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    許英磊（1983－）
男，河北邯鄲人在讀研究生，（西南交通大學信息科學與技術(shù)學院，四川  成都  610031），主要研究方向為無線網(wǎng)絡技術(shù)及其應用。

摘要：本文簡述了ZigBee網(wǎng)絡協(xié)議棧、網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)及網(wǎng)絡特性，并根據(jù)ZigBee網(wǎng)絡的自組織特性提出一種基于ZigBee技術(shù)的兩層無線網(wǎng)絡組網(wǎng)結(jié)構(gòu)。該網(wǎng)絡由安裝在貨物車輛上的無線終端節(jié)點、貨場中的中心節(jié)點（中繼節(jié)點）和安裝在控制室的網(wǎng)絡中心節(jié)點構(gòu)成，可實現(xiàn)貨物的動態(tài)實時管理控制。

關(guān)鍵詞：IEEE802.15.4；FFD；RFD；貨場

Abstract: This article briefly describes the ZigBee network protocol, the network topology and the network characteristics. Furtheremore, we propose a two-layer wireless network structure based on the organization characteristic of ZigBee technology. The whole network consists of the wireless terminal node, which is installed on the cargo vehicles, the central node (relaying node) in the freight yard and the network central node in control room. This design can realize the real-time supervisory control of the freight. 

Key words:  IEEE802.15.4；FFD；RFD；Freight Yard

1 引言

    現(xiàn)代運輸管理體系已經(jīng)開始向全面數(shù)字化方向發(fā)展，傳統(tǒng)的管理方式已經(jīng)越來越不適應發(fā)展的需要，并且成本越來越高，這樣對貨場的統(tǒng)一管理帶來很大的困難，而ZigBee技術(shù)的出現(xiàn)正好解決了這一問題。ZigBee有著高通信效率、低復雜度、低功耗、低速率、低成本、高安全性以及全數(shù)字化等諸多優(yōu)點。這些優(yōu)點使得ZigBee和無線傳感器網(wǎng)絡完美地結(jié)合在一起。其可用于家庭自動化，工業(yè)自動化，計算機外設和醫(yī)療設備等。 本文旨在采用基于ZigBee技術(shù)來實現(xiàn)兩層網(wǎng)絡組網(wǎng)，實現(xiàn)貨場的自動化控制,提高工作效率和貨場的工作質(zhì)量。

2 ZigBee技術(shù)概述

    ZigBee 技術(shù)是近期發(fā)展起來的一種近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，它是一種介于無線標記技術(shù)和藍牙之間的技術(shù)提案，主要用于近距離無線連接。

    IEEE 無線個人區(qū)域網(wǎng)(PAN) 工作組的IEEE802. 15 . 4 技術(shù)標準是ZigBee 技術(shù)的基礎。IEEE802.15. 4 工作組主要負責制定物理層(PHY) 、媒體訪問控制層(MAC) 和鏈路層的標準，而Zigbee 聯(lián)盟負責其網(wǎng)絡層、應用會聚層和高層應用規(guī)范(API) 的制定。

    2.1 ZigBee協(xié)議棧 

圖1   ZigBee協(xié)議棧架構(gòu)

    ZigBee協(xié)議棧（圖1）是基于開放互連標準OSI七層模型，但根據(jù)實際的需要只定義了其中的部分功能。ZigBee協(xié)議棧由一組子層構(gòu)成，每層為其上層提供一組特定的服務：一個數(shù)據(jù)實體提供數(shù)據(jù)傳輸服務，一個管理實體提供全部其他服務。每個服務實體通過一個服務接入點（SAP）為其上層提供接口服務，并且每個SAP提供了一系列的基本服務指令來完成相應的功能。ZigBee協(xié)議棧對那些涉及ZigBee的層予以定義。IEEE802.15.4-2003標準定義了最低兩層：物理層PHY和媒體接入控制層MAC，ZigBee聯(lián)盟在此基礎上定義了應用層APL和網(wǎng)絡層NWK。 

    Zigbee應用層包括應用支持子層APS、應用層框架AF和ZigBee設備對象ZDO（包括ZDO Management Plane）及制造商定義的應用對象。應用支持子層APS負責維護綁定表和在兩個綁定實體間傳遞信息。ZDO負責定義設備節(jié)點的功能角色，初始或響應綁定請求及建立網(wǎng)絡設備間安全關(guān)系，還負責網(wǎng)絡設備的發(fā)現(xiàn)，決定提供何種應用服務。 

