（控制科学与工程专业论文）基于zigbee技术的无线自动抄水表系统的相关技术研究.pdf

摘要 目前无线自动抄水表系统越来越受关注，然而在具体的实践中， 无线自动抄水表系统的设计与实现却存在着许多问题，如2 4 g h z 射 频芯片传输距离的局限性、电池供电能量的有效利用等问题。论文主 要是对无线自动抄水表系统的设计与实现做出研究，着重解决在无线 自动抄水表系统的实现中几个关键问题： 首先，针对2 4 g h z 射频芯片传输距离的局限性，论文综合了 s i m p l i c i t i 协议和z i g b e e 协议，构建了两级网络结构，使网络节点传 输距离得以扩展。其次，对于电池供电时能量的有效利用，综合考虑 节点的剩余能量，路径成本开销和网络的生存时间，将网络中节点的 能量分为三个等级：a m p l e 、n o r m a l 和d a n g e r ，并且引入了节点剩 余能量因子口和节点成本因子，对原有z i g b e e 协议的z b r 算法进 行了改进。再次，论文还对两级网络通信的数据识别处理和网络寻址 等关键问题进行研究，通过协议封装的方法将s i m p l i c i t i 协议看成 z i g b e e 协议中应用层协议，进行帧的识别，避免了两种协议相互转 化时帧格式无法识别的问题；借助端口的概念，构建一个地址映射表， 解决了两级网络寻址问题；对在两级网络环境下智能水表和集中器的 主程序软件及相关软件设计做出了说明，保证能够实现两级网络间的 数据通信。最后，在管理中心，进行了协调器的设计、z i g b e e 协议 网络的建立和初始化设计、管理中心对整个网络的数据处理设计，包 括接收网络中的数据、解析数据、保存网络数据等，也对有关数据库 设计、系统管理软件的设计做出了相关研究。 关键词无线自动抄水表系统，网络生存时间，路由算法，数据 识别，网络寻址 a bs t r a c t c u r r e n t l yt h ew i r e l e s sa u t o m a t i cw a t e rm e t e rr e a d i n gs y s t e mi sp a i d m o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt o ，b u ti nt h es p e c i f i cp r a c t i c e ，t h ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no fi ti sh a m p e r e db yk i n d so fp r o b l e m s ，s u c ha st h e 2 4 g h zf r e q u e n c yr a d i ot r a n s m i s s i o nd i s t a n c el i m i t a t i o n s ，t h ee f f i c i e n t e n e r g yu s a g eo fb a t t e r i e sa n ds oo n t h ep a p e rg i v e sm u c he f f o r tt ot h e s t u d yo nt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h ew i r e l e s sa u t o m a t i cw a t e r m e t e rr e a d i n gs y s t e m ，m a i n l yf o c u s i n go ns o l v i n gs e v e r a lk e yis s u e s ，a s f o l l o w s ： f i r s to fa l l ，t oo v e r c o m et h e2 4 g h zf r e q u e n c yr a d i ot r a n s m i s s i o n d i s t a n c el i m i t a t i o n s ，t h ep a p e rc o m b i n e ss i m p l i c i t ip r o t o c o la n dz i g b e e p r o t o c o lt ob u i l tb i h i e r a r c h i c a l n e t w o r ks t r u c t u r e s ot h a tn e t w o r kn o d e s a r ea b l et oe x t e n dt h et r a n s m i s s i o n d i s t a n c e s e c o n d l y , f o r e f f i c i e n t e n e r g yu s a g eo fb a t t e r y , c o n s i d e r i n gt h en o d e sr e s i d u a le n e r g y , t h e r o u t i n gc o s ta n dn e t w o r kl i f e t i m e ，t h eo