基于IEEE1451.5的ZigBee智能传感器即插即用性能优化

姜世芬， 刘桂雄， 吴国光

（1.江门职业技术学院，广东 江门 529090；2.华南理工大学，广东 广州 510640）

0 引 言

即插即用是实现网络化智能传感器互换性、互操作性的关键，IEEE 1451.5标准规范了无线智能传感器体系结构，为无线智能传感器在不同现场网络中的互换性、扩展性提供解决途径。无线传感器接口即插即用研究主要集中在传感网络架构、无线接口即插即用设计、即插即用软件协议配置等方面。无线接口即插即用设计涵盖ZigBee/Bluetooth/WiFi/6LoWPAN即插即用的研究[1]，如西班牙Robotiker-Tecnalia公司[2]研究基于IEEE 1451.5蓝牙标准，开发汽车环境下乘客健康状况监测传感器网络，但因硬件资源受限，可接入传感节点偏少且即插即用时间较长。Kun-Yung Lu等[3]提出基于事先定义并存储于网络数据库的ZigBee节点自标识信息，实现传感器、仪器仪表即插即用，但该机制缺乏通用性。周岳斌等[4]提出无线传感器接口定期关联匹配通信（periodic association matching communication，PAMC）机制，实现无线传感器即插即用，在一定程度上提高识别率，但未涉及数据结构简化、路由优化等。

本文基于PAMC机制实现传感器即插即用，重点研究IEEE 1451.5 ZigBee智能传感器即插即用性能优化方法，通过TEDS数据结构简化、优化ZigBee路由算法，减小无线智能传感器即插即用识别时间，提高识别率与网络效率。

1 基于IEEE1451.5的ZigBee智能传感器即插即用机制

图1为基于定期关联匹配通信PAMC的ZigBee IEEE 1451.5智能传感系统架构，由NCAP（network capable application processor）与 WTIM（Wireless Transducer Interface Module）组 成 ，NCAP 负 责WTIM接入、关联配置表、远程用户访问管理等，采用ZigBee方式与WTIM通信。

图1 无线接入IEEE 1451.5智能传感系统架构

图2为WTIM即插即用流程图，NCAP上电后选择一个频率通道，以协调器模式建立ZigBee网络并等待WTIM加入；WTIM上电后通过扫描信道号、查询网络，向NCAP发送加入请求，若NCAP允许加入，WTIM得到16位网络地址；WTIM与NCAP建立正常通信后，启动向NCAP发送关联信息，以标识WTIM网络状态；NCAP加载TEDS，利用关联信息建立关联信息表，根据WTIM接入情况动态更新网络参数与传感信息；NCAP启动传感通道，WTIM按设定数据帧格式发送测量数据，NCAP完成传感数据显示和网络发布。

图2 无线智能传感器即插即用流程图

无线传感器接口即插即用PAMC机制采用网络参数恢复和定期关联匹配通信方式，缩短了NCAP对WTIM的配置时间，减少了即插即用识别时间。

2 无线智能传感器即插即用性能优化方法

ZigBee信道带宽受限，当ZigBee网络中较多WTIM传输数据且多个WTIM同时接入网络时，TEDS数据量、路由选择直接影响无线传感器接口即插即用性能。因此，简化TEDS数据结构、优化ZigBee路由算法，将有助于减小智能传感器ZigBee无线接口即插即用识别时间、提高识别率。

2.1 TEDS数据结构简化

标准TEDS数据结构较为繁杂，当系统忙或较多WTIM同时接入网络时，瞬时大量TEDS数据会造成数据拥塞甚至数据丢失，严重影响即插即用速度与识别率。同时考虑到NCAP存储资源有限，不宜保存大量TEDS数据，通过简化WTIM的TEDS数据结构，可减少系统存储容量要求。

基于IEEE1451.5的ZigBee无线传感器接口必须包含 Meta-TEDS、Channel-TEDS、PHY TEDS，分别描述WTIM总体信息、通道属性、物理特性[5]。本文采用的简化原则为：