    ZigBee網(wǎng)絡層實現(xiàn)的網(wǎng)絡機制包括網(wǎng)絡的建立和網(wǎng)絡節(jié)點地址的分配，網(wǎng)絡節(jié)點加入或離開網(wǎng)絡，并負責建立和維護路由，發(fā)送接收數(shù)據(jù)幀，對數(shù)據(jù)幀進行加密和解密。

    2.2 網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu) 

    ZigBee以一個個獨立的工作節(jié)點為依托，通過無線通信組成星狀、串（樹）狀或網(wǎng)狀網(wǎng)絡，因此，每個節(jié)點的功能并非相同。為降低成本，系統(tǒng)中的大部分的節(jié)點為子節(jié)點，從組網(wǎng)通信上，它只是其功能的一個子集，成為半功能設備（RFD）；而另外一些節(jié)點，負責與所控制的子節(jié)點通信、匯集數(shù)據(jù)和發(fā)布控制，或起到通信路由的作用，稱之為全功能設備（FFD）。無論是哪一種網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，每個獨立的網(wǎng)絡都有一個唯一的標識符，即網(wǎng)絡號（PAN標識符）。利用PAN標識符，采用16位的短地址碼進行網(wǎng)絡設備間的通信，并可激活網(wǎng)絡設備之間的通信。

    2.3 ZigBee網(wǎng)絡特性 

    ZigBee網(wǎng)絡具有低功耗性，兩節(jié)AA電池可工作12至24個月，這是ZigBee技術(shù)最具優(yōu)勢的地方；低成本；每個節(jié)點直接通訊距離較遠，可達100米以上，若采用多跳網(wǎng)絡通訊距離將更遠；ZigBee 網(wǎng)絡具有高度擴充性，每個網(wǎng)絡可多達255個網(wǎng)絡節(jié)點，其中一個是Master設備，其他的是Slave設備，若是通過Network Coordinator，則整體網(wǎng)絡最多可達到6500個ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點；低速率，每秒250kbps；高可靠性，提供了數(shù)據(jù)完整性檢查及鑒權(quán)功能，加密算法采用AES-128，具體應用可靈活確定采用何種安全機制。 

    ZigBee 采用自組織方式組網(wǎng)，這種構(gòu)架被稱為無基礎構(gòu)架的無線局域網(wǎng)，其對網(wǎng)絡內(nèi)部的設備數(shù)量不加限制，并可隨時建立無線通訊鏈路。協(xié)調(diào)器一直處于監(jiān)聽狀態(tài)，新添加的RFD網(wǎng)絡節(jié)點會立刻被網(wǎng)絡自動發(fā)現(xiàn)，這時，F(xiàn)FD節(jié)點（中繼節(jié)點）會把RFD節(jié)點的信息傳送給協(xié)調(diào)器節(jié)點，由協(xié)調(diào)器節(jié)點進行編址，并計算其路由信息，更新數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)表和設備關(guān)聯(lián)表等。

3 貨場無線網(wǎng)絡技術(shù)的研究

    3.1 概述

    無線技術(shù)具有強大的組網(wǎng)能力，可以形成星型、樹型和MESH網(wǎng)狀網(wǎng)，可以根據(jù)實際項目需要來選擇合適的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)；星型和簇樹型網(wǎng)絡適合點對多點、距離相對較近的應用；MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡具有強大的功能，網(wǎng)絡可以通過“多級跳”的方式來通信；該拓撲結(jié)構(gòu)還可以組成極為復雜的網(wǎng)絡；網(wǎng)絡還具備自組織、自愈功能。 

    基于無線技術(shù)的貨物動態(tài)管理系統(tǒng)的拓撲選擇涉及許多設計方案的權(quán)衡。該網(wǎng)絡自身也是一個動態(tài)系統(tǒng)，不斷與外界環(huán)境相互影響。運送貨物車輛的移動、不間斷地進出貨物和外界的干擾源等都可以影響網(wǎng)絡性能。通常拓撲結(jié)構(gòu)的選擇要考慮以下幾個問題：首先，要考慮最糟情況下和一般情況下的連通性拓撲：應用需要的節(jié)點密度和周圍環(huán)境狀況；其次，評估可選擇的情況。最后，還要考慮系統(tǒng)的可升降性和權(quán)衡能耗/資源的限制。

