CN106304014B - 用于减少ZigBee无线传感器网络孤立点的通信方法 - Google Patents

用于减少ZigBee无线传感器网络孤立点的通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于减少ZigBee无线传感器网络孤立点的通信方法，包括重新修改组网时的网络协议数据帧格式和命令帧格式，以及制定消息路由过程。本发明主要解决了ZigBee无线传感器网络在组网过程中由于网络参数的限制导致产生的网络孤立点问题，采用了修改协议帧格式，增加组网过程帧类型，使网络中分配不到地址的节点可以申请某路由节点成为代理节点将其加入网络中。本发明设计的用于减少ZigBee无线传感器网络孤立点的通信方法具有良好的实用性，能够有效减少网络中产生的孤立点数量。

Description

用于减少ZigBee无线传感器网络孤立点的通信方法
技术领域
本发明涉及短距离无线通信技术领域，更具体的说是一种用于减少ZigBee无线传感器网络孤立点的通信方法。
背景技术
近年来，随着微电子系统和网络通信技术的发展，创造了许多低成本，低功耗的微型多功能传感器设备，这些设备可以执行特定的监控环境的功能，当它们通过无线网络组织在一起的时候就形成了无线传感器网络。物联网是当今网络发展的重要方向之一，而无线传感器网络与物联网有着密切的关系，目前使用较为广泛的近距离无线通信技术有蓝牙、Wi-Fi、ZigBee、NFC等等。ZigBee是一种新兴的短距离无线通信技术,它是由成立于2002年8月的国际开放性组织ZigBee联盟制定，飞利浦、三菱电器、摩托罗拉等均是该联盟的主要支持者，到目前为止ZigBee联盟已有超过200个成员，并还在不断增加，这更促进了ZigBee技术的迅速发展。
基于ZigBee协议的无线传感器网络一般称为ZigBee网络。ZigBee技术采用IEEE802.15.4标准作为底层协议，IEEE 802.15.4包括两种底层模式，一种是全球通用的2.4GHz频段，划分为16个独立的信道；另一个是欧洲的868MHz和美国的915MHz频段，信道分别为1个和10个。物理层采用CSMA-CA的接入模式，从而保证信号的抗噪性和数据传输的稳定性。
由于ZigBee技术的低数据传输速率，低功耗，低成本优势，它的应用领域正在不断扩大，在一些应用领域，如温度监控、工业控制、家庭自动化、医疗护理、智能农业、消费类电子、远程控制和智能能源等领域，基于ZigBee的产品应用已经十分普遍，因此ZigBee技术被视为替代有线监视和控制网络领域最有前景的技术之一。
ZigBee网络默认使用分布式地址分配机制和树路由协议。分布式地址分配机制是一种根据预设的组网参数计算父节点的地址空间，即组网参数设定后父节点的地址空间也就确定，所能分配给的子节点数量确定。节点加入网络后采用树路由传输数据包时，根据网络地址可获得“地址-位置”的对应关系，计算下一跳节点地址，实现数据包路由。但这种分配方式容易造成组网参数与实际网络拓扑不匹配，进而影响组网性能，节点的随机分布可能导致父节点的地址空间与子节点个数不相符，导致部分节点无法分配到地址，从而形成孤立点。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种用于减少ZigBee无线传感器网络孤立点的通信方法，采用通过ZigBee无线传感器网络中重新定义数据帧、网络帧格式，增加路由节点角色，制定节点间组网步骤，进而实现减少网络中孤立点的目的。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种用于减少ZigBee无线传感器网络孤立点的通信方法，包括以下步骤：
