控制网

    许英磊（1983－）
男，河北邯郸人在读研究生，（西南交通大学信息科学与技术学院，四川  成都  610031），主要研究方向为无线网络技术及其应用。

摘要：本文简述了ZigBee网络协议栈、网络拓扑结构及网络特性，并根据ZigBee网络的自组织特性提出一种基于ZigBee技术的两层无线网络组网结构。该网络由安装在货物车辆上的无线终端节点、货场中的中心节点（中继节点）和安装在控制室的网络中心节点构成，可实现货物的动态实时管理控制。

关键词：IEEE802.15.4；FFD；RFD；货场

Abstract: This article briefly describes the ZigBee network protocol, the network topology and the network characteristics. Furtheremore, we propose a two-layer wireless network structure based on the organization characteristic of ZigBee technology. The whole network consists of the wireless terminal node, which is installed on the cargo vehicles, the central node (relaying node) in the freight yard and the network central node in control room. This design can realize the real-time supervisory control of the freight. 

Key words:  IEEE802.15.4；FFD；RFD；Freight Yard

1 引言

    现代运输管理体系已经开始向全面数字化方向发展，传统的管理方式已经越来越不适应发展的需要，并且成本越来越高，这样对货场的统一管理带来很大的困难，而ZigBee技术的出现正好解决了这一问题。ZigBee有着高通信效率、低复杂度、低功耗、低速率、低成本、高安全性以及全数字化等诸多优点。这些优点使得ZigBee和无线传感器网络完美地结合在一起。其可用于家庭自动化，工业自动化，计算机外设和医疗设备等。 本文旨在采用基于ZigBee技术来实现两层网络组网，实现货场的自动化控制,提高工作效率和货场的工作质量。

2 ZigBee技术概述

    ZigBee 技术是近期发展起来的一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案，主要用于近距离无线连接。

    IEEE 无线个人区域网(PAN) 工作组的IEEE802. 15 . 4 技术标准是ZigBee 技术的基础。IEEE802.15. 4 工作组主要负责制定物理层(PHY) 、媒体访问控制层(MAC) 和链路层的标准，而Zigbee 联盟负责其网络层、应用会聚层和高层应用规范(API) 的制定。

    2.1 ZigBee协议栈 

图1   ZigBee协议栈架构

    ZigBee协议栈（图1）是基于开放互连标准OSI七层模型，但根据实际的需要只定义了其中的部分功能。ZigBee协议栈由一组子层构成，每层为其上层提供一组特定的服务：一个数据实体提供数据传输服务，一个管理实体提供全部其他服务。每个服务实体通过一个服务接入点（SAP）为其上层提供接口服务，并且每个SAP提供了一系列的基本服务指令来完成相应的功能。ZigBee协议栈对那些涉及ZigBee的层予以定义。IEEE802.15.4-2003标准定义了最低两层：物理层PHY和媒体接入控制层MAC，ZigBee联盟在此基础上定义了应用层APL和网络层NWK。 

    Zigbee应用层包括应用支持子层APS、应用层框架AF和ZigBee设备对象ZDO（包括ZDO Management Plane）及制造商定义的应用对象。应用支持子层APS负责维护绑定表和在两个绑定实体间传递信息。ZDO负责定义设备节点的功能角色，初始或响应绑定请求及建立网络设备间安全关系，还负责网络设备的发现，决定提供何种应用服务。 

    ZigBee网络层实现的网络机制包括网络的建立和网络节点地址的分配，网络节点加入或离开网络，并负责建立和维护路由，发送接收数据帧，对数据帧进行加密和解密。

    2.2 网络拓扑结构 

    ZigBee以一个个独立的工作节点为依托，通过无线通信组成星状、串（树）状或网状网络，因此，每个节点的功能并非相同。为降低成本，系统中的大部分的节点为子节点，从组网通信上，它只是其功能的一个子集，成为半功能设备（RFD）；而另外一些节点，负责与所控制的子节点通信、汇集数据和发布控制，或起到通信路由的作用，称之为全功能设备（FFD）。无论是哪一种网络拓扑结构，每个独立的网络都有一个唯一的标识符，即网络号（PAN标识符）。利用PAN标识符，采用16位的短地址码进行网络设备间的通信，并可激活网络设备之间的通信。

    2.3 ZigBee网络特性 

    ZigBee网络具有低功耗性，两节AA电池可工作12至24个月，这是ZigBee技术最具优势的地方；低成本；每个节点直接通讯距离较远，可达100米以上，若采用多跳网络通讯距离将更远；ZigBee 网络具有高度扩充性，每个网络可多达255个网络节点，其中一个是Master设备，其他的是Slave设备，若是通过Network Coordinator，则整体网络最多可达到6500个ZigBee网络节点；低速率，每秒250kbps；高可靠性，提供了数据完整性检查及鉴权功能，加密算法采用AES-128，具体应用可灵活确定采用何种安全机制。 

