多種無線通信方式自組網及自愈特性測試分析論文
集成ZigBee技術和增強型8051內核的SOC芯片CC2530，配合相應的軟硬件，構建了一個無線測控網絡。對WiFi、ZigBee、433MHz無協議3種無線通信方式的自組網及自愈特性進行了測試研究。
0 引言
無線傳感器網絡(WSN，Wireless Sensor Network)由分布在有效區域內具有通訊功能的大量傳感器節點組成，通過無線方式自組織形成網絡系統，節點采集信息并通過無線網絡逐級傳送到監控中。ZigBee是一種介于IEEE 802.11無線局域網與藍牙技術之間的無線通信網絡協議，是基于IEEE 802.15.4無線標準研制開發的有關組網、應用和安全方面的通信技術[1]。ZigBee為用戶提供了一個低成本、低功耗、低復雜度、適中的數據傳輸速率、高容量以及短距離通信等特性的技術平臺。依據該平臺，客戶通過創造性的研發工作，根據具體任務要求設計硬件系統和配備相應的軟件，就可以出色完成很多任務。
1 承載信息獲取
通過通信信道和設備互連起來的多個不同地理位置的數據通信系統，要使其協同工作實現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則，這個規則就是通信協議。
無論何種協議，本質上都是一種人為的規定，在計算機科學中，需要通過代碼將這些協議實現并編譯燒進通信模塊中。WiFi模塊的主芯片中燒寫了WiFi協議棧以及TCP/IP棧的二進制代碼，ZigBee模塊上的CC2530燒寫了ZigBee協議棧(也就是Z-Stack協議棧)，而433MHz無線節點的主芯片上沒有燒寫任何協議相關內容，所以稱之為無協議通信模塊。無協議通信模塊只是簡單地將要發送的字節調制到通信模塊的無線電頻道上(本實驗設置就是433MHz)，與此同時，將周邊無線電環境中433MHz這個頻率上承載的信息解調獲取。
2 自組網與自愈網性質
自組網是一種移動通信和計算機網絡相結合的網絡，網絡的信息交換采用計算機網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議，根據路由策略和路由表完成數據分組的轉發和路由維護工作，要求節點實現合適的路由協議。自組網路由協議的目標是快速、準確和高效，要求在盡可能短的時間內查找到準確可用的路由信息，并能適應網絡拓撲的快速變化，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，無需再確定從屬關系便可自動形成通信網絡的性質。
對于不同模塊有不同的角色分配，WiFi模塊有AP和Client之分，ZigBee模塊有協調器、路由器和終端節點之分，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絡中，通信主機(WiFi網絡的AP點，ZigBee網絡中的協調器和433MHz網絡中的主機)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 無線通信網絡測試
3.1 WiFi網絡的自組自愈性測試
數據發射模塊的工作頻率為315M，采用聲表諧振器SAW穩頻，當環境溫度在-25℃～+85℃之間變化時，頻飄僅為3ppm/度，特別適合多發一收無線遙控及數據傳輸系統[3]。聲表諧振器的頻率穩定度僅次于晶體，而一般的LC振蕩器頻率穩定度及一致性較差，即使采用高品質微調電容，溫差變化及振動也很難保證已調好的頻點不會發生偏移。
發射模塊未設編碼集成電路，而增加了一只數據調制三極管Q1，這種結構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，直接將它們的數據輸出端第17腳接至數據模塊的輸入端即可。
數據模塊采用ASK方式調制，以降低功耗。當數據信號停止時，發射電流降為零，數據信號與發射模塊輸入端可以用電阻或者直接連接，不能用電容耦合，否則發射模塊不能正常工作。數據電平應接近數據模塊的實際工作電壓，以獲得較高的調制效果。
發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，以免受分布參數影響。模塊的傳輸距離與調制信號頻率及幅度、發射電壓及電池容量、發射天線、接收機的靈敏度及收發環境有關。一般在開闊區最大發射距離約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及不穩定區域。因此，不同的收發環境會有不同的收發距離[4]。
