摘 要： 為了改善建筑物內(nèi)部照明控制網(wǎng)絡通信過程的實時性和可靠性，在分析ZigBee網(wǎng)絡層各項關鍵技術的基礎上，提出了基于ZigBee的建筑物照明網(wǎng)絡控制體系結構，并對每層的具體實現(xiàn)都做了詳細地說明。仿真證明該方案具有較高的分組成功率和低傳遞延時，實踐證明該方案能夠解決傳統(tǒng)方案布線困難的問題，實現(xiàn)對建筑物內(nèi)部照明進行遠程無線監(jiān)控。
??? 關鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡；ZigBee技術；智能建筑；照明控制
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?? 目前，隨著高校規(guī)模的不斷擴大，傳統(tǒng)的校園里建筑物內(nèi)部照明設備的用電問題越來越突出，不僅增加了管理維護費用，而且浪費大量電能。傳統(tǒng)的解決方法是聘用管理人員嚴格記錄、日夜輪回值班巡查以控制照明設備的使用情況。這種方法既浪費人力物力，可靠性也不高。隨著現(xiàn)代無線通信技術、計算機技術的高速發(fā)展，自動控制技術、傳感技術逐漸被廣泛地應用在工業(yè)上，為建筑物內(nèi)部照明設備的節(jié)電提供了一個新的方案。但是傳統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡會受到布線的限制，不能更加靈活準確地對室內(nèi)的溫度和人數(shù)進行測量，因此就需要運用新的無線網(wǎng)絡擺脫布線的限制。
1 ZigBee協(xié)議
ZigBee是一種新興的近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)數(shù)率、低成本的無線傳感器網(wǎng)絡技術[1]。它采用了OSI分層結構，MAC層和物理層采取了IEEE802.15.4協(xié)議，ZigBee聯(lián)盟增加了網(wǎng)絡層、會聚層和應用層，組成了ZigBee協(xié)議。ZigBee協(xié)議支持星形、樹形和網(wǎng)狀等網(wǎng)絡拓撲結構，其總線容量：子網(wǎng)254個節(jié)點；主網(wǎng)65 000個節(jié)點。ZigBee的傳輸速率：2.4 GHz時為16信道，250 Kb/s；915 MHz時為10信道，40 Kb/s；815 MHz時為1信道，20 Kb/s。ZigBee的通信協(xié)議為IEEE802.15.4。ZigBee的作用距離為1～100 m。ZigBee的物理層采用了直接序列擴頻(DSSS)技術，工作在免申請的ISM頻段，在2．4 GHz頻段，采用0-QPSK調(diào)制方式：在915 MHz和869 MHz頻段，采用BPSK調(diào)制。MAC層采用了CSMA—CA的碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。
ZigBee協(xié)議定義了以下3種設備：全功能設備(FFD)、精簡功能設備(RFD)和網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器設備[2]。網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器實際上是FFD設備的一種，只是擁有更多的計算能力和系統(tǒng)資源；RFD在網(wǎng)絡中通常作終端設備，僅通過簡單的8位微處理器和4 KB的系統(tǒng)資源就能完成其協(xié)議功能，但RFD相互之間不能直接通信，只能與FFD設備和協(xié)調(diào)器通信。FFD設備可以擔任網(wǎng)絡協(xié)調(diào)者，形成網(wǎng)絡，并讓其他的FFD或RFD裝置連接，具備控制器的功能[3]。
2 照明控制網(wǎng)絡的體系結構
2.1 網(wǎng)絡結構總體設計
網(wǎng)絡控制體系結構主要解決的是被測數(shù)據(jù)的無線高效傳輸和整個通信網(wǎng)絡的能量分配問題。教學樓的空間比較廣大，為了更好地覆蓋較廣的范圍，減少整個網(wǎng)絡的功耗，保證網(wǎng)絡中各節(jié)點的壽命，整個網(wǎng)絡采用多層分簇(Cluster-Tree)結構，系統(tǒng)的整體布局如圖1(a)所示。網(wǎng)絡中的節(jié)點按照距離的遠近劃分成簇，每個簇由相互靠近的節(jié)點組成。對網(wǎng)絡中節(jié)點能源的限制隨著其所在網(wǎng)絡層等級的降低而逐步增加。最底層的節(jié)點采用小功耗(如電池供電)、傳輸距離近的節(jié)點完成對目標的檢測，網(wǎng)絡中處于簇首位置的節(jié)點則沒有能量限制。