（1）删除不必要TEDS数据字段。IEEE 1451.0标准中，Meta-TEDS原有23种数据字段保留5种，Channel-TEDS原有55种数据字段保留10种，IEEE 1451.5的PHY TEDS原有20种数据字段保留8种。

（2）减小数据字段长度。为增强适用性，IEEE 1451标准定义的TEDS数据字段长度一般偏大，实际应用可适当减小，如原为4字节Length字段减为1字节，原为4字节LowLimit、HiLimit字段减为2字节。

（3）简化数据字段定义。如物理单位字段原采用9种基本单位指数形式表示，共13字节，描述方法虽完善，但对常见传感量不够直观、简洁且解析过程复杂，表1为简化后物理单位定义表，仅占1字节。

表1 物理单位简化定义

表2是简化后的 Meta-TEDS、Channel-TEDS、PHY TEDS数据结构。

表2 无线智能传感器TEDS简化数据结构

借助以上措施，可实现无线智能传感器TEDS数据结构简化。WTIM将简化的TEDS数据发送至NCAP，NCAP通过相应TEDS解析算法得到WTIM及传感通道相关信息，配置相关资源，实现WTIM即插即用。

2.2 ZigBee路由算法改进

ZigBee采用网络树路由算法，根据网络地址和父子关系实现路由选择，优点是没有路由发现过程，无需存储路由表，但数据并非沿最优路径传输，易造成服务延迟、流量不均衡[6]。图3是IEEE 1451.5无线智能传感器系统的ZigBee网络树路由结构图。

图3 ZigBee网络树路由结构图

NCAP以协调器模式建立ZigBee网络后，WTIM作为路由节点（RWTIM）或终端节点（TWTIM）加入网络，形成树状拓扑结构。当TWTIM申请加入网络，只能选择RWTIM或NCAP作为父节点，获得父节点分配的16b网络地址。当较多WTIM同时接入时，网络树路由算法对TEDS传输路径选择直接影响ZigBee接口即插即用性能。如当TWTIM节点A向NCAP节点O发送数据时，按照网络树路由算法的父子关系，数据需要依次经过B、C、D、O四跳才能到达NCAP；若节点A能直接经最近邻节点E转发到节点O仅需两跳，传输路径更优、延迟更短。

设Ap、Anr、Ant分别为父节点、第n个路由子节点、第n个终端子节点的地址，Lm、Cm、Rm、d、Cs（d）分别为网络最大深度、节点最大子节点数、节点最大路由子节点数、子节点网络深度、父节点与子节点间地址偏移量。协调器组网后网络地址为0，网络深度为0，新节点网络地址确定公式为

若深度为d、网络地址为A的路由节点收到网络地址为D的目的节点数据，由式（4）判断目的节点是否为其后代节点。

若是其后代节点，则下一跳节点地址Nhop由式（5）确定，否则下一跳节点为该节点父节点。

每个ZigBee设备都维持一个邻居表用于存储单跳范围内节点信息，用户根据需要调整邻居表信息。节点收到邻居节点任何帧都会更新邻居表信息，可由ZigBee协议完成，不会带来额外数据传输[7-8]，故可从邻居表节点信息对网络树路由算法进行改进。

图4为网络树路由算法定义的改进邻居表格式，表中 NodeAddr、NodeType、NodeDepth、CurRload分别表示邻居节点地址、类型（路由或终端）、网络深度、当前路由负载能力。

图4 改进的邻居表格式

若表征接收数据帧能量、质量的链路质量指示为LQI（link quality indicator）、后代节点总数为Ndes，则当前路由负载能力CurRload表达式为

新WTIM加入网络时，TEDS沿网络树结构传至协调器，沿途路由节点将Ndes值加1；链路质量指示LQI（0≤LQI≤255）在 ZigBee收发模块每接收一个数据帧都可以得到，数值越高表明链路质量越好、传输越可靠。邻居节点后代节点总数Ndes、链路质量指示LQI一定程度上反映了邻居节点潜在数据路由任务强度，体现邻居节点当前路由负载能力大小。

