CN104869603A - 一种适用于无线监测控制网络的ZigBee路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种适用于协调器作为汇聚节点的无线监测控制网络的ZigBee路由方法。传感节点到协调器的数据传输，有三种类型的路径可选：1)通过长辈节点向上传输数据；2)长辈节点不存在或通过长辈节点的这条链路发生断路时，会通过父节点向上传递数据；3)由于网络中的任何节点都有到协调器的路径，所以当前面两条路径均失效时，可查询邻居表，寻找除长辈节点和父节点以外的任何一邻居节点，将数据传送给它。协调器到传感节点的数据传输，依赖于简单路由表，此路由表是在数据向协调器的传输过程中建立维护的，开销小且维护简单。本发明对于无线监测控制网络更有针对性，具有可靠、开销小，模式简单的特点。

Description

一种适用于无线监测控制网络的ZigBee路由方法

技术领域

本发明涉及无线传感网领域，更具体地，涉及一种适用于协调器作为汇聚节点的无线监测控制网络的ZigBee路由方法。

背景技术

面对信息化时代的到来，ZigBee无线传感器网络以其独有的架构及特点被应用于很多领域，如医疗监护、环境监测、智能抄表等。诸如此类的应用，一般是一种基于监测的控制系统，即需要通过分析监测所得的数据来执行相应的控制操作。监测区域中的传感节点负责采集相关信息(如温度、电压等)，然后通过相应的路由方式将采集到的信息传递给汇聚节点，而ZigBee网络中一般由协调器作为汇聚节点，汇聚节点收到采集数据后，再经由网关将数据通过互联网或卫星传递给处理中心，处理中心对数据进行处理，形成图形化的监测界面进行实时监测；处理中心可远程发送控制命令，通过互联网或卫星经由网关将命令传递给汇聚节点，汇聚节点再通过相应的路由方式，将命令最终传递给某个传感节点，完成远距离控制操作，如图1所示。

ZigBee具有强大的组网能力，可以组成星状网、树状网以及网状网，而网络中的数据传输则依赖于ZigBee中的路由方式。路由方式就是通过互联的网络把信息从源地址传输到目的地址的方法。一个具体应用中，路由方式的选择，直接影响到网络的稳定性、灵活性、可靠性以及拓扑结构等方面。ZigBee目前主要有两种路由方式：树路由和AODVjr(网状网路由)。上述路由虽均能满足一般的应用，但对于协调器充当汇聚节点的监测控制网络，因缺少针对性使得开销、稳定性或易用性变得差强人意。

发明内容

为了克服上述现有ZigBee路由方式的不足，本发明提出一种适用于协调器作为汇聚节点的无线监测控制网络的ZigBee路由方法，该路由方法对无线监测控制网络更有针对性，具有开销小，模式简单的特点。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种适用于无线监测控制网络的ZigBee路由方法，策略简单、可靠稳定、开销较小，包括以下步骤：

S1.节点发送数据或接收到目的节点不为本节点的数据时，首先判断目的节点是否为协调器；当目的节点为协调器，即在路由方向是向上传输时，则跳转到步骤S2；否则，在路由方向是向下传输时跳转到步骤S6；

S2.查询邻居表，判断是否存在长辈节点，当存在长辈节点时，则跳转到步骤S3，否则跳转到步骤S7；

S3.置长辈节点为下一跳；

S4.将数据发送给下一跳，判断链路是否中断，当链路中断时，则跳转到步骤S5，否则建立或更新反向简单路由表，并结束数据传输；

S5.判断数据传输是否为向上传输，当数据传输为向上传输时，则查询邻居表，选择一个不属于步骤S4中链路中断的邻居节点作为下一跳后跳转至步骤S4，否则跳转到步骤S6；

S6.查询简单路由表，判断是否有达到目的节点的路由，当存在时，根据简单路由表设置下一跳地址，跳转到步骤S4，否则等待T时刻后继续判断是否有达到目的节点路由；

S7.置父节点为下一跳后跳转至步骤S4。

优选的，所述路由方法的编址方式为随机编址或树形编址。

优选的，所述邻居表用于存储在节点通信范围内的其他节点信息，主要包含相邻节点的64位IEEE地址、16位网络地址、设备逻辑类型、邻节点关系、链路质量，还能够保存邻居节点的扩展PAN标识及深度值等；