整個網(wǎng)絡的管理中心在教學樓的入口處，有一個無線網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)器(PAN Coord)，PAN Coord通過串口和監(jiān)控中心的PC機連接組成中央控制單元，與PC機進行數(shù)據(jù)交換，對采集到的數(shù)據(jù)進行處理并根據(jù)檢測結果完成對整個網(wǎng)絡的控制。網(wǎng)絡中的其他節(jié)點都直接或間接的把數(shù)據(jù)傳送到中央控制單元的ZigBee協(xié)調(diào)器，數(shù)據(jù)最終由PC機存儲和處理。在每個教室里，都會有兩個處于最底層的終端節(jié)點(ED)與光線/人數(shù)采集設備相連，這些節(jié)點主要負責采集相應教室的數(shù)據(jù)并分析， 或者根據(jù)中央控制單元的要求， 對相應教室的燈光進行控制。每層的走廊里按一定距離布置多個沒有能量限制的FFD節(jié)點，如圖1(b)所示。這些節(jié)點將作為簇首節(jié)點把它周圍的ED節(jié)點劃入自己的簇中，并負責這些節(jié)點的數(shù)據(jù)采集以及上層節(jié)點對這些節(jié)點的控制。每層的FFD節(jié)點同屬于一個簇，供上一層FFD節(jié)點控制。FFD將采集到的數(shù)據(jù)收集完后逐層向上一層作為簇首的FFD節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)，最后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒肟刂茊卧?/FONT>
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2.2 網(wǎng)絡的組建
第一個進入PAN(Personal Area Network)具有協(xié)調(diào)能力且當前未加入任意網(wǎng)絡的節(jié)點可以發(fā)起建立ZigBee網(wǎng)絡，這個節(jié)點就是該網(wǎng)絡的PAN協(xié)調(diào)點。PAN協(xié)調(diào)點首先進行信道掃描，選擇一個未探測到網(wǎng)絡的空閑信道，然后確定自己的16 bit網(wǎng)絡地址、網(wǎng)絡的PAN ID、網(wǎng)絡的拓撲參數(shù)等。當各項參數(shù)選定后，PAN協(xié)調(diào)點便可以接受其他節(jié)點為子節(jié)點。
當一個未加入網(wǎng)絡的節(jié)點A想要加入PAN時，便向網(wǎng)絡中的節(jié)點發(fā)送關聯(lián)請求，收到關聯(lián)請求的節(jié)點如果有能力接受節(jié)點A為其子節(jié)點，就為節(jié)點A分配一個網(wǎng)絡中唯一的16 bit網(wǎng)絡地址，并發(fā)出關聯(lián)應答，收到關聯(lián)應答后，節(jié)點A成功加入網(wǎng)絡，并可以接受其他節(jié)點的關聯(lián)。一個節(jié)點是否具有接受其他節(jié)點與其關聯(lián)的能力，主要取決于此節(jié)點可利用的資源，如存儲空間、能量等。如果網(wǎng)絡中的節(jié)點想要離開網(wǎng)絡，同樣可以向其父節(jié)點發(fā)送解除關聯(lián)的請求，收到父節(jié)點的解除關聯(lián)應答后，便可以成功離開網(wǎng)絡，但如果此節(jié)點有一個或多個子節(jié)點，在其離開網(wǎng)絡之前，首先要解除所有子節(jié)點與自己的關聯(lián)。
節(jié)點進入網(wǎng)絡之后就進入系統(tǒng)睡眠狀態(tài)以降低功耗。當有外部中斷產(chǎn)生(串口中斷或者接收中斷)時，節(jié)點會從睡眠狀態(tài)中喚醒，再根據(jù)中斷的類型執(zhí)行相應的操作。完成具體的操作之后節(jié)點會重新回到睡眠狀態(tài)，等待新的中斷喚醒。當網(wǎng)絡中某一個節(jié)點死亡(斷電等原因引起)或超出任何一個節(jié)點的通信范圍時，可通過網(wǎng)絡刷新檢查該節(jié)點的狀態(tài)，有兩種刷新方式供選擇：立即刷新、定時刷新(可設置定時刷新時間)。
2.3 網(wǎng)絡地址分配機制
加入ZigBee網(wǎng)絡的節(jié)點通過MAC層提供的關聯(lián)過程組成一棵邏輯樹，當網(wǎng)絡中的節(jié)點允許一個新節(jié)點通過它加入網(wǎng)絡時，它們之間就形成了父子關系，每個進入網(wǎng)絡的節(jié)點都會得到父節(jié)點為其分配的一個在網(wǎng)絡中唯一的l6 bit網(wǎng)絡地址，分配機制如下。
規(guī)定每個父節(jié)點最多可以連接Cm個子節(jié)點，這些子節(jié)點中最多可以有Rm個路由節(jié)點，網(wǎng)絡的最大深度為Lm，Cskip(d)是網(wǎng)絡深度為d的父節(jié)點為其子節(jié)點分配的地址之間的偏移量，它的值可按如下公式計算：