圖2   ZigBee網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)

    在本系統(tǒng)網(wǎng)絡中，一個節(jié)點最多可以擔任三種角色：協(xié)調(diào)器，路由器 和終端設備。這些是邏輯設備類型。FFD可以與RFD或其他FFD通訊，但RFD卻只能與FFD通訊。RFD是為了極其簡單的應用而設計的，如燈的開關(guān)或被動紅外傳感器；他們并不需要發(fā)射大量的數(shù)據(jù)，只是某一時間需要與一個FFD進行通訊。因此，RFD只需要使用最少的資源和存儲器空間，與FFD相比擁有較低的成本。FFD可以用來實現(xiàn)三種邏輯設備類型，但RFD只能充當終端設備。

    本貨場管理系統(tǒng)的實際情況如下：（1）無線終端節(jié)點由電池供電，所以應該盡量減少無線終端節(jié)點的工作量，以節(jié)約無線終端節(jié)點用電。（2）基于貨場的實際情況，網(wǎng)絡中節(jié)點數(shù)量較多，涉及路由尋址等功能，因此，簡單的星形拓撲結(jié)構(gòu)不能滿足要求。

    根據(jù)以上分析，本系統(tǒng)采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。管理機節(jié)點、中心節(jié)點和無線終端節(jié)點構(gòu)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的貨場管理網(wǎng)絡。其中，管理機節(jié)點是全功能設備(FFD)，它作為網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡，監(jiān)督網(wǎng)絡的正常運行。它配置較多的存儲空間，完成網(wǎng)絡初始化，數(shù)據(jù)采集，設備控制等功能；中心節(jié)點也是全功能節(jié)點，它在網(wǎng)絡中作為路由器使用，負責轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)和進行全時信道監(jiān)聽；其他的無線終端節(jié)點模塊則是精簡功能設備(RFD)，完成查詢響應、控制設備和報警功能等，它們只能與全功能設備進行通信，相互之間不能進行通信。

    3.2 具體實現(xiàn)

    (1)本系統(tǒng)采用兩層無線網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)組網(wǎng)，上層無線網(wǎng)絡為分布式結(jié)構(gòu)，包括中心節(jié)點和管理機；下層網(wǎng)絡（一層無線網(wǎng)絡鏈路）為主從結(jié)構(gòu)，包括無線標識基本模塊和區(qū)域中心節(jié)點。

圖3   兩層無線網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖

    (2)上層無線網(wǎng)絡由網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器節(jié)點（管理機模塊）和中心節(jié)點(中繼節(jié)點)組成，網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器具有新建網(wǎng)絡的功能，在新建網(wǎng)絡之前，網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器必須先對周圍的無線環(huán)境進行檢測，然后才進行具體的網(wǎng)絡配置工作。

    系統(tǒng)上電以后，協(xié)調(diào)器節(jié)點以廣播的方式通知上電的中心節(jié)點初始化。偵聽到網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)幀之后，中心節(jié)點產(chǎn)生一個0-256的隨機數(shù)，這個隨機數(shù)與時延基數(shù)相乘得出本節(jié)點的時延。每個節(jié)點等待隨機時延后發(fā)出入網(wǎng)請求（此時用64位IEEE擴展地址作為節(jié)點號），網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器收到請求后分配給該中心節(jié)點一個16bit的網(wǎng)內(nèi)節(jié)點號（入網(wǎng)后的節(jié)點號），并在地址表中記錄該中心節(jié)點的相關(guān)信息，進行設備關(guān)聯(lián)。若中心節(jié)點發(fā)送入網(wǎng)請求后一分鐘內(nèi)沒有得到回應，則重新產(chǎn)生一個隨機時延再次向網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器發(fā)送入網(wǎng)請求。網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器完成所有上電的中心節(jié)點初始狀態(tài)的采集，則系統(tǒng)初始化完成。

    圖4顯示了網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器節(jié)點從開始掃描周圍信道建立網(wǎng)絡到中心節(jié)點加入網(wǎng)絡的過程。

