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多種無(wú)線(xiàn)通信方式自組網(wǎng)及自愈特性測試分析論文
集成ZigBee技術(shù)和增強型8051內核的SOC芯片CC2530，配合相應的軟硬件，構建了一個(gè)無(wú)線(xiàn)測控網(wǎng)絡(luò )。對WiFi、ZigBee、433MHz無(wú)協(xié)議3種無(wú)線(xiàn)通信方式的自組網(wǎng)及自愈特性進(jìn)行了測試研究。
0 引言
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(WSN，Wireless Sensor Network)由分布在有效區域內具有通訊功能的大量傳感器節點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式自組織形成網(wǎng)絡(luò )系統，節點(diǎn)采集信息并通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )逐級傳送到監控中。ZigBee是一種介于IEEE 802.11無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)與藍牙技術(shù)之間的無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，是基于IEEE 802.15.4無(wú)線(xiàn)標準研制開(kāi)發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、應用和安全方面的通信技術(shù)[1]。ZigBee為用戶(hù)提供了一個(gè)低成本、低功耗、低復雜度、適中的數據傳輸速率、高容量以及短距離通信等特性的技術(shù)平臺。依據該平臺，客戶(hù)通過(guò)創(chuàng )造性的研發(fā)工作，根據具體任務(wù)要求設計硬件系統和配備相應的軟件，就可以出色完成很多任務(wù)。
1 承載信息獲取
通過(guò)通信信道和設備互連起來(lái)的多個(gè)不同地理位置的數據通信系統，要使其協(xié)同工作實(shí)現信息交換和資源共享，它們之間必須具有共同語(yǔ)言。交流什么、怎樣交流及何時(shí)交流，都必須遵循互相都能接受的規則，這個(gè)規則就是通信協(xié)議。
無(wú)論何種協(xié)議，本質(zhì)上都是一種人為的規定，在計算機科學(xué)中，需要通過(guò)代碼將這些協(xié)議實(shí)現并編譯燒進(jìn)通信模塊中。WiFi模塊的主芯片中燒寫(xiě)了WiFi協(xié)議棧以及TCP/IP棧的二進(jìn)制代碼，ZigBee模塊上的CC2530燒寫(xiě)了ZigBee協(xié)議棧(也就是Z-Stack協(xié)議棧)，而433MHz無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)的主芯片上沒(méi)有燒寫(xiě)任何協(xié)議相關(guān)內容，所以稱(chēng)之為無(wú)協(xié)議通信模塊。無(wú)協(xié)議通信模塊只是簡(jiǎn)單地將要發(fā)送的字節調制到通信模塊的無(wú)線(xiàn)電頻道上(本實(shí)驗設置就是433MHz)，與此同時(shí)，將周邊無(wú)線(xiàn)電環(huán)境中433MHz這個(gè)頻率上承載的信息解調獲取。
2 自組網(wǎng)與自愈網(wǎng)性質(zhì)
自組網(wǎng)是一種移動(dòng)通信和計算機網(wǎng)絡(luò )相結合的網(wǎng)絡(luò )，網(wǎng)絡(luò )的信息交換采用計算機網(wǎng)絡(luò )中的分組交換機制，用戶(hù)終端是可以移動(dòng)的便攜式終端，自組網(wǎng)中每個(gè)用戶(hù)終端都兼有路由器和主機兩種功能。作為主機，終端需要運行各種面向用戶(hù)的應用程序，如編輯器、瀏覽器等;作為路由器，終端需要運行相應的路由協(xié)議，根據路由策略和路由表完成數據分組的轉發(fā)和路由維護工作，要求節點(diǎn)實(shí)現合適的路由協(xié)議。自組網(wǎng)路由協(xié)議的目標是快速、準確和高效，要求在盡可能短的時(shí)間內查找到準確可用的路由信息，并能適應網(wǎng)絡(luò )拓撲的快速變化，同時(shí)減小引入的額外時(shí)延和維護路由的控制信息，降低路由協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)，以滿(mǎn)足移動(dòng)終端計算能力、儲存空間以及電源等方面的限制。自組網(wǎng)在同種類(lèi)型的通信(包括無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn))模塊完成了初始化的角色定位后，無(wú)需再確定從屬關(guān)系便可自動(dòng)形成通信網(wǎng)絡(luò )的性質(zhì)。
