主从树型的Zigbee无线传感网络及组建方法、路由协议

摘要

本发明公开了一种主从树型的Zigbee无线传感网络及组建方法、路由协议。本发明将整个网络分为一个主网络和若干个从网络，以主协调器和相关节点组成主网络；主网络中的若干路由器作为从协调器，与周围孤立节点构建若干个从网络，从而共同构建一个具有主从树型结构的网络。本发明还对传统的树型路由协议进行了改进，使其能够应用于主从树型网络中。本发明的优点：第一，扩大了传统树型网络的规模，有利于消除网络中的孤点数；第二，可以采用改进的树型路由协议，有利于减少路由器因构建路由表带来的能量和内存的开销，提高了网络的生存时间；第三，不需要对原有Zigbee协议的帧结构做任何修改，保证了与原协议的兼容。

说明书

技术领域

本发明涉及无线传感网络技术，尤其是涉及一种Zigbee无线传感网络。

背景技术

随着半导体技术和无线通信技术的不断发展，陆续出现了多种新的短距离无线通信标准，为无线传感器网络的发展奠定了技术基础。作为标准之一的Zigbee，由于具有适中的传输距离和简单的协议内容，因此自公布之日期便受到了国际上众多知名公司和协会的支持，成为在无线传感网中最具应用价值和前景的标准。飞思卡尔、Chipcon、Atmel等公司纷纷推出了支持Zigbee标准的芯片和产品。如今，无论是在控制领域、计算机领域还是在无线通信领域，都对Zigbee技术的发展、研究和应用都寄予了极大的关注和重视。

基于Zigbee标准的无线传感网络由协调器、路由器和终端节点(终端设备)构成，可以采用树型、星型等拓扑结构，而最常采用的是树型拓扑结构，这种结构一方面有利于通过信标技术实现父子节点之间的同步，减少节点的功率消耗，对延长网络的生存时间起到了积极作用；另一方面有利于消除节点因构建路由表带来的各种资源消耗，有利于降低传感器节点的成本。为了实现上述功能，要求在树型结构中，采用具有层次结构的网络地址分配策略，即协调器要根据自身的资源情况来确定网络的最大深度L_m、每个父设备的最大子节点数C_m和最大子路由器数R_m，这三个参数称为网络规模参数。我们可以得到深度为d的父设备(协调器的深度为0)所能分配的区间地址数Cskip(d)，其表达式如下：

$\mathrm{Cskip}\left(d\right)=\frac{1+C_m-R_m-C_m{R}_m^{L_m-d-1}}{1-R_m}---\left(1\right)$

如果该父设备的Cskip(d)大于1，那么就可以接受子设备。父设备为它的第一个直接子路由器分配一个比自己更大的地址，随后分配给其它直接子路由器的地址将以Cskip(d+1)为间隔，依次类推。第n个直接终端的网络地址将按照如下公式进行分配：

A_n＝Aparent+Cskip(d+1)×R_m+n    (2)

其中，1≤n≤(C_m-R_m)，Aparent为父设备的地址。对于一个地址为Aparent、深度为d的父设备，后代设备的地址A满足如下表达式：

Aparent＜A＜Aparent+Cskip(d)(3)

这表明父设备可以根据表达式(3)来判断某个地址是否属于它的后代设备。

然而，采用层次型地址分配方案，一方面限制了网络的规模，阻碍了Zigbee无线传感网的应用范围；另一方面容易导致一些节点无法连接到网络上，形成孤点设备。

为了扩大Zigbee网络规模，有学者提出将多个Zigbee传感网通过一个网关进行相连，每一个传感网使用一个通信信道，由于Zigbee在2.4GHz频段上共支持16个信道，这样就可以将整个网络规模扩大16倍，但这种结构比较松散，很难进行统一管理。为了消除孤点数，国内外学者提出的都是基于地址借用方案，但是这一方面需要路由器始终处于活动状态，不能节省自身的能量，另一方面，这类方案不利于扩大网络规模。

