崔建峰+梁隴成

摘 要：南疆喀喇昆侖山脈一線地屬高寒山地，地形復雜、高寒缺氧，地面?zhèn)鞲袀刹斓刃畔⒒b備在該地域往往會遇到通信能力減弱、生命周期縮短、維護保養(yǎng)不便等難題，為克服上述困難，文章采用的ZigBee組網技術是一種低速率、低功耗、自組性強的無線通信技術，能夠適應在高寒山地條件下的實時偵察需求。文中重點對基于ZigBee技術的地面?zhèn)鞲袀刹煜到y(tǒng)的組網性能進行了研究，并通過OPNET仿真實驗，驗證了ZigBee網絡具有良好的自組性和自適應能力。

關鍵詞：高寒山地；ZigBee；傳感偵察系統(tǒng)；OPNET仿真

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）10-00-04

0 引 言

無線傳感器網絡源于軍事應用，目前已在國內外軍事領域被廣泛使用。它可以用作戰(zhàn)場態(tài)勢感知，使作戰(zhàn)單位對敵在前沿陣地及縱深活動的情況實時掌握。比如通過飛行器或自動化裝備將大量傳感器節(jié)點布設在相關地域，這些節(jié)點可以自組成網，將戰(zhàn)場信息收集、融合并傳輸至指控中心，為其提供準確情報。

1 研究背景及意義

喀喇昆侖山脈一帶，地處高寒山地，該地區(qū)的平均海拔在5 000米以上，含氧量僅為平地的45%左右，極寒缺氧的天氣和溝壑縱橫的地形嚴重影響了信息化裝備的戰(zhàn)技術性能，特別是對通信質量、電池使用壽命、硬件損耗的影響較大。

針對這些自然因素帶來的難題，需要有一種能夠適應這種高寒山地環(huán)境，低功耗、低成本、安全性能高的偵察系統(tǒng)來實時對任務區(qū)域進行監(jiān)控偵察。ZigBee技術是一種具有統(tǒng)一標準的短距離無線通信技術，它功耗低、成本低、易應用，完全可以滿足高寒山地監(jiān)控偵察的需求。本文將設計一個基于ZigBee技術的地面?zhèn)鞲袀刹煜到y(tǒng)，構建一套可靠、實用的網絡拓撲結構，并對基于ZigBee的地面?zhèn)鞲袀刹煜到y(tǒng)的網絡性能在OPNET平臺上進行仿真驗證。

2 ZigBee技術

ZigBee是一種廉價的、低功耗的近距離無線雙向通信技術，“ZigBee”一詞來源于蜜蜂群的信息傳遞方式，當某個蜜蜂發(fā)現(xiàn)花粉位置時，會通過跳“ZigZag”形舞來通知其它蜜蜂。因為蜜蜂通過這種簡捷的方式溝通，人們也就借此舞蹈來命名這種低功耗、低成本、低復雜度、低速率的近距離無線通信技術。

2.1 ZigBee技術特點

ZigBee自組網技術具有以下特點：

（1）低功耗。當ZigBee網絡的某個節(jié)點處于待機低耗能模式下，2節(jié)5號干電池可支撐其工作6～24個月，藍牙則可以工作數(shù)周，WiFi可以工作數(shù)小時。

（2）低成本。ZigBee協(xié)議一般比較簡潔實用，其成本不足藍牙的1/10，對處理器的要求也隨之降低。

（3）低速率。其傳輸速率為250 Kb/s，完全符合低速率傳輸?shù)膽眯枨蟆?/p>

（4）近距離。相鄰的兩個節(jié)點之間，傳輸距離一般為10～100 m，若加大RF發(fā)射功率，可增加至1 km～3 km。如果是通過路由節(jié)點間接力通信，則可以更遠。

