摘 要： 為了改善建筑物內(nèi)部照明控制網(wǎng)絡(luò)通信過程的實(shí)時(shí)性和可靠性，在分析ZigBee網(wǎng)絡(luò)層各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了基于ZigBee的建筑物照明網(wǎng)絡(luò)控制體系結(jié)構(gòu)，并對每層的具體實(shí)現(xiàn)都做了詳細(xì)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(shí)，實(shí)踐證明該方案能夠解決傳統(tǒng)方案布線困難的問題，實(shí)現(xiàn)對建筑物內(nèi)部照明進(jìn)行遠(yuǎn)程無線監(jiān)控。
??? 關(guān)鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；ZigBee技術(shù)；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(kuò)大，傳統(tǒng)的校園里建筑物內(nèi)部照明設(shè)備的用電問題越來越突出，不僅增加了管理維護(hù)費(fèi)用，而且浪費(fèi)大量電能。傳統(tǒng)的解決方法是聘用管理人員嚴(yán)格記錄、日夜輪回值班巡查以控制照明設(shè)備的使用情況。這種方法既浪費(fèi)人力物力，可靠性也不高。隨著現(xiàn)代無線通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，自動控制技術(shù)、傳感技術(shù)逐漸被廣泛地應(yīng)用在工業(yè)上，為建筑物內(nèi)部照明設(shè)備的節(jié)電提供了一個(gè)新的方案。但是傳統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)會受到布線的限制，不能更加靈活準(zhǔn)確地對室內(nèi)的溫度和人數(shù)進(jìn)行測量，因此就需要運(yùn)用新的無線網(wǎng)絡(luò)擺脫布線的限制。
1 ZigBee協(xié)議
ZigBee是一種新興的近距離、低復(fù)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(luò)技術(shù)[1]。它采用了OSI分層結(jié)構(gòu)，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(luò)層、會聚層和應(yīng)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(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其總線容量：子網(wǎng)254個(gè)節(jié)點(diǎn)；主網(wǎng)65 000個(gè)節(jié)點(diǎn)。ZigBee的傳輸速率：2.4 GHz時(shí)為16信道，250 Kb/s；915 MHz時(shí)為10信道，40 Kb/s；815 MHz時(shí)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(kuò)頻(DSSS)技術(shù)，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(jī)制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競爭和沖突。
ZigBee協(xié)議定義了以下3種設(shè)備：全功能設(shè)備(FFD)、精簡功能設(shè)備(RFD)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器設(shè)備[2]。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器實(shí)際上是FFD設(shè)備的一種，只是擁有更多的計(jì)算能力和系統(tǒng)資源；RFD在網(wǎng)絡(luò)中通常作終端設(shè)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(shè)備和協(xié)調(diào)器通信。FFD設(shè)備可以擔(dān)任網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者，形成網(wǎng)絡(luò)，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(luò)的體系結(jié)構(gòu)
2.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)
網(wǎng)絡(luò)控制體系結(jié)構(gòu)主要解決的是被測數(shù)據(jù)的無線高效傳輸和整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的能量分配問題。教學(xué)樓的空間比較廣大，為了更好地覆蓋較廣的范圍，減少整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的功耗，保證網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的壽命，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)采用多層分簇(Cluster-Tree)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的整體布局如圖1(a)所示。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)按照距離的遠(yuǎn)近劃分成簇，每個(gè)簇由相互靠近的節(jié)點(diǎn)組成。對網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能源的限制隨著其所在網(wǎng)絡(luò)層等級的降低而逐步增加。最底層的節(jié)點(diǎn)采用小功耗(如電池供電)、傳輸距離近的節(jié)點(diǎn)完成對目標(biāo)的檢測，網(wǎng)絡(luò)中處于簇首位置的節(jié)點(diǎn)則沒有能量限制。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的管理中心在教學(xué)樓的入口處，有一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器(PAN Coord)，PAN Coord通過串口和監(jiān)控中心的PC機(jī)連接組成中央控制單元，與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并根據(jù)檢測結(jié)果完成對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的控制。