其中ZigBee网络层的命令标识符为0x01-0xff，其中0x01-0x0a已被ZigBee2007标准所使用，0x0b-0xff是作为保留未使用的，在本发明中选用其中的0x0f作为更新邻居命令标识符。

优选的，所述邻居表的建立方式如下：

路由方式选为向上路由，根据预设拓扑结构组建网络，编址方式默认为随机编址；

组建网络后，从协调器开始广播更新邻居命令帧，命令帧标识符为0x0f，命令帧载荷中包含本节点的网络地址，以及本节点的深度值。其它非终端节点在本轮更新邻居过程中第一次收到广播命令后，需继续广播此命令帧。

优选的，网络中，协调器的深度值为0，其他节点的深度为父节点深度值加1；

更新邻居命令帧从协调器开始自上而下广播，当节点收到深度值大的节点的广播时，不做处理；否则，判断两节点间深度相差值；

当两节点间深度相差值大于等于2时，判断广播节点是否为最优长辈节点，当其为最优长辈节点时，以0x06即长辈节点的邻居关系更新到邻居表，否则存储为0x01-0x05之中关系的邻居；

一个节点的邻居表中最多只允许存在一个长辈节点，即最优长辈节点；

当两节点间深度相差值为1或0时，则直接存入邻居表，为非长辈邻居。

优选的，上述更新邻居命令帧从协调器开始自上而下广播，节点收到广播命令后，其处理过程为：

(1)判断广播节点的深度值是否小于或等于本节点的深度值，当小于或等于本节点深度值时，则跳转到步骤(2)，否则不做处理；

(2)判断两节点间深度相差值；当两节点间深度相差值小于2时，存储为非长辈邻居；否则通过查询邻居表，再判断是否存在深度值更小的节点，存在则将广播节点存储为非长辈邻居，不存在则跳转至步骤(3)；

(3)判断与邻居表中长辈节点的深度值是否相等，相等则跳转到步骤(4)，不相等则跳转到步骤(6)；

(4)判断命令帧中链路质量LQI的值是否更大，LQI是节点在接收数据包时自动根据无线信号的接收强度测量并保存的，当命令帧链路质量LQI更大，则将广播节点以最优长辈更新到邻居表后跳转到步骤(5)，否则存储为非长辈邻居；

(5)判断本轮更新邻居过程中是否广播过更新邻居命令，若广播过则结束，否则作为非终端节点还需继续广播更新邻居命令；

(6)比较命令帧链路质量LQI值与用户设定的阈值，当低于设定阈值时，则将广播节点存储为非长辈邻居，否则存储为最优长辈后跳转到步骤(5)。

优选的，所述简单路由表包括目的地址和下一跳地址，是节点在向上传输数据时建立和维护的汇聚节点到达传感节点的简单路由表。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的路由方法主要应用于协调器作为汇聚节点的无线监测控制领域，ZigBee网络中，在组网或通信过程中，网络中的节点都需要建立、维护更新各自的邻居表，本发明是利用这一特点，实现了一种可靠、高效的路由方式。

该路由方式简单，邻居信息更新完毕后，向上传输时只需通过查询邻居表便能确定下一跳，同时形成向下传输所需的简单路由表；向下传输时，只需查询简单路由表便可。该路由方法具有开销较小，模式简单，稳定性好的特点。

向上传输时，借助网络已有的邻居表，不增加额外开销；向下传输时，借助于简单路由表，这种路由表本身比较小，且路由表的维护更新是在数据向上传输的过程中完成的，无需洪泛请求，开销降低很多。比较稳定：向上传输时，当某条链路不通时，可借由其他任一邻居进行向上传输；用于向下传输的简单路由表在每次向上传输过程中，更新维护，确保可靠有效。

从汇聚节点到传感节点的路由依赖于数据向上传输的过程，向上路由(该路由方法包含数据自下而上的传输策略和命令自上而下的传输策略)主要用于基于监测的控制应用。向上路由不依赖于地址分配，可采用各种地址分配方案，包括随机地址分配方案(网状网拓扑)和分布式地址分配方案(树状网拓扑)。向上传输过程不依赖于向下传输的过程，耦合性低，所以针对某些纯监测的应用场景，可去除建立简单路由表这部分工作(指建立向下传输的路由表这个工作，即不提供向下传输的策略)，开销、复杂度更是降低不少。