（5）短時延。ZigBee網絡的響應時間非常短，從休眠到喚醒一般只需15 ms，節(jié)點加入網絡只需30 ms，非常節(jié)能省電。比較來說，藍牙需要3～10 s、WiFi需要3 s。

（6）大容量。ZigBee網絡可以采用分簇混合型網絡拓撲，每個網絡可以分為多個簇，而每個簇首可以管理多個子節(jié)點。這樣就可以構建一個龐大的無線傳感器網絡，最多可以擴容到65 535個網絡節(jié)點，ZigBee一般通過多跳的方式傳輸數(shù)據(jù)。

2.2 ZigBee網絡架構

2.2.1 ZigBee網絡的功能設備、節(jié)點類型以及拓撲結構

ZigBee網絡包括全功能設備FFD（Full Function Device）和精簡功能設備RFD（Reduced Function Device）兩種功能類型的設備。全功能設備（FFD）的存儲能力、計算能力和通信能力都比較強，它可以雙向通信，協(xié)調發(fā)起網絡，也可以起到路由的作用。精簡功能設備（RFD）可用作終端設備，通常只需要采集數(shù)據(jù)并向路由節(jié)點和協(xié)調器傳輸，功能比較單一，內存和電路設計都比較節(jié)省，同時也降低了整個網絡的成本。

ZigBee網絡節(jié)點包括協(xié)調器 （ZigBee Coordinator）、路由節(jié)點（ZigBee Router）和終端設備（ZigBee EndDevice）三種。網絡拓撲包括星形、網形和簇形三種結構，如圖1所示。圖1中從左到右依次是星形拓撲、網形拓撲和簇形拓撲。

圖1 ZigBee網絡拓撲結構

2.2.2 ZigBee路由協(xié)議

ZigBee路由協(xié)議主要包括：樹形路由（Cluster tree Routing）和ZigBee距離矢量路由協(xié)議改進型（Zigbee Ad-hoc On-demand Distance Vector Routing，AODVjr）。Cluster tree路由算法中，終端節(jié)點直接將數(shù)據(jù)發(fā)給其父節(jié)點，通過父節(jié)點來轉發(fā)，所以初始延遲比較小，而且實現(xiàn)比較簡單，但缺點是路由并非最佳，適應性較差；AODVjr路由算法通過路由發(fā)現(xiàn)，可以實現(xiàn)路由的最佳，但要建立路由表，能耗開銷也相對大一些。

3 基于ZigBee技術的地面?zhèn)鞲袀刹煜到y(tǒng)設計

基于ZigBee的地面?zhèn)鞲袀刹煜到y(tǒng)，就是將ZigBee無線通信技術與無線傳感器網絡技術相結合，對監(jiān)控區(qū)域或戰(zhàn)場態(tài)勢進行實時情報感知。ZigBee良好的自適應能力和低能耗低成本的特點可以有效克服高寒缺氧、地形復雜和補給困難等問題。

3.1 系統(tǒng)設計方案

3.1.1 總體架構

在任務區(qū)域，因為地形復雜、環(huán)境惡劣，需要布置多個探測節(jié)點以提高偵察的精度。所以本系統(tǒng)選擇分布式主從節(jié)點模式，包括一個協(xié)調器和多個前哨探測節(jié)點，其中前哨探測節(jié)點由不同功能的父節(jié)點和子節(jié)點組成，對所屬區(qū)域全方位監(jiān)控偵察。

地面?zhèn)鞲袀刹煜到y(tǒng)主要包括前哨探測節(jié)點（傳感器節(jié)點）、中繼（匯聚節(jié)點）和數(shù)據(jù)處理終端（任務管理節(jié)點）三部分，其大體結構如圖2所示。其中前哨探測節(jié)點為網絡的最底層，由若干個FFD和RFD分為多個節(jié)點簇，F(xiàn)FD節(jié)點也就是父節(jié)點（主節(jié)點），主要是發(fā)揮路由加探測目標信息的作用；RFD節(jié)點為子節(jié)點，只用于探測感知目標信息。匯聚節(jié)點也就是整個偵察系統(tǒng)的協(xié)調器，通常只有一個匯聚節(jié)點。任務管理節(jié)點相當于一個小的指揮所，它負責將傳輸回來的信息進行接收和分析處理。

