范學(xué)升，宋戈，張德學(xué)

(山東科技大學(xué) 電子通信與物理學(xué)院，青島 266590)

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混合休眠策略的ZigBee多點(diǎn)監(jiān)控自組網(wǎng)設(shè)計(jì)

范學(xué)升，宋戈，張德學(xué)

(山東科技大學(xué) 電子通信與物理學(xué)院，青島 266590)

分析了ZigBee多點(diǎn)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中休眠節(jié)點(diǎn)工作不同步、網(wǎng)絡(luò)性能不穩(wěn)定等問題，提出基于混合休眠策略的ZigBee多點(diǎn)監(jiān)控自組網(wǎng)設(shè)計(jì)方案,完成基于Z-Stack的軟件設(shè)計(jì)，并組建ZigBee星型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，節(jié)點(diǎn)在維持低功耗的同時(shí)，系統(tǒng)的同步性、穩(wěn)定性得到了提高。

ZigBee；混合休眠；低功耗；自組網(wǎng)；同步

引 言

隨著國內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)進(jìn)入發(fā)展快車道，ZigBee技術(shù)越來越多地被應(yīng)用到環(huán)境、安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，利用傳感器技術(shù)與ZigBee技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，將采集的數(shù)據(jù)周期性發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行多點(diǎn)信息實(shí)時(shí)監(jiān)控。

傳統(tǒng)的ZigBee多點(diǎn)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)采用同步休眠或異步休眠方式，節(jié)點(diǎn)的功耗和同步性難以得到平衡，網(wǎng)絡(luò)性能不穩(wěn)定。本文將同步和異步方式相結(jié)合，采用混合休眠策略構(gòu)建基于ZigBee星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[1]的無線監(jiān)控系統(tǒng)，并加入網(wǎng)絡(luò)自愈功能，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1 ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介

ZigBee技術(shù)是一種基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)[4]的無線技術(shù)，在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、環(huán)境、軍事、醫(yī)療等諸多領(lǐng)域取得了成功的應(yīng)用[5]。IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了物理層和媒體訪問控制層，ZigBee聯(lián)盟[6]在這個(gè)基礎(chǔ)上擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層框架。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低功耗、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)，它實(shí)現(xiàn)了低功耗和低數(shù)據(jù)吞吐量的無線連接。IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)中根據(jù)設(shè)備所具有的通信能力，可以分為全功能設(shè)備(Full Function Device, FFD)和精簡(jiǎn)功能設(shè)備[7](Reduced Function Device, RFD)。FFD之間以及FFD與RFD之間都可以直接通信，RFD之間只能通過FFD轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)間接通信，這個(gè)與RFD相關(guān)聯(lián)的FFD稱為該RFD的協(xié)調(diào)器。IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)中，必須有一個(gè)FFD作為PAN(Personal Area Network)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，其除了直接參與應(yīng)用外，還要完成成員身份管理、鏈路狀態(tài)信息管理以及分組轉(zhuǎn)發(fā)等任務(wù)[8]。

2 自組網(wǎng)設(shè)計(jì)

2.1 網(wǎng)絡(luò)組建

ZigBee星型網(wǎng)絡(luò)中，只有一個(gè)FFD作為協(xié)調(diào)器，其他RFD都是終端節(jié)點(diǎn)。完整的ZigBee網(wǎng)絡(luò)組建分為兩步：第一步是協(xié)調(diào)器初始化網(wǎng)絡(luò)；第二步是終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。

ZigBee協(xié)調(diào)器上電后，首先由協(xié)調(diào)器發(fā)起建立一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)程;然后，由網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體請(qǐng)求媒體訪問控制層對(duì)信道進(jìn)行掃描[1]，找到建立網(wǎng)絡(luò)的最佳信道，并為新建網(wǎng)絡(luò)選擇唯一的PAN描述符；最后確定好PAN描述符后，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體將協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)地址設(shè)為0x 0000，網(wǎng)絡(luò)建立完成，運(yùn)行并等待終端節(jié)點(diǎn)加入。