    ZigBee 采用自组织方式组网，这种构架被称为无基础构架的无线局域网，其对网络内部的设备数量不加限制，并可随时建立无线通讯链路。协调器一直处于监听状态，新添加的RFD网络节点会立刻被网络自动发现，这时，FFD节点（中继节点）会把RFD节点的信息传送给协调器节点，由协调器节点进行编址，并计算其路由信息，更新数据转发表和设备关联表等。

3 货场无线网络技术的研究

    3.1 概述

    无线技术具有强大的组网能力，可以形成星型、树型和MESH网状网，可以根据实际项目需要来选择合适的网络结构；星型和簇树型网络适合点对多点、距离相对较近的应用；MESH网状网络拓扑结构的网络具有强大的功能，网络可以通过“多级跳”的方式来通信；该拓扑结构还可以组成极为复杂的网络；网络还具备自组织、自愈功能。 

    基于无线技术的货物动态管理系统的拓扑选择涉及许多设计方案的权衡。该网络自身也是一个动态系统，不断与外界环境相互影响。运送货物车辆的移动、不间断地进出货物和外界的干扰源等都可以影响网络性能。通常拓扑结构的选择要考虑以下几个问题：首先，要考虑最糟情况下和一般情况下的连通性拓扑：应用需要的节点密度和周围环境状况；其次，评估可选择的情况。最后，还要考虑系统的可升降性和权衡能耗/资源的限制。

图2   ZigBee网络拓扑结构

    在本系统网络中，一个节点最多可以担任三种角色：协调器，路由器 和终端设备。这些是逻辑设备类型。FFD可以与RFD或其他FFD通讯，但RFD却只能与FFD通讯。RFD是为了极其简单的应用而设计的，如灯的开关或被动红外传感器；他们并不需要发射大量的数据，只是某一时间需要与一个FFD进行通讯。因此，RFD只需要使用最少的资源和存储器空间，与FFD相比拥有较低的成本。FFD可以用来实现三种逻辑设备类型，但RFD只能充当终端设备。

    本货场管理系统的实际情况如下：（1）无线终端节点由电池供电，所以应该尽量减少无线终端节点的工作量，以节约无线终端节点用电。（2）基于货场的实际情况，网络中节点数量较多，涉及路由寻址等功能，因此，简单的星形拓扑结构不能满足要求。

    根据以上分析，本系统采用网状网络拓扑结构。管理机节点、中心节点和无线终端节点构成网状结构的货场管理网络。其中，管理机节点是全功能设备(FFD)，它作为网络协调器建立网络，监督网络的正常运行。它配置较多的存储空间，完成网络初始化，数据采集，设备控制等功能；中心节点也是全功能节点，它在网络中作为路由器使用，负责转发数据和进行全时信道监听；其他的无线终端节点模块则是精简功能设备(RFD)，完成查询响应、控制设备和报警功能等，它们只能与全功能设备进行通信，相互之间不能进行通信。

    3.2 具体实现

    (1)本系统采用两层无线网络结构组网，上层无线网络为分布式结构，包括中心节点和管理机；下层网络（一层无线网络链路）为主从结构，包括无线标识基本模块和区域中心节点。

图3   两层无线网络结构图

    (2)上层无线网络由网络协调器节点（管理机模块）和中心节点(中继节点)组成，网络协调器具有新建网络的功能，在新建网络之前，网络协调器必须先对周围的无线环境进行检测，然后才进行具体的网络配置工作。

    系统上电以后，协调器节点以广播的方式通知上电的中心节点初始化。侦听到网络协调器的数据帧之后，中心节点产生一个0-256的随机数，这个随机数与时延基数相乘得出本节点的时延。每个节点等待随机时延后发出入网请求（此时用64位IEEE扩展地址作为节点号），网络协调器收到请求后分配给该中心节点一个16bit的网内节点号（入网后的节点号），并在地址表中记录该中心节点的相关信息，进行设备关联。若中心节点发送入网请求后一分钟内没有得到回应，则重新产生一个随机时延再次向网络协调器发送入网请求。网络协调器完成所有上电的中心节点初始状态的采集，则系统初始化完成。

    图4显示了网络协调器节点从开始扫描周围信道建立网络到中心节点加入网络的过程。

图4   流程图

    (3)下层网络（一层无线网络链路）为主从结构，包括无线标识基本模块和区域中心节点，以区域中心节点为主节点，无线标识模块为从节点组成子网。作为主节点的区域中心节点是网络的核心节点，负责网络的建立和维护，区域中心节点具备全时信道监听功能，负责联系上层网络和保持与无线标识模块的实时动态通信。

    网络运行过程中，新的无线终端节点上电后发送入网请求。中心节点首先判断该节点是否在地址表中，如果该节点不在网络中并且网络中的无线终端节点数没有超过网络容量，则中心节点分配一个唯一的网络地址给该节点。无线终端节点的入网请求在规定时间内没有得到回应，则转向邻近的中心节点发送入网请求。这样就完成了节点的加入。