3.1.2 系統(tǒng)各節(jié)點的功能

前哨探測節(jié)點的主要功能分為兩種情況：對于子節(jié)點RFD設備來說，它的主要任務就是通過自身攜帶的紅外、振動、聲音或是磁敏傳感器采集進入監(jiān)控區(qū)域的目標信息，包括目標的性質、數(shù)量、位置和運動方向等，將數(shù)據(jù)進行壓縮處理后通過父節(jié)點傳輸至匯聚節(jié)點。對于父節(jié)點FFD設備來說，它是若干前哨探測節(jié)點的核心，也就是某個節(jié)點簇的簇首，主要起數(shù)據(jù)路由轉發(fā)的作用，因為距離的原因，RFD設備的前哨探測節(jié)點通常不能直接將數(shù)據(jù)傳輸至匯聚節(jié)點，所以須經過父節(jié)點進行轉發(fā)。同時，父節(jié)點還具有數(shù)據(jù)融合處理和壓縮存儲的功能，可以將節(jié)點簇內多個節(jié)點發(fā)來的信息進行甄別，重復的就進行融合壓縮，而不需要將每個節(jié)點發(fā)來的信息都傳輸至匯聚節(jié)點。

圖2 地面?zhèn)鞲袀刹煜到y(tǒng)網絡結構

中繼匯聚節(jié)點主要負責將探測節(jié)點傳輸過來的信息進一步融合處理后發(fā)送至任務管理節(jié)點，它與任務管理節(jié)點之間的通信依靠外部網絡。所以，中繼匯聚節(jié)點相當于一個橋梁紐帶，它可以實現(xiàn)無線傳感器網絡和外部網絡兩種網絡通信協(xié)議的轉換，既可以將任務管理節(jié)點的指令通過各個父節(jié)點傳達至網內的每個探測節(jié)點，也可以將前哨探測節(jié)點偵測到的信息實時反饋到任務管理節(jié)點。

任務管理節(jié)點主要的任務是將監(jiān)控偵察到的信息進行接收，并通過信息處理分析后形成報告，以便對該區(qū)域采取相應的措施。

3.2 拓撲結構及路由協(xié)議

本文選擇分簇（混合）型網絡拓撲結構，分簇（混合）型網兼具星型網的簡潔低功耗以及網型網的長距離傳輸?shù)葍?yōu)點。它既可以滿足基于ZigBee的地面?zhèn)鞲袀刹煜到y(tǒng)低功耗的需求，又可以實現(xiàn)在任務區(qū)域內大范圍的布設多個探測節(jié)點的網絡部署任務。

對于分簇（混合）型網絡拓撲結構，隨著ZigBee技術的不斷發(fā)展，其路由算法也在不斷改進，除了采用Cluster tree算法和AODVjr算法外，已經有研究人員結合兩種算法的優(yōu)點，提出了優(yōu)化后的算法。本文提出的是一種基于最小跳數(shù)的分簇路由算法。主要是將分簇技術引入ZigBee網絡，簇與簇之間采用AODVjr算法進行路由選擇及數(shù)據(jù)傳輸，簇內則選擇Cluster tree算法直接進行數(shù)據(jù)傳輸。該算法不僅可以使整個傳感偵察系統(tǒng)在運行時選擇最佳路徑傳輸，而且網絡內的諸多前哨探測節(jié)點只采用Cluster tree算法，從而極大地降低了整個傳感偵察系統(tǒng)的能耗。同時，為了防止出現(xiàn)簇首路由節(jié)點負荷消耗過大而失效的情況，該算法還專門設置了備用節(jié)點。