r i g i n a lz b rr o u t i n ga l g o r i t h mi s i m p r o v e db yt h ee n e r g ys t a t u so f a l ln o d e si nt h en e t w o r kb e i n gd e s c r i b e d i n t ot h r e el e v e l s ：a m p l e ，n o r m a l ，a n dd a n g e r , a n dn o d er e s i d u a le n e r g y f a c t o r 伐a n dr o u t i n gc o s tf a c t o r8 b e i n gi n t r o d u c e di n t ot h ei m p r o v e d a l g o r i t h m t h i r d l y , t h ep a p e ra l s oh a sr e s o l v e ds e v e r a lk i n d so fk e yi s s u e s o ft h eb i h i e r a r c h i c a l n e t w o r k s t r u c t u r e c o m m u n i c a t i n g ，s u c ha s b i h i e r a r c h i c a l n e t w o r kd a t af r a m ei d e n t i f i c a t i o na n dn e t w o r ka d d r e s s i n g i s s u e s t r e a t i n gs i m p l i c i t ip r o t o c o lf l a m ea sa na p p l i c a t i o ni nz i g b e e p r o t o c o la p pl a y e rc a nt a c k l et h eb i - - h i e r a r c h i c a l n e t w o r kd a t af l a m e i d e n t i f i c a t i o ni s s u e u s et h ec o n c e p to fp o r ti nz i g b e ep r o t o c o ls t a c ka n d b u i l da na d d r e s s m a p p i n g t a b l et od e a lw i t ht h e p r o b l e m o f b i h i e r a r c h i c a l - n e t w o r k a d d r e s s i n g t h ep a p e ra l s om a k e sas p e c i f i c e x p l a n a t i o no nt h ed e s i g no fm a i np r o g r a mo fc o n c e n t r a t o ra n ds m a r t w a t e rm e t e ra n dr e l a t e ds o f t w a r ei nt h e b i h i e r a r c h i c a l n e t w o r k e n v i r o n m e n tt og u a r a n t e et h er e l i a b l e c o m m u n i c a t i o n f i n a l l y , i nt h e m a n a g e m e n tc e n t e r , t h ep a p e rd o e st h ed e s i g no ft h ec o o r d i n a t o r , t h e b u i l d i n g a n d i n i t i a l i z i n g o fz i g b e ep r o t o c o l n e t w o r k ，t h eo v e r a l l b i h i e r a r c h i c a l n e t w o r kd a t ap r o c e s s i n gi nt h e m a n a g e m e n ts o f t w a r e ， i n c l u d i n gt h er e c e i v i n g ，a n a l y z i n ga n ds t o r i n go fn e t w o r kd a t a ，t h e i i r e l e v a n td a t a b a s ed e s i g n ，a n da l s om a k e ss o m es t u d i e so nt h ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o n o ft h ew i r e l e s sa u t o m a t i cw a t e r m e t e r r e a d i n g m