能量、質(zhì)量的鏈路質(zhì)量指示為L(zhǎng)QI（link quality indicator）、后代節(jié)點(diǎn)總數(shù)為Ndes，則當(dāng)前路由負(fù)載能力CurRload表達(dá)式為

新WTIM加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，TEDS沿網(wǎng)絡(luò)樹結(jié)構(gòu)傳至協(xié)調(diào)器，沿途路由節(jié)點(diǎn)將Ndes值加1；鏈路質(zhì)量指示LQI（0≤LQI≤255）在 ZigBee收發(fā)模塊每接收一個(gè)數(shù)據(jù)幀都可以得到，數(shù)值越高表明鏈路質(zhì)量越好、傳輸越可靠。鄰居節(jié)點(diǎn)后代節(jié)點(diǎn)總數(shù)Ndes、鏈路質(zhì)量指示LQI一定程度上反映了鄰居節(jié)點(diǎn)潛在數(shù)據(jù)路由任務(wù)強(qiáng)度，體現(xiàn)鄰居節(jié)點(diǎn)當(dāng)前路由負(fù)載能力大小。

圖5 改進(jìn)后網(wǎng)絡(luò)樹路由算法流程圖

圖5為改進(jìn)后網(wǎng)絡(luò)樹路由算法流程圖，圖中虛框部分為算法改進(jìn)部分，借助鄰居表實(shí)時(shí)更新鄰居節(jié)點(diǎn)特性參數(shù)，獲得跳數(shù)較少路由路徑。具體步驟為：

（1）搜索目的節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)后首先判斷自己是否為目的節(jié)點(diǎn)，若不是則再判斷是否為其后代節(jié)點(diǎn)，若是其后代節(jié)點(diǎn)則轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)到相應(yīng)子節(jié)點(diǎn)再返回步驟（1），否則轉(zhuǎn)至步驟（2）。

（2）數(shù)據(jù)丟棄判定。判斷當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)深度是否為0（表示路由失?。莿t丟棄數(shù)據(jù)、結(jié)束路由，不是則轉(zhuǎn)至步驟（3）。

（3）搜索鄰居表。如目的地址與鄰居節(jié)點(diǎn)地址相符，則直接發(fā)送數(shù)據(jù)到鄰居節(jié)點(diǎn)，否則搜索鄰居節(jié)點(diǎn)中是否有路由節(jié)點(diǎn)；無(wú)路由節(jié)點(diǎn)則發(fā)送數(shù)據(jù)到父節(jié)點(diǎn)，有路由節(jié)點(diǎn)則搜索與目的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)深度差距最小的鄰居節(jié)點(diǎn)，并發(fā)送數(shù)據(jù)到該節(jié)點(diǎn)；若網(wǎng)絡(luò)深度差距相同，則再搜索當(dāng)前路由負(fù)載能力（由Ndes、LQI反映）最大的鄰居節(jié)點(diǎn)，并發(fā)送數(shù)據(jù)到該節(jié)點(diǎn)，否則發(fā)送數(shù)據(jù)到父節(jié)點(diǎn)，返回步驟（1）。

3 仿真實(shí)驗(yàn)與分析

在Matlab 2010R平臺(tái)上仿真基于IEEE1451.5的ZigBee無(wú)線智能傳感器接口即插即用性能優(yōu)化前后對(duì)比效果，仿真參數(shù)為：網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積、WTIM節(jié)點(diǎn)傳輸距離分別為200 m×200 m，20 m，數(shù)據(jù)傳輸速率、數(shù)據(jù)包、誤碼率分別為 250 kB/s、16 B、0，網(wǎng)絡(luò)延遲為 0ms，設(shè)置 Cm=4、Rm=4、Lm=5，時(shí)間 120s。圖 6 為算法優(yōu)化前后平均跳數(shù)對(duì)比圖。

圖6 WTIM到NCAP平均跳數(shù)比較圖

圖7 WTIM到NCAP平均時(shí)延比較圖

圖7為算法優(yōu)化前后平均時(shí)延結(jié)果對(duì)比圖，可以看出，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加，兩種算法平均跳數(shù)、平均延時(shí)隨之增加，但本文所提出的優(yōu)化算法比原網(wǎng)絡(luò)樹路由算法平均跳數(shù)減少42.9%，平均延時(shí)降低28.1%，數(shù)據(jù)傳輸效率與網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性得到較大提高。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于IEEE1451.5的ZigBee智能傳感器網(wǎng)絡(luò)中較多WTIM傳輸數(shù)據(jù)且多個(gè)WTIM同時(shí)接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，TEDS數(shù)據(jù)量、路由選擇直接影響無(wú)線傳感器接口即插即用性能，采用定期關(guān)聯(lián)匹配通信機(jī)制（PAMC）縮短了NCAP對(duì)WTIM的配置時(shí)間，減少了ZigBee智能傳感器即插即用識(shí)別時(shí)間；簡(jiǎn)化TES數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，刪除不必要TEDS數(shù)據(jù)字段、減小數(shù)據(jù)字段長(zhǎng)度、簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)字段定義等原則簡(jiǎn)化Meta-TEDS、Channel-TEDS、PHY TEDS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，減少無(wú)線智能傳感器TEDS數(shù)據(jù)量，進(jìn)一步減小WTIM即插即用識(shí)別時(shí)間；改進(jìn)ZigBee路由算法，借助ZigBee節(jié)點(diǎn)鄰居表與節(jié)點(diǎn)特性參數(shù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感接口即插即用數(shù)據(jù)最優(yōu)路徑傳輸，可大大提高數(shù)據(jù)傳輸效率及網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性，智能傳感器即插即用性能得到優(yōu)化。

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