附图说明

图1是无线传感器网络结构图。

图2是更新邻居命令帧。

图3是接收更新邻居命令帧处理流程图。

图4是建立汇聚节点到传感节点路由过程图。

图5是向上路由算法流程图。

图6是向上路由测试结构图

图7是正向路由记录请求示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的实施方式并不限于此。

对于协调器作为汇聚节点的监测控制系统，已有的树路由效率低、拓扑结构受限；AODVjr路由开销较大，且由于传感节点较多，同时路由发现容易引起广播风暴，造成网络瘫痪；多对一路由需要维护路由表、路由发现表，汇聚节点需维护路由记录表，开销较大，且汇聚节点到传感节点的反向路由是通过路由记录表临时存储的，某一时刻可能没有到某一传感节点的路由。总之，已有的路由方式因开销、网络稳定性、可靠性等因素，不能很好地适用于这种应用场景。

为此，针对这种传感节点较多，协调器作为汇聚节点的无线监测控制应用，提出了一种更为简单、稳定且开销小的路由方法——向上路由。这种路由方式1)向上传输时基于原本就需要维护的邻居表，开销很小；2)路由方式不依赖于地址分配方式，网络拓扑不受限制；3)网络中节点的每个邻居都可以将数据传递给汇聚节点协调器，采集数据向上传输可靠性较高；4)简单路由表建立完后，协调器具有到达任何传感节点的简单路由表项，控制命令可靠传递。总之，向上路由在协调器作为汇聚节点的ZigBee监测控制应用中，具有较高的稳定性、可靠性、易用性，且总体开销比较小。

本发明中涉及到以下内容：

邻居表

ZigBee中的邻居表是在组网以及通信过程中建立并维护的，用来存储在本节点通信范围内的那些节点的信息，主要包含相邻节点的64位IEEE地址、16位网络地址、设备逻辑类型、邻节点关系、链路质量等，还可以保存邻居节点的扩展PAN标识、深度、逻辑信道、信标阶、允许加入标识等。邻居表可以让一个节点了解到周边通信范围内节点的信息，在网络管理过程中很是重要。

命令标识符

命令帧标识符	命令名称
		0x01	路由请求
0x02	路由应答
		0x03	路由错误
0x04	断开
		0x05	路由记录
0x06	重新连接请求
		0x07	重新加入响应
0x08	连接状态
		0x09	网络报告
0x0a	网络更新

0x0b-0xff

保留

表1 网络层命令标识符

ZigBee网络层命令标识符如表1所示，从表中可见，0x0b-0xff都是保留的未使用的命令帧标识符，本发明用0x0f作为更新邻居命令标识符。

更新邻居表

由于向上路由是基于邻居表的，所以首先需要通过广播更新邻居命令来更新维护邻居表，具体过程如下：

a)路由方式选为向上路由，根据所设拓扑结构组建网络。

b)组建好网络后，协调器会广播一命令帧，用于通知较低层邻居自身的一些信息，命令帧格式如图2所示。

命令帧标识符为保留使用的0x0f，命令帧中包含本节点的网络地址，以及节点的深度值。网络中，协调器的深度为0，其他节点的深度为父节点深度加1。命令帧从协调器开始自上而下广播，一个节点如若收到深度值较大节点的广播，则不做处理；如若节点收到的广播是来自深度值较小的节点，判断两节点深度值的差值，当其大于等于2时，再根据图3所示方法判断广播节点是否为最优长辈节点，是的话更新到邻居表，不是的话则存储为其他关系的邻居；相差值小于2则正常存入邻居表。

这个过程之前，需要在邻居表中做一点规定——即邻居表中的Relationship为0x06，表示深度值差大于等于2的长辈节点，邻居表中只存一个最优的(与本设备深度差大且两设备间链路LQI理想)长辈节点。

