多種無線通信方式自組網(wǎng)及自愈特性測試分析論文
集成ZigBee技術(shù)和增強(qiáng)型8051內(nèi)核的SOC芯片CC2530，配合相應(yīng)的軟硬件，構(gòu)建了一個無線測控網(wǎng)絡(luò)。對WiFi、ZigBee、433MHz無協(xié)議3種無線通信方式的自組網(wǎng)及自愈特性進(jìn)行了測試研究。
0 引言
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN，Wireless Sensor Network)由分布在有效區(qū)域內(nèi)具有通訊功能的大量傳感器節(jié)點組成，通過無線方式自組織形成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，節(jié)點采集信息并通過無線網(wǎng)絡(luò)逐級傳送到監(jiān)控中。ZigBee是一種介于IEEE 802.11無線局域網(wǎng)與藍(lán)牙技術(shù)之間的無線通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，是基于IEEE 802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、應(yīng)用和安全方面的通信技術(shù)[1]。ZigBee為用戶提供了一個低成本、低功耗、低復(fù)雜度、適中的數(shù)據(jù)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(jù)該平臺，客戶通過創(chuàng)造性的研發(fā)工作，根據(jù)具體任務(wù)要求設(shè)計硬件系統(tǒng)和配備相應(yīng)的軟件，就可以出色完成很多任務(wù)。
1 承載信息獲取
通過通信信道和設(shè)備互連起來的多個不同地理位置的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，要使其協(xié)同工作實現(xiàn)信息交換和資源共享，它們之間必須具有共同語言。交流什么、怎樣交流及何時交流，都必須遵循互相都能接受的規(guī)則，這個規(guī)則就是通信協(xié)議。
無論何種協(xié)議，本質(zhì)上都是一種人為的規(guī)定，在計算機(jī)科學(xué)中，需要通過代碼將這些協(xié)議實現(xiàn)并編譯燒進(jìn)通信模塊中。WiFi模塊的主芯片中燒寫了WiFi協(xié)議棧以及TCP/IP棧的二進(jìn)制代碼，ZigBee模塊上的CC2530燒寫了ZigBee協(xié)議棧(也就是Z-Stack協(xié)議棧)，而433MHz無線節(jié)點的主芯片上沒有燒寫任何協(xié)議相關(guān)內(nèi)容，所以稱之為無協(xié)議通信模塊。無協(xié)議通信模塊只是簡單地將要發(fā)送的字節(jié)調(diào)制到通信模塊的無線電頻道上(本實驗設(shè)置就是433MHz)，與此同時，將周邊無線電環(huán)境中433MHz這個頻率上承載的信息解調(diào)獲取。
2 自組網(wǎng)與自愈網(wǎng)性質(zhì)
自組網(wǎng)是一種移動通信和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的信息交換采用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的分組交換機(jī)制，用戶終端是可以移動的便攜式終端，自組網(wǎng)中每個用戶終端都兼有路由器和主機(jī)兩種功能。作為主機(jī)，終端需要運行各種面向用戶的應(yīng)用程序，如編輯器、瀏覽器等;作為路由器，終端需要運行相應(yīng)的路由協(xié)議，根據(jù)路由策略和路由表完成數(shù)據(jù)分組的轉(zhuǎn)發(fā)和路由維護(hù)工作，要求節(jié)點實現(xiàn)合適的路由協(xié)議。自組網(wǎng)路由協(xié)議的目標(biāo)是快速、準(zhǔn)確和高效，要求在盡可能短的時間內(nèi)查找到準(zhǔn)確可用的路由信息，并能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目焖僮兓瑫r減小引入的額外時延和維護(hù)路由的控制信息，降低路由協(xié)議開銷，以滿足移動終端計算能力、儲存空間以及電源等方面的限制。自組網(wǎng)在同種類型的通信(包括無線和有線)模塊完成了初始化的角色定位后，無需再確定從屬關(guān)系便可自動形成通信網(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(diào)器、路由器和終端節(jié)點之分，433MHz模塊有主機(jī)和從機(jī)之分。