论文研究-基于ZigBee协议的无线传感器单跳分簇网络构建与研究 .pdf

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基于ZigBee协议的无线传感器单跳分簇网络构建与研究,朱佳奇,,本文首先对ZigBee技术规范进行了概述,然后深刻剖析了基于ZigBee的无线传感器网络的体系结构。以单跳分簇网络为例,详细阐述了基于Zig
中国科技论又在线 响应邦定请求,以及建立网络设各间的安全关系。 设备对象达要负责网络设各 的发现及判定对方提供哪类服务。 基于 协议的单跳分簇网络构建 单跳分簇网络将节点分成簇首节点和簇内成员节点两类。簇内成员节点和簇首节 点的通信方式,采用直接通信的单跳方式,而不米用存储转发的多跳形式。由于在分簇过程 中充分考虑到节点地理位置因索,所以单跳通信不至」使节点能量迅速消耗炲尽 单跳分簇网络内的簇内成员节点负责收集到簇内采集到的信息数据,然后发送到簇首节 点。簇首节点主要负责给簇内成员节点分配固定唤醒吋隙进行通行,并收集从簇内成员节点 发米的数据。在进行数据融合等相关处理后,通过一定方式发送到节点 基于 协议的网络构建一般分为步:创建新网络允许设备加入网络设备入 网。下面就簇首节点建立网终,允许设备加入网络和簇内成员节点加入网络分别阐述。 簇首节点建立新网络 簇首节点建立一个新网络的过程从 原语的使 用井始。只有那些可以成为 协调器并且当前没有加入任何网络的设备才能建立新网 终。如果该程序己经在其他设备中开始运行,网络层管理实体 就必须结束该程序 并通知上·层属于非法请求。这过程通过发送 原语,并设置其状态参数为 米实现 这个过程启动以后,网终层管理实体 就要首先要求层对任意指定的一系 列信道,缺省条件下对所有有效的信道进行能量扫措,寻找可能的介入者。信道扫描迸过发 送 原语到层开始,需要将 参数设置为能量扫描。 层将扫描结果有 原语传回网络层 当接收到成功的能量扫描信息后,网络层管实体 就要根据能量检测来对这些 信道进行排序,并忽略一些能量值低」某一可接受水平的信道。这个可接受的能量水平的具 体选择由设各决定。然后网络层管理实体 会发送 原语进行主 动扌描,需要将 参数设置成主动扌描并把 设置成可接受信道的表单, 用以寻找其他的 设备。为了选取建立新网络的最佳信道,网络层管理实体 需要重新检査描述器构成的表单,并寻找现有网终数量最少的第一个信道,给信道 个未被检测的网络 发现了一个合适的信道,网络层管理实体 就要为新网络选择一个标识符 首先要检查可选的 参数是否在指定的 原语 中被指定。如果存在并且没有与现有的 冲突,这个值就会成为新网络的 则设备就会选择个随机的标识符,要求该标识符不是广播标识符并且是 选定信道的所有网终中唯的。·旦某 标识符被选定,网终层管理实体 就要 选择 的网络地址并设置层的 属性与该网络地址一致。 该网络地址被选定,网络层管理实体 就要发送 原语给 层开始一个新的操作。按照 原语,信道扫描 结果和选定的标识符提供的信息来设置 原语的参数。 启动 的状态通过 原语传回网络层 旦接收到启动的状态值,网终层管理实体 就要通知上一层网络实体初始 中国科技论又在线 化 协调器的要求。通过发送 原语,把状态 参量设置成 原语从层返回的值。 图给出了簇首节点建立一个新网络的过程。 簇首节点 首节点 簇首节点 APl NWK层 MAC层 FORMATION. request MLME-SC.ANrequest 执行能宝打描 MLME-SCAN-contirm MLME-SCANrequest 执行主动扫描 MLME-SCAN-coafirm PAND迎岩均址 MI. MF-SFTreyucst ALME SET. confirm MLME-STARTrequest MLME-STARTcuiiliral NLME-NETWCIRI FORMATION- confirm 图簇首节点成功创建內络的信息流程图 簇首节点允许簇内成员节点加入网络 簇首节点允诈簇内成员节点加入网络的过程通过 原语 开始。只有 协调器和 路由器(簇首节点)才能允许设备加入网终。如果该程 序已经在其他仟意设备上被运行,网络层管理实体 就要终止该程序。 如果稈序初始化时设置 参数为,网络层管理实体 就要设置 层 性为 层属性设置通过发送 原语完成 如果程序初始化吋设置 参数在 到 之间,网络层管理实体 航要设置 层 属性为 。