在進行WiFi網絡測試時，把客戶端(Client)接入某個WiFi網絡(某個AP點)，實驗中必須為其制定WiFi網絡的SSID，如果該WiFi網絡設置了加密規則的話，還要配置正確的密碼才能最終接入該WiFi網絡，所以，WiFi協議或者說WiFi模塊是不支持自組網的。
自愈性測試中，若兩個WiFi網絡的SSID或者密碼不同的話，Client無法將兩個WiFi接入，所以WiFi網絡的自愈性只能在一種情況下實現，就是將兩個WiFi網絡的SSID和密碼配置相同。同理，將節點上的WiFi模塊配置為SSID和密碼均相同的AP點，將節點1的WiFi模塊設置為接入該SSID的Client節點。首先只為節點和節點1上電，當節點1的WiFi模塊正確接入網絡后，若使用LED進行效果測試，則WiFi模塊上的LED呈現慢閃狀態(閃動間隔大概1s)，此時將節點3斷電，為節點上電，此時的節點1因為失去了WiFi網絡，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點2的WiFi網絡時的整個間隔)。
3.2 433MHz無協議無線通信網絡自組自愈測試
首先將兩臺PC分別與相關節點接口相連，并分別將相關的`節點上電。打開兩臺PC機上的串口調試助手，通過ModBus指令可以分析出節點的地址和傳感器類型，確定此時節點上需要的正確指令。例如節點上安插的是結露傳感器，根據“ModBus指令”可以確定頭6個十六進制字節分別是“06 03 00 2E 00 01”，接著打開配套光盤應用程序串口調試及CRC軟件CRC_16校驗工具.exe CRC校驗工具，將6個字節填入空白區，點擊計算獲得CRC校驗碼[5]，結果是“06 03 00 2E 00 01 E5 B4”。
在一臺PC機上以十六進制發送上述字符串，觀察兩臺PC機上的返回情況，根據返回情況分析無協議433MHz通信模式的自組網和自愈性特性。解析：正確的效果是PC1上發送了獲取數據的指令后，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的發送指令和傳感器的返回指令，只是因為這個433MHz網絡中根本沒有什么組網的概念，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網絡的自組自愈性測試
將兩臺PC機通過串口線和相關設備的ZigBee協調器(帶有液晶顯示屏的ZigBee節點)旁的串口相連，注意將開關撥至位置“上”，并為兩個協調器節點上電。再打開某臺實驗箱上的任意一個ZigBee節點，根據“ModBus 指令舉例”的介紹，確定該節點的讀取信息字符串。從兩臺PC機上分別發送該字符串，觀察返回數據并分析此時的組網情況。
解析：當電路正確聯通時，應該只有一臺PC機上有數據返回，因為ZigBee終端節點只會連入兩個協調器中的一個。可以反復進行這個操作(關閉打開3個ZigBee節點)，觀察ZigBee終端節點是否會始終連入其中一個ZigBee協調器，據此分析ZigBee網絡的自組網性能。
當兩個協調器和一個ZigBee終端節點同時打開時，ZigBee終端節點只會連入其中一個協調器(稱之為協調器A)，此時關閉協調器A，并且重啟ZigBee終端節點，在與協調器B相連的PC機上發送讀取字符串，觀察是否有數據返回，據此分析ZigBee網絡的自愈性。
注意：進行ZigBee網絡自愈性實驗，有一個重啟ZigBee終端節點動作，這時，不要誤以為一定要重啟終端節點它才會去尋找新的網絡。ZigBee終端節點在什么時候去尋找新的ZigBee網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據，或者返回的數據多長時間沒有應答。本實驗中，筆者將這個判斷機制定義為重啟節點。
4 結語
文中分析了ZigBee協議體系結構各層主要功能，以及ZigBee網絡中兩種拓撲結構，研究了WiFi、ZigBee、433MHz以及自組網、自愈組網的協議測試過程，實現了網絡的自組網和自愈功能。本文方法在遠程測控、場地監控、小區智慧管理、礦井安全檢測、路燈遙測遙控以及環境監測等無人值守領域，都有著非常好的應用前景和顯著的社會經濟效益。
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