對于不同模塊有不同的角色分配，WiFi模塊有AP和Client之分，ZigBee模塊有協(xié)調器、路由器和終端節點(diǎn)之分，433MHz模塊有主機和從機之分。自愈性就是當一個(gè)原本健全的通信網(wǎng)絡(luò )中，通信主機(WiFi網(wǎng)絡(luò )的AP點(diǎn)，ZigBee網(wǎng)絡(luò )中的協(xié)調器和433MHz網(wǎng)絡(luò )中的主機)掛掉時(shí)，原本接入該主機的從機是否具備自己檢測到問(wèn)題并及時(shí)連入周邊其它主機的能力。本實(shí)驗中，將對比這3種無(wú)線(xiàn)通信模塊的自組和自愈性能。
3 無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )測試
3.1 WiFi網(wǎng)絡(luò )的自組自愈性測試
數據發(fā)射模塊的工作頻率為315M，采用聲表諧振器SAW穩頻，當環(huán)境溫度在-25℃～+85℃之間變化時(shí)，頻飄僅為3ppm/度，特別適合多發(fā)一收無(wú)線(xiàn)遙控及數據傳輸系統[3]。聲表諧振器的頻率穩定度僅次于晶體，而一般的LC振蕩器頻率穩定度及一致性較差，即使采用高品質(zhì)微調電容，溫差變化及振動(dòng)也很難保證已調好的頻點(diǎn)不會(huì )發(fā)生偏移。
發(fā)射模塊未設編碼集成電路，而增加了一只數據調制三極管Q1，這種結構使得它可以方便地和其它固定編碼電路、滾動(dòng)碼電路及單片機接口，而不必考慮編碼電路的工作電壓和輸出幅度信號值的大小。比如用PT2262或者SM5262等編碼集成電路配接時(shí)，直接將它們的數據輸出端第17腳接至數據模塊的輸入端即可。
數據模塊采用ASK方式調制，以降低功耗。當數據信號停止時(shí)，發(fā)射電流降為零，數據信號與發(fā)射模塊輸入端可以用電阻或者直接連接，不能用電容耦合，否則發(fā)射模塊不能正常工作。數據電平應接近數據模塊的實(shí)際工作電壓，以獲得較高的調制效果。
發(fā)射模塊最好能垂直安裝在主板的邊緣，應離開(kāi)周?chē)骷?mm以上，以免受分布參數影響。模塊的傳輸距離與調制信號頻率及幅度、發(fā)射電壓及電池容量、發(fā)射天線(xiàn)、接收機的靈敏度及收發(fā)環(huán)境有關(guān)。一般在開(kāi)闊區最大發(fā)射距離約800m，在有障礙的情況下，距離會(huì )縮短。由于無(wú)線(xiàn)電信號傳輸過(guò)程中的折射和反射會(huì )形成一些死區及不穩定區域。因此，不同的收發(fā)環(huán)境會(huì )有不同的收發(fā)距離[4]。
在進(jìn)行WiFi網(wǎng)絡(luò )測試時(shí)，把客戶(hù)端(Client)接入某個(gè)WiFi網(wǎng)絡(luò )(某個(gè)AP點(diǎn))，實(shí)驗中必須為其制定WiFi網(wǎng)絡(luò )的SSID，如果該WiFi網(wǎng)絡(luò )設置了加密規則的話(huà)，還要配置正確的密碼才能最終接入該WiFi網(wǎng)絡(luò )，所以，WiFi協(xié)議或者說(shuō)WiFi模塊是不支持自組網(wǎng)的。
自愈性測試中，若兩個(gè)WiFi網(wǎng)絡(luò )的SSID或者密碼不同的話(huà)，Client無(wú)法將兩個(gè)WiFi接入，所以WiFi網(wǎng)絡(luò )的自愈性只能在一種情況下實(shí)現，就是將兩個(gè)WiFi網(wǎng)絡(luò )的SSID和密碼配置相同。同理，將節點(diǎn)上的WiFi模塊配置為SSID和密碼均相同的AP點(diǎn)，將節點(diǎn)1的WiFi模塊設置為接入該SSID的Client節點(diǎn)。首先只為節點(diǎn)和節點(diǎn)1上電，當節點(diǎn)1的WiFi模塊正確接入網(wǎng)絡(luò )后，若使用LED進(jìn)行效果測試，則WiFi模塊上的LED呈現慢閃狀態(tài)(閃動(dòng)間隔大概1s)，此時(shí)將節點(diǎn)3斷電，為節點(diǎn)上電，此時(shí)的節點(diǎn)1因為失去了WiFi網(wǎng)絡(luò )，LED3開(kāi)始快閃，此時(shí)記錄時(shí)間，觀(guān)察LED再次慢閃時(shí)的時(shí)間間隔(也就是它再次接入節點(diǎn)2的WiFi網(wǎng)絡(luò )時(shí)的整個(gè)間隔)。