然后启动·个吋钟,指 定的持续时间满,时钟溢出,网络层管理实体 再把 层 中国科技论又在线 属性设置成 如果程序初始化时设置 参数为,网络层管理实体 就要设置 层 属性为 并且不加时间限制,除非另一个 原语被发送。 图给出了簇首节点允许设备加入网络的过程。 簇首节点 簇首节点 首节点 APL层 NWK层 MAC层 NLME-PERMIT-JO..reyle MLME-SE.request MLME-SEI. confirm 允许入网时句 MLMESETrequest MLME-SET.confir.m M亠PRⅥlJO. NINGcontin 图簇首节点允许设备加入网络的信息流程 簇内成员节点关联加入网络 簇内成员节点采用 层协商程序加入网终的过程要从发送 原语开始,设置 参数,表明需要扫描 哪些信道,设置 参数,表明扫描每个信道所需的时间。一且收到该原语, 层就会发送 原语要求层运行一次被动的或主动扫描。 扫描过程中每接收到一个冇效数据长度非零的信息帧,就会引起扫描设备从层发 原语给它的网络层管理实体 。该原语包括 息设备的寻址信息,是否允许关联以及信标有效载荷。网络层管理实体 需要检査 信标有效载荷中的协议字段并确认其符合 协议标识符,设备随即拷贝每个收到的 信标的相关信息到自己的邻居设备信息表格中。如果不符合,该信息就被忽略 目层发送 原语到网终层管理实体 告知扫描完成, 层就要发送 原语,包括每个扫描到的网络的 描述。每个网络描述包括 版本、协议栈概要、 逻辑信道,以及该网络是否 允许设备加入的信息。 当接收到 原语,上一层网络实体就得到了当 前近地区的网络情况。上层网络实体可以选择再次进行网络发现来寻找更多的网络或出于 中国科技论又在线 其他原因,否则,它就要从已发现的网络中选择·个网络加入。然后发送 原语,将 参数设置成选定网络的标识符,将 参数设置成 设置 参数,表明该设备是否作为路由器加入。只有那些还没有加入网络的设备 会运行加入网终程序。如果其他任何设备运行该程序,网终层管理实体 就会结束该 程序,并通知上层网络报错,发送 原语,并将状态参数设置为 对还没有加入网终的设备, 原语就会引起层查找其邻居设备 表选择一个合适的现存设备。一个合适的现存设备应具备要求的 ,允许关联,并且 连接损耗不超过。如果潜在父节点正处于邻居设备表日,该就要设置成。 当合适的父节点被选定,网终层管理实体 就要发送 原语给层。其地址参数种需要包含从邻居设备表中被选中的设备的寻址信息。关联状 态将通过 原语反馈给网络层管理实体 如果尝试加入网络成功, 层接收到的 原语中应该含 有该网络中唯一的逻辑地址,为该子节点使用。然后, 层就要在相应的邻居设 各表表目中设置关系字段,以表明该邻居为父节点。到这个时候父节点就要加入该新设备到 它的邻居设备表中。 图给出了子节点通过协商方式加入网络的过程。 簇内成员节点 簇内成员节点 簇内成员节点 层 层 执行主动扫描 选择合适的 关联过程 图簇内成员节点关联方式成功加入网络的信息流程 中国科技论又在线 以上基于单珧分簇网终的构建,严格基于 的协议,通过原语交互完成信息的交 换。在阐述过程中,给出了相关原语关键参数的设置方式,能够高效的组织成符合 规范的网络结构,适用于大规模无线传感器网络体系的构建。 结束语 本文通过对基于 协议的单跳分簇网络的构建,说明研制开发基于 体系标 准的无线传感器网终,具有低成木、低功耗、通用性强等特点 技术弥补了低功耗、 低速率和低成木无线通信市场的空缺,其廾发技术不断升级,版木不断完善。虽然到目前为 止,还没有完全支持 技术规的应用方案。但是随着无线通信技术的进步发展 有理由相信 将引领短距离无线通信网络,并有极其广阔的应用前景。 参考文献 孙利民、李建中、陈渝、朱红松《无线传感器网终》北京清华大学出版社年月第三版 李哓维、徐勇车、任丰原《无线传感器网络技术》北京北京理工大学出版社年月第一版 《 、北京电子工业出版社、年月第版 瞿雷、刘盛德、胡咸斌《 技术及应用》北京北京航天航空大学出版社、年月第 纪晴段培永基于 的无线传感器网络协议研究与实现信号与系统年月页

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