基于Zigbee的网络接入网关的研究
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摘 要：为了满足流程工业设备状态监测的实际需求，构建了一套基于zigbee的无线传感网络系统。本文介绍了Zigbee无线传感网络的基本架构，并详细描述了传感网络中接入网关对于网络的管理作用。包含网络主要参数节点状态及丢包率的计算，以及无线传感网络的移动性管理。
关键词：Zigbee；o线传感网络；无线接入网关
一、引言
为了满足工业现场特殊环境的无线数据采集要求，不仅需要Zigbee的高效率协议栈，还需要与整套无线传感器网络匹配的网络管理方法来实现网络中各种设备的协调以及配置。
接入网关作为整套系统中承上启下的设备，负责与节点和上位机两边的通信。本课题实现了以接入网关为核心，对于整个网络的管理功能：包括接入网关对于数据的管理，对节点的发射功率，信道的控制，以及对于网络服务质量中主要参数的控制。并且对于现场中一些特殊的移动性节点，实现了一种类似于手机漫游的管理机制。
二、基于Zigbee无线接入网络概述
ZigBee标准是基于IEEE802.15.4标准的，ZigBee协议栈分为两部分，IEEE802.15.4处理低级MAC层和物理层协议，而ZigBee联盟对其网络层和API进行标准化，ZigBee节省的大部分能量归功于专为低功率设计的IEEE802.15.4协议，各层之间通过服务接入点来实现层层之间的数据通信与协议栈管理，层层之间有两个服务接入点，一个提供数据传输服务，另一个实现网络管理。ZigBee设备在工作时，各种不同的任务在不同层次上执行，通过层的服务完成所要执行的任务。
物理层完成收发数据、激活和休眠射频收发器、信道能量检测、空闲信道评估、数据链路质量指示的功能。MAC子层提供两种服务，MAC层数据服务和管理服务，网络层职责为加入和离开网络机制、应用安全帧的机制及发现和保持设备之间的路径。应用层由应用支持子层，应用框架、ZigBee设备对象及用户定义的应用对象。应用支持子层的作用是维护设备绑定表，它具有根据服务及需求匹配两设备的能力，且通过边界的设备转发信息。
三、接入网关对无线信道的管理
为了避免不同网关所属子网之间的通信互不干扰，为每一个网关分配一个独有的信道，由于在节点加入网关的阶段，节点开始并不知道自己将加入哪一个网关，所以我们需要在划分出一个公有信道来为用于未加入网络的节点入网。当节点收到网关的确认入网帧后，就跳频至网关所属信道进行通信，直到其离开网关。而每个网关为了在接收节点收发数据的同时，还能保证其他节点加入网络，需要在收完数据之后切换至公有信道，来接受入网帧。
对于第一次上电的接入网关，均使用公用信道向全网络广播网络建立帧，这样所有未加入网络节点都可以侦听到网络建立帧，之后接入网关切换至私有信道，首先发送同步帧，并开始接受节点发送过来的数据，当接收完一个节点的数据之后，将判断是否有本子网的其它节点向接入网关发送数据，如果有将继续等待数据并进行数据的管理，计算节电状态，丢包率，否则，为了使更多节点加入网络，接入网关将重新回到公有信道，广播网络建立帧。
四、主要无线网络质量参数的计算
1.节电状态的统计。
节电状态主要是反映该节点当前周期，是否向网关发送了数据帧，有在线和离线两种状态。
由于每一个节点的更新周期不同，从一个单位时间至五个单位时间可配置，这就意味着不可以仅仅根据当前周期是否收到数据来判断节点的状态。在节点每一个数据帧中会将本节点当前更新周期的这一项参数传上来。那么接入网关就可以根据这一字节来判断出节点的更新周期。我们设节点的更新周期为Tupdate，以及节点周期内收到数据报个数Tcounter，则计算节点更新周期的算法如式4-1所示。
NodeStatus=0，Tcounter%Tupdate=0
1，Tcounter%Tupdate≠0 （4.1）
在每个节点数据更新周期，每经过一个单位时间Tcounter就会加一，当还未到节点更新数据的那个单位时间的时候，Tcounter一定会小于Tupdate的值，则Tcounter对Tupdate取余的值不为零，这就代表这个周期节点本不应该传上数据，所以接入网关也不会在这个单位时间段内判断节点是否发送数据。直到节点应发数据时，Tcounter与Tupdate的值吻合，此时Tcounter对Tupdate取余的值为零，所以接入网关在余值为零的那个周期即可根据节点是否传上数据来判断节点的状态。这样方式既避免了忽略本应传递数据的单位周期，也避免了在每一个周期频繁等待节点发送数据，提高了网关的效率。而下一节丢包率的计算也采用了基于节点状态的计算方式。
2.基于贝努利试验的节点丢包率的计算。
丢包率作为反映无线传感网络传输质量的重要参数，其计算对于无线传感器网络系统很重要的作用。1）通过丢包率的变化，可以使用户直观地观察网络运行状态，及早发现网络中存在的故障。2）丢包率的变化对于网络节点及网关的布置有着有很大的指导性意义，对于丢包率，链路质量等参数持续不理想的子网，可以考虑通过改变网络设备安放的位置，直到网络参数运行满足工业现场的基本要求。
本课题设计并实现可以提供分时段的子网络的32个节点的丢包率，这样做的好处在于，当网络运行很长时间后，整段时间的网络可靠性下降而带来的丢包率的变化并不明显，不利于上位机及时发现问题，所以分时段的测量非常重要，每个时段统计一次这一时段单独的丢包率，这样及时网络传输质量发生细微的变化，也可及时发现问题。基于上述分析，本文提出了一种基于贝努力试验计算方法，基本思想如下：在接入网关应用层中为每一个节点设置一个环形队列，队列的长度为K，队列中的每一项为节点每个数据更新周期的状态，用0来表示离线，而用1来表示在线，当节点的周期数超过K之后，将覆盖之前的节电状态值，这也是分时段丢包率的核心思想。在每次网关单位周期结束之前，统计每个节点的环形队列所有项的和，得到的就是每个节点的最近的K个周期的状态，也就是近一百次应收数据的周期实际收到数据帧的次数。
根据上一张节点状态统计一节所述，考虑一次包的收发过程，可能会引发两种事件：接收方成功接收或接收方接收失败，这等价于一次贝努利试验。令Pi为Bernoulli随机变量，如果包成功接收，则Pi为1，否则为0。那么，对于k次发送，包接收率能够被定义如式4.2所示。
Prr=Pi （4.2）
由于Pi为随机变量，根据大数定理，Prr能够被近似地表示为E（Pi），表示平均成功接收一个包的概率。
由Prr的定义及计算公式可知，采用包接收率可以检测出好的链路，能够自适应慢速地跟踪链路质量的变化。在以时间T为周期的多个时间段内，k的取值决定了评估的精度。k值越大，评估越精确，但开销较大；k值较小，开销较少，但评估精度不高。
将每个节点统计后的数据放入隶属于每个节点数据区丢包率的一项，上位机就可以看到分段实时的节点丢包率，并将每一时段的丢包率记录下来，综合得到每天，每月甚至每年的综合丢包率，来评估网络任一时段，任一时长的传输质量。
五、结语
本文主要讨论了基于Zigbee无线网络接入网关对于整个无线传感网络的管理，具体论述了接入网关对于无线数据和信道的管理，以及网络中诸如节点状态，丢包率等对于本套系统有重要应用以及的性能参数的计算方式。
参考文献：
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