发明内容

本发明的目的在于克服现有单级树型结构Zigbee无线传感网络的不足之处，提供一种可有效扩大网络规模、减少孤点数的网络结构，并提供一种改进型树型路由协议，从而减少节点因构建路由表而带来的能量和内存的消耗。

本发明方案是通过一种主从树型拓扑结构的Zigbee无线传感网络来达到上述目的，具体的说，就是将整个网络分为一个主网络和若干个从网络，以主协调器和相关节点组成主网络；主网络中的若干路由器作为从协调器，与周围孤立节点构建若干个从网络，从而共同构建一个具有主从树型结构的网络。

这种具有主从树型拓扑结构的Zigbee无线传感网络是通过以下步骤构建的：

步骤A、主协调器根据下述公式确定主网络规模参数和

$C_m^g=R_m^g=\min (255,\frac{B_g\times r_g}{200})$

$L_m^g=\min (255,\frac{D_g}{d_g})$

其中，为主网络的最大深度；为每个父设备的最大子节点数；为每个父设备的最大子路由器数；B_g为主网络带宽，由主协调器所采用的射频芯片决定；r_g表示主协调器工作时间与工作周期的比值；D_g表示数据包在主网络中进行传输的最大延时时间；d_g表示数据包在主网络中从一个节点传输到另外一个节点的平均延时时间；

步骤B、主协调器设置主网络号(PANID)为0，并将主网络号以及步骤A中得到的主网络规模参数放在信标帧中广播出去；

步骤C、未加入主网络的路由器和终端节点接收到来自主协调器的信标帧之后，向主协调器发送关联请求；主协调器根据主网络规模参数以及已有的子节点数目，判断是否可以接纳发送请求的设备，如是，则向它们发出同意接纳响应，并为它们分配一个全局地址；如否，发送拒绝响应；

步骤D、已加入到主网络的路由器根据其在主网络中所处的深度以及主网络规模参数，判断是否可以接纳周围所有的孤立节点，如是，则该路由器将主协调器发送的信标帧中的主网络规模参数以及主网络号重新放入自身信标帧中广播出去；如否，则跳转执行步骤F；

步骤E、未加入主网络的路由器和终端节点接收到已加入主网络的路由器的信标帧之后，向该路由器发送关联请求；该路由器根据主网络规模参数以及已有的子节点数目，判断是否可以接纳发送请求的设备，如是，则向它们发出同意接纳响应，并为它们分配一个全局地址；如否，发送拒绝响应；

步骤F、如果主网络中的某个路由器发现自身无法接纳周围所有孤立节点，则该路由器将自身作为从协调器，按照下述公式计算得到从网络规模参数和

$C_m^l=R_m^l=\min (255,\frac{B_l\times r_l}{200})$

$L_m^l=\min (255,\frac{D_l}{d_l})$

其中，为从网络的最大深度；为每个父设备的最大子节点数；为每个父设备的最大子路由器数；B_l为从网络带宽，由从协调器所采用的射频芯片决定；r_l表示从协调器工作时间与工作周期的比值；D_l表示数据包在从网络中进行传输的最大延时时间；d_l表示数据包在从网络中从一个节点传输到另外一个节点的平均延时时间；

步骤G、从协调器将自身的全局地址作为从网络号，并将步骤F中得到的从网络规模参数和及从网络号放入自身的信标帧中广播出去；

步骤H、未加入主网络的路由器和终端节点接收到来自从协调器的信标帧后，向从协调器发送关联请求；从协调器根据从网络规模参数以及已有的子节点数目，判断是否可以接纳发送请求的设备，如是，则向它们发出同意接纳响应，并为它们分配一个局部地址；如否，发送拒绝响应；