ZigBee協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)后，終端設(shè)備可以申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)。終端設(shè)備上電后主動(dòng)尋找射頻范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)，如果一定時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到包含PAN標(biāo)識(shí)符的信標(biāo)幀，則向協(xié)調(diào)器發(fā)出連接請(qǐng)求。協(xié)調(diào)器在地址分配空間充足的條件下為之分配16位的網(wǎng)絡(luò)地址，在經(jīng)過傳輸響應(yīng)確認(rèn)后，終端節(jié)點(diǎn)成功加入。

2.2 網(wǎng)絡(luò)自愈功能

在網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行的情況下，如果某個(gè)節(jié)點(diǎn)由于斷電或受到干擾，而與網(wǎng)絡(luò)斷開連接，會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本設(shè)計(jì)提供了良好的網(wǎng)絡(luò)自愈功能，在軟件設(shè)計(jì)中，及時(shí)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)并對(duì)異常節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理。當(dāng)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)異?；蛑匦律想姾?，通過訪問非易失(NV)存儲(chǔ)器，查看之前網(wǎng)絡(luò)信息，主動(dòng)查找并重新加入之前的網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)自愈功能使節(jié)點(diǎn)能自動(dòng)處理網(wǎng)絡(luò)異常，系統(tǒng)中其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸不受異常節(jié)點(diǎn)的干擾而能正常運(yùn)行，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，提高了系統(tǒng)的容錯(cuò)性。

3 休眠同步機(jī)制

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中終端節(jié)點(diǎn)采用電池供電，節(jié)省能耗對(duì)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)作和維護(hù)非常重要，休眠是降低功耗的有效方法，而對(duì)于多點(diǎn)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)的同步工作更有利于數(shù)據(jù)的分析和處理。節(jié)點(diǎn)的休眠方式會(huì)影響系統(tǒng)的同步性能，本設(shè)計(jì)在同步休眠和異步休眠的基礎(chǔ)上提出混合休眠策略。

3.1 同步休眠

在多點(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，終端節(jié)點(diǎn)周期性地采集發(fā)送數(shù)據(jù)，在不工作時(shí)進(jìn)入休眠狀態(tài)。同步休眠模式下，終端節(jié)點(diǎn)同時(shí)工作、同時(shí)休眠。終端節(jié)點(diǎn)同步休眠模式下的時(shí)間片使用方式如圖1所示。其中，時(shí)間片的同步由協(xié)調(diào)器向全網(wǎng)廣播同步休眠指令實(shí)現(xiàn)。休眠指令命令終端節(jié)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)入同步休眠狀態(tài)，其休眠時(shí)間長(zhǎng)度可靈活設(shè)定，醒來時(shí)自動(dòng)進(jìn)入工作狀態(tài)。

圖1 同步休眠示意圖

在同步休眠中，終端節(jié)點(diǎn)待機(jī)電流為1 μA，系統(tǒng)同步性高，但若由于某些因素導(dǎo)致終端節(jié)點(diǎn)未能正常收到協(xié)調(diào)器的休眠指令，則無法進(jìn)入休眠狀態(tài)，待機(jī)電流為24 mA，會(huì)造成大量不必要的功率損耗，系統(tǒng)性能不穩(wěn)定。

3.2 異步休眠

在異步休眠模式下，各節(jié)點(diǎn)間休眠相互獨(dú)立，終端節(jié)點(diǎn)在完成數(shù)據(jù)傳輸后主動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，無需等待協(xié)調(diào)器的休眠指令。節(jié)點(diǎn)按照預(yù)設(shè)的頻率進(jìn)行周期性的休眠，在休眠時(shí)間片結(jié)束時(shí)，會(huì)打開無線接收器監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)報(bào)文。如果在監(jiān)聽時(shí)間片內(nèi)收到協(xié)調(diào)器的喚醒指令，則進(jìn)入正常工作狀態(tài)，否則進(jìn)入下一個(gè)休眠時(shí)間片。終端節(jié)點(diǎn)異步休眠模式下的時(shí)間片使用方式如圖2所示。