表2 邻居关系表

为了节省不必要的开销，每个非终端节点在每轮的更新邻居过程中只广播一次命令。协调器可定期广播更新邻居命令，维护更新节点间的邻居关系，从而提高网络的健壮性。接收到命令帧的方法流程如图3所示，该流程图可概括为：维护邻居表并寻找深度差较大且LQI符合阈值的长辈节点，即最优长辈节点，将其更新到邻居表。

数据自下而上传输策略

邻居表信息建立后，传感节点便可以向汇聚节点传送信息。具体过程为：传感节点查询邻居表，最优长辈节点存在的话，置此长辈节点为下一跳；长辈节点不存在的话，置父节点为下一跳；当前面两条链路均不通时，则选一其他邻居节点作为下一跳。中间路由节点收到数据后的处理方式与传感节点一样。经由不断的向上传递，数据最终会到达汇聚节点协调器。

命令自上而下传输策略

作为一个单纯的监测系统，很多时候并不完美，比如对大棚内的湿度进行监测，当湿度低于某一阈值时，想要通过远程控制命令打开灌溉设备，以实现监测控制自动化，此时，就要考虑到命令自上而下传输的情况了。目前，主要有两种常用的策略以实现这样的操作。

一是借助于AODVjr路由，即当协调器有控制命令需要发给某一传感节点时，若没有到达传感节点的路由，协调器便以洪泛的方式进行路由发现，然后再通过传感节点节点进行路由回复来建立从源节点(协调器)到目的节点(传感器节点)的路由。但这种方式存在很大不足：开销较大，建立到每个传感节点都需要全网广播，网络中消息数太多，同时需要维护路由表和路由发现表；当传感节点较多时，协调器可能不能存储那么多的路由表项，导致协调器没有到达某些传感节点的路由。

二是借助于多对一路由所采取的策略：汇聚节点协调器采取一种临时存储的方式，即只有传感节点在发送数据到汇聚节点前，才建立起汇聚节点到它的反向路由，路由是通过传感节点以路由记录的方式将整条路由路径传给汇聚节点(路径为传感节点到汇聚节点的路径)，同时也就建立起了汇聚节点到传感节点的反向路径，汇聚节点传输数据给传感节点时需要携带此路径。这种方式也存在很大不足：1)开销较大，一方面汇聚节点需要存储路由记录表，另一方面汇聚节点传递给传感节点的数据包中需携带路径信息；2)协调器需要支持路由记录功能；3)当某传感节点没有发送路由记录消息给汇聚节点时，汇聚节点便没有到此传感节点的路由，通信不能正常进行。

本实现中采取的策略为：网络中节点在向上传输数据的同时，建立和维护汇聚节点到达传感节点的简单路由表。此路由表只包括两个表项：目的地址和下一跳地址，具体如表3所示。目的地址为发送向上数据的原始节点(某个传感节点)地址，下一跳地址为接收到的数据的发送者地址。

名称	大小	描述
			目的地址	2B	某个传感节点的网络地址
下一跳地址	2B	到目的传感节点的下一跳节点地址

表3 简化版路由表

这种策略的好处：一是无需通过全网广播或路由记录来建立路由，无需维护路由发现表，且路由表中去除了不必要的表项，开销大大减少；一个路由表为4B，1KB便可以存储250个表项，节点空间上完全足够去存储多节点的路由表项；协调器到各传感节点的路由建立完毕后，可实现协调器与传感节点的相互通信。

假如某个传感节点E通过R3、R2、R1将数据传给协调器C，则建立反向路由的过程如图4所示。

本发明的总体路由方法：向上路由包含了传感节点到汇聚节点的路由方式，也包括了汇聚节点到传感节点的路由方式。

向上路由对某些问题的处理：对于向上路由，一般会有三种路径可选：1)通过长辈节点向上传输数据；2)当通过长辈节点的这条路径发生断路时，会通过父节点向上传递数据；3)由于网络中的任何节点都有到协调器的路径，所以当前面两条路径均失效时，可查询邻居表，寻找一个除长辈节点和父节点以外的任何一邻居节点，将数据传送给它。

通过以上分析，本发明提出的向上路由如图5所示，具体步骤如下：

S1.节点发送数据或接收到目的节点不为本节点的数据时，首先判断目的节点是否为协调器；当目的节点为协调器，即在路由方向是向上传输时，则跳转到步骤S2；否则，在路由方向是向下传输时跳转到步骤S6；