4 網絡仿真

OPNET 14.5版本支持三種ZigBee節(jié)點：協(xié)調器（Coordinator）、路由器（Router）和終端設備（End_device），我們系統(tǒng)設計中的匯聚節(jié)點就擔任協(xié)調器的角色，前哨探測節(jié)點中的父節(jié)點和子節(jié)點分別由路由器和終端設備來擔任。

4.1 地面?zhèn)鞲袀刹煜到y(tǒng)穩(wěn)定性仿真

接下來主要通過對端到端的時延（ETE）及數(shù)據(jù)量（Data Traffic Rcvd/Sent）來評測其穩(wěn)定性。

可在2 km×2 km的范圍內，構建一個office環(huán)境下的ZigBee模型，包括1個網絡協(xié)調器、2個路由節(jié)點和2個終端節(jié)點，如圖3所示。

圖3 單個系統(tǒng)網絡拓撲模型

網絡拓撲模型構建好后，再對其參數(shù)進行設置。協(xié)調器的網絡PAN ID固定為1，兩個終端節(jié)點的目的地址設為Coordinator。統(tǒng)計量主要包括兩個終端節(jié)點發(fā)送的業(yè)務量、目的節(jié)點接收數(shù)據(jù)以及端到端的延遲等信息。

運行仿真1個小時后，如圖4所示，顯示了在1個小時內Coordinator、 Router1、Router2、End_device1和End_device2的數(shù)據(jù)流量。Coordinator的數(shù)據(jù)流量恰好是Router1和Router2的總和，也是End_device1和End_device2的總和。說明沒有丟包，而且網絡進入穩(wěn)定狀態(tài)后，數(shù)據(jù)收發(fā)非常穩(wěn)定。

圖4 網絡中5個節(jié)點的數(shù)據(jù)流量圖

圖5所示是路由及終端節(jié)點到協(xié)調器延遲的即時分布。從圖上可以看出，在Coordinator發(fā)起和創(chuàng)建網絡后，Router1比其它節(jié)點要較晚接入網絡，Router1到End_device2的時延在0.018秒左右，其余3個節(jié)點端到端的時延基本在0.012秒左右。這是因為多跳的原因，End_device2等節(jié)點到Coordinator要經過Router1的轉發(fā)。但總體來看，兩種時延非常小，對研究地面?zhèn)鞲袀刹煜到y(tǒng)的穩(wěn)定性不造成影響。

4.2 地面?zhèn)鞲袀刹煜到y(tǒng)容錯性仿真

接下來我們仿真的場景是網絡中某些節(jié)點失效或損壞，以驗證其它節(jié)點能不能通過重啟發(fā)現(xiàn)路由來重新組網。圖6所示是在2 km×2 km的范圍內，構建一個office環(huán)境下的ZigBee網絡模型，它設置1個協(xié)調器Coordinator發(fā)起和創(chuàng)建網絡，隨機設置10個路由節(jié)點Router，2個終端設備節(jié)點End_device。

圖5路由及終端節(jié)點到 圖6隨機設置的ZigBee

協(xié)調器的延遲（As Is） 網絡模型

將各個節(jié)點和收集統(tǒng)計量配置完畢后，開始仿真，仿真持續(xù)時間30分鐘后，將仿真后的數(shù)據(jù)流向情況可視化如圖7所示。當網絡趨于穩(wěn)定后，多余的節(jié)點將進入休眠狀態(tài)，其它工作節(jié)點的數(shù)據(jù)流向如圖8所示。綜合兩幅圖可以看出，在協(xié)調器Coordinator發(fā)起和創(chuàng)建網絡后，10個路由節(jié)點Router和2個終端設備節(jié)點End_device均順利加入了網絡，趨于穩(wěn)定后，根據(jù)基于最小跳數(shù)分簇路由協(xié)議，ZigBee網絡協(xié)調器選擇了最短最快的路徑將數(shù)據(jù)傳輸至終端節(jié)點。End_device1是通過Router4來接收Coordinator發(fā)出的數(shù)據(jù)，End_device2是通過Router7來接收Coordinator發(fā)出的數(shù)據(jù)。