步骤I、已加入到从网络的非从协调器的路由器将从协调器发送的信标帧中的从网络规模参数以及从网络号重新放入自身信标帧中广播出去；

步骤J、既未加入主网络也未加入从网络的路由器或终端节点接收到已加入从网络的路由器的信标帧之后，向该路由器发送关联请求；该路由器根据从网络规模参数以及已有的子节点数目，判断是否可以接纳发送请求的设备，如是，则向它们发出同意接纳响应，并为它们分配一个局部地址；如否，发送拒绝响应。

这样，一个主从树型的Zigbee无线传感网络就构建完成了。

本发明的主从树型的Zigbee无线传感网络通过以下路由协议实现数据传输：

(1)网络层和媒体访问控制层帧报头的设置：

S1、网络层帧报头中的源地址设置为源节点的全局地址或局部地址，目的地址设置为目的节点的全局全局地址或局部地址；其中，当源节点或目的节点为从协调器时，可任意选择该从协调器的全局地址或局部地址；

S2、媒体访问控制层帧报头中的目的网络号设置为目的节点所在的网络号，源网络号设置为源节点所在的网络号；其中，当源节点或目的节点为从协调器时，如果在网络层帧报头设置中使用的是该从协调器的全局地址，则相应的网络号设为0；如果在网络层帧报头设置中使用的是该从协调器的局部地址，则相应的网络号设置为该从协调器的全局地址；

(2)从协调器接收到数据包后，将进行如下操作：

S3、从协调器检查数据包媒体访问控制层帧报头的目的网络号和网络层帧报头的目的地址，如果目的网络号为从协调器的全局地址且目的地址为0，则表明从协调器就是目的节点，结束；如果目的网络号为从协调器的全局地址，但目的地址为其它值，转入S4；如果目的网络号为0，目的地址为从协调器的全局地址，则也表明该从协调器就是目的节点，结束；如果目的网络号为0，但目的地址不是从协调器的全局地址，则从协调器将数据包转发给该从协调器的父节点，结束；

S4、针对该从协调器组成的从网络，采用Zigbee标准中的树型路由协议在该从网络中进行数据包转发，结束；

(3)从网络中的某个路由器接收到数据包后，将进行如下操作：

S5、路由器检查数据包媒体访问控制层帧报头的目的网络号和网络层帧报头的目的地址，如果目的网络号为该路由器所在网络的网络号，目的地址为该路由器的局部地址，则表明该路由器就是目的节点，结束；如果目的网络号为该路由器所在网络的网络号，但目的地址为其它值，转入S6；如果目的网络号为其它值，则该路由器将数据包转发给该路由器的父节点，结束；

S6、路由器采用Zigbee标准中树型路由协议在该从网络中进行数据包转发；

(4)主协调器接收到数据包后，将进行如下操作：

S7、主协调器检查数据包媒体访问控制层帧报头的目的网络号和网络层帧报头的目的地址，如果目的网络号为0，目的地址也为0，则主协调器就是目的节点，结束；如果目的网络号为0，目的地址不为0，转入S8；如果目的网络号不为0，转入S9；

S8、针对主协调器组成的主网络，采用Zigbee标准中的树型路由协议在主网络中进行数据包转发，结束；

S9、将目的网络号看成是一个全局地址，检查该地址是否是在主网络的地址空间中，如果是，转入S10；否则，丢弃该数据包，结束；

S10、针对主协调器组成的主网络，以目的网络号作为临时的目的地址，采用Zigbee标准中的树型路由协议进行数据包转发，结束；

(5)主网络中的非从协调器的路由器接收到数据包后，将进行如下操作：

S11、路由器检查数据包包媒体访问控制层帧报头的目的网络号和网络层帧报头的目的地址，如果目的网络号为0，目的地址为该路由器的全局地址，则该路由器就是目的节点，结束；如果目的网络号为0，目的地址不为0，转入S12；如果网络号不为0，转入S13；