圖2 異步休眠示意圖

監(jiān)聽時(shí)間片與節(jié)點(diǎn)從睡眠狀態(tài)轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)的時(shí)間長(zhǎng)度有關(guān)，而休眠時(shí)間片的長(zhǎng)度可以根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際需求靈活設(shè)定。CC2530淺度休眠時(shí)電流為1 μA，接收時(shí)電流為24 mA，如果按照200:1的睡醒比例計(jì)算，則終端節(jié)點(diǎn)的平均待機(jī)電流為：

異步休眠中，終端節(jié)點(diǎn)避免了由于收不到休眠指令而造成的大量功耗浪費(fèi)，系統(tǒng)性能穩(wěn)定。不足的是節(jié)點(diǎn)平均待機(jī)功耗有所增加，且系統(tǒng)的同步性低于同步休眠機(jī)制，其最大誤差為一個(gè)睡醒周期。因此，系統(tǒng)須根據(jù)此誤差合理設(shè)置監(jiān)聽時(shí)間片的長(zhǎng)度。

3.3 混合休眠

正常情況下終端節(jié)點(diǎn)工作在同步休眠模式，當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)異常沒有正確接收到協(xié)調(diào)器休眠指令時(shí)，進(jìn)入異步休眠模式。同步和異步的有效結(jié)合組成了本設(shè)計(jì)的混合休眠模式，如圖3所示。

圖3 混合休眠示意圖

當(dāng)異步休眠節(jié)點(diǎn)進(jìn)入監(jiān)聽時(shí)間片時(shí)，會(huì)主動(dòng)向協(xié)調(diào)器詢問是否緩存了屬于自己的喚醒報(bào)文，協(xié)調(diào)器在收到請(qǐng)求后會(huì)向終端節(jié)點(diǎn)返回媒體訪問控制層的ACK報(bào)文，告訴終端節(jié)點(diǎn)是否有緩存報(bào)文。當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)被告知沒有緩存的喚醒報(bào)文時(shí)，可以再次進(jìn)入異步休眠模式。如果有緩存的喚醒報(bào)文，則查看緩存報(bào)文中同步節(jié)點(diǎn)的醒來時(shí)刻，并根據(jù)此時(shí)刻進(jìn)入休眠等待，從而避免了空閑等待的功耗浪費(fèi)。當(dāng)從休眠等待中醒來時(shí)，此節(jié)點(diǎn)和同步休眠節(jié)點(diǎn)共同進(jìn)入同步模式，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

其中，喚醒報(bào)文是協(xié)調(diào)器在同步節(jié)點(diǎn)休眠即將結(jié)束時(shí)向全網(wǎng)廣播。假設(shè)異步狀態(tài)中監(jiān)聽時(shí)間片長(zhǎng)度為t1，休眠時(shí)間片長(zhǎng)度為t2，則協(xié)調(diào)器緩存報(bào)文時(shí)間t3應(yīng)滿足：t3>t1+t2，確保異步節(jié)點(diǎn)在t3時(shí)間段至少有一次進(jìn)入監(jiān)聽狀態(tài)，以被喚醒。由于協(xié)調(diào)器緩存數(shù)據(jù)報(bào)文時(shí)間有限，所以采用多次重發(fā)短報(bào)文方式，使喚醒報(bào)文在緩存區(qū)連續(xù)存在t3的時(shí)間長(zhǎng)度。同時(shí)，協(xié)調(diào)器在每個(gè)同步周期內(nèi)都廣播一次喚醒報(bào)文，使異常節(jié)點(diǎn)在一個(gè)工作周期內(nèi)能被及時(shí)喚醒，盡可能地減少由于異步休眠次數(shù)過多造成的功耗浪費(fèi)。

混合模式下，同步節(jié)點(diǎn)平均待機(jī)電流為1 μA，異步節(jié)點(diǎn)平均待機(jī)電流為120.4 μA，假設(shè)平均在n次休眠中進(jìn)入一次異步休眠，則混合模式下節(jié)點(diǎn)的平均待機(jī)電流為：

可以看出當(dāng)系統(tǒng)越穩(wěn)定，即n越大時(shí)，混合休眠模式下的平均待機(jī)電流越接近同步休眠模式下的待機(jī)電流，且明顯小于異步休眠模式下的平均待機(jī)電流。因此，混合休眠策略在實(shí)現(xiàn)低功耗傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，能夠達(dá)到全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)同步的效果，更有利于整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行和管理。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)的工作控制。

