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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)和增強型8051內(nèi)核的SOC芯片CC2530，配合相應的軟硬件，構(gòu)建了一個無線測控網(wǎng)絡。對WiFi、ZigBee、433MHz無協(xié)議3種無線通信方式的自組網(wǎng)及自愈特性進行了測試研究。
0 引言
無線傳感器網(wǎng)絡(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)絡系統(tǒng)，節(jié)點采集信息并通過無線網(wǎng)絡逐級傳送到監(jiān)控中。ZigBee是一種介于IEEE 802.11無線局域網(wǎng)與藍牙技術(shù)之間的無線通信網(wǎng)絡協(xié)議，是基于IEEE 802.15.4無線標準研制開發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、應用和安全方面的通信技術(shù)[1]。ZigBee為用戶提供了一個低成本、低功耗、低復雜度、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)具體任務要求設(shè)計硬件系統(tǒng)和配備相應的軟件，就可以出色完成很多任務。
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，在計算機科學中，需要通過代碼將這些協(xié)議實現(xiàn)并編譯燒進通信模塊中。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網(wǎng)絡相結(jié)合的網(wǎng)絡，網(wǎng)絡的信息交換采用計算機網(wǎng)絡中的分組交換機制，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兩種功能。作為主機，終端需要運行各種面向用戶的應用程序，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(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)議的目標是快速、準確和高效，要求在盡可能短的時間內(nèi)查找到準確可用的路由信息，并能適應網(wǎng)絡拓撲的快速變化，同時減小引入的額外時延和維護路由的控制信息，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模塊有主機和從機之分。自愈性就是當一個原本健全的通信網(wǎng)絡中，通信主機(WiFi網(wǎng)絡的AP點，ZigBee網(wǎng)絡中的協(xié)調(diào)器和433MHz網(wǎng)絡中的主機)掛掉時，原本接入該主機的從機是否具備自己檢測到問題并及時連入周邊其它主機的能力。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)絡測試
3.1 WiFi網(wǎng)絡的自組自愈性測試
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]。
在進行WiFi網(wǎng)絡測試時，把客戶端(Client)接入某個WiFi網(wǎng)絡(某個AP點)，實驗中必須為其制定WiFi網(wǎng)絡的SSID，如果該WiFi網(wǎng)絡設(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，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)絡的自愈性只能在一種情況下實現(xiàn)，就是將兩個WiFi網(wǎng)絡的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，當節(jié)點1的WiFi模塊正確接入網(wǎng)絡后，若使用LED進行效果測試，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，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)絡時的整個間隔)。
3.2 433MHz無協(xié)議無線通信網(wǎng)絡自組自愈測試
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個十六進制字節(jié)分別是“06 03 00 2E 00 01”，接著打開配套光盤應用程序串口調(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機上以十六進制發(fā)送上述字符串，觀察兩臺PC機上的返回情況，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)絡的自組自愈性測試
將兩臺PC機通過串口線和相關(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：當電路正確聯(lián)通時，應該只有一臺PC機上有數(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。可以反復進行這個操作(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)絡的自組網(wǎng)性能。
當兩個協(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)絡的自愈性。
注意：進行ZigBee網(wǎng)絡自愈性實驗，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。ZigBee終端節(jié)點在什么時候去尋找新的ZigBee網(wǎng)絡是由軟件定義的某個判斷機制控制的，這個機制可能是多長時間沒有收到上位機數(shù)據(jù)，或者返回的數(shù)據(jù)多長時間沒有應答。本實驗中，筆者將這個判斷機制定義為重啟節(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)絡中兩種拓撲結(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)絡的自組網(wǎng)和自愈功能。本文方法在遠程測控、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，都有著非常好的應用前景和顯著的社會經(jīng)濟效益。
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