基于ZigBee的WSN路由研究与实验

无线传感器网络是一种特殊的Ad-Hoc网络，网络中节点密集，数量巨大且分布在十分广泛的区域。目前，发展前景最为看好的是基于IEEE802.15.4标准的ZigBee无线网络。无线传感器网络通常并不需要较高的传输带宽，但却需要较低的传输延时和极低的功率消耗，使用户能拥有较长的电池寿命和较多的器件阵列，而ZigBee的出现正好解决了这一问题。ZigBee有着高通信效率、低复杂度、低功耗、低速率、低成本、高安全性以及全数字化等诸多优点。这些优点使得ZigBee与无线传感器网络完美地结合在一起。目前，基于ZigBee技术的无线传感器网络的研究和开发已得到越来越多的关注。

ZigBee是一个由多到65 000个无线数传模块组成的无线数传网络平台，十分类似现有的移动通信CDMA网或GSM网，每一个ZigBee网络数传模块类似移动网络的一个基站，在整个网络范围内，它们之间可以进行相互通信。不同的是，ZigBee网络主要为自动化控制数据传输而建立，每个ZigBee网络节点既可以与监控对象直接进行数据采集和监控，还可以自动中转其他网络节点传输的数据资料。除此之外，每个ZigBee网络节点还可在自己信号覆盖的范围内，与多个不承担网络信息中转任务的孤立子节点无线连接。ZigBee网络节点可支持31个传感器和受控设备，每个传感器与受控设备有8种不同的接口方式，用来采集、传输数字量和模拟量。

1 WSN路由基本算法

ZigBee WSN中的节点大体可以分为两种类型：有路由容量的节点和没有路由容量的节点。对于树簇拓扑的WSN来说，终端设备通常是RFD精简设备，因此没有路由容量;而路由器与协调器是由FFD全功能设备组成的，因此有路由容量。

树簇型拓扑的WSN中，通常采用树簇算法与AODVjr算法相结合的路由算法，其中树簇算法指的是消息沿着树型拓扑进行传输的算法，它是静态的，不需要存储路由表。该算法适用于节点静止或者移动较少的场合。而AODVjr算法则是对Ad Hoc按需距离矢量路由算法的改进，考虑到节能、应用方便性留了等因素，对AODV的一些特点进行了简化，但是仍然保留了AODV的原始功能。

这两种算法的结合使用确定了WSN路由的三种模式，即：禁止路由模式、使能路由模式和强制路由模式。禁止路由模式就是禁止对路径进行查找，因此处于该模式的网络只能使用树簇算法沿着树型拓扑进行路由。使能路由模式是将树簇算法与AODVjr算法相结合，视具体情况来决定到底采用哪种路由算法。强制路由模式完全使用了AODVjr算法，只要设备具有路径查找能力，不管消息传输的路径是否已经存在，都要启动一个路径查找过程，当查找完成，数据包将沿着计算出来的路径传送。

2 路由方式

路由的设定通常有三种模式：禁止路由发现、使能路由发现及强制路由发现。

禁止路由发现(SUPPRESS)：如果发现网络路由器存在，数据包路由指向该路由器。否则，数据包沿着树形推进。

使能路由发现(ENABLE)：如果发现网络路由器存在，数据包路由指向该路由器。如果网络路由器不能确定，路由器可以启动一个路由发现过程，当发现完成，数据包将沿着计算出来的路由传送。如果该路由器没有路由发现能力，数据包将沿着树形推进。

强制路由发现(FORCE)：如果路由器有路由发现能力，不管路由是否已经存在，都将启动一个路由发现过程。发现完成，数据包将沿着计算出来的路由传送。如果这个路由器没有路由发现能力，数据包将沿着树形推进。这个选择必须小心使用，因为它会产生较大的网络冗余。它的主要用途是修复破坏了的路由。

对于树形拓扑结构设备间的数据转发，通常将源地址简化为上行路由(route up)或下行路由(route down)。如果LocalAddr < DestAddr < LocalAddr + CSkip(d-1) 为下行路由，否则为上行路由。通常网络的协调器或路由器都含有一个邻接设备表，该表记录了一定区域内与其具有邻接关系的设备。若想使用邻接表进行路由，只要目标设备在物理区域内可见，即可直接发送信息。而对于网状拓扑结构，则要使用路由表来进行路由。通常协调器或路由器都拥有自己的路由表，如果目标设备在路由表中有相关的记录，则信息就可以根据路由表中的记录进行发送，否则就要沿着树形拓扑来传输数据。

3 路由过程

路由过程主要为以下几个步骤：

(1)一个设备发出路由请求命令帧启动路由发现过程;
(2)对应的接收设备收到该命令后，回复应答命令帧;
(3)对潜在的各条路径花费(跳转次数、延迟时间)进行评估比较;
(4)最佳路由记录添加到此路径上各个设备的路由表中。

4 最短最优路径的判定方式

通常路径请求与路径应答都是由路由器或协调器创建的，当路由器广播发送路径请求时，通常不会只发一次，而是间隔一段时间重复进行发送，而且对于广播寻址来说，它拥有两大特点：一个是凡有无线RF收发使能的设备皆能接收到该帧;另外就是广播发送采用一种被动应答模式，即当某一设备广播发送消息时，它还要监听所有的邻居设备是否对该帧进行广播转发，若没有则设备还要再次广播发送该帧。这样就会出现网络中的设备可能多次收到同一个路径请求，目的设备也有可能在一段时间内多次收到同一个路径请求。目的设备究竟应该响应哪个路径请求呢?在路径算法的实现中笔者采用首接为最优的思想，即第一个收到的有效路径请求即为目的设备要响应的请求，在该请求中记录的路径即为消息传输的路径，应答命令将沿着收到的第一个路径请求命令帧中记录的上一级地址发送回去。