4.1 協(xié)調(diào)器程序設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組建、維護(hù)和控制及數(shù)據(jù)處理的工作，網(wǎng)絡(luò)的組建主要由協(xié)議棧內(nèi)部完成，協(xié)調(diào)器主要工作流程如圖4所示。

圖4 協(xié)調(diào)器主要工作流程

協(xié)調(diào)器組網(wǎng)成功后，接收到終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的無線消息，并進(jìn)行處理。根據(jù)接收到的無線消息節(jié)點(diǎn)的設(shè)備ID號(hào)判斷是否成功接收所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，若成功接收，則廣播同步休眠指令，終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)入同步休眠。否則，記錄未成功發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)，提醒其再次發(fā)送，通過重傳機(jī)制增強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。若規(guī)定時(shí)間內(nèi)，檢測(cè)不到無線消息，協(xié)調(diào)器也將廣播同步休眠指令，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)終端節(jié)點(diǎn)的同步休眠。

協(xié)調(diào)器向終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送休眠指令后，將數(shù)據(jù)打包發(fā)送至上位機(jī)，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器，在同步休眠節(jié)點(diǎn)醒來前t3時(shí)刻，連續(xù)發(fā)送t3時(shí)間長(zhǎng)度的喚醒指令，確保異步休眠模式下的節(jié)點(diǎn)在同步節(jié)點(diǎn)醒來前被喚醒，并在下一個(gè)工作周期加入到同步網(wǎng)絡(luò)中。

4.2 終端節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)后，周期性地采集和發(fā)送數(shù)據(jù)，并處理協(xié)調(diào)器的消息。終端節(jié)點(diǎn)主要工作流程如圖5所示。

圖5 終端節(jié)點(diǎn)主要工作流程

終端節(jié)點(diǎn)成功發(fā)送采集信息后，若在一定時(shí)間內(nèi)收到協(xié)調(diào)器重發(fā)指令,則再次發(fā)送采集數(shù)據(jù);若收到休眠指令，則進(jìn)入同步休眠；其余情況進(jìn)入異步休眠。異步模式下，若監(jiān)聽時(shí)間片內(nèi)收到協(xié)調(diào)器喚醒指令，則進(jìn)入休眠等待，醒來后和同步休眠節(jié)點(diǎn)一起進(jìn)入同步模式。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證混合休眠策略在實(shí)際應(yīng)用中的可行性，選取50個(gè)終端節(jié)點(diǎn)模塊和1個(gè)協(xié)調(diào)器模塊組成ZigBee星型網(wǎng)絡(luò)，異步模式下采取200:1的睡醒比，在各終端節(jié)點(diǎn)程序中對(duì)異步休眠次數(shù)、喚醒周期數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，求得每個(gè)節(jié)點(diǎn)的平均異步休眠次數(shù)和每次異步休眠的平均喚醒周期數(shù)，計(jì)算出各節(jié)點(diǎn)的平均待機(jī)電流，整理數(shù)據(jù)如表1所列。

表1 混合休眠模式測(cè)試數(shù)據(jù)

由測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，通信距離小于80 m時(shí)，異步休眠節(jié)點(diǎn)在1個(gè)工作周期內(nèi)能被及時(shí)喚醒，節(jié)點(diǎn)的平均待機(jī)電流維持在2 μA以下。由于ZigBee的通信距離受環(huán)境因素影響較大，當(dāng)通信距離繼續(xù)增大、超出可靠通信范圍時(shí)，網(wǎng)絡(luò)性能不穩(wěn)定，節(jié)點(diǎn)平均待機(jī)電流增加。因此，在正常通信狀態(tài)下，混合休眠策略能有效降低節(jié)點(diǎn)功耗，提高網(wǎng)絡(luò)同步性和穩(wěn)定性。

結(jié) 語

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范學(xué)升(碩士研究生)、宋戈(講師)，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)及應(yīng)用；張德學(xué)(博士)，主要研究方向?yàn)楫悩?gòu)多核片上網(wǎng)絡(luò)NoC建模與評(píng)估、SoC集成電路設(shè)計(jì)。