a n a g e m e n ts y s t e m k e yw o r d s ：t h ew i r e l e s sa u t o m a t i cw a t e rm e t e r r e a d i n g s y s t e m ，n e t w o r kl i f e t i m e ，r o u t i n ga l g o r i t h m ，d a t ai d e n t i f i c a t i o n ， n e t w o r k a d d r e s s i n g i i i 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 基于z i g b e e 协议的无线自动抄水表系统的研究背景 随着现代科技的发展，无线自动抄水表系统越来越受到人们的青睐并逐渐取 代了传统的抄表系统，大致可以分为三类 1 】：智能卡水表、有线自动抄表系统、 无线智能水表。其中有线自动抄表系统又可分为分线制集中抄表和总线制集中抄 表。由于前两种方式都存在着不利因素，故目前无线自动抄水表系统越来越受到 相关行业的瞩目。 文献【2 】阐述了z i g b e e 协议是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数 据速率、低成本的无线网络技术。相对于现有的各种无线通信技术，z i g b e e 技 术将是最低功耗和成本的技术之一，同时由于z i g b e e 协议的低数据速率和通信 范围较小的特点，也决定了z i g b e e 协议适合于承载数据流量较小的业务。 所以将z i g b e e 协议应用于无线自动抄水表系统完全符合z i g b e e 联盟对它的 定位，但是z i g b e e 协议在细节问题上仍然并不十分的完善，仍然需要有一些改 进。尤其是在路由协议方面，未能够满足无线自动抄水表系统对低功耗的要求， 能否找到一种能量有效的路由方式，也是相关领域的研究热点。 1 2 无线自动抄水表系统现状 文献 3 1 1 4 1 1 5 6 1 讨论了传统手工抄表费时、费力，且准确性和及时性得不到 可靠保障，这导致了相关企业管理不能获得足够详细和准确的原始数据；一般人 工抄表都按月抄表，对于单个用户计量来说是可行的，但对于相关供应部门进行 更深层次的分析和管理决策却不够，行业的实际需求推动自动抄水表系统的技术 和应用的不断发展。归纳起来如下： ( 1 ) 入户困难。由于居民物质文化水平的不断提高使得家庭财产观念以及 隐私权观念等越来越强，用户不希望被打扰，抄表人员可利用的抄表时间较短， 因此抄表率、收费率都无法达到公司的要求； ( 2 ) 现行的抄表收费结算方式不合理。由于入户抄表困难，一些自来水公 司只抄总表，分表让用户抄，不足部分由用户分摊，产生用户在交费时的不配合， 致使水费拖欠现象严重； ( 3 ) 数据采集不及时，无法实时反映系统状况，不能为相关应用系统提供 准确及可靠的数据； ( 4 ) 不能对用户行为进行有效监控； 硕士学位论文 第一章绪论 ( 5 ) 由于抄表数据仍要现场采集，受到许多因素的限制，无法及时发现设 备的故障。 采用无线自动抄水表系统和传统的手工抄表相比优势在于： ( 1 ) 无线自动抄水表系统可实现定时定点上报数据，并且能保证数据准确、 可靠；同时它给数据分析提供了前提和基础，这是手工抄表无法实现的。 ( 2 ) 可进行数据分析，并检查各计量装置是否走动异常，及时发现、排除 故障，可最大限度减少因故障造成的损失。 ( 3 ) 用户的用水量出现异常时，该系统具有自动分析报警功能，可及时发 现非法用水和盗水等情况，以便及时采取措施杜绝此类现象发生。 ( 4 ) 系统的运行成本大大降低，可减少手工抄表时所用的人力物力等费用。 ( 5 ) 抄表时间灵活，既可以设定统一时间抄表，也可以根据需要对某个水 表补抄，还可以采集某一时段的水量。 文献【7 】 8 】讨论了无线自动抄水表系统对数据的传输和保存有着很高的要 求；由于用电池供电，因此对功耗要求也很苛刻；无线抄水表系统可以摆脱人工 抄表，利用无线通信协议传输数据。基于以上原因，要求设计的无线自动抄水表 系统应该具有计量准确、通信可靠、抄表方便、功耗低等优点，以及节省人力、 远程监控、远程维护的功能。归纳起来，无线自动抄水表系统必须解决以下几个 方面的要求： ( 1 ) 供电：由于智能水表采用电池供电，因此对功耗要求非常苛刻，一般 而言，电池要能够长时间的使用，这取决于电池的容量、设备的耗电情况、设备 的运行要求等因素。 ( 2 ) 防潮、防水：智能水表所处的环境总是与水、潮湿分不开的，因此抄 表终端必须在防潮、防水方面仔细考虑，要能够在这样的环境下长时间正常工作。 ( 3 ) 成本：无论是家庭用户，还是企业用户，智能水表的成本始终是绕不 开的话题，尤其是家庭用户，对于成本更为敏感。这里的成本包括两个部分：一 次性改造或者安装的成本和系统的运行成本。最好是一次性投入的成本尽可能 低，运行成本没有或者非常低。 ( 4 ) 通信可靠性：这是无线自动抄水表系统的最基本的要求，但同时又是 不很容易解决定问题。同时还能够对智能水表的故障自动检测。 目前无线自动抄水表系统最常见实现技术是z i g b e e 协议。