图5 改进后网络树路由算法流程图

图5为改进后网络树路由算法流程图，图中虚框部分为算法改进部分，借助邻居表实时更新邻居节点特性参数，获得跳数较少路由路径。具体步骤为：

（1）搜索目的节点。节点接收数据后首先判断自己是否为目的节点，若不是则再判断是否为其后代节点，若是其后代节点则转发数据到相应子节点再返回步骤（1），否则转至步骤（2）。

（2）数据丢弃判定。判断当前网络深度是否为0（表示路由失败），是则丢弃数据、结束路由，不是则转至步骤（3）。

（3）搜索邻居表。如目的地址与邻居节点地址相符，则直接发送数据到邻居节点，否则搜索邻居节点中是否有路由节点；无路由节点则发送数据到父节点，有路由节点则搜索与目的节点网络深度差距最小的邻居节点，并发送数据到该节点；若网络深度差距相同，则再搜索当前路由负载能力（由Ndes、LQI反映）最大的邻居节点，并发送数据到该节点，否则发送数据到父节点，返回步骤（1）。

3 仿真实验与分析

在Matlab 2010R平台上仿真基于IEEE1451.5的ZigBee无线智能传感器接口即插即用性能优化前后对比效果，仿真参数为：网络覆盖面积、WTIM节点传输距离分别为200 m×200 m，20 m，数据传输速率、数据包、误码率分别为 250 kB/s、16 B、0，网络延迟为 0ms，设置 Cm=4、Rm=4、Lm=5，时间 120s。图 6 为算法优化前后平均跳数对比图。

图6 WTIM到NCAP平均跳数比较图

图7 WTIM到NCAP平均时延比较图

图7为算法优化前后平均时延结果对比图，可以看出，随着节点数目的增加，两种算法平均跳数、平均延时随之增加，但本文所提出的优化算法比原网络树路由算法平均跳数减少42.9%，平均延时降低28.1%，数据传输效率与网络实时性得到较大提高。

4 结束语

基于IEEE1451.5的ZigBee智能传感器网络中较多WTIM传输数据且多个WTIM同时接入网络时，TEDS数据量、路由选择直接影响无线传感器接口即插即用性能，采用定期关联匹配通信机制（PAMC）缩短了NCAP对WTIM的配置时间，减少了ZigBee智能传感器即插即用识别时间；简化TES数据结构，删除不必要TEDS数据字段、减小数据字段长度、简化数据字段定义等原则简化Meta-TEDS、Channel-TEDS、PHY TEDS数据结构，减少无线智能传感器TEDS数据量，进一步减小WTIM即插即用识别时间；改进ZigBee路由算法，借助ZigBee节点邻居表与节点特性参数，实现无线传感接口即插即用数据最优路径传输，可大大提高数据传输效率及网络实时性，智能传感器即插即用性能得到优化。

[1]Higuera J，Polo J，Gasulla M.A ZigBee wireless sensor network compliantwith the IEEE 1451 standard[C]∥Sensors Applications Symposium，2009：309-313.

[2]Larrauri J M，Larrinaga B A，Lopez M L，et al.A sensor network solution to evaluate the wellbeing of the passenger and improve safety in cars[C]∥International Conference on Wireless Information Networks and Systems，2010：61-66.

[3]Lu K Y.A plug-and-play data gathering system using ZigBee-based sensor network[J].Computers in Industry，2011，62（7）：719-728.

[4]PAMC based IEEE 1451-2012 wireless sensor interface plug and play mechanism and implementation.International Workshop on Information and Electronics Engineering[S]，2012：2511-2515.

[5]Sindhu M，Deniz G.IEEE 1451.0 compatible TEDS creation using NET framework[C]∥Sensors Applications Symposium，2009：281-286.

[6]戚剑超，魏臻.ZigBee树型路由算法的改进[J].合肥工业大学学报：自然科学版，2010，33（4）：529-532.

[7]李刚，陈俊杰，葛文涛.一种改进的ZigBee网络Cluster Tree 路由算法[J].测控技术，2009，28（9）：52-55.

[8]路染妮，张刚.ZigBee无线传感网络的路由协议研究[J].电子设计工程，2010，18（11）：182-185.