任珍文，石繁榮

(1.西南科技大學(xué)國防科技學(xué)院，四川 綿陽 621010；2.西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川 綿陽 621010)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇梢暬佻F(xiàn)算法研究

任珍文1，石繁榮2

(1.西南科技大學(xué)國防科技學(xué)院，四川 綿陽 621010；2.西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川 綿陽 621010)

基于ZigBee的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)性能分析、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署、節(jié)點(diǎn)壓力測(cè)試、安全監(jiān)控等方面起著重要作用。但是在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可視化時(shí)，由于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D可視化模型會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)覆蓋、邊交叉和圖形擁塞，導(dǎo)致算法復(fù)雜度高、耗時(shí)陡增，影響可視化效果。為了解決以上問題，并滿足實(shí)時(shí)在線顯示需求，提出了一種基于坐標(biāo)變換-虛擬節(jié)點(diǎn)模型的ZigBee Tree-Star型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可視化再現(xiàn)算法。該算法能夠自適應(yīng)節(jié)點(diǎn)變化。在節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少時(shí)，層次算法模型對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行布局規(guī)劃；當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多時(shí)，虛擬節(jié)點(diǎn)模型對(duì)布局進(jìn)行擴(kuò)展延伸。該算法對(duì)ZigBee網(wǎng)絡(luò)管理具有較高的參考價(jià)值。試驗(yàn)表明，該算法所需時(shí)間復(fù)雜度與空間復(fù)雜度低，可解決大量邊交叉導(dǎo)致的布局混亂問題，并能適應(yīng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)可視化需求。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)； 物聯(lián)網(wǎng)； ZigBee； 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌?虛擬節(jié)點(diǎn)； 可視化； 網(wǎng)絡(luò)仿真

0 引言

將網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可視化再現(xiàn)用于遠(yuǎn)程監(jiān)視或復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)測(cè)控，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。該方法具有最大限度保證監(jiān)控區(qū)域安全、提高管控效率與降低成本、迅速定位異常位置等優(yōu)點(diǎn)。

在拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法中，大都采用Internet 控制報(bào)文協(xié)議(Internet control message protocal,ICMP)或底層鏈路協(xié)議發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備的互聯(lián)關(guān)系[1-2]。目前，ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的有效網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可視化再現(xiàn)算法仍然較少，常見的有復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)社區(qū)劃分模型、Kamada和Kawai提出的能量模型(KK模型)、DH Kim布局算法(DH模型)、Fruchterman和Reingold提出的彈力模型(FR算法)[3]。這些算法能適用于芯片布線、集成器件排列等應(yīng)用場(chǎng)景，但具有算法復(fù)雜、耗時(shí)長、拓?fù)渚€交叉等缺點(diǎn)，應(yīng)用于ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋄4]實(shí)時(shí)可視化再現(xiàn)的效果不太理想。

本文提出了基于坐標(biāo)變換的ZigBee Tree-Star型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可視化再現(xiàn)算法，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化，并進(jìn)行可視化建模；提出的虛擬父節(jié)點(diǎn)模型，解決了繪圖界面擁擠、無序、交叉等問題。

1 拓?fù)湫畔⒉杉?/h2>

1.1 ZigBee節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)

ZigBee協(xié)議棧是ZigBee協(xié)議的具體實(shí)現(xiàn)，采用分層模型并定義相關(guān)協(xié)議層。ZigBee協(xié)議由應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層構(gòu)成[5]。

ZigBee節(jié)點(diǎn)一般可分為3種類型：ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee路由器和ZigBee終端。1個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)只能有1個(gè)協(xié)調(diào)器，但可以有多個(gè)路由器和終端。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)組建、管理和控制1個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，并收集信息；路由器能夠路由并采集信息；終端只能采集信息。ZigBee協(xié)調(diào)器和路由器可稱為全功能設(shè)備(full function device,FFD)，ZigBee終端也可稱為簡化功能設(shè)備(reduced function device,RFD)[6]。

ZigBee無線傳感器網(wǎng)由多個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)通過無線信道互聯(lián)而成。它支持星型、樹狀和網(wǎng)狀這3種類型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中，星型與樹型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較為常用[6-7]。

1.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒉杉?/h3>

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)構(gòu)建，需要及時(shí)獲取父子節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。在ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，除了協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)外，其他節(jié)點(diǎn)都有父節(jié)點(diǎn)。所有節(jié)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)信息在其上線時(shí)都將通過無線方式主動(dòng)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，并由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過串口轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī)，最后由上位機(jī)提取有效的關(guān)聯(lián)信息來動(dòng)態(tài)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖[8-9]。