z i g b e e 协议采用 i e e e 8 0 2 1 5 4 通信标准的一种新兴的短距离、低功耗、低传输速率、低成本、低 复杂度的无线网络技术，主要用于近距离传输，适合用于无线数据采集、无线工 、：；制、消费性电子设备、汽车自动化、家庭和楼宇自动化、医用设备控制、远 程网络控制等场合。 2 硕士学位论文 第一章绪论 文献【9 】研究了z i g b e e 协议主要支持三种主要的自组织无线网络类型( 如图 1 1 ) ，即星型结构( s t a r ) 、簇状结构( t r e e ) 和网状结构( m e s h ) ，特别是网状结构， 具有很强的网络健壮性和系统可靠性。星型网络结构特点是支持点对点、点对多 点通信，中心节点为网络协调器( c o o r d i n a t o r ) ，终端节点为终端设备( e n d d e v i c e ) ，所有数据经过中心节点，适合圆形分散、距离较近的传感器网络。m e s h 网状网络结构特点是系统采用多跳式路由通信，网络容量很大，可以跨越很大的 物理空间，适合距离较远比较分散的结构。m e s h 网状网络拓扑结构的网络具有 强大的功能，网络的所有实体只有要通信范围之内，都可以互相通信，如果没有 直接通路，还可以通过“多跳 的方式进行通信，因此可以构成复杂的网络。 锻、， 一、 研”国 露t， l 一 一一、 t e e 7 岛国 冷、国 m e s h妨 o 刚络坍调器 o 全功琵改备rf f d ) 囝 梢确功能i 笠备f r f d 图l 一1 网络拓扑结构 网络协调器就是网络中的中心节点，是网络的组织者，负责网络组建；全功 能设备( f f d ) 可作为路由器使用，是具有路由与中继功能的网络节点，可以与 精简功能设备( i 强d ) 节点通信，也可以与别的f f d 节点通信；精简功能设备 ( r f d ) 节点作为网络终端节点，相互间不能直接通信，只能通过f f d 节点发 送和接收信息，不具有路由和中继功能。 z i g b e e 协议通信可靠，采用c s m a c a 的碰撞避免机制，避免发送数据时 的竞争和冲突；采用完全确认的数据传输机制，保证信息传输的可靠性；网络的 自组织能力强，无需人工干预，网络节点能感知其他节点的存在，并确定连接关 系，组成结构化的网络；网络的自愈能力强，增加、删除或移动节点，节点发生 故障等等，网络都能够自我修复无需人工干预，保证整个系统仍然能正常工作。 z i g b e e 协议设备的复杂程度较低，且z i g b e e 协议是免专利费的，这些可以 有效地降低设备成本；z i g b e e 协议的工作频段灵活，为免执照频段的2 4 g h z ， 就是没有使用费的无线通信。 归纳起来z i g b e e 协议具有如下优点： ( 1 ) 数据传输速率低：1 0 2 5 0 k b s ，适用于低数据传输速率应用场合。 硕士学位论文第一章绪论 ( 2 ) 功耗低：在低功耗待机模式下，两节普通电池可使用6 2 4 个月。 ( 3 ) 成本低：z i g b e e 数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。 ( 4 ) 网络容量大：网络可容纳6 5 0 0 0 个设备。 ( 5 ) 网络的自组织、自愈能力强，通信可靠。 ( 6 ) 数据安全：z i g b e e 协议提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用 a e s 1 2 8 加密算法，各个应用可灵活确定其安全属性。 基于z i g b e e 协议的无线自动抄水表系统解决方案通过前面对自来水抄表系 统的技术要求分析，结合z i g b e e 协议特点和技术优势，采用z i g b e e 协议来实现 无线自动抄水表系统目前是非常理想的。 1 2 1 单一的z i g b e e 网络实现无线水表 文献 1 0 l 研究的无线水表系统总体设计为在单元楼内安装一个z i g b e e 协议 数据采集模块，用于抄表人员收集各住户水表数据；同时还要在各住户家中安装 z i g b e e 协议远程用户终端模块，其主要用来读取水表的数据然后通过z i g b e e 协 议的射频部分将数据传输到z i g b e e 协议数据采集模块，如图1 2 所示。 z i g b e e 数捌采集模块 用厂 终端【 图1 - 2 单元楼通信模块 z i g b e e 协议远程用户终端模块和z i g b e e 协议数据采集模块中，z i g b e e 部分 采用德州仪器( t i ) 芯片c c 2 4 8 0 来完成。c c 2 4 8 0 只需要很少的外围器件，且 该器件无需了解繁琐的全功能z i g b e e 协议，从而减少开发时间。c c 2 4 8 0 不仅能 够通过s p i 或u a r t 接口与各种m c u 通信，还能与t i 的m p s 4 3 0 超低功耗m c u 等器件相结合。z s t a c k 软件z i g b e e 2 0 0 6 协议栈可以在z i g b e e 处理器上运行， 而应用程序则能在外部m c u 上运行。