當一個路由節(jié)點的Cskip(d)為0時，就不再具備為子節(jié)點分配地址的能力，即就不能夠再使別的節(jié)點通過它加入網(wǎng)絡；如果一個路由節(jié)點的Cskip(d)大于0，則可以接受其他節(jié)點為它的子節(jié)點，并為其子節(jié)點分配網(wǎng)絡地址。它會為第一個與它關聯(lián)的路由節(jié)點分配比自己大1的地址，之后與之關聯(lián)的路由節(jié)點的地址之間都相隔偏移量Cskip(d)。每個父節(jié)點最多可以分配Rm個這樣的地址。為終端節(jié)點分配地址與為路由節(jié)點分配地址不同，假設父節(jié)點的地址為Aparent，則第n個與之關聯(lián)的終端子節(jié)點地址為An：
2.4 網(wǎng)絡中使用的數(shù)據(jù)幀
網(wǎng)絡中使用的數(shù)據(jù)幀結構如表1所示。當有子節(jié)點加入網(wǎng)絡，數(shù)據(jù)幀的子節(jié)點加入網(wǎng)絡字段填1，后面四個字節(jié)描述加入節(jié)點的網(wǎng)絡號和簡單描述。若沒有子節(jié)點加入，加入網(wǎng)絡字段填寫0，后面直接填寫子節(jié)點離開網(wǎng)絡字段。子節(jié)點離開網(wǎng)絡字段的含義和子節(jié)點加入網(wǎng)絡字段的含義一樣。光照和人數(shù)信息各占一個字節(jié)。這樣組織的數(shù)據(jù)幀，每次只能報告一個節(jié)點的加入和離開網(wǎng)絡的信息，幀結構穩(wěn)定，數(shù)據(jù)的組織和處理比較簡單。
2.5 網(wǎng)絡性能分析
在網(wǎng)絡仿真軟件NS-2-2.33中對一個采用本網(wǎng)絡體系結構包含50個節(jié)點的簡化ZigBee網(wǎng)絡進行了仿真[5]，仿真時間為500 s，采用CBR(Continuous Bit Rate)業(yè)務源，分組大小為70 B，Cluster-Tree參數(shù)為：Rm=5，Cm=20，Lm=4，不同的CBR數(shù)據(jù)流個數(shù)下的網(wǎng)絡的平均延時情況如圖2(a)所示，不同發(fā)包率下網(wǎng)絡的分組成功率情況如圖2(b)所示。
從圖2(a)中可以看出隨著CBR數(shù)據(jù)流個數(shù)的增加，Cluster-Tree的平均端到端時延略高于0.05 s，能夠很好地實現(xiàn)實時控制。方案中使用的Cluster-Tree算法只能按照父子關系傳輸分組，深度較低的節(jié)點往往需要處理比深度較高節(jié)點更多的分組，在MAC層產(chǎn)生碰撞的概率相對較大，導致MAC層丟包率相對較高，通過圖2(b)可以看出不同的發(fā)包速率下該方案的分組成功率基本能夠保證在0.995～0.998之間，完全能夠滿足對照明設備控制的需要。由于Cluster-Tree算法不需要發(fā)送控制分組，因而它的控制開銷為0，降低網(wǎng)絡的功耗。
3 ZigBee節(jié)點的硬件實現(xiàn)
無線傳輸網(wǎng)絡采用Chipcon公司的片上系統(tǒng)CC2430，它集成了CC2420 RF收發(fā)器、增強工業(yè)標準的8051 MCU、128 KB閃存、8 KB SRAM等高性能模塊，并內(nèi)置了ZigBee協(xié)議棧。ZigBee節(jié)點的電流消耗小，當微控制器內(nèi)核運行在32 MHz時，RX為27mA，TX為25mA，在掉電方式下，電流消耗只有0.9 μA，外部中斷或者實時時鐘能喚醒系統(tǒng)；在掛起方式下，電流消耗小于0.6 μA，外部中斷能喚醒系統(tǒng)。它采用QLP-48封裝，尺寸僅有7 mm×7 mm，只需極少的外接元件就可以正常工作。節(jié)點尺寸只有30 mm×29 mm。受到物流中心現(xiàn)場情況的限制，處于上層的PAN Coord節(jié)點和FFD節(jié)點采用穩(wěn)定能源供電，沒有能量限制。而處于底層的終端節(jié)點則由電池供電。整個網(wǎng)絡中的節(jié)點只在查詢和控制教室照明狀態(tài)時傳送少量信息，減少了整個網(wǎng)絡的能量消耗。終端節(jié)點的結構如圖3所示。
本文介紹了基于ZigBee的建筑物照明網(wǎng)絡控制體系結構，并對每層的具體實現(xiàn)都做了詳細說明。仿真證明該方案具有較高的分組成功率和較低的傳遞延時，控制開銷極低。實踐證明系統(tǒng)的功耗很小，ED節(jié)點采用電池供電，在睡眠-喚醒模式下工作可以維持一年多的時間。隨著無線傳感器網(wǎng)絡市場的進一步發(fā)展，ZigBee技術因其低成本、低功耗、自動組網(wǎng)、應用簡單等特征，將逐漸成為主流技術標準，獲得越來越廣闊的發(fā)展空間。
參考文獻
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