S2.查询邻居表，判断是否存在长辈节点，当存在长辈节点时，则跳转到步骤S3，否则跳转到步骤S7；

S3.置长辈节点为下一跳；

S4.将数据发送给下一跳，判断链路是否中断，当链路中断时，则跳转到步骤S5，否则建立或更新反向简单路由表，并结束数据传输；

S5.判断数据传输是否为向上传输，当数据传输为向上传输时，则查询邻居表，选择一个不属于步骤S4中链路中断的邻居节点作为下一跳后跳转至步骤S4，否则跳转到步骤S6；

S6.查询简单路由表，判断是否有达到目的节点的路由，当存在时，根据简单路由表设置下一跳地址，跳转到步骤S4，否则等待T时刻后继续判断是否有达到目的节点路由；

S7.置父节点为下一跳后跳转至步骤S4。

向上路由主要有以下几个特点：

1)主要用于协调器作为汇聚节点的无线监测控制领域。2)路由方式简单，邻居信息建立完毕后，向上传输时只需通过查询邻居表便能确定下一跳；向下传输时，查询简单路由表便可。3)开销较小，向上传输时，借助于本来就有的邻居表，不增加额外开销；向下传输时，借助于简单路由表，这种路由表本身比较小，且路由表的维护更新是在数据向上传输的过程中完成的，无需洪泛请求，开销降低很多。4)比较稳定，向上传输时，当某条链路不通时，可借由其他任一邻居进行向上传输；用于向下传输的简单路由表在每次向上传输过程中，更新维护，确保可靠有效。5)从汇聚节点到传感节点的路由依赖于数据向上传输的过程，所以向上路由主要用于基于监测的控制应用。6)向上路由不依赖于地址分配方式，可采用各种地址分配方案。7)向上传输过程不依赖于向下传输的过程，耦合性低，所以针对某些纯监测的应用场景，可去除建立简单路由表这部分工作(指建立向下传输的路由表这个工作，即不提供命令向下传输的策略)，开销、复杂度更是降低不少。

下面是本发明所提出的路由方式与现有的路由方式的性能对比表：

路由方式	向上路由	树路由	AODVjr	多对一路由
					地址分配方式	随机	分布式	随机	随机
路由效率	较高	较低	较高	较高
					开销	较低	较低	较高	较高
网络节点数	较多	较少	较多	较多
					传输可靠性	较高	较低	较高	较高

表4 几种路由方式对比

上表只是比较宏观地将几种路由进行了对比，实际上还有很多细节的区别，特别是本实现所针对的系统而言，向上路由优势性更强，具体可参照背景技术中的路由选择部分。

路由测试

首先构建如图6所示拓扑的网络，黑色圆表示的节点为协调器，灰色圆表示的节点为路由器，本测试包括1个协调器，10个路由器。实验环境为楼宇内，各节点间隔20米左右。由于向上路由不依赖于地址分配，所以为了更好地观察测试结果，依次将路由节点地址分配为0x0001到0x000A。

实验开始后，协调器广播更新邻居命令，为了查看路由的具体情况，邻居更新过程结束后，通过路由记录命令来记录数据传输的路径。路由器R10发起到协调器的正向路由记录请求，请求命令如图7所示。

之后，使用抓包软件进行抓包，对抓包结果进行分析。

结果分析：通过抓包可知，R10向协调器发起正向路由记录请求命令，命令从R10传到R8(网络地址0x0008)，R8再将命令传给R5(网络地址0x0005)，R5将命令传给R1(0x0001)，R1最终将命令传给协调器，即从R10到协调器的整个路径为R10-R8-R5-R1-协调器，向上路由有效工作。

以上所述的本发明的实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神原则之内所作出的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种适用于无线监测控制网络的ZigBee路由方法，其特征在于，路由过程包括以下步骤：

S1.节点发送数据或接收到目的节点不为本节点的数据时，首先判断目的节点是否为协调器；当目的节点为协调器，即在路由方向是向上传输时，则跳转到步骤S2；否则，在路由方向是向下传输时跳转到步骤S6；