c c 2 4 8 0 能够处理所有时机关键型与进程 密集型z i g b e e 协议任务，而将应用m c u 的资源占用的空间释放出来用于满足 其他程序的要求。 4 离翠国翮一一翁 案案 函一 硕士学位论文第一章绪论 虽然z i g b e e 技术是实现无线自动抄水表系统的理想解决方案，但在实际的 工程应用中也有它不足的一面。z i g b e e 在全球范围内使用的频率是2 4g h z ，属 于微波范畴，特点是频率高、波长短、直线传播，在传播方向上几乎绕不开障碍 物，再加上z i g b e e 协议节点的射频发射功率非常低，这就导致，z i g b e e 协议节 点的无线信号穿透障碍物能力非常有限，也即穿墙能力有限。一旦选用了发射功 率过低、接收灵敏度不够、天线增益不够的无线设备，无线信号会衰减得利害， 传输速率急剧下降，甚至会容易在家里出现无线的盲点，碰到盲点的时候就无法 连接就会断线。无线设备的发射功率、接收灵敏度、天线增益、有效传输距离都 直接与穿透能力和连接是否稳定以及最终实际传输速率有关。无线设备的穿透隔 墙的能力，通常情况下取决于以下技术指标： ( 1 ) i e e e 8 0 2 1 l 规定的无线局域网设备的最大发射功率是2 0 d b m ( 1 0 0 m w ) ，一般较大的产品要达到1 7 d b m 。 ( 2 ) 接收灵敏度目前最优的是1 0 5 d b 。经过一层木板，接收信号将衰减4 d b ； 经过一堵砖墙，接收信号将衰减8 1 5 d b ；经过钢筋混凝土墙，则至少衰减 1 5 3 0 d b 。发射灵敏度高达1 0 5 d b 的无线设备具有强大的墙壁穿透性；能够连续 穿透三面厚度达1 2 m 总间隔3 0 m 的钢筋混凝土墙壁而不需要任何中继设备。 ( 3 ) 天线增益最好是3 5 d b i 。一般的无线局域网设备的天线增益为2 d b i ， 按照经验，2 d b i 的增益天线信号可以穿透两堵墙。若是房间太多，经过的隔墙 比较多，最好是设备是天线可拆，以便配置高增益天线，如改换5 d b i 的全向天 线加以增强。需要指出的是，金属物体的障碍物，不仅阻挡微波无线信号，它还 能把电磁的能量给吸收掉，生成弱电流泄流掉，因此，无线信号在家庭环境中最 大的障碍物是内有钢筋网的楼板，这个方向的信号几乎没有穿透的可能。 因此，就出现以下两种情况的解决方案：1 2 2 节提出2 4g h z 的z i g b e e 和 r s 2 3 2 结合的有线无线混合的实现方法；1 2 3 节提出2 4g h z 的z i g b e e 和4 3 3 m h z 的射频技术相结合的无线传感器网络实现方法。 1 2 2z i g b e e 网络和r s 2 3 2 结合实现无线水表 文献【3 】研究了无线自动抄水表系统是由系统主站、集中器、采集器、智能 水表构成( 如图1 3 ) 。每户居民家中设置一只采集器，家中水表通过r s 2 3 2 总 线与采集器相连，采集器通过z i g b e e 协议网络与小区中心的集中器进行数据通 信，系统主站通过中国移动g p r s 网络与分散于各物业小区的集中器连接，形成 l 对n 的连接形式，实现集中器和数据中心系统的实时在线连接。在很多大型居 民楼中，由于采集器和集中器分布较远，往往还要在采集器和集中器间安装中继 器，以加强网络信号。 硕+ 学位论文 第一章绪论 图1 - 3 智能水表无线抄表系统的结构图 水表控制器( m c u ) 芯片采用的是m s p 4 3 0 f 4 1 3 ，它是t i 推出的超低功耗 1 6 位混合型号处理器，同时系统运行采用不同的工作模式，包括1 种活动模式和 5 种低功耗模式( l p m 0 至l p m 。无线接发芯片为c h i p c o n 公司推出的c c 2 4 2 0 ， 它是一片单片面向于低电压低功耗的2 4 g h z 与i e e e 8 0 2 1 5 4 兼容的r f 收发器， 通过s p i 接口微控器可以对c c 2 4 2 0 进行控制和数据读取。g p r s 模块采用 s i e m e n s 公司的g p r s 无线通信模块m c 3 5 ，它与m c u 、s i m 卡、电源之间的连 接方便。g p r s 模块与m c u 间是通过串行口进行通讯的，通讯速率最快可以达 到11 5 2 0 0 b p s 。模块与控制器间的通讯协议使用标准a t 命令集。集中器由m c u 芯”m s p 4 3 0 f 4 4 9 、上行通信接口电路、下行通信接口电路、显示电路、e e p r o m 存储器、电源电路等几部分组成。 6 硕士学位论文 第一章绪论 1 2 3z i g b e e 网络和4 3 3m h z 的射频技术实现无线水表 文献【1 1 】研究了无线水表系统是z i g b e e 协议网络和4 3 3m h z 射频通信技术 的混合，其系统结构如图1 4 所示。z i g b e e 网络中包含协调器、路由器和终端节 点3 种设备，z i g b e e 网络中的节点可以将采集到的各种数据通过z i g b e e 网络传 输到各自的协调器，协调器将数据汇总后，再通过4 3 3m h z 射频技术传送到星 型网络汇集器，即整个系统的管理节点，然后通过g s m g p r s 技术，将采集数 据最终传送到后台管理数据库，后台管理终端也可以下发系统的配置参数，如终 端节点的睡眠时间以及数据采集周期等。 