ZigBee節(jié)點(diǎn)上電后會(huì)自主尋找并加入網(wǎng)絡(luò)。某些節(jié)點(diǎn)可能由于傳輸距離﹑環(huán)境影響等因素而失去連接。因此，需要針對(duì)節(jié)點(diǎn)上線和下線分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。在子節(jié)點(diǎn)上線時(shí)，除了協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)以外的節(jié)點(diǎn)都會(huì)上傳16位的父節(jié)點(diǎn)短地址信息到遠(yuǎn)程控制臺(tái)，以通知某父節(jié)點(diǎn)其子節(jié)點(diǎn)上線；在子節(jié)點(diǎn)下線時(shí)，則由該子節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)上傳該下線節(jié)點(diǎn)的信息。數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)圖

Fig.1 Structure of data frame

2 虛擬節(jié)點(diǎn)拓?fù)湓佻F(xiàn)算法

本文以二維坐標(biāo)變換為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種ZigBee Tree-Star型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可視化再現(xiàn)算法，并依托坐標(biāo)變換，提出了該算法模型。

2.1 坐標(biāo)變換模型

設(shè)η1,η2,…,ηk和ζ1,ζ2,…，ζk均為V的基，并設(shè)ζi在η1,η2,…,ηk中的坐標(biāo)為(c1i,c2i,…,cki)，則有如下矩陣C：

(1)

式中：C為從η1,η2,…,ηk到ζ1,ζ2,…,ζk的過渡矩陣。這2個(gè)基之間的關(guān)系為：

(ζ1,ζ2,…,ζk)=(η1,η2,…,ηk)C

(2)

由式(2)可得:

α=(η1,η2,…,ηk)x=(ζ1,ζ2,…,ζk)y=

(η1,η2,…,ηk)Cy

(3)

式中：x為V中向量a在η1,η2,…,ηk中的坐標(biāo)；y為V中向量a在ζ1,ζ2,…,ζk中的坐標(biāo)。

由式(2)、式(3)可得如下坐標(biāo)變換：

(4)

在二維坐標(biāo)系中，C可被看作是坐標(biāo)繞z軸旋轉(zhuǎn)θ后的結(jié)果。設(shè)(a,b,0)為ζ1,ζ2,…,ζk中的坐標(biāo)。在基坐標(biāo)系(通常以繪圖窗口作為基準(zhǔn))下，假設(shè)父節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為(pX,pY)，子節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為(cX,cY)，父子坐標(biāo)連線與父親坐標(biāo)軸夾角為θ，則有：

(5)

式中：(cInPX,cInPY,φ)為子節(jié)點(diǎn)在父節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。

2.2 層次節(jié)點(diǎn)模型建立

在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器用M表示；路由節(jié)點(diǎn)用Rk1表示，k1∈N+，k1≤65 534；終端節(jié)點(diǎn)用Ek2表示,k2∈N+，k2≥65 534,k1+k2≤65 535。

繪圖時(shí)，規(guī)劃每個(gè)父節(jié)點(diǎn)下第一層可以掛載的子節(jié)點(diǎn)數(shù)。父節(jié)點(diǎn)A與其第一層子節(jié)點(diǎn)B連線長度為Rk。B又作為其他節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)，其子節(jié)點(diǎn)第一層連線長度為Rk+1。父、子節(jié)點(diǎn)區(qū)域覆蓋關(guān)系如圖2所示。

圖2 父、子節(jié)點(diǎn)區(qū)域覆蓋關(guān)系圖

2.3 層次節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)模型

在ZigBee Tree-Star網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)聯(lián)的最小單位是互為父子關(guān)系的2個(gè)節(jié)點(diǎn)，除終端節(jié)點(diǎn)外的其他節(jié)點(diǎn)都可能是父節(jié)點(diǎn)，除協(xié)調(diào)器外的其他節(jié)點(diǎn)都可能有父節(jié)點(diǎn)。假設(shè)節(jié)點(diǎn)B為節(jié)點(diǎn)A的子節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)A坐標(biāo)為(xa,ya)，節(jié)點(diǎn)B坐標(biāo)為(xb,yb)，且假設(shè)(xa,ya)、(xb,yb)為已知。在此算法中，子節(jié)點(diǎn)以父節(jié)點(diǎn)為圓心，在其外部按照層次結(jié)構(gòu)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)擴(kuò)張，兩者相對(duì)關(guān)系如圖3所示。

