1. 引 言

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network, WSN）的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是組織無線傳感器節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)技術(shù)，有多種形態(tài)和組網(wǎng)方式。對(duì)無線傳感器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及連通性的檢測(cè)分析有一定的實(shí)際意義。其結(jié)果可以用于拓?fù)淇刂?、覆蓋計(jì)算等研究并能為偵查、評(píng)估等應(yīng)用服務(wù)。

　　本文基于較為成熟的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)——Zigbee 進(jìn)行研究。采用Freescale 公司的MC1321x-NCB 套件實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的組建。通過編程對(duì)網(wǎng)絡(luò)的連通性進(jìn)行查詢和獲??；利用串口通信存儲(chǔ)獲取的信息；最終根據(jù)已有信息實(shí)時(shí)重建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

　　2. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的鄰接矩陣表示

　　2.1 圖的鄰接矩陣

　　當(dāng)我們需要一個(gè)圖的非圖形表示時(shí)(例如使用計(jì)算機(jī)時(shí))，通常我們利用圖的鄰接矩陣來描述它的結(jié)構(gòu)。

　　2.2 目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)重現(xiàn)

　　在圖論中，通常根據(jù)圖頂點(diǎn)之間的邊的連接情況將圖分為有向圖和無向圖兩種。無向圖是指在圖的頂點(diǎn)與頂點(diǎn)之間存在的邊是無向邊。由于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞牟淮_定性，可將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)抽象成一個(gè)無向圖。網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備可用無向圖中的節(jié)點(diǎn)表示。連接關(guān)系也可用節(jié)點(diǎn)之間的邊表示。無向圖可以看作網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的抽象圖。

　　而數(shù)學(xué)上，無向圖可以表示成鄰接矩陣的矩陣形式，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)相連則鄰接矩陣中相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)項(xiàng)為“1”， 其余的都表示為“0”。由此，無向圖節(jié)點(diǎn)之間的連接關(guān)系又可以表示成鄰接矩陣的形式。圖2-2 即是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、無向圖和鄰接矩陣三者之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

圖 2-2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、無向圖、鄰接矩陣三者關(guān)系

　　由圖中我們可以看出，三者之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系都是互逆。已知三者中任何一個(gè)，都可以得出其他兩個(gè)?；谝陨纤枷耄覀兲岢隽诉\(yùn)用圖論和鄰接矩陣?yán)碚撝R(shí)來重現(xiàn)目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的方法。簡(jiǎn)要流程圖如下：

圖2-3 目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)重建流程圖

　　3. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組建

　　在本文中，我們采用Freescale公司的MC1321x-NCB套件實(shí)現(xiàn)星型Zigbee網(wǎng)絡(luò)的組建。

　　3.1 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)的組建過程

　　將所有節(jié)點(diǎn)布置完畢，打開電源后，Zigbee協(xié)調(diào)器（NCB）開始組建網(wǎng)絡(luò)，而終端設(shè)備（SRB）則周期性的發(fā)送信號(hào)，詢問是否有路由器或協(xié)調(diào)器可以連接而加入網(wǎng)絡(luò)。

　?。?）Zigbee協(xié)調(diào)器（NCB）建立網(wǎng)絡(luò)的過程
　　在進(jìn)行初始化之后，Zigbee協(xié)調(diào)器通過向網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送網(wǎng)絡(luò)形成請(qǐng)求原語(yǔ)請(qǐng)求開始建立新網(wǎng)絡(luò)。它首先對(duì)2.4GHz—2.4835GHz標(biāo)號(hào)為11至26的16個(gè)信道進(jìn)行能量掃描，選取能量值最低的信道，即存在其他Zigbee網(wǎng)絡(luò)最少的信道[3]。之后，協(xié)調(diào)器為自身選擇一個(gè)短地址。最后，協(xié)調(diào)器為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)選擇一個(gè)不與現(xiàn)存網(wǎng)絡(luò)沖突的PAN ID。這樣，協(xié)調(diào)器建立了新的網(wǎng)絡(luò)，它可以允許其他設(shè)備加入到網(wǎng)絡(luò)中。

　?。?）Zigbee終端設(shè)備（SRB）加入網(wǎng)絡(luò)過程
　　同協(xié)調(diào)器一樣，終端設(shè)備首先也要對(duì)所有的16個(gè)信道進(jìn)行能量掃描，并通過媒體訪問控制子層的管理服務(wù)（MLME）發(fā)送信標(biāo)請(qǐng)求。如果收到了回復(fù)的信標(biāo)幀，代表該信道中存在網(wǎng)絡(luò)，設(shè)備將把信標(biāo)幀中的信息（發(fā)送信標(biāo)設(shè)備地址，網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符，可否連接等）存儲(chǔ)下來。在掃描完所有的信道后，Zigbee終端設(shè)備將選擇一個(gè)網(wǎng)絡(luò)加入，并連接至這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。如果與父設(shè)備連接成功，父設(shè)備會(huì)分配一個(gè)16位的網(wǎng)絡(luò)地址，該網(wǎng)絡(luò)地址在此網(wǎng)絡(luò)中是唯一的，并且該設(shè)備在以后的通信中將使用這個(gè)地址[3]。連接完畢后，終端設(shè)備即可通過向父設(shè)備發(fā)送詢問請(qǐng)求，來確定父設(shè)備是否有數(shù)據(jù)要發(fā)送給自身。如果有，該數(shù)據(jù)會(huì)在父設(shè)備的回復(fù)中一并發(fā)送。終端節(jié)點(diǎn)在第一次詢問沒有回復(fù)之前，不能夠發(fā)送第二次訊問請(qǐng)求。

　　3.2 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)連通性的獲取

　　由Zigbee協(xié)調(diào)器（NCB）每三秒準(zhǔn)備一個(gè)二進(jìn)制數(shù)據(jù)向子設(shè)備發(fā)送，該數(shù)據(jù)為0-15的遞增循環(huán)顯示。與此同時(shí)，子設(shè)備每3秒鐘將會(huì)向父節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)查詢請(qǐng)求，詢問是否有發(fā)給自身的數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好。如果數(shù)據(jù)被取走，則清空；如果沒有，我們將設(shè)置一個(gè)參數(shù)作為標(biāo)記。三次取數(shù)據(jù)失敗后，該子設(shè)備將被認(rèn)定已經(jīng)與協(xié)調(diào)器斷開連接。由此，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。查詢的簡(jiǎn)要流程圖如下：

圖3 流程圖

　　4. 監(jiān)