一一一0 警鳓 7 星4 3 删3 m h 络z，一囝 o 4 3 3 = 苠 一 网络协调器z 之乡以太网 全功能设备( f f d ) 精简功能设备( r f d ) 图l - 4 无线传感器网络拓扑结构 终端节点设计出于降低功耗的考虑，硬件方面是选择低功耗的芯片c c 2 4 3 0 ， z i g b e e 网络协调器节点以c c 2 4 3 0 为主控制器，既是z i g b e e 网络的协调器，同 时也是4 3 3m h z 射频星型网络的子节点，4 3 3m h z 射频部分选用t i 公司的 c c l1 0 0 射频芯片，该芯片体积小，功耗低，数据速率支持1 2 - - 5 0 0k b s 的可编 程控制，可以工作在9 1 5m h z ，8 6 8m h z ，4 3 3m h z ，3 1 5u u z 四个频段，在所 有频段提供3 0 一1 0 d b m 的输出功率。c c l1 0 0 工作在4 3 3m h z 的频率上，采用 2 - f s k 调制方式，数据速率为2 4k b s ，信道间隔为2 0 0k h z ，与单片机c c 2 4 3 0 之间采用s p i 接口连接。4 3 3 m h z 星型网络汇集节点通过s p i 接口，控制c c i1 0 0 ， 同时提供g s m g p r s 以及以太网接口用来连接到后台管理数据库。 7 硕士学位论文第一章绪论 1 3z i g b e e 的路由协议研究现状 为了达到低成本、低功耗、可靠性高等设计目标，z i g b e e 协议网络采用了 c l u s t e r - t r e e 与按需距离矢量路由( a o d v ，a d h o eo n d e m a n dd i s t a n c ev e c t o r r o u t i n g ) 相结合的路由算法，但z i g b e e 协议所使用的a o d v 与自组网中的经典 a o d v 协议并不完全相同，而是一种简化版本的a o d v - a o d v j r1 1 2 1 ( a o d v j u n i o r ) 。在z i g b e e 协议网络中，节点可以按照父子关系( z i g b e e 中，当网络中的 节点允许一个新节点通过它加入网络时，它们之间就形成了父子关系) 使用 c l u s t e r - t r e e 1 3 】算法选择路径，即当一个节点接收到分组后发现该分组不是给自 己的，则只能转发给它的父节点或者子节点。显而易见这并不一定是最优的路径， 为了提高路由效率，z i g b e e 中也让具有路由功能的节点使用a o d v j r 去发现路 由，即具有路由功能的节点可以不按照父子关系而直接发送信息到其通信范围内 的其它具有路由功能的节点，而不具有路由功能的节点仍然使用c l u s t e r - t r e e 路 由发送数据分组和控制分组。 1 3 1 z i g b e e 路由算法的设计目标 文献 1 4 1 1 5 研究了z i g b e e 路由算法的任务是在节点和节点间建立路由，实 现可靠的数据传递，一个完整的z i g b e e 路由算法应包括路由建立、路由发现和 路由维护等内容。要设计一个好的z i g b e e 路由要实现以下一个或者多个设计目 标： ( 1 ) 能量利用的高效性。网络节点的电池能量有限，其路由机制不仅要考 虑选择能量消耗小的传输路径，而且要选择使整个网络能量均衡消耗的路由，以 达到延长无线传感器网络寿命的目的。 ( 2 ) 协议操作的简单性。由于大部分网络节点的计算，存储和通信能力十 分有限，而且通常只能获取局部拓扑信息，不能够进行较为复杂的路由计算，因 此路由协议的简单性对于传感器网络十分必要简单路由协议有助于减少存储开 销，计算开销和控制开销，从而实现能量的节省 ( 3 ) 较高的健壮性和容错性。能量耗尽或环境因素造成传感器节点的失效， 周围环境容易影响无线链路的通信质量以及无线链路本身的缺点等，这些无线传 感器网络的不可靠特性要求路由机制具有一定的容错能力，当节点失效时，采取 路由修复或路由备份的方法，保证路由协议的健壮性。 ( 4 ) 快速收敛性。网络拓扑结构动态变化，节点能量资源和通信带宽有限， 只有路由机制快速收敛，才能适应网络拓扑的变化，减少通信开销，提高消息传 输效率。 ( 5 ) 良好的可扩展性。在无线传感器网络中，由于经常有节点失效、新节 8 硕士学位论文第一章绪论 点加入以及节点移动等，导致网络拓扑动态变化频繁，因此路由机制需要具备一 定的可扩展性。 1 3 2 网络地址分配机制 z i g b e e 协议网络会为每一个节点分配一个1 6 - b i t 网络短地址和一个 6 4 b i t l e e e 扩展地址。节点加入网络时，其父节点为其动态分配1 6 _ b i t 网络地址， 这种地址仅仅用于路由机制和网络中的数据传输； 6 4 b i tm a c 地址是每个节点 的唯一标识，由生产厂商分配。 