步骤1：网络协调器确定网络参数进行网络初始化，向ZigBee无线传感器网络广播组网参数；
步骤2：入网节点发起网络扫描生成邻居表，通过查询邻居表找出潜在父节点，并向潜在父节点发送网络加入请求；
步骤3：潜在父节点检查自身是否有剩余地址可分配，如果有则转至步骤4；如果没有则回复拒绝加入的网络回应消息给入网节点，入网节点将该潜在父节点在邻居表中标记，在邻居表中寻找下一个潜在父节点，并发送网络加入请求直到找到自身有剩余地址可分配的潜在父节点，转至步骤4，如果所有潜在父节点都没有剩余地址可分配，则转至步骤5；
步骤4：为入网节点分配地址并将地址放入关联请求命令回应帧中发送给入网节点进行关联，并回复接受加入的网络回应消息给入网节点，在网络层中入网节点将该潜在父节点设置为本节点的当前父节点，完成该入网节点的入网；
步骤5：选出一个潜在父节点作为代理节点，发送网络加入请求；
步骤6：潜在父节点收到代理请求，将代理地址及代理标示符分配给入网节点后加入代理地址转换表，并发送回应消息；
步骤7：入网节点收到回应消息，设置自己的代理地址及代理标示符，并发送响应消息，完成该入网节点的入网。
所述网络参数包括：网络子节点最大数Cm，网络路由子节点最大数Rm，网络最大深度Lm。
所述入网节点发起网络扫描生成邻居表的过程为：入网节点触发所述ZigBee设备对象向网络层发送网络扫描请求；当在所述网络层接收到该网络扫描请求后，通过所述网络层向介质访问控制层发送网络扫描指示，以指示在所述介质访问控制层执行网络扫描；当检测到所述介质访问控制层中完成网络扫描时，通过所述介质访问控制层将包含周围邻居节点信息的扫描结果返回给所述网络层，并由所述网络层将所述扫描结果上报给所述ZigBee设备对象生成邻居表。
所述入网节点将潜在父节点设置为本节点的当前父节点的同时，将当前父节点信息发送给所述ZigBee设备对象，并通过在应用框架中预设的第二消息接口将该当前父节点信息上报给所述应用对象。
所述选出一个潜在父节点作为代理节点中的潜在父节点满足以下条件：匹配的PAN标志符、链路成本最大为3、允许连接；
所述选出一个潜在父节点作为代理节点遵循以下规则：入网节点用NLME_JOIN.request原语请求网络层搜索当前入网节点的邻居表，找到同时满足匹配的PAN标志符、链路成本最大为3、允许连接这三个条件的潜在父节点作为代理节点；如果邻居表中不存在满足条件的潜在父节点则通知APL应用层；如果存在多个满足条件的潜在父节点则选择具有最小深度的潜在父节点作为代理节点，如果存在多个满足条件的并且具有最小深度的潜在父节点则随机选择一个作为代理节点。
所述步骤6具体为：代理节点收到代理请求后将入网节点加入代理节点表，通过修改代理回应命令帧给入网节点分配代理地址和代理标示符的方式向申请的入网节点发送代理应答消息，并将代理地址和代理标示符加入代理地址转换表；所述代理回应命令帧的载荷中包含代理地址和代理标示符以及状态位。
所述步骤7具体为：入网节点收到包含代理回应命令帧的代理请求回应消息后，设置自身的NIB中的nwkNetworkAddress网络短地址为代理回应命令帧中的代理地址，并在代理地址转换表中记录代理标示符，并通过MAC层的MLME.ASSOCIATE.confirm发送关联确认帧响应消息给代理节点，从而建立入网节点与代理节点之间的代理关系。
所述代理地址转换表包括一一对应的代理地址和代理标示符，用于代理节点区分包含代理地址及代理标示符信息的不同类型的代理子节点，通过帧中的目的地址确定要发送帧的下一跳地址，通过代理帧中的代理标示符确定帧来自或应该被发送到哪个代理子节点；所述代理地址是网络协调器节点根据网络参数所能分配的最大地址之外的地址空间中的地址；所述代理标示符为网络层帧格式中除与原协议数据格式保持一致外，在源地址之后新增加的1个字节，初始为0，根据代理子节点的个数进行累加；用于标识网络层帧出自或发送到哪个代理子节点。