图5   节点加入网络图

    无线终端节点只能与中心节点通信，子节点相互之间不能进行通信。整个系统网络中各个节点均独立工作，某一个节点故障只会影响该节点所在区域的部分节点工作状态，很难影响全网的稳定，而且业务数据在无线标识模块和管理机上双备份，任一处数据丢失均可通过另一处数据备份来恢复，提高了网络的稳定性。

    3.3 协议定义

    无线终端模块发送所有的消息到本地协调器件，最终的目的地址在NWK报头中。网络协调器负责路由此消息到最终的目的地。如果终端节点是FFD，它将参与网络路由，提供路由能力。大部分情况下，路由由堆栈自动完成，不需要任何终端程序的干涉。它允许网络范围的扩展，允许在网络协调器射频范围内的无线终端节点通过路由器加入网络。

    根据系统需求，协调器会在非易失性存储器中存储所有网络关联，称为网络绑定表。网络中的协调器根据消息的目的地址查找网络绑定表，根据绑定表中的网络关联将消息发送到目的地址或递交无线网络中的另一路由器，由其转发。路由绑定表在无线通信终端上电初始化时加载，具体路径是预设好的。在网状网中，消息发送的路线没有确定时，或者说在绑定表中没有此消息的绑定路线，路由器将发起路由的搜索。当搜索完成，消息将按照最佳的有效路由发送。同时记录此路由至路由绑定表中。路由过程如图6所示。

    本设计中，FFD节点连接采用ZigBee网状网结构，以保证网络的健壮性。货场中的所有FFD节点，在上电时初始化，加载路由绑定表，其中路由绑定表按一定算法算出。若无线终端节点要发送数据至管理机模块时，先发送数据至本地的路由器(中心节点)，由路由器按路由绑定表中的路由转发至下一出口，直到将数据发送到管理机模块，如果路由绑定表中不存在目标路线，则发起路由搜索，并将路由存入路由器路由绑定表中，然后将数据按相应路由发送。

图6   路由过程图

    3.4 数据的传输机制

    传输数据到终端设备和从终端设备传输数据的机制随网络类型的不同而有所不同。在无信标的星型网络中，当无线终端设备想要发送数据帧时，它只需等待信道变为空闲。在检测到空闲信道条件时，它将帧发送到协调器，如果发生超时则重发。收到回复后，它会将数据帧保存在其发送缓冲器中，直到目标终端设备明确地来查询该数据为止，在确定对方收到此消息后，清空缓冲区，这样确保数据正确发送，不会产生消息丢失的情况，并且抗干扰性能好。信息传输过程中需要确保无线终端设备的接收器是开启的，而且可从协调器接收数据。在点对点网络中，每个节点必须一直保持它们的接收器为开启状态或者同意在一个时间段内开启它们的接收器。这将允许节点发送数据帧并确保数据帧会被其它节点接收。终端设备必须查询协调器以获取其数据，而不是保持接收器开启，从而降低无线终端设备的功耗。根据系统要求以及实用经济性，在绝大部分时间内无线终端设备都处于休眠状态，而仅定期唤醒设备来发送和接收数据，当然也具有远程无线唤醒的功能。（此方法的一个缺点是协调器必须将所有数据帧保存在内部缓冲器中，直到目标终端设备唤醒并查询数据。如果网络包含很多休眠时间很长的终端设备，协调器就必须将数据帧保存很长时间。根据节点数量和交换数据帧的速率，将大幅增加协调器对RAM 的要求。）在有信标的星型网络中，终端设备可以只在信标被广播时醒来，并帧听地址，如果没有侦听到自己的地址，则由专入休眠状态。数据传输过程如图7所示。

图7   MAC层数据传输过程

    在本系统的设计中，无线终端设备模块与本地网络协调器（中心节点）构成无信标的星型网络。无线终端节点在大部分的时候保持休眠状态，只在有数据发送或接收时唤醒，或者当远程呼叫时唤醒。在收到确认信息后再次进入休眠状态，确保无线终端设备保持较低的功耗水平。与此同时，所有的FFD节点必须处于开启状态，以备接收来自其它器件的消息以及确保本节点发送的消息会被其他节点接收，并且FFD节点需要较多的RAM来存储各种信息。

4 结论

    基于Zigbee的铁路货场无线网络技术克服了以往的货场管理中的低效率、高成本和低自动化的不足，提高了货场的管理效率，节省了大量的人力、物力，实现了货物信息的实时收集，货物状态的实时监控。

其他作者：

    庄圣贤：西南交通大学电气工程学院教授，博导。

    吴红欣：西南交通大学信息科学与技术学院计算机应用专业硕士研究生。

参考文献：

    [1] IEEE Std 802.15.4 2003[OL].http://www.zigbee.org.

    [2] ZigBee Specification 2005[OL].http://www.zigbee.org.

    [3] 蒋挺,赵成.紫蜂技术及其应用[M].北京：北京邮电大学出版社，2006.

    [4] 李文仲,段朝玉等编著. ZigBee无线网络技术入门与实战. 北京航空航天大学出版社.