圖3(a)描述了父、子節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)比為1∶1的位置關(guān)系，這是最小的單元。在實(shí)際ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，1個(gè)父節(jié)點(diǎn)可能與多個(gè)子節(jié)點(diǎn)交互，可能是如圖3(b)所示的1∶4關(guān)系。尤其對(duì)于ZigBee協(xié)調(diào)器，其不僅是網(wǎng)絡(luò)的建立者，而且是每個(gè)加入網(wǎng)絡(luò)的ZigBee節(jié)點(diǎn)在搜尋可用網(wǎng)絡(luò)時(shí)的首選接入點(diǎn)。故1個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器可以有多個(gè)子節(jié)點(diǎn)(路由器或者終端)。在此算法中，為了避免網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)線交叉，采用了以父節(jié)點(diǎn)為圓心、其他節(jié)點(diǎn)圍繞圓心按照2.1節(jié)計(jì)算得出的θ作為旋轉(zhuǎn)角度依次排列的結(jié)構(gòu)，即圖3(b)所示的子節(jié)點(diǎn)在父節(jié)點(diǎn)周圍分布規(guī)律。

圖3 父、子節(jié)點(diǎn)關(guān)系圖

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)層次加深時(shí)，3層(網(wǎng)絡(luò)深度為3)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 三層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

設(shè)O(0,0)為ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對(duì)于繪圖窗口的基坐標(biāo)系原點(diǎn)，則節(jié)點(diǎn)B、節(jié)點(diǎn)C在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的坐標(biāo)分別為B(xb,yb)、C(xc,yc)。節(jié)點(diǎn)B坐標(biāo)為：

(6)

式中：R1為節(jié)點(diǎn)B到原點(diǎn)的距離；θ1為節(jié)點(diǎn)B到原點(diǎn)連線與x軸夾角。

(7)

式中：R2為節(jié)點(diǎn)B到節(jié)點(diǎn)C的距離；θ2為節(jié)點(diǎn)B到節(jié)點(diǎn)C連線與節(jié)點(diǎn)B到原點(diǎn)連線的夾角。

相對(duì)于基坐標(biāo)系，由式(5)～式(7)，可得C(xc,yc)的坐標(biāo)為：

(8)

式中：θ′為θ2與θ1之差。

由以上推導(dǎo)，可得2個(gè)互為父子關(guān)系以及互為爺孫關(guān)系節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)關(guān)系。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，所有節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系都可以通過這2種坐標(biāo)關(guān)系來計(jì)算。

2.4 虛擬節(jié)點(diǎn)模型

根據(jù)2.3節(jié)中描述的節(jié)點(diǎn)層次關(guān)系，將每一層節(jié)點(diǎn)數(shù)限制為8個(gè)。繪圖時(shí)，1個(gè)父節(jié)點(diǎn)下最多可以有8個(gè)子節(jié)點(diǎn)。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，父子節(jié)點(diǎn)的比例關(guān)系可能大于1∶8。本文提出了一種虛擬節(jié)點(diǎn)模型，即虛擬化父節(jié)點(diǎn)算法，解決了因繪圖界面子節(jié)點(diǎn)過多而導(dǎo)致的擁擠無序。

圖5 子節(jié)點(diǎn)分布圖

通過虛擬化父節(jié)點(diǎn)算法，1個(gè)父節(jié)點(diǎn)可以支持的1層子節(jié)點(diǎn)為7×8個(gè)。若繼續(xù)虛擬父節(jié)點(diǎn)，則子節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)可以無限擴(kuò)展。

圖6 虛擬化父節(jié)點(diǎn)示意圖

3 拓?fù)淇梢暬惴▽?shí)現(xiàn)

3.1 算法實(shí)現(xiàn)

為了對(duì)節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)信息進(jìn)行描述，采用結(jié)構(gòu)體NodeRelation作為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、macAddr作為每個(gè)節(jié)點(diǎn)的唯一的身份識(shí)別號(hào)碼。當(dāng)子節(jié)點(diǎn)上線時(shí)，子節(jié)點(diǎn)需要置parentAddr，表明自己的父節(jié)點(diǎn)地址；當(dāng)子節(jié)點(diǎn)掉線時(shí)，父節(jié)點(diǎn)需要置lostChildAddr，表明子節(jié)點(diǎn)失去聯(lián)系。