3.2 433MHz無(wú)協(xié)議無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )自組自愈測試
首先將兩臺PC分別與相關(guān)節點(diǎn)接口相連，并分別將相關(guān)的節點(diǎn)上電。打開(kāi)兩臺PC機上的串口調試助手，通過(guò)ModBus指令可以分析出節點(diǎn)的地址和傳感器類(lèi)型，確定此時(shí)節點(diǎn)上需要的正確指令。例如節點(diǎn)上安插的是結露傳感器，根據“ModBus指令”可以確定頭6個(gè)十六進(jìn)制字節分別是“06 03 00 2E 00 01”，接著(zhù)打開(kāi)配套光盤(pán)應用程序串口調試及CRC軟件CRC_16校驗工具.exe CRC校驗工具，將6個(gè)字節填入空白區，點(diǎn)擊計算獲得CRC校驗碼[5]，結果是“06 03 00 2E 00 01 E5 B4”。
在一臺PC機上以十六進(jìn)制發(fā)送上述字符串，觀(guān)察兩臺PC機上的返回情況，根據返回情況分析無(wú)協(xié)議433MHz通信模式的自組網(wǎng)和自愈性特性。解析：正確的效果是PC1上發(fā)送了獲取數據的指令后，PC1自然會(huì )獲取到傳感器的返回指令。與此同時(shí)，PC2可以通過(guò)串口分別獲取PC1的發(fā)送指令和傳感器的返回指令，只是因為這個(gè)433MHz網(wǎng)絡(luò )中根本沒(méi)有什么組網(wǎng)的概念，所有模塊只要工作在同一頻率上，它便會(huì )接收到這個(gè)頻率載波上的所有信息。
3.3 ZigBee網(wǎng)絡(luò )的自組自愈性測試
將兩臺PC機通過(guò)串口線(xiàn)和相關(guān)設備的ZigBee協(xié)調器(帶有液晶顯示屏的ZigBee節點(diǎn))旁的串口相連，注意將開(kāi)關(guān)撥至位置“上”，并為兩個(gè)協(xié)調器節點(diǎn)上電。再打開(kāi)某臺實(shí)驗箱上的任意一個(gè)ZigBee節點(diǎn)，根據“ModBus 指令舉例”的介紹，確定該節點(diǎn)的讀取信息字符串。從兩臺PC機上分別發(fā)送該字符串，觀(guān)察返回數據并分析此時(shí)的組網(wǎng)情況。
解析：當電路正確聯(lián)通時(shí)，應該只有一臺PC機上有數據返回，因為ZigBee終端節點(diǎn)只會(huì )連入兩個(gè)協(xié)調器中的一個(gè)�？梢苑磸瓦M(jìn)行這個(gè)操作(關(guān)閉打開(kāi)3個(gè)ZigBee節點(diǎn))，觀(guān)察ZigBee終端節點(diǎn)是否會(huì )始終連入其中一個(gè)ZigBee協(xié)調器，據此分析ZigBee網(wǎng)絡(luò )的自組網(wǎng)性能。
當兩個(gè)協(xié)調器和一個(gè)ZigBee終端節點(diǎn)同時(shí)打開(kāi)時(shí)，ZigBee終端節點(diǎn)只會(huì )連入其中一個(gè)協(xié)調器(稱(chēng)之為協(xié)調器A)，此時(shí)關(guān)閉協(xié)調器A，并且重啟ZigBee終端節點(diǎn)，在與協(xié)調器B相連的PC機上發(fā)送讀取字符串，觀(guān)察是否有數據返回，據此分析ZigBee網(wǎng)絡(luò )的自愈性。
注意：進(jìn)行ZigBee網(wǎng)絡(luò )自愈性實(shí)驗，有一個(gè)重啟ZigBee終端節點(diǎn)動(dòng)作，這時(shí)，不要誤以為一定要重啟終端節點(diǎn)它才會(huì )去尋找新的網(wǎng)絡(luò )。ZigBee終端節點(diǎn)在什么時(shí)候去尋找新的ZigBee網(wǎng)絡(luò )是由軟件定義的某個(gè)判斷機制控制的，這個(gè)機制可能是多長(cháng)時(shí)間沒(méi)有收到上位機數據，或者返回的數據多長(cháng)時(shí)間沒(méi)有應答。本實(shí)驗中，筆者將這個(gè)判斷機制定義為重啟節點(diǎn)。
4 結語(yǔ)
文中分析了ZigBee協(xié)議體系結構各層主要功能，以及ZigBee網(wǎng)絡(luò )中兩種拓撲結構，研究了WiFi、ZigBee、433MHz以及自組網(wǎng)、自愈組網(wǎng)的協(xié)議測試過(guò)程，實(shí)現了網(wǎng)絡(luò )的自組網(wǎng)和自愈功能。本文方法在遠程測控、場(chǎng)地監控、小區智慧管理、礦井安全檢測、路燈遙測遙控以及環(huán)境監測等無(wú)人值守領(lǐng)域，都有著(zhù)非常好的應用前景和顯著(zhù)的社會(huì )經(jīng)濟效益。
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