S2.查询邻居表，判断是否存在长辈节点，当存在长辈节点时，则跳转到步骤S3，否则跳转到步骤S7；

S3.置长辈节点为下一跳；

S4.将数据发送给下一跳，判断链路是否中断，当链路中断时，则跳转到步骤S5，否则建立或更新反向简单路由表，并结束数据传输；

S5.判断数据传输是否为向上传输，当数据传输为向上传输时，则查询邻居表，选择一个不属于步骤S4中链路中断的邻居节点作为下一跳后跳转至步骤S4，否则跳转到步骤S6；

S6.查询简单路由表，判断是否有达到目的节点的路由，当存在时，根据简单路由表设置下一跳地址，跳转到步骤S4，否则等待T时刻后继续判断是否有达到目的节点路由；

S7.置父节点为下一跳后跳转至步骤S4。

2.根据权利要求1所述的适用于无线监测控制网络的ZigBee路由方法，其特征在于，所述路由方法的编址方式为随机编址或树形编址。

3.根据权利要求1或2所述的适用于无线监测控制网络的ZigBee路由方法，其特征在于，所述邻居表用于存储在节点通信范围内的其他节点信息，主要包含相邻节点的64位IEEE地址、16位网络地址、设备逻辑类型、邻节点关系、链路质量，还能够保存邻居节点的扩展PAN标识及深度值；

其中ZigBee网络层的命令标识符为0x01-0xff，选用其中的0x0f作为更新邻居命令标识符。

4.根据权利要求1所述的适用于无线监测控制网络的ZigBee路由方法，其特征在于，所述邻居表的建立方式如下：

路由方式选为向上路由，根据所设拓扑结构组建网络；

组建网络后，从协调器开始广播更新邻居命令帧，命令帧标识符为0x0f，命令帧载荷中包含本节点的网络地址，以及本节点的深度值；其它非终端节点在本轮更新邻居过程中第一次收到广播命令后，需继续广播此命令帧。

5.根据权利要求4所述的适用于无线监测控制网络的ZigBee路由方法，其特征在于，网络中，协调器的深度值为0，其他节点的深度为父节点深度值加1；

更新邻居命令帧从协调器开始自上而下广播，当节点收到深度值大的节点的广播时，不做处理；否则，判断两节点间深度相差值；

当两节点间深度相差值大于等于2时，判断广播节点是否为最优长辈节点，当其为最优长辈节点时，以0x06即长辈节点的邻居关系更新到邻居表，否则存储为0x01-0x05之中关系的邻居；

一个节点的邻居表中最多只允许存在一个长辈节点，即最优长辈节点；

当两节点间深度相差值为1或0时，则直接存入邻居表，为非长辈邻居。

6.根据权利要求5所述的适用于无线监测控制网络的ZigBee路由方法，其特征在于，上述更新邻居命令帧从协调器开始自上而下广播，节点收到广播命令后，其处理过程为：

(1)判断广播节点的深度值是否小于或等于本节点的深度值，当小于或等于本节点深度值时，则跳转到步骤(2)，否则不做处理；

(2)判断两节点间深度相差值；当两节点间深度相差值小于2时，存储为非长辈邻居；否则通过查询邻居表，再判断是否存在深度值更小的节点，存在则将广播节点存储为非长辈邻居，不存在则跳转至步骤(3)；

(3)判断与邻居表中长辈节点的深度值是否相等，相等则跳转到步骤(4)，不相等则跳转到步骤(6)；

(4)判断命令帧中链路质量LQI的值是否更大，LQI是节点在接收数据包时自动根据无线信号的接收强度测量并保存的，当命令帧链路质量LQI更大，则将广播节点以最优长辈更新到邻居表后跳转到步骤(5)，否则存储为非长辈邻居；

(5)判断本轮更新邻居过程中是否广播过更新邻居命令，若广播过则结束，否则作为非终端节点还需继续广播更新邻居命令；

(6)比较命令帧链路质量LQI值与用户设定的阈值，当低于设定阈值时，则将广播节点存储为非长辈邻居，否则存储为最优长辈后跳转到步骤(5)。

7.根据权利要求1所述的适用于无线监测控制网络的ZigBee路由方法，其特征在于，所述简单路由表包括目的地址和下一跳地址，是节点在向上传输数据时建立和维护的汇聚节点到达传感节点的简单路由表。