圖7節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸過程示意圖 圖8基于最小跳數(shù)分簇路由協(xié)

議網絡節(jié)點數(shù)據(jù)鏈路圖

End_device1、End_device2與Coordinator的數(shù)據(jù)流量為圖9所示，趨于穩(wěn)定后，Coordinator收到的數(shù)據(jù)為3000b/s，End_device1和End_device2均為1 000 b/s。End_device1、End_device2到Coordinator的ETE圖見圖10。時延基本在0.016 s左右，對系統(tǒng)運行不構成影響。

圖9 兩個終端節(jié)點與 圖10 兩個終端節(jié)點

協(xié)調器的數(shù)據(jù)流量圖 到協(xié)調器的ETE

接下來，我們隨機設置的10個路由節(jié)點Router中的5個停止工作（假定其失效或損壞），如圖11所示，紅色的叉表示該節(jié)點已經停止工作，而后重新仿真，驗證系統(tǒng)的容錯性。重新仿真30分鐘，仿真后將節(jié)點連接情況可視化，如圖12所示。

圖11 部分節(jié)點停止工作情況 圖12 部分節(jié)點停止工作

下網絡拓撲圖 情況下網絡數(shù)據(jù)鏈路圖

由以上可以看出，除了停止工作的5個Router節(jié)點外，其余Router節(jié)點和兩個End_device節(jié)點均已加入到Coordinator發(fā)起和創(chuàng)建的網絡。網絡運行趨于穩(wěn)定后，根據(jù)基于最小跳數(shù)分簇路由協(xié)議，如圖13所示，Coordinator選擇了最佳路徑將數(shù)據(jù)傳至End_device，其它節(jié)點可以休眠，以節(jié)省能耗。

圖13 基于最小跳數(shù)分簇路由協(xié)議網絡節(jié)點數(shù)據(jù)鏈路圖

圖14所示為End_device1、End_device2與Coordinator的數(shù)據(jù)流量圖，圖15為End_device1、End_device2到Coordinator的即時時延分布圖。

圖14 協(xié)調器與終端設備 圖15 終端設備節(jié)點到協(xié)調器

節(jié)點數(shù)據(jù)流量圖 的即時時延分布圖

綜合上面兩幅圖與節(jié)點未減少之前相比，終端設備節(jié)點的數(shù)據(jù)流量沒有發(fā)生變化，協(xié)調器接收的數(shù)據(jù)流量減少，這是因為路由節(jié)點減少了，協(xié)調器接收的總量自然就減少了。

通過仿真，我們可以看到，即使在網絡內部有部分路由節(jié)點停止工作的情況下，系統(tǒng)仍然能夠自我修復，自動重新組網，說明系統(tǒng)具有較好的容錯性和自我修復能力，適合在高寒山地的惡劣條件下使用。

5 結 語

本文結合工作實際，設計了基于ZigBee技術的一種地面?zhèn)鞲袀刹煜到y(tǒng)，重點研究了基于ZigBee的無線傳感器組網技術。系統(tǒng)采用分簇（混合）型拓撲結構，優(yōu)化了通信質量，擴展了偵察范圍；提出了一種基于最小跳數(shù)的分簇路由協(xié)議，提高了數(shù)據(jù)傳輸效率，同時大大節(jié)約了能耗。利用OPNET軟件，對高寒山地條件下的系統(tǒng)運行情況及地面?zhèn)鞲袀刹煜到y(tǒng)ZigBee組網的關鍵性能進行了仿真驗證，主要包括系統(tǒng)ZigBee網絡的穩(wěn)定性和容錯性。通過仿真，驗證了該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和自適應能力。

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