Atmel聯(lián)合上海慶科推出面向IoT應(yīng)用的超低功耗Wi-Fi平臺(tái)

Atmel公司與動(dòng)點(diǎn)科技評(píng)選出的“中國十大物聯(lián)網(wǎng)初創(chuàng)企業(yè)”之一的上海慶科信息技術(shù)有限公司(MXCHIP)近日宣布，兩家公司正在聯(lián)合研發(fā)一款能夠通過Wi-Fi安全接入云端的超低功耗物聯(lián)網(wǎng)(IoT)平臺(tái)，以便讓設(shè)計(jì)人員能夠?qū)⑺麄兊奈锫?lián)網(wǎng)設(shè)備快速推向市場(chǎng)。該聯(lián)合平臺(tái)整合了Atmel的超低功耗的基于ARM Cortex-M4核的Atmel | SMART SAM G系列 MCU和SmartConnect WILC1000 Wi-Fi解決方案，以及 MXCHIP的MiCO IoT操作系統(tǒng)，可服務(wù)所有面向IoT應(yīng)用的智能設(shè)備開發(fā)者。

伴隨著物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)，未來或?qū)⒂袛?shù)十億電池供電型智能互連設(shè)備要求安全地接入云端。該新平臺(tái)整合了Atmel面向可穿戴設(shè)備與傳感器集線器管理而設(shè)計(jì)的成熟的超低功耗SAM G系列MCU、安全超低功耗SmartConnect WILC1000 Wi-Fi解決方案，以及MXCHIP面向下一代IoT應(yīng)用的MiCO IoT操作系統(tǒng)。這一整合性平臺(tái)能夠讓IoT應(yīng)用設(shè)計(jì)者更有信心，設(shè)計(jì)出續(xù)航時(shí)間更長(zhǎng)的電池供電型設(shè)備，并安全地將數(shù)據(jù)傳輸至云端。

Atmel的WILC1000是一款I(lǐng)EEE 802.11b/g/n IoT鏈路控制器，內(nèi)置一個(gè)超低功耗Wi-Fi收發(fā)器和一個(gè)全集成功率放大器。該解決方案提供超長(zhǎng)的通信距離，輸出高達(dá)+20.5dBm，是家庭互連設(shè)備的理想選擇。集成在一個(gè) 3.2 mm×3.2 mm WLCSP(晶圓級(jí)芯片尺寸封裝)中的Atmel WILC1000鏈路控制器采用Atmel的SAM G MCU，后者是低功耗IoT應(yīng)用的理想選擇，經(jīng)過功耗優(yōu)化，在一個(gè)2.8 mm×2.84 mm封裝中集成了大容量SRAM、高性能及高效率特性和浮點(diǎn)單元。與安全Wi-Fi技術(shù)結(jié)合使用時(shí)，這個(gè)聯(lián)合平臺(tái)可以直接互連，或者連接到一個(gè)局域網(wǎng)(LAN)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。在增強(qiáng)安全性能方面，該平臺(tái)附帶可選的Atmel加密設(shè)備ATECC508A以整合ECDH密鑰協(xié)議，以便為應(yīng)用于諸多領(lǐng)域的IoT節(jié)點(diǎn)當(dāng)中的數(shù)據(jù)系統(tǒng)增強(qiáng)安全保密性，譬如家庭自動(dòng)化、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、配件、消耗品授權(quán)、醫(yī)療、手機(jī)等領(lǐng)域。

Multipoint Monitoring of Self-organized ZigBee Network Based on Mixture Sleep

Fan Xuesheng,Song Ge,Zhang Dexue

(College of Electronic,Communication and Physics,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China)

The paper proposes a solution of multipoint monitoring self-organized network which based on mixture sleep through the analysis of problems in ZigBee multipoint monitoring network,such as nodes work out of sync and the network is not stable.Then completes the software design based on Z-Stack and tests in ZigBee star network.The experimental results show that the synchronicity and stability of the system are improved,as well as the nodes keep low consumption.

ZigBee;mixture sleep;low-power;self-organized;synchronization

TP274.5

A

士然

2014-12-17)