S12、该路由器采用Zigbee标准中的树型路由协议进行数据包转发，结束；

S13、将目的网络号看成是一个全局地址，检查该地址是否是在主网络的地址空间中，如果是，转入S14；否则，丢弃该数据包，结束；

S14、针对主协调器组成的主网络，以目的网络号作为临时的目的地址，采用Zigbee标准中的树型路由协议进行数据包转发，结束。

相比较传统的树型Zigbee无线传感网络，本发明具有以下优点：

第一，扩大了传统树型网络的规模，有利于消除网络中的孤点数；第二，可以采用改进的树型路由协议，有利于减少路由器因构建路由表带来的能量和内存的开销，提高了网络的生存时间；第三，不需要对原有Zigbee协议的帧结构做任何修改，保证了与原协议的兼容。

附图说明

图1是本发明具体实施方案的结构示意图，

其中1为主协调器，2-6、13是路由器，7-12、14、15是终端节点；

图2是本发明具体实施方案中网络层的帧结构；

图3是本发明具体实施方案中媒体控制层的帧结构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

按照下述步骤组建附图1所示主从树型的Zigbee无线传感网络，其中1为主协调器，2-6、13是路由器，7-12、14、15是终端节点：

步骤A、主协调器1根据下述公式确定主网络规模参数和

$C_m^g=R_m^g=\min (255,\frac{B_g\times r_g}{200})$

$L_m^g=\min (255,\frac{D_g}{d_g})$

其中，为主网络的最大深度；为每个父设备的最大子节点数；为每个父设备的最大子路由器数；B_g为主网络带宽，由主协调器1所采用的射频芯片决定；r_g表示主协调器1工作时间与工作周期的比值，可根据无线传感网络的实际使用场合设定；D_g表示数据包在主网络中进行传输的最大延时时间，可根据无线传感网络的实际使用场合设定；d_g表示数据包在主网络中从一个节点传输到另外一个节点的平均延时时间，通过现场测试确定；

步骤B、主协调器1设置主网络号(PANID)为0，并将主网络号以及步骤A中得到的主网络规模参数放在信标帧中广播出去；

步骤C、未加入主网络的路由器2-6(路由器13和终端节点7-12、14、15由于距离原因，无法接收到主协调器的信标帧)接收到来自主协调器1的信标帧之后，向主协调器1发送关联请求；主协调器1根据主网络规模参数以及已有的子节点数目，判断是否可以接纳发送请求的设备，如是，则向它们发出同意接纳响应，并为它们分配一个全局地址；如否，发送拒绝响应；

步骤D、已加入到主网络的路由器2-6根据其在主网络中所处的深度以及主网络规模参数，判断是否可以接纳周围所有的孤立节点，如是，则该路由器将主协调器发送的信标帧中的主网络规模参数以及主网络号重新放入自身信标帧中广播出去；如否，则跳转执行步骤F；

步骤E、未加入主网络的终端节点10、11接收到已加入主网络的路由器4的信标帧之后，向路由器4发送关联请求；路由器4根据主网络规模参数以及已有的子节点数目，判断是否可以接纳发送请求的设备，如是，则向它们发出同意接纳响应，并为它们分配一个全局地址；如否，发送拒绝响应；

同样的，未加入主网络的终端节点12接收到已加入主网络的路由器5的信标帧之后，向路由器5发送关联请求；路由器5根据主网络规模参数以及已有的子节点数目，判断是否可以接纳发送请求的设备，如是，则向它发出同意接纳响应，并为它分配一个全局地址；如否，发送拒绝响应；

步骤F、如果主网络中的某个路由器，例如路由器3、6，发现自身无法接纳周围所有孤立节点，则该路由器将自身作为从协调器，按照下述公式计算各自的从网络规模参数和

$C_m^l=R_m^l=\min (255,\frac{B_l\times r_l}{200})$

$L_m^l=\min (255,\frac{D_l}{d_l})$

其中，为从网络的最大深度；为每个父设备的最大子节点数；为每个父设备的最大子路由器数；B_l为从网络带宽，由从协调器3、6各自所采用的射频芯片决定；r_l表示从协调器工作时间与工作周期的比值，根据实际使用场合设定；D_l表示数据包在从网络中进行传输的最大延时时间，根据实际使用场合设定；d_l表示数据包在从网络中从一个节点传输到另外一个节点的平均延时时间，现场测试确定；

