作者：鞠芳，劉珩 來源：RFID世界網(wǎng) 2011-08-04 10:46:13

【摘要】無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式組成的一個多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是一種全新的信息獲取和處理技術(shù)。本文基于Freescale 公司的MC1321x-NCB 套件實現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。以鄰接矩陣和網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)之間的對應(yīng)關(guān)系作為理論基礎(chǔ)，自主設(shè)計和實現(xiàn)對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的實時監(jiān)控。并最終，對監(jiān)控平臺進行了測試。

1.引　言
　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless　Sensor　Network,WSN）的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)是組織無線傳感器節(jié)點的組網(wǎng)技術(shù)，有多種形態(tài)和組網(wǎng)方式。對無線傳感器拓撲結(jié)構(gòu)及連通性的檢測分析有一定的實際意義。其結(jié)果可以用于拓撲控制、覆蓋計算等研究并能為偵查、評估等應(yīng)用服務(wù)。
　　本文基于較為成熟的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)——Zigbee進行研究。采用Freescale公司的MC1321x-NCB 套件實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的組建。通過編程對網(wǎng)絡(luò)的連通性進行查詢和獲取；利用串口通信存儲獲取的信息；最終根據(jù)已有信息實時重建網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。
　　2.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的鄰接矩陣表示
　　2.1圖的鄰接矩陣
　　當(dāng)我們需要一個圖的非圖形表示時(例如使用計算機時)，通常我們利用圖的鄰接矩陣來描述它的結(jié)構(gòu)。

　　2.2目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)重現(xiàn)
　　在圖論中，通常根據(jù)圖頂點之間的邊的連接情況將圖分為有向圖和無向圖兩種。無向圖是指在圖的頂點與頂點之間存在的邊是無向邊。由于網(wǎng)絡(luò)拓撲的不確定性，可將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)抽象成一個無向圖。網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備可用無向圖中的節(jié)點表示。連接關(guān)系也可用節(jié)點之間的邊表示。無向圖可以看作網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的抽象圖。
　　而數(shù)學(xué)上，無向圖可以表示成鄰接矩陣的矩陣形式，兩個節(jié)點相連則鄰接矩陣中相對應(yīng)的數(shù)據(jù)項為“1”，其余的都表示為“0”。由此，無向圖節(jié)點之間的連接關(guān)系又可以表示成鄰接矩陣的形式。圖2-2 即是一個網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)、無向圖和鄰接矩陣三者之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

圖2-2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、無向圖、鄰接矩陣三者關(guān)系

　　由圖中我們可以看出，三者之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系都是互逆。已知三者中任何一個，都可以得出其他兩個?；谝陨纤枷?，我們提出了運用圖論和鄰接矩陣理論知識來重現(xiàn)目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)的方法。簡要流程圖如下：

圖2-3目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)重建流程圖

　　3.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組建
　　在本文中，我們采用Freescale公司的MC1321x-NCB套件實現(xiàn)星型Zigbee網(wǎng)絡(luò)的組建。
　　3.1Zigbee網(wǎng)絡(luò)的組建過程
　　將所有節(jié)點布置完畢，打開電源后，Zigbee協(xié)調(diào)器（NCB）開始組建網(wǎng)絡(luò)，而終端設(shè)備（SRB）則周期性的發(fā)送信號，詢問是否有路由器或協(xié)調(diào)器可以連接而加入網(wǎng)絡(luò)。
　?。?）Zigbee協(xié)調(diào)器（NCB）建立網(wǎng)絡(luò)的過程
　　在進行初始化之后，Zigbee協(xié)調(diào)器通過向網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送網(wǎng)絡(luò)形成請求原語請求開始建立新網(wǎng)絡(luò)。它首先對2.4GHz—2.4835GHz標(biāo)號為11至26的16個信道進行能量掃描，選取能量值最低的信道，即存在其他Zigbee網(wǎng)絡(luò)最少的信道[3]。之后，協(xié)調(diào)器為自身選擇一個短地址。最后，協(xié)調(diào)器為整個網(wǎng)絡(luò)選擇一個不與現(xiàn)存網(wǎng)絡(luò)沖突的PAN　ID。這樣，協(xié)調(diào)器建立了新的網(wǎng)絡(luò)，它可以允許其他設(shè)備加入到網(wǎng)絡(luò)中。
　?。?）Zigbee終端設(shè)備（SRB）加入網(wǎng)絡(luò)過程
　　同協(xié)調(diào)器一樣，終端設(shè)備首先也要對所有的16個信道進行能量掃描，并通過媒體訪問控制子層的管理服務(wù)（MLME）發(fā)送信標(biāo)請求。如果收到了回復(fù)的信標(biāo)幀，代表該信道中存在網(wǎng)絡(luò)，設(shè)備將把信標(biāo)幀中的信息（發(fā)送信標(biāo)設(shè)備地址，網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識符，可否連接等）存儲下來。在掃描完所有的信道后，Zigbee終端設(shè)備將選擇一個網(wǎng)絡(luò)加入，并連接至這個網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器節(jié)點。如果與父設(shè)備連接成功，父設(shè)備會分配一個16位的網(wǎng)絡(luò)地址，該網(wǎng)絡(luò)地址在此網(wǎng)絡(luò)中是唯一的，并且該設(shè)備在以后的通信中將使用這個地址[3]。連接完畢后，終端設(shè)備即可通過向父設(shè)備發(fā)送詢問請求，來確定父設(shè)備是否有數(shù)據(jù)要發(fā)送給自身。如果有，該數(shù)據(jù)會在父設(shè)備的回復(fù)中一并發(fā)送。終端節(jié)點在第一次詢問沒有回復(fù)之前，不能夠發(fā)送第二次訊問請求。
　　3.2Zigbee 網(wǎng)絡(luò)連通性的獲取
　　由Zigbee協(xié)調(diào)器（NCB）每三秒準(zhǔn)備一個二進制數(shù)據(jù)向子設(shè)備發(fā)送，該數(shù)據(jù)為0-15的遞增循環(huán)顯示。與此同時，子設(shè)備每3秒鐘將會向父節(jié)點發(fā)送一個查詢請求，詢問是否有發(fā)給自身的數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好。如果數(shù)據(jù)被取走，則清空；如果沒有，我們將設(shè)置一個參數(shù)作為標(biāo)記。三次取數(shù)據(jù)失敗后，該子設(shè)備將被認定已經(jīng)與協(xié)調(diào)器斷開連接。由此，網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。查詢的簡要流程圖如下：

圖3流程圖

　　4.監(jiān)測平臺的設(shè)計與實現(xiàn)
　　4.1 監(jiān)測平臺的設(shè)計
　　在成功獲取網(wǎng)絡(luò)連通性的基礎(chǔ)上，監(jiān)測平臺簡化為兩大部分。一個是串口通信部分，用于將發(fā)送至串口的信息實時地讀取并存儲至計算機的文檔內(nèi)；另一個是圖形界面部分，根據(jù)所存儲的文檔，實現(xiàn)拓撲結(jié)構(gòu)的重構(gòu)。

　　在本文中，使用VC++中的MSComm控件來實現(xiàn)串口通信。
　　選擇COM7口，以二進制方式讀寫數(shù)據(jù)，波特率19200，無校驗位，8個數(shù)據(jù)位，一個停止位。當(dāng)緩沖區(qū)中有一個及一個以上字符時，將引發(fā)接收數(shù)據(jù)的OnComm事件。并將緩沖區(qū)內(nèi)容全部讀取。

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