網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)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(jī)存儲和處理。在每個(gè)教室里，都會有兩個(gè)處于最底層的終端節(jié)點(diǎn)(ED)與光線/人數(shù)采集設(shè)備相連，這些節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)采集相應(yīng)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(yīng)教室的燈光進(jìn)行控制。每層的走廊里按一定距離布置多個(gè)沒有能量限制的FFD節(jié)點(diǎn)，如圖1(b)所示。這些節(jié)點(diǎn)將作為簇首節(jié)點(diǎn)把它周圍的ED節(jié)點(diǎn)劃入自己的簇中，并負(fù)責(zé)這些節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集以及上層節(jié)點(diǎn)對這些節(jié)點(diǎn)的控制。每層的FFD節(jié)點(diǎn)同屬于一個(gè)簇，供上一層FFD節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(luò)的組建
第一個(gè)進(jìn)入PAN(Personal Area Network)具有協(xié)調(diào)能力且當(dāng)前未加入任意網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)可以發(fā)起建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)節(jié)點(diǎn)就是該網(wǎng)絡(luò)的PAN協(xié)調(diào)點(diǎn)。PAN協(xié)調(diào)點(diǎn)首先進(jìn)行信道掃描，選擇一個(gè)未探測到網(wǎng)絡(luò)的空閑信道，然后確定自己的16 bit網(wǎng)絡(luò)地址、網(wǎng)絡(luò)的PAN ID、網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋮?shù)等。當(dāng)各項(xiàng)參數(shù)選定后，PAN協(xié)調(diào)點(diǎn)便可以接受其他節(jié)點(diǎn)為子節(jié)點(diǎn)。
當(dāng)一個(gè)未加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)A想要加入PAN時(shí)，便向網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)發(fā)送關(guān)聯(lián)請求，收到關(guān)聯(lián)請求的節(jié)點(diǎn)如果有能力接受節(jié)點(diǎn)A為其子節(jié)點(diǎn)，就為節(jié)點(diǎn)A分配一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中唯一的16 bit網(wǎng)絡(luò)地址，并發(fā)出關(guān)聯(lián)應(yīng)答，收到關(guān)聯(lián)應(yīng)答后，節(jié)點(diǎn)A成功加入網(wǎng)絡(luò)，并可以接受其他節(jié)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)。一個(gè)節(jié)點(diǎn)是否具有接受其他節(jié)點(diǎn)與其關(guān)聯(lián)的能力，主要取決于此節(jié)點(diǎn)可利用的資源，如存儲空間、能量等。如果網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)想要離開網(wǎng)絡(luò)，同樣可以向其父節(jié)點(diǎn)發(fā)送解除關(guān)聯(lián)的請求，收到父節(jié)點(diǎn)的解除關(guān)聯(lián)應(yīng)答后，便可以成功離開網(wǎng)絡(luò)，但如果此節(jié)點(diǎn)有一個(gè)或多個(gè)子節(jié)點(diǎn)，在其離開網(wǎng)絡(luò)之前，首先要解除所有子節(jié)點(diǎn)與自己的關(guān)聯(lián)。
節(jié)點(diǎn)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)之后就進(jìn)入系統(tǒng)睡眠狀態(tài)以降低功耗。當(dāng)有外部中斷產(chǎn)生(串口中斷或者接收中斷)時(shí)，節(jié)點(diǎn)會從睡眠狀態(tài)中喚醒，再根據(jù)中斷的類型執(zhí)行相應(yīng)的操作。完成具體的操作之后節(jié)點(diǎn)會重新回到睡眠狀態(tài)，等待新的中斷喚醒。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中某一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡(斷電等原因引起)或超出任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信范圍時(shí)，可通過網(wǎng)絡(luò)刷新檢查該節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，有兩種刷新方式供選擇：立即刷新、定時(shí)刷新(可設(shè)置定時(shí)刷新時(shí)間)。
2.3 網(wǎng)絡(luò)地址分配機(jī)制
加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)通過MAC層提供的關(guān)聯(lián)過程組成一棵邏輯樹，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)允許一個(gè)新節(jié)點(diǎn)通過它加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，它們之間就形成了父子關(guān)系，每個(gè)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)都會得到父節(jié)點(diǎn)為其分配的一個(gè)在網(wǎng)絡(luò)中唯一的l6 bit網(wǎng)絡(luò)地址，分配機(jī)制如下。
規(guī)定每個(gè)父節(jié)點(diǎn)最多可以連接Cm個(gè)子節(jié)點(diǎn)，這些子節(jié)點(diǎn)中最多可以有Rm個(gè)路由節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)的最大深度為Lm，Cskip(d)是網(wǎng)絡(luò)深度為d的父節(jié)點(diǎn)為其子節(jié)點(diǎn)分配的地址之間的偏移量，它的值可按如下公式計(jì)算：