本文算法對(duì)從串口模塊收取的信息進(jìn)行分析并解析?？傮w算法思想如下。以子節(jié)點(diǎn)作為遞歸更新拓?fù)湫畔⒌絑igBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁涞膮f(xié)調(diào)器根節(jié)點(diǎn)。若收到協(xié)調(diào)器上線信息，在繪圖窗口中構(gòu)造協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)并位于中心。若收到子節(jié)點(diǎn)上線的信息，根據(jù)parentAddr查找對(duì)應(yīng)的父節(jié)點(diǎn)索引，由其父節(jié)點(diǎn)出發(fā)，計(jì)算該子節(jié)點(diǎn)在繪圖窗口中的邏輯坐標(biāo)并繪圖。若收到子節(jié)點(diǎn)下線的信息，根據(jù)lostChildAddr查找到失去聯(lián)系的子節(jié)點(diǎn)的索引，在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中抹去該子節(jié)點(diǎn)記錄，同時(shí)在繪圖窗口中擦除該子節(jié)點(diǎn)。

用N表示節(jié)點(diǎn)數(shù)量，該算法需要對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行3次遍歷，因此算法時(shí)間復(fù)雜度為O(N)。在計(jì)算過程中需要保存N個(gè)節(jié)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)信息，因此該算法的空間復(fù)雜度為S(N)。

3.2 試驗(yàn)測(cè)試效果

前期開發(fā)的基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測(cè)試平臺(tái)，采用ZigBee芯片CC2530，并自主設(shè)計(jì)傳感網(wǎng)絡(luò)硬件及其軟件；以計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與顯示；ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)收集傳感節(jié)點(diǎn)信息后，通過串口傳送至上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

試驗(yàn)環(huán)境包含了1個(gè)協(xié)調(diào)器、3個(gè)路由器和14個(gè)終端。當(dāng)所有節(jié)點(diǎn)上線時(shí)，該ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

由圖7可知，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了兩次虛擬化。當(dāng)有節(jié)點(diǎn)掉線時(shí)，繪圖窗口也能響應(yīng)并更新。通過試驗(yàn)，驗(yàn)證了該算法的有效性和可靠性。

理論分析表明，該算法針對(duì)ZigBee Tree-Star型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，具有優(yōu)秀的時(shí)間復(fù)雜度和空間復(fù)雜度，更有利于設(shè)備實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理。

4 結(jié)束語

ZigBee技術(shù)作為近距離應(yīng)用、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，有著廣闊的市場(chǎng)前景。為了更好地管理節(jié)點(diǎn)，發(fā)揮拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)性能分析研究、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署、節(jié)點(diǎn)壓力測(cè)試、安全測(cè)控等方面的重要作用，本文設(shè)計(jì)的ZigBee Tree-Star型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可視化再現(xiàn)算法，彌補(bǔ)了大規(guī)模節(jié)點(diǎn)在線時(shí)，拓?fù)淅L圖混亂與無序的不足，同時(shí)為客戶提供了生動(dòng)的可視化界面。試驗(yàn)測(cè)試表明，該算法高效、可靠，能動(dòng)態(tài)捕捉節(jié)點(diǎn)上下線。該算法不僅可以應(yīng)用于ZigBee協(xié)議，而且對(duì)于其他Tree-Star型網(wǎng)絡(luò)也有較高的參考價(jià)值。

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StudyontheZigBeeNetworkTopologyVisualizationReproductionAlgorithm

REN Zhenwen1,SHI Fanrong2

(1.School of National Defense Science and Technology，Southwest University of Science and Technology,Mianyang 621010,China;2.School of Information Engineering，Southwest University of Science and Technology,Mianyang 621010,China)

The network topology structure of ZigBee plays an important role in network performance analysis, network node deployment, node stress test and safety monitoring. Due to the large scale network , the point coverage, edge crossing and graphic congestion may occur in the visualization model of the network topology, thus the complexity and time consuming of algorithm would be increased, thus the effect of visualization is affected. To solve these problems and meet the real-time online display demand，a ZigBee Tree-Star WSN topologic visualization reproduction algorithm based on coordinate transformation virtual node model is proposed, which can adaptively change the nodes. The hierarchical algorithm models plan the layout of the nodes when the number of nodes is small. The virtual node model extends the layout when the number of nodes is large. This algorithm has also high reference value for ZigBee network management. Experiments show that this algorithm features less time and low spatial complexity, which can solve the problem of chaotic layout due to a large number of intersections, and adapt to the large-scale node online visualization requirements of ZigBee network.

WSN； Internet of things； ZigBee； Network topology； Virtual node； Visualization； Network simulation

修改稿收到日期:2017-07-13

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61601383、41604088、41604153)、國家重大科研儀器設(shè)備研制專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(41227802)

任珍文(1987—)，男，碩士，講師，主要從事網(wǎng)絡(luò)控制、智能信息處理與軟件開發(fā)等方向的研究，E-mail:rzw@unix8.net

TH39；TP391.9

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201712020