z i g b e e 协议网络的节点通过i e e e8 0 2 1 5 4m a c 层提供的关联过程 ( a s s o c i a t i o np r o c e d u r e ) 组成一棵逻辑树，一旦网络中的路由节点允许一个新节点 通过它加入网络时，它们之间就形成了父子关系，且为每个进入网络的节点分配 的一个在此网络中唯一的1 6 - b i t 网络地址，分配机制如下： 规定每个父节点最多可以连接巴个子节点，这些子节点中最多可以有心个 路由节点，网络的最大深度为k ，氏。( d ) 是网络深度为d 的父节点为其子节点 分配的地址之间的偏移量，它的值按照如下公式计算： i l + 巳( 乙一d 一1 ) ，如= 1 ( d ) 2 ! g 二二刍：垦竺：! ，。历g 刑妇 1 - 1 ) 【 l 一如 ， 当一个路由节点的气( d ) 为0 时，它就不再具备为子节点分配地址的能力， 也就是说它就不能够再使别的节点通过它加入网络。 如果一个路由节点的( d ) 大于0 ，它则可以接受其它节点为它的子节点， 并为其子节点分配网络地址。它会为第一个与它关联的路由节点分配比自己大l 的地址，之后与之关联的路由节点的地址之间都相隔偏移量( d ) 。每个父节 点最多可以分配尺。个这样的地址。为终端节点分配地址与为路由节点分配地址 不同，假设父节点的地址为a 。删，则第甩个与之关联的终端子节点地址4 为： 4 ，= a m 删+ c k ( d ) 民+ 刀，l 聆( q 一如) ( 1 - 2 ) 1 3 3 c l u s t e r - t r e e 路由算法 在c l u s t e r - t r e e 算法中，节点根据分组目的节点的网络地址计算分组的下一 跳。对于地址为么深度为d 的z i g b e e 路由节点，如果满足下面的不等式，则地 址为d 的目的节点是它的一个后代： a d a + 毛( d ) ( 1 - 4 ) 9 硕士学位论文 第一章绪论 则说明目的节点是它的一个终端子节点，这时下一跳节点地址为： n = d( 1 5 ) 否则， 肚川+ l 鬻| x c 脚 m 6 ， 如果目的节点不是接收节点的一个后代，则将分组发送给它的父节点。 1 3 4 a o d v 路由算法 文献【1 6 】分析了a o d v 路由算法，它是反应式路由协议，也就是说当向目的 节点发送封包时，原节点才在网络中发起路由查找过程，找到相应的路由。相反 的，很多普通的因特网路由协议都是先验式的，也就是说它们查找路由是不依赖 于路径上的节点是否要发包，而是每个节点维护一张包含到达其它节点的路由信 息的路由表。节点间通过周期性的交换路由信息来不断更新自身的路由表，以便 能够及时的反映网络拓扑结构和变化，以维护一致的、及时的、准确的路由信息。 无线自组网按需平面距离矢量路由协议是一种平面距离矢量路由协议。 在a o d v 中，整个网络都是静止的除非有连接建立的需求。这就是说一个 网络节点要建立连接时才广播一个连接建立的请求。其他的a o d v 节点转发这 个请求消息，并记录源节点，和回到源节点的临时路由。当接收连接请求的节点 知道到达目的节点的路由时，就把这个路由信息按照先前记录的回到源节点的临 时路由发回源节点。源节点就会使用这个经由其他节点并且具有最少跳数的路 由。当链路断掉，路由错误就被还送给源节点，源节点就会重新发起路由查找的 过程。 大多数协议的复杂性在于为了保证网络性能而减少消息数量。例如，每个路 由请求都会有一个序号，节点使用这个序号以避免它们重复转发这个路由请求。 路由请求有一个“生存时间 数，这将减少它们被重传的次数。还有就是如果路 由请求失败，其他的路由请求将会在先前的路由请求消息超时后的两倍的“生存 时间之后，才被发送。 1 3 5 a o d v j r 路由算法 文献 1 7 】【1 8 】阐述了a o d v j r 路由算法，它是一种简化版本的a o d v ，它具 有a o d v 的主要功能，但考虑到降低成本、节能、使用的方便性等因素，简化 了a o d v 的一些特点： ( 1 ) 为了减少控制开销和简化路由发现的过程，a o d v j r 中并没有使用目的节 点序列号。a o d v 协议使用目的节点序列号以保证所有路径在任何时间无环路， 为了保证路由无环路，a o d v j r 中规定只有分组的目的节点可以回复r r e p ，即 l o 硕士学位论文 第一章绪论 使中间节点存有通往目的节点的路由也不能回复r r e p 。 ( 2 ) a o d v j r 不存在a o d v 中的“先驱节点列表( p r e c u r s o rl i 鳓 ，从而简化了 路由表结构。在a o d v 中节点如果检测到链路中断则通过上游节点转发r e r r 分组，通知所有受到影响的源节点。在a o d v j r 中，r e r r 仅转发给传输失败的 数据分组的源节点，因而不需要先驱节点列表。 ( 3 ) 在数据传输中如果发生链路中断，a o d v j r 采用本地修复，在路由修复的 过程中，同样由于没有使用目的节点序列号而仅允许目的节点回复r r e p 。如果 本地修复失败，则发送r e r r 到数据分组的源节点通知它由于链路中断而引起 目的节点不可达。r e r r 的格式也被简化至仅包含一个不可达的目的节点，而 a o d v 的r e r r 中可包含多个不可达的目的节点。 ( 4 ) a o d v 中节点周期性地发送h e l l o 分组，为其它节点提供连通性信息， 而a o d v j r 中节点不发送h e l l o 分组，仅根据收到的分组或者m a c 层提供的 信息更新邻居节点列表，从而节省了一部分控制开销。 1 3 6 z i g b e e 路由算法 文献【1 7 】 18 】阐述了z i g b e e 路由算法，在z i g b e e 路由中，可以将节点分为 两类：r n + 和r n 。其中r n + 是指具有足够的存储空间和能力执行a o d v i r 路 由协议的节点，r n 一是指其存储空间受限，不具有执行a o d v j r 路由协议的能 力的节点，r n 收到一个分组后只能用c l u s t e r - t r e e 算法处理。 c l u s t e r - t r e e 算法中，节点收到分组后可以立即将分组传输给下一跳节点， 不存在路由发现过程，这样节点就不需要维护路由表，从而减少了路由协议的控 制开销和节点能量消耗，并且降低了对节点存储能力的要求，降低了节点的成本； 但由于c l u s t e r - t r e e 建立的路由不一定是最优的，会造成分组传输时延较高，而 且较小深度的节点，即靠近z i g b e e 协调点的节点，往往业务量较大，相对较大 深度的节点业务量又比较小，这样就容易造成网络中通信流量分配不均衡。因而， z i g b e e 中允许r n + 节点使用a o d v j r 去发现一条最优路径i 矾+ 节点收到分组 后，可以发起a o d v j r 中的路由发现过程，找到一条通往目的节点的最优路径。 z i g b e e 协议中的路由度量指标需要考虑i e e e8 0 2 1 5 4 物理层提供的l q i ( l i n k q u a l i t yi n d i c a t o r ) 值，l q i 的值越高表示链路质量越好，选择路由时考虑l q i 指 标的方法有很多，综合考虑路由的各项性能指标，可以按照以下规则选择路径： 选择一条通往目的节点的最短路径，当存在两条相同跳数的最短路径时，节点选 择l q i 值较高的那条路径路由建立过程结束后，节点沿着刚刚建立的路由发 送分组。如果某条链路发生中断，鼢节点将发起本地修复过程修复路由。由于 a o d v j r 的使用，降低了分组传输时延，提高了分组递交率。 硕士学位论文第一章绪论 1 3 7 研究意义 无线自动抄水表系统的研究与应用具有十分重要的现实意义。目前实际应用 的自动抄表系统的通信大都采用总线方式，但其复杂的布线会对用户家中的装修 造成很大的破坏，这在很大程度上影响了自动抄表系统的推广应用，所以迫切需 要寻求一种无线的解决方案。因此，如何既能最大程度的利用已有的有线抄表设 备，包括用户端的测量仪表、总线网络、集中器和管理中心端的软硬件设备等， 又能解决有线自动抄水表系统带来存在的布线问题，使得无线自动抄水表系统有 非常巨大的市场前景。 1 4 论文研究内容 上述各种方法比较可知，在传统抄表方面存在着诸多缺点，而使用无线自动 抄水表虽然可以较好的弥补传统抄表的缺点，但是又出现了新的亟待解决的问 题。在硬件上，存在着2 4 g h z 射频芯片传输距离的局限性等问题；在软件上， 由于无线自动抄水表系统使用电池供电，最主要的是解决电池供电情况下，能量 的使用效率问题，原来的z i g b e e 协议中的路由协议不能很好的解决这一问题。 针对2 4 g h z 射频芯片传输距离的局限性，论文综合了s i m p l i c i t i 协议和 z i g b e e 协议，构建了两级网络结构，使网络节点传输距离得以扩展。对于电池 供电时，能量的有效利用，主要是针对z i g b e e 协议原路由算法进行改进，综合 考虑节点的剩余能量，路径成本开销和网络的生命，将网络中节点的能量分为三 个等级：a m p l e 、n o r m a l 和d a n g e r ，并且引入了节点剩余能量因子口和节点成 本因子。同时论文还对两级网络通信的关键问题，如数据识别处理和网络寻址 问题等问题进行研究。随后针对管理中心的数据处理、数据库设计、管理软件设 计等问题做了详细介绍。因此整个文章研究内容分为六章，具体内容包括： 第一章：绪论。阐述了课题来源和研究背景，无线自动抄水表系统及z i g b e e 路由协议的发展过程、研究现状和课题研究意义。对无线抄表系统的几种主要方 案做了优劣比较，提出目前无线自动抄水表系统及z i g b e e 路由协议存在的问题， 阐述论文研究方向与研究内容。 第二章：无线自动抄水表系统架构。提出了基于s i m p l i c i t i 协议和z i g b e e 协议两级网络结构的无线自动抄水表系统。详细介绍了两级网络的结构，以及其 中的智能水表、集中器和管理中心的结构和功能，并且对两级网络参数的设置做 出了分析。 第三章：改进的z b r 算法。本章对网络的能耗因素进行了分析，参考了各 种网络路由的最优路径的度量指标，改进了z i g b e e 协议中的z b r 算法。改进的 1 2 硕士学位论文第一章绪论 z b r 算法将网络中节点的能量分为三个等级：a m p l e 、n o r m a