步骤G、从协调器3、6分别将自身的全局地址作为从网络号，并将步骤F中得到的各自的从网络规模参数和及从网络号放入自身的信标帧中广播出去；

步骤H、未加入主网络的路由器13和终端节点15接收到来自从协调器6的信标帧后，向从协调器发送关联请求；从协调器6根据从网络规模参数以及已有的子节点数目，判断是否可以接纳发送请求的设备，如是，则向它们发出同意接纳响应，并为它们分配一个局部地址；如否，发送拒绝响应；

同样的，未加入主网络的终端节点7-9接收到来自从协调器3的信标帧后，向从协调器3发送关联请求；从协调器3根据从网络规模参数以及已有的子节点数目，判断是否可以接纳发送请求的设备，如是，则向它们发出同意接纳响应，并为它们分配一个局部地址；如否，发送拒绝响应；

步骤I、已加入到从网络的非从协调器的路由器13将从协调器6发送的信标帧中的从网络规模参数以及从网络号重新放入自身信标帧中广播出去；

步骤J、既未加入主网络也未加入从网络的路由器和终端节点，在本实施例中只有终端节点14，接收到已加入从网络的路由器13的信标帧之后，向该路由器发送关联请求；该路由器根据从网络规模参数以及已有的子节点数目，判断是否可以接纳发送请求的设备，如是，则向它们发出同意接纳响应，并为它们分配一个局部地址；如否，发送拒绝响应。

这样，如附图1所示的主从树型的Zigbee无线传感网络就构建完成了，其中主协调器1、路由器2-6、终端节点10-12一起构成主网络；路由器3和终端节点7、8、9构成一个从网络，路由器3作为这个从网络的从协调器；路由器6、13和终端节点14、15构成另外一个从网络，路由器6作为这个从网络的从协调器。

为了进一步说明在主从树型的Zigbee无线传感网络中数据是如何传输的，仍以上述主从树型的Zigbee无线传感网络为例：

本实施例中，网络层的帧结构如附图2所示，媒体控制层的帧结构如附图3所示；

假设终端节点14有数据发送给终端节点8，则依照本发明的路由协议经过如下步骤实现：

1)节点14将网络层的目的地址设置为节点8的局部地址，将源地址设置为自身的局部地址；同时将媒体控制层帧头中的目的PANID(网络号)设置为从协调器3的全局地址，源PANID(网络号)设置为从协调器6的全局地址；

2)终端节点8将数据包传递给其父设备，即路由器13，路由器13检查数据包的媒体控制层目的PANID(网络号)，由于PANID(网络号)为从协调器3的全局地址，则路由器13将数据包转发给其父设备，即路由器6；

3)路由器6检查数据包的媒体控制层目的PANID(网络号)，由于PANID(网络号)为从协调器3的全局地址，因此路由器6将数据包转发给主协调器1；

4)主协调器1检查数据包的媒体控制层目的PANID(网络号)，由于PANID(网络号)为从协调器3的全局地址，因此主协调器1将数据包转发给路由器3；

5)路由器3接收到数据包后检查媒体控制层的目的PANID(网络号)，发现该PANID(网络号)就是自身的全局地址，接着检查网络层的目的地址，发现目的地址为终端节点8的局部地址，因此将数据包转发给终端节点8。

上面结合附图对本发明的具体实施进行了举例说明，但本发明并不局限于上述实施例，在不脱离申请的权利要求的精神和范围情况下，本领域的技术人员可作出各种修改或改型。