所述通信中的帧类型包括：数据帧、网络层命令帧、代理数据帧和网络层代理命令帧。
所述网络层代理命令帧中增加两种代理标示符：代理请求命令帧和代理回应命令帧，用于区分其他命令帧，实现代理命令功能。
所述在网络层中入网节点将该潜在父节点设置为本节点的当前父节点还包括：将该当前父节点信息发送给所述ZigBee设备对象，并通过在应用框架中预设的第二消息接口将该当前父节点信息上报给所述应用对象。本发明具有以下优点及有益效果：
1.本发明具有较高实用性及可靠性。
2.本发明设计了一种用于减少ZigBee无线传感器网络孤立点的协议帧数据结构，对原协议进行了扩展，能够有效降低原协议孤立点产生的概率。
附图说明
图1为本发明的ZigBee网络层帧格式图；
图2为本发明的ZigBee网络层帧控制域的格式图；
图3为本发明的ZigBee网络层帧类型域的格式图；
图4为本发明的ZigBee网络层帧命令帧标示符示意图；
图5为本发明定义的ZigBee代理命令帧载荷示意图；
图6为本发明定义的ZigBee代理地址转换表示意图；
图7为本发明的ZigBee节点组网步骤示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
数据帧主要在以下方面有所改进。由于原ZigBee协议中没有相应的帧命令，我们需要对ZigBee原有的帧格式稍作修改以实现代理机制。
如图1所示，为本发明的ZigBee网络层帧格式图，是改造后的ZigBee协议网络层的帧格式，网路层帧首部增加一个字节的代理标识符字段，用于代理节点查找代理地址转换表进行地址替换。
如图2所示，为本发明的ZigBee网络层帧的帧控制域的格式。
如图3所示，为本发明的ZigBee网络层帧类型域的格式图，在帧类型子域中定义10为代理数据帧，11为网络层代理命令帧，以区别代理帧与ZigBee协议原有的数据帧和命令帧。
如图4所示，为本发明的ZigBee网络层帧命令帧标示符示意图，为了实现关联过程，需要在网络层命令帧载荷中增加两种定义：代理请求命令帧和代理回应命令帧，以区分其他命令帧，实现代理命令功能的实现。
如图5所示，为本发明定义的ZigBee代理命令帧载荷示意图，代理回应命令帧的载荷中有代理地址、代理标示符、状态位字段，当申请节点收到代理回应命令后检查状态位字段如果为1说明申请成功，并设置自己的地址及标示符，否则申请不成功。
如图6所示，为本发明定义的ZigBee代理地址转换表示意图，作为代理节点的父路由节点要想对不同类型的子节点发送数据，需要一种区分机制，即要给不同的被代理节点分配代理地址及代理标示符。对代理节点引入一种表，保存被代理节点的分配的代理地址及代理标示符的一一对应关系，当需要进行地址转换的时候查找该表。
组网步骤的设计如图7所示，具体如下：
1)：ZigBee协调器建立一个新的网络，将16bit的网络地址初始化为0，初始化自己的网络深度Depth＝0，并确定网络参数Cm、Rm、Lm，通知全网络。
2)：申请加入网络的节点首先发起网络发现过程，进行信道选择，生成邻居表。通过对邻居表查询，找出未被标记的深度最小的父节点，并向其发送请求加入网络的关联请求，关联请求获得批准后，正式加入网络；如未收到回应，则可周期性的重新发送关联请求。邻居表中未被标记的深度最小的父节点称为潜在父节点。
3)：入网节点向潜在父节点发送网络加入请求，地址为Aparent的网内路由节点收到未入网的节点的入网关联请求后，检查自身是否有剩余地址可分配，如有则根据申请节点类型及顺序为入网节点分配地址，并将地址放入关联请求命令回应帧中发送给入网节点进行关联，并回复接受加入的网络回应消息给入网节点，同时在网络层中入网节点将该潜在父节点设置为本节点的当前父节点；