自愈性就是當(dāng)一個原本健全的通信網(wǎng)絡(luò)中，通信主機(jī)(WiFi網(wǎng)絡(luò)的AP點，ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器和433MHz網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī))掛掉時，原本接入該主機(jī)的從機(jī)是否具備自己檢測到問題并及時連入周邊其它主機(jī)的能力。本實驗中，將對比這3種無線通信模塊的自組和自愈性能。
3 無線通信網(wǎng)絡(luò)測試
3.1 WiFi網(wǎng)絡(luò)的自組自愈性測試
數(shù)據(jù)發(fā)射模塊的工作頻率為315M，采用聲表諧振器SAW穩(wěn)頻，當(dāng)環(huán)境溫度在-25℃～+85℃之間變化時，頻飄僅為3ppm/度，特別適合多發(fā)一收無線遙控及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[3]。聲表諧振器的頻率穩(wěn)定度僅次于晶體，而一般的LC振蕩器頻率穩(wěn)定度及一致性較差，即使采用高品質(zhì)微調(diào)電容，溫差變化及振動也很難保證已調(diào)好的頻點不會發(fā)生偏移。
發(fā)射模塊未設(shè)編碼集成電路，而增加了一只數(shù)據(jù)調(diào)制三極管Q1，這種結(jié)構(gòu)使得它可以方便地和其它固定編碼電路、滾動碼電路及單片機(jī)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，直接將它們的數(shù)據(jù)輸出端第17腳接至數(shù)據(jù)模塊的輸入端即可。
數(shù)據(jù)模塊采用ASK方式調(diào)制，以降低功耗。當(dāng)數(shù)據(jù)信號停止時，發(fā)射電流降為零，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)電平應(yīng)接近數(shù)據(jù)模塊的實際工作電壓，以獲得較高的調(diào)制效果。
發(fā)射模塊最好能垂直安裝在主板的邊緣，應(yīng)離開周圍器件5mm以上，以免受分布參數(shù)影響。模塊的傳輸距離與調(diào)制信號頻率及幅度、發(fā)射電壓及電池容量、發(fā)射天線、接收機(jī)的靈敏度及收發(fā)環(huán)境有關(guān)。一般在開闊區(qū)最大發(fā)射距離約800m，在有障礙的情況下，距離會縮短。由于無線電信號傳輸過程中的折射和反射會形成一些死區(qū)及不穩(wěn)定區(qū)域。因此，不同的收發(fā)環(huán)境會有不同的收發(fā)距離[4]。
在進(jìn)行WiFi網(wǎng)絡(luò)測試時，把客戶端(Client)接入某個WiFi網(wǎng)絡(luò)(某個AP點)，實驗中必須為其制定WiFi網(wǎng)絡(luò)的SSID，如果該WiFi網(wǎng)絡(luò)設(shè)置了加密規(guī)則的話，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WiFi模塊是不支持自組網(wǎng)的。
自愈性測試中，若兩個WiFi網(wǎng)絡(luò)的SSID或者密碼不同的話，Client無法將兩個WiFi接入，所以WiFi網(wǎng)絡(luò)的自愈性只能在一種情況下實現(xiàn)，就是將兩個WiFi網(wǎng)絡(luò)的SSID和密碼配置相同。同理，將節(jié)點上的WiFi模塊配置為SSID和密碼均相同的AP點，將節(jié)點1的WiFi模塊設(shè)置為接入該SSID的Client節(jié)點。首先只為節(jié)點和節(jié)點1上電，當(dāng)節(jié)點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(xiàn)慢閃狀態(tài)(閃動間隔大概1s)，此時將節(jié)點3斷電，為節(jié)點上電，此時的節(jié)點1因為失去了WiFi網(wǎng)絡(luò)，LED3開始快閃，此時記錄時間，觀察LED再次慢閃時的時間間隔(也就是它再次接入節(jié)點2的WiFi網(wǎng)絡(luò)時的整個間隔)。
3.2 433MHz無協(xié)議無線通信網(wǎng)絡(luò)自組自愈測試
