摘 要：無線剛硬網(wǎng)絡(luò)在生活與工作當(dāng)中具有十分重要的應(yīng)用，并且極具發(fā)展前景。在這種背景下，本文首先探討了無線感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的概念與構(gòu)建方式，進(jìn)而分析了無線感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的輔助硬件架構(gòu)。通過分析，以求為更好的應(yīng)用無線感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提供必要的借鑒與參考。

關(guān)鍵詞：無線感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)；硬件；構(gòu)建技術(shù)

中圖分類號：TM924；TM571

1 無線感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的概念與構(gòu)建方式

感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)（Sensor Network，SN）是一種針對居住或工作環(huán)境所設(shè)計(jì)的感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，可提供自動化、安全監(jiān)控等應(yīng)用。目前感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建主要分為下列兩種方式。第一種是由企業(yè)針對居住或工作環(huán)境進(jìn)行構(gòu)建規(guī)劃，并由專業(yè)人員負(fù)責(zé)安裝。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)整合度高，但是卻有構(gòu)建成本高以及感應(yīng)裝置不易增減或更動位置的缺點(diǎn)。第二種則是由使用者自行購置各式感應(yīng)裝置來安裝，雖然該方式較為經(jīng)濟(jì)并且在裝置的配置上具有較高的彈性，然而使用者必須面對自行構(gòu)建以及設(shè)定的問題。為了克服自行構(gòu)建的問題，不少利用家庭及工作電力配線連接裝置的標(biāo)準(zhǔn)被提出。只要將支持這些標(biāo)準(zhǔn)的裝置接上插座，便能通過電力線傳送控制命令，達(dá)到實(shí)現(xiàn)自動化的目的。隨著無線感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network；WSN）的發(fā)展，借助多個(gè)具有感應(yīng)器（sensor）或制動器（actuator）的感應(yīng)裝置所形成的無線網(wǎng)絡(luò)，可以監(jiān)測構(gòu)建環(huán)境中的感應(yīng)信息（如溫度、濕度及震動等）。感應(yīng)裝置之間不再需要實(shí)體的連線，不但免除布線的困擾，同時(shí)也能隨意調(diào)整裝置的安裝位置。然而，為了使感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)能夠正常運(yùn)作，裝置是否正確地設(shè)定將是一大關(guān)鍵。由ZigBee Alliance提出的ZigBee標(biāo)準(zhǔn)一直在無線感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展中扮演著主要的角色，因此針對無線感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用提出了自動化設(shè)定（Automation Profile），并明確制訂了系統(tǒng)中不同裝置的角色與不同種類封包的格式，使得系統(tǒng)開發(fā)商可以遵循一致性的界面與封包格式。此外，ZigBee規(guī)格書也加入對于啟用配對工具（Commission Tool）支持的描述，其中包含了初始參數(shù)（Startup Parameters）、初始化程序與后續(xù)管理參數(shù)等互通性設(shè)計(jì)的規(guī)范。

目前已有企業(yè)推出感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建套件，為了改進(jìn)目前感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建工具的不足，本文提出ITRIHSNDIY Kit，其包含了一系列構(gòu)建感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)所需的軟硬件輔助工具，主要特色在除了提供易于使用的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建功能外，并具備安全的資料傳輸機(jī)制以及避免外界裝置誤加入網(wǎng)絡(luò)的能力。感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中構(gòu)建輔助工具包含多個(gè)運(yùn)作流程，其中構(gòu)建輔助硬件可協(xié)助使用者一步一步地完成基本的感應(yīng)裝置安裝工作；隨后使用者還可通過裝置管理界面進(jìn)行后續(xù)的網(wǎng)絡(luò)裝置管理及設(shè)定功能。目的在于讓各式各樣的無線感應(yīng)裝置能簡易、安全且正確地安裝與管理使用，進(jìn)而可快速建構(gòu)出具有安全性的家庭自動化環(huán)境。

2 無線感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的輔助硬件架構(gòu)

2.1 系統(tǒng)概述

本文所介紹的ITRIHSNDIY Kit構(gòu)建輔助工具主要分為構(gòu)建輔助硬件以及構(gòu)建輔助軟件兩部分。使用者可利用構(gòu)建輔助硬件完成無線感應(yīng)裝置的新增和移除，以及中繼點(diǎn)（Repeater）安裝位置的選定；構(gòu)建輔助軟件于感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)閘道器（HSN Gateway）上運(yùn)作，除了提供和構(gòu)建輔助硬件相同的基本構(gòu)建功能外，并能讓使用者進(jìn)行高級的裝置管理。構(gòu)建輔助硬件包含下列四大功能：一是初始化（Initialization），構(gòu)建輔助硬件在使用前通過HSN Gateway的網(wǎng)頁界面完成初始化并加入網(wǎng)絡(luò)；二是新增裝置（Add Devices），將構(gòu)建輔助硬件移近要新增的裝置，利用相鄰性偵測（proximity detection）機(jī)制完成認(rèn)證并允許新裝置加入網(wǎng)絡(luò)；三是移除裝置（Remove Devices），同樣利用鄰近偵測機(jī)制，將鄰近構(gòu)建輔助硬件的裝置自網(wǎng)絡(luò)移除；四是尋找中繼點(diǎn)位置（Find Repeater Location），當(dāng)新增的裝置無法加入網(wǎng)絡(luò)或既有裝置連線信號微弱時(shí)，可通過HSN Gateway網(wǎng)頁的中繼點(diǎn)構(gòu)建快速引導(dǎo)，尋找適合構(gòu)建中繼點(diǎn)的位置。