在网络层中入网节点将该潜在父节点设置为本节点的当前父节点还包括：将该当前父节点信息发送给所述ZigBee设备对象，并通过在应用框架中预设的第二消息接口将该当前父节点信息上报给所述应用对象。
4)：如果潜在父节点没有剩余地址可分配，则回复拒绝加入的网络回应消息给入网节点；入网节点则将该潜在父节点在邻居表中的Relationship变量标记为0x03用来表示无法成为父节点，接着向邻居表中下一个DeviceType为0x00或0x01的潜在父节点发送网络加入请求直到找到本节点的当前父节点或者遍历所有潜在父节都没能成功找到本节点的当前父节点。
5)：如果遍历所有潜在父节点而没能成功找到本节点的当前父节点，此时邻居表中的潜在父节点已经全部被标记，则选出一个潜在父节点作为代理节点；向其发送代理请求消息。
6)：代理节点收到代理请求后将入网节点加入代理节点表，通过修改代理回应命令帧给入网节点分配代理地址和代理标示符的方式向申请的入网节点发送代理应答消息，并将代理地址和代理标示符加入代理地址转换表；所述代理回应命令帧的载荷中包含代理地址和代理标示符以及状态位。
7)：入网节点收到包含代理回应命令帧的代理请求回应消息后，设置自身的NIB中的nwkNetworkAddress网络短地址为代理回应命令帧中的代理地址，并在代理地址转换表中记录代理标示符，并通过MAC层的MLME.ASSOCIATE.confirm发送关联确认帧响应消息给代理节点，从而建立入网节点与代理节点之间的代理关系，开始数据传输。

Claims (12)

1.一种用于减少ZigBee无线传感器网络孤立点的通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：网络协调器确定网络参数进行网络初始化，向ZigBee无线传感器网络广播组网参数；
步骤2：入网节点发起网络扫描生成邻居表，通过查询邻居表找出潜在父节点，并向潜在父节点发送网络加入请求；
步骤3：潜在父节点检查自身是否有剩余地址可分配，如果有则转至步骤4；如果没有则回复拒绝加入的网络回应消息给入网节点，入网节点将该潜在父节点在邻居表中标记，在邻居表中寻找下一个潜在父节点，并发送网络加入请求直到找到自身有剩余地址可分配的潜在父节点，转至步骤4，如果所有潜在父节点都没有剩余地址可分配，则转至步骤5；
步骤4：为入网节点分配地址并将地址放入关联请求命令回应帧中发送给入网节点进行关联，并回复接受加入的网络回应消息给入网节点，在网络层中入网节点将该潜在父节点设置为本节点的当前父节点，完成该入网节点的入网；
步骤5：选出一个潜在父节点作为代理节点，发送网络加入请求；
步骤6：潜在父节点收到代理请求，将代理地址及代理标示符分配给入网节点后加入代理地址转换表，并发送回应消息；
步骤7：入网节点收到回应消息，设置自己的代理地址及代理标示符，并发送响应消息，完成该入网节点的入网。
2.根据权利要求1所述的用于减少ZigBee无线传感器网络孤立点的通信方法，其特征在于，所述网络参数包括：网络子节点最大数Cm，网络路由子节点最大数Rm，网络最大深度Lm。
3.根据权利要求1所述的用于减少ZigBee无线传感器网络孤立点的通信方法，其特征在于，所述入网节点发起网络扫描生成邻居表的过程为：入网节点触发ZigBee设备对象向网络层发送网络扫描请求；当在所述网络层接收到该网络扫描请求后，通过所述网络层向介质访问控制层发送网络扫描指示，以指示在所述介质访问控制层执行网络扫描；当检测到所述介质访问控制层中完成网络扫描时，通过所述介质访问控制层将包含周围邻居节点信息的扫描结果返回给所述网络层，并由所述网络层将所述扫描结果上报给ZigBee设备对象生成邻居表。