圖4   流程圖

    (3)下層網(wǎng)絡（一層無線網(wǎng)絡鏈路）為主從結(jié)構(gòu)，包括無線標識基本模塊和區(qū)域中心節(jié)點，以區(qū)域中心節(jié)點為主節(jié)點，無線標識模塊為從節(jié)點組成子網(wǎng)。作為主節(jié)點的區(qū)域中心節(jié)點是網(wǎng)絡的核心節(jié)點，負責網(wǎng)絡的建立和維護，區(qū)域中心節(jié)點具備全時信道監(jiān)聽功能，負責聯(lián)系上層網(wǎng)絡和保持與無線標識模塊的實時動態(tài)通信。

    網(wǎng)絡運行過程中，新的無線終端節(jié)點上電后發(fā)送入網(wǎng)請求。中心節(jié)點首先判斷該節(jié)點是否在地址表中，如果該節(jié)點不在網(wǎng)絡中并且網(wǎng)絡中的無線終端節(jié)點數(shù)沒有超過網(wǎng)絡容量，則中心節(jié)點分配一個唯一的網(wǎng)絡地址給該節(jié)點。無線終端節(jié)點的入網(wǎng)請求在規(guī)定時間內(nèi)沒有得到回應，則轉(zhuǎn)向鄰近的中心節(jié)點發(fā)送入網(wǎng)請求。這樣就完成了節(jié)點的加入。

圖5   節(jié)點加入網(wǎng)絡圖

    無線終端節(jié)點只能與中心節(jié)點通信，子節(jié)點相互之間不能進行通信。整個系統(tǒng)網(wǎng)絡中各個節(jié)點均獨立工作，某一個節(jié)點故障只會影響該節(jié)點所在區(qū)域的部分節(jié)點工作狀態(tài)，很難影響全網(wǎng)的穩(wěn)定，而且業(yè)務數(shù)據(jù)在無線標識模塊和管理機上雙備份，任一處數(shù)據(jù)丟失均可通過另一處數(shù)據(jù)備份來恢復，提高了網(wǎng)絡的穩(wěn)定性。

    3.3 協(xié)議定義

    無線終端模塊發(fā)送所有的消息到本地協(xié)調(diào)器件，最終的目的地址在NWK報頭中。網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器負責路由此消息到最終的目的地。如果終端節(jié)點是FFD，它將參與網(wǎng)絡路由，提供路由能力。大部分情況下，路由由堆棧自動完成，不需要任何終端程序的干涉。它允許網(wǎng)絡范圍的擴展，允許在網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器射頻范圍內(nèi)的無線終端節(jié)點通過路由器加入網(wǎng)絡。

    根據(jù)系統(tǒng)需求，協(xié)調(diào)器會在非易失性存儲器中存儲所有網(wǎng)絡關(guān)聯(lián)，稱為網(wǎng)絡綁定表。網(wǎng)絡中的協(xié)調(diào)器根據(jù)消息的目的地址查找網(wǎng)絡綁定表，根據(jù)綁定表中的網(wǎng)絡關(guān)聯(lián)將消息發(fā)送到目的地址或遞交無線網(wǎng)絡中的另一路由器，由其轉(zhuǎn)發(fā)。路由綁定表在無線通信終端上電初始化時加載，具體路徑是預設好的。在網(wǎng)狀網(wǎng)中，消息發(fā)送的路線沒有確定時，或者說在綁定表中沒有此消息的綁定路線，路由器將發(fā)起路由的搜索。當搜索完成，消息將按照最佳的有效路由發(fā)送。同時記錄此路由至路由綁定表中。路由過程如圖6所示。

    本設計中，F(xiàn)FD節(jié)點連接采用ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)，以保證網(wǎng)絡的健壯性。貨場中的所有FFD節(jié)點，在上電時初始化，加載路由綁定表，其中路由綁定表按一定算法算出。若無線終端節(jié)點要發(fā)送數(shù)據(jù)至管理機模塊時，先發(fā)送數(shù)據(jù)至本地的路由器(中心節(jié)點)，由路由器按路由綁定表中的路由轉(zhuǎn)發(fā)至下一出口，直到將數(shù)據(jù)發(fā)送到管理機模塊，如果路由綁定表中不存在目標路線，則發(fā)起路由搜索，并將路由存入路由器路由綁定表中，然后將數(shù)據(jù)按相應路由發(fā)送。