2.2 初始化（Initialization）

為了讓構(gòu)建輔助硬件可以正確運(yùn)作，必須將其加入由HSN Gateway所形成的感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。為了達(dá)到避免外界裝置誤加入網(wǎng)絡(luò)的目的，HSN Gateway利用白名單（white lists）控管所有加入感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中的裝置，因此必須先將構(gòu)建輔助硬件的MAC address加入白名單中。另一方面，為了確保構(gòu)建輔助硬件被加入網(wǎng)絡(luò)，使用者需要進(jìn)入在HSN Gateway上運(yùn)作的構(gòu)建輔助軟件操作界面，借助比對出現(xiàn)在待加入裝置清單以及構(gòu)建輔助硬件上標(biāo)示的MAC address，使用者可以選擇正確的裝置以完成驗(yàn)證程序。當(dāng)構(gòu)建輔助硬件被列入白名單后，每次開啟時(shí)便能自動加入感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)而不需再進(jìn)行驗(yàn)證程序。

2.3 新增裝置（Add Devices）

一旦構(gòu)建輔助硬件的初始化完成后，使用者便可通過該裝置新增其他無線感應(yīng)裝置，其步驟詳述如下：一是使用者將構(gòu)建輔助硬件與待新增的感應(yīng)裝置攜至安裝地點(diǎn)，并打開兩者電源；構(gòu)建輔助硬件，一旦收到新增裝置的Beacon Request，便以目前的TX Power發(fā)送回應(yīng)信息；三是一旦新增裝置接收到構(gòu)建輔助硬件發(fā)出的Beacon，便發(fā)出加入網(wǎng)絡(luò)的請求（Join Request）；四是若構(gòu)建輔助硬件收到加入請求，則將其中包含的新增裝置MAC address存入新增裝置清單（Add Device List），并傳回HSN Gateway；我也是HSN Gateway收到裝置清單后，會將內(nèi)含的MAC address加入白名單（white lists）；六是HSN Gateway一旦收到新增裝置的加入請求，由于其MAC address已在白名單中，因此允許加入。

2.4 移除裝置（Remove Devices）

若使用者欲移除已加入感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中的裝置，同樣可通過構(gòu)建輔助硬件來進(jìn)行，其步驟詳述如下：一是使用者將構(gòu)建輔助硬件移至想要移除的感應(yīng)裝置旁并啟動移除裝置功能；二是構(gòu)建輔助硬件以最低的TX Power搜尋周邊的感應(yīng)裝置；三是構(gòu)建輔助硬件一旦收到感應(yīng)裝置的回應(yīng)，則將其中包含的MAC address加入移除裝置清單（Remove DeviceList）并傳回HSN Gateway；四是HSN Gateway將移除裝置清單中的MAC address自白名單中移除，并向該感應(yīng)裝置發(fā)出移除通知（Leave Request）。

2.5 尋找中繼點(diǎn)位置（Find Repeater Location）

雖然無線感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)可節(jié)省實(shí)體布線的負(fù)擔(dān)，然而室內(nèi)的復(fù)雜環(huán)境卻容易造成無線信號覆蓋的死角。為了使感應(yīng)裝置與HSN Gateway維持穩(wěn)定的連線，可利用ZigBee支持mesh網(wǎng)絡(luò)與multi-hop傳輸?shù)奶匦?，在信號較弱或是失聯(lián)的感應(yīng)裝置附近構(gòu)建中繼節(jié)點(diǎn)（Repeater）。使用者可通過構(gòu)建輔助硬件的協(xié)助尋找中繼節(jié)點(diǎn)的構(gòu)建位置，直到感應(yīng)裝置可和HSN Gateway正常連線為止。其步驟詳述如下：一是使用者啟動構(gòu)建輔助硬件的尋找中繼節(jié)點(diǎn)構(gòu)建位置功能；二是使用者將構(gòu)建輔助硬件移往失聯(lián)的感應(yīng)裝置；三是構(gòu)建輔助硬件以正常的TX Power搜尋周邊的感應(yīng)裝置；四是若無法接收到所有的回應(yīng)，可考慮在此構(gòu)建中繼節(jié)點(diǎn)）；五是重復(fù)上述流程，一旦構(gòu)建輔助硬件到達(dá)失聯(lián)的感應(yīng)裝置所在處，表示中繼節(jié)點(diǎn)構(gòu)建完成。

3 結(jié)束語

本文首先介紹目前在感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行感應(yīng)裝置構(gòu)建的方式以及所面臨的問題。接著介紹ITRIHSNDIY Kit構(gòu)建輔助工具，并針對構(gòu)建輔助硬件的架構(gòu)與實(shí)作進(jìn)行說明。構(gòu)建輔助硬件讓使用者無需通過網(wǎng)頁界面，便能完成感應(yīng)裝置的新增、移除，以及尋找中繼點(diǎn)安裝位置等三大功能。同時(shí)借助動態(tài)調(diào)整ZigBee無線信號發(fā)射的功率，達(dá)到防止外界裝置誤接入網(wǎng)絡(luò)的情形發(fā)生。由測試結(jié)果可知，通過構(gòu)建輔助硬件進(jìn)行裝置構(gòu)建整體所需的時(shí)間較使用網(wǎng)頁界面要少。此外，借助使用構(gòu)建輔助硬件進(jìn)行構(gòu)建確實(shí)能達(dá)到防止裝置誤接入的目的。對于目前在既有平臺上開發(fā)構(gòu)建輔助硬件的方式而言，使用者操作界面的設(shè)計(jì)較為受限。未來可考慮在該平臺上加入LCD等裝置以提供等待新增/移除裝置的信息。隨著具有Micro/Mini SD等界面的ZigBee裝置問世，也可以考慮將構(gòu)建輔助硬件與手機(jī)等隨身裝置進(jìn)行整合。

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作者單位：江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南通 226007