4.根据权利要求1所述的用于减少ZigBee无线传感器网络孤立点的通信方法，其特征在于，所述入网节点将潜在父节点设置为本节点的当前父节点的同时，将当前父节点信息发送给ZigBee设备对象，并通过在应用框架中预设的消息接口将该当前父节点信息上报给应用对象。
5.根据权利要求1所述的用于减少ZigBee无线传感器网络孤立点的通信方法，其特征在于，所述选出一个潜在父节点作为代理节点中的潜在父节点满足以下条件：匹配的PAN标志符、链路成本最大为3、允许连接。
6.根据权利要求1所述的用于减少ZigBee无线传感器网络孤立点的通信方法，其特征在于，所述选出一个潜在父节点作为代理节点遵循以下规则：入网节点用NLME_JOIN.request原语请求网络层搜索当前入网节点的邻居表，找到同时满足匹配的PAN标志符、链路成本最大为3、允许连接这三个条件的潜在父节点作为代理节点；如果邻居表中不存在满足条件的潜在父节点则通知APL应用层；如果存在多个满足条件的潜在父节点则选择具有最小深度的潜在父节点作为代理节点，如果存在多个满足条件的并且具有最小深度的潜在父节点则随机选择一个作为代理节点。
7.根据权利要求1所述的用于减少ZigBee无线传感器网络孤立点的通信方法，其特征在于，所述步骤6具体为：代理节点收到代理请求后将入网节点加入代理节点表，通过修改代理回应命令帧给入网节点分配代理地址和代理标示符的方式向申请的入网节点发送代理应答消息，并将代理地址和代理标示符加入代理地址转换表；所述代理回应命令帧的载荷中包含代理地址和代理标示符以及状态位。
8.根据权利要求1所述的用于减少ZigBee无线传感器网络孤立点的通信方法，其特征在于，所述步骤7具体为：入网节点收到包含代理回应命令帧的代理请求回应消息后，设置自身的NIB中的nwkNetworkAddress网络短地址为代理回应命令帧中的代理地址，并在代理地址转换表中记录代理标示符，并通过MAC层的MLME.ASSOCIATE.confirm发送关联确认帧响应消息给代理节点，从而建立入网节点与代理节点之间的代理关系。
9.根据权利要求1所述的用于减少ZigBee无线传感器网络孤立点的通信方法，其特征在于，所述代理地址转换表包括一一对应的代理地址和代理标示符，用于代理节点区分包含代理地址及代理标示符信息的不同类型的代理子节点，通过帧中的目的地址确定要发送帧的下一跳地址，通过代理帧中的代理标示符确定帧来自或应该被发送到哪个代理子节点；所述代理地址是网络协调器节点根据网络参数所能分配的最大地址之外的地址空间中的地址；所述代理标示符为网络层帧格式中除与原协议数据格式保持一致外，在源地址之后新增加的1个字节，初始为0，根据代理子节点的个数进行累加；用于标识网络层帧出自或发送到哪个代理子节点。
10.根据权利要求1所述的用于减少ZigBee无线传感器网络孤立点的通信方法，其特征在于，所述通信中的帧类型包括：数据帧、网络层命令帧、代理数据帧和网络层代理命令帧。
11.根据权利要求10所述的用于减少ZigBee无线传感器网络孤立点的通信方法，其特征在于，所述网络层代理命令帧中增加两种代理标示符：代理请求命令帧和代理回应命令帧，用于区分其他命令帧，实现代理命令功能。
12.根据权利要求1所述的用于减少ZigBee无线传感器网络孤立点的通信方法，其特征在于，所述在网络层中入网节点将该潜在父节点设置为本节点的当前父节点还包括：将该当前父节点信息发送给ZigBee设备对象，并通过在应用框架中预设的消息接口将该当前父节点信息上报给应用对象。
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