圖6   路由過程圖

    3.4 數(shù)據(jù)的傳輸機制

    傳輸數(shù)據(jù)到終端設備和從終端設備傳輸數(shù)據(jù)的機制隨網(wǎng)絡類型的不同而有所不同。在無信標的星型網(wǎng)絡中，當無線終端設備想要發(fā)送數(shù)據(jù)幀時，它只需等待信道變?yōu)榭臻e。在檢測到空閑信道條件時，它將幀發(fā)送到協(xié)調(diào)器，如果發(fā)生超時則重發(fā)。收到回復后，它會將數(shù)據(jù)幀保存在其發(fā)送緩沖器中，直到目標終端設備明確地來查詢該數(shù)據(jù)為止，在確定對方收到此消息后，清空緩沖區(qū)，這樣確保數(shù)據(jù)正確發(fā)送，不會產(chǎn)生消息丟失的情況，并且抗干擾性能好。信息傳輸過程中需要確保無線終端設備的接收器是開啟的，而且可從協(xié)調(diào)器接收數(shù)據(jù)。在點對點網(wǎng)絡中，每個節(jié)點必須一直保持它們的接收器為開啟狀態(tài)或者同意在一個時間段內(nèi)開啟它們的接收器。這將允許節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)幀并確保數(shù)據(jù)幀會被其它節(jié)點接收。終端設備必須查詢協(xié)調(diào)器以獲取其數(shù)據(jù)，而不是保持接收器開啟，從而降低無線終端設備的功耗。根據(jù)系統(tǒng)要求以及實用經(jīng)濟性，在絕大部分時間內(nèi)無線終端設備都處于休眠狀態(tài)，而僅定期喚醒設備來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，當然也具有遠程無線喚醒的功能。（此方法的一個缺點是協(xié)調(diào)器必須將所有數(shù)據(jù)幀保存在內(nèi)部緩沖器中，直到目標終端設備喚醒并查詢數(shù)據(jù)。如果網(wǎng)絡包含很多休眠時間很長的終端設備，協(xié)調(diào)器就必須將數(shù)據(jù)幀保存很長時間。根據(jù)節(jié)點數(shù)量和交換數(shù)據(jù)幀的速率，將大幅增加協(xié)調(diào)器對RAM 的要求。）在有信標的星型網(wǎng)絡中，終端設備可以只在信標被廣播時醒來，并幀聽地址，如果沒有偵聽到自己的地址，則由專入休眠狀態(tài)。數(shù)據(jù)傳輸過程如圖7所示。

圖7   MAC層數(shù)據(jù)傳輸過程

    在本系統(tǒng)的設計中，無線終端設備模塊與本地網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器（中心節(jié)點）構(gòu)成無信標的星型網(wǎng)絡。無線終端節(jié)點在大部分的時候保持休眠狀態(tài)，只在有數(shù)據(jù)發(fā)送或接收時喚醒，或者當遠程呼叫時喚醒。在收到確認信息后再次進入休眠狀態(tài)，確保無線終端設備保持較低的功耗水平。與此同時，所有的FFD節(jié)點必須處于開啟狀態(tài)，以備接收來自其它器件的消息以及確保本節(jié)點發(fā)送的消息會被其他節(jié)點接收，并且FFD節(jié)點需要較多的RAM來存儲各種信息。

4 結(jié)論

    基于Zigbee的鐵路貨場無線網(wǎng)絡技術(shù)克服了以往的貨場管理中的低效率、高成本和低自動化的不足，提高了貨場的管理效率，節(jié)省了大量的人力、物力，實現(xiàn)了貨物信息的實時收集，貨物狀態(tài)的實時監(jiān)控。

其他作者：

    莊圣賢：西南交通大學電氣工程學院教授，博導。

    吳紅欣：西南交通大學信息科學與技術(shù)學院計算機應用專業(yè)碩士研究生。

參考文獻：

    [1] IEEE Std 802.15.4 2003[OL].http://www.zigbee.org.

    [2] ZigBee Specification 2005[OL].http://www.zigbee.org.

    [3] 蔣挺,趙成.紫蜂技術(shù)及其應用[M].北京：北京郵電大學出版社，2006.

    [4] 李文仲,段朝玉等編著. ZigBee無線網(wǎng)絡技術(shù)入門與實戰(zhàn). 北京航空航天大學出版社.