當(dāng)一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)的Cskip(d)為0時(shí)，就不再具備為子節(jié)點(diǎn)分配地址的能力，即就不能夠再使別的節(jié)點(diǎn)通過它加入網(wǎng)絡(luò)；如果一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)的Cskip(d)大于0，則可以接受其他節(jié)點(diǎn)為它的子節(jié)點(diǎn)，并為其子節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)地址。它會為第一個(gè)與它關(guān)聯(lián)的路由節(jié)點(diǎn)分配比自己大1的地址，之后與之關(guān)聯(lián)的路由節(jié)點(diǎn)的地址之間都相隔偏移量Cskip(d)。每個(gè)父節(jié)點(diǎn)最多可以分配Rm個(gè)這樣的地址。為終端節(jié)點(diǎn)分配地址與為路由節(jié)點(diǎn)分配地址不同，假設(shè)父節(jié)點(diǎn)的地址為Aparent，則第n個(gè)與之關(guān)聯(lián)的終端子節(jié)點(diǎn)地址為An：
2.4 網(wǎng)絡(luò)中使用的數(shù)據(jù)幀
網(wǎng)絡(luò)中使用的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如表1所示。當(dāng)有子節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)幀的子節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)字段填1，后面四個(gè)字節(jié)描述加入節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)號和簡單描述。若沒有子節(jié)點(diǎn)加入，加入網(wǎng)絡(luò)字段填寫0，后面直接填寫子節(jié)點(diǎn)離開網(wǎng)絡(luò)字段。子節(jié)點(diǎn)離開網(wǎng)絡(luò)字段的含義和子節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)字段的含義一樣。光照和人數(shù)信息各占一個(gè)字節(jié)。這樣組織的數(shù)據(jù)幀，每次只能報(bào)告一個(gè)節(jié)點(diǎn)的加入和離開網(wǎng)絡(luò)的信息，幀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，數(shù)據(jù)的組織和處理比較簡單。
2.5 網(wǎng)絡(luò)性能分析
在網(wǎng)絡(luò)仿真軟件NS-2-2.33中對一個(gè)采用本網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)包含50個(gè)節(jié)點(diǎn)的簡化ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了仿真[5]，仿真時(shí)間為500 s，采用CBR(Continuous Bit Rate)業(yè)務(wù)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(gè)數(shù)下的網(wǎng)絡(luò)的平均延時(shí)情況如圖2(a)所示，不同發(fā)包率下網(wǎng)絡(luò)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(gè)數(shù)的增加，Cluster-Tree的平均端到端時(shí)延略高于0.05 s，能夠很好地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。方案中使用的Cluster-Tree算法只能按照父子關(guān)系傳輸分組，深度較低的節(jié)點(diǎn)往往需要處理比深度較高節(jié)點(diǎn)更多的分組，在MAC層產(chǎn)生碰撞的概率相對較大，導(dǎo)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(shè)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(luò)的功耗。
3 ZigBee節(jié)點(diǎn)的硬件實(shí)現(xiàn)
無線傳輸網(wǎng)絡(luò)采用Chipcon公司的片上系統(tǒng)CC2430，它集成了CC2420 RF收發(fā)器、增強(qiáng)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)的電流消耗小，當(dāng)微控制器內(nèi)核運(yùn)行在32 MHz時(shí)，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(shí)時(shí)時(shí)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(diǎn)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(diǎn)和FFD節(jié)點(diǎn)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(diǎn)則由電池供電。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)只在查詢和控制教室照明狀態(tài)時(shí)傳送少量信息，減少了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量消耗。終端節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。
本文介紹了基于ZigBee的建筑物照明網(wǎng)絡(luò)控制體系結(jié)構(gòu)，并對每層的具體實(shí)現(xiàn)都做了詳細(xì)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(shí)，控制開銷極低。實(shí)踐證明系統(tǒng)的功耗很小，ED節(jié)點(diǎn)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(shí)間。隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)市場的進(jìn)一步發(fā)展，ZigBee技術(shù)因其低成本、低功耗、自動組網(wǎng)、應(yīng)用簡單等特征，將逐漸成為主流技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，獲得越來越廣闊的發(fā)展空間。
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