首先將兩臺PC分別與相關(guān)節(jié)點接口相連，并分別將相關(guān)的`節(jié)點上電。打開兩臺PC機(jī)上的串口調(diào)試助手，通過ModBus指令可以分析出節(jié)點的地址和傳感器類型，確定此時節(jié)點上需要的正確指令。例如節(jié)點上安插的是結(jié)露傳感器，根據(jù)“ModBus指令”可以確定頭6個十六進(jìn)制字節(jié)分別是“06 03 00 2E 00 01”，接著打開配套光盤應(yīng)用程序串口調(diào)試及CRC軟件CRC_16校驗工具.exe CRC校驗工具，將6個字節(jié)填入空白區(qū)，點擊計算獲得CRC校驗碼[5]，結(jié)果是“06 03 00 2E 00 01 E5 B4”。
在一臺PC機(jī)上以十六進(jìn)制發(fā)送上述字符串，觀察兩臺PC機(jī)上的返回情況，根據(jù)返回情況分析無協(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(shù)據(jù)的指令后，PC1自然會獲取到傳感器的返回指令。與此同時，PC2可以通過串口分別獲取PC1的發(fā)送指令和傳感器的返回指令，只是因為這個433MHz網(wǎng)絡(luò)中根本沒有什么組網(wǎng)的概念，所有模塊只要工作在同一頻率上，它便會接收到這個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(jī)通過串口線和相關(guān)設(shè)備的ZigBee協(xié)調(diào)器(帶有液晶顯示屏的ZigBee節(jié)點)旁的串口相連，注意將開關(guān)撥至位置“上”，并為兩個協(xié)調(diào)器節(jié)點上電。再打開某臺實驗箱上的任意一個ZigBee節(jié)點，根據(jù)“ModBus 指令舉例”的介紹，確定該節(jié)點的讀取信息字符串。從兩臺PC機(jī)上分別發(fā)送該字符串，觀察返回數(shù)據(jù)并分析此時的組網(wǎng)情況。
解析：當(dāng)電路正確聯(lián)通時，應(yīng)該只有一臺PC機(jī)上有數(shù)據(jù)返回，因為ZigBee終端節(jié)點只會連入兩個協(xié)調(diào)器中的一個�？梢苑磸�(fù)進(jìn)行這個操作(關(guān)閉打開3個ZigBee節(jié)點)，觀察ZigBee終端節(jié)點是否會始終連入其中一個ZigBee協(xié)調(diào)器，據(jù)此分析ZigBee網(wǎng)絡(luò)的自組網(wǎng)性能。
當(dāng)兩個協(xié)調(diào)器和一個ZigBee終端節(jié)點同時打開時，ZigBee終端節(jié)點只會連入其中一個協(xié)調(diào)器(稱之為協(xié)調(diào)器A)，此時關(guān)閉協(xié)調(diào)器A，并且重啟ZigBee終端節(jié)點，在與協(xié)調(diào)器B相連的PC機(jī)上發(fā)送讀取字符串，觀察是否有數(shù)據(jù)返回，據(jù)此分析ZigBee網(wǎng)絡(luò)的自愈性。
注意：進(jìn)行ZigBee網(wǎng)絡(luò)自愈性實驗，有一個重啟ZigBee終端節(jié)點動作，這時，不要誤以為一定要重啟終端節(jié)點它才會去尋找新的網(wǎng)絡(luò)。ZigBee終端節(jié)點在什么時候去尋找新的ZigBee網(wǎng)絡(luò)是由軟件定義的某個判斷機(jī)制控制的，這個機(jī)制可能是多長時間沒有收到上位機(jī)數(shù)據(jù)，或者返回的數(shù)據(jù)多長時間沒有應(yīng)答。本實驗中，筆者將這個判斷機(jī)制定義為重啟節(jié)點。
4 結(jié)語
文中分析了ZigBee協(xié)議體系結(jié)構(gòu)各層主要功能，以及ZigBee網(wǎng)絡(luò)中兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，研究了WiFi、ZigBee、433MHz以及自組網(wǎng)、自愈組網(wǎng)的協(xié)議測試過程，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的自組網(wǎng)和自愈功能。本文方法在遠(yuǎn)程測控、場地監(jiān)控、小區(qū)智慧管理、礦井安全檢測、路燈遙測遙控以及環(huán)境監(jiān)測等無人值守領(lǐng)域，都有著非常好的應(yīng)用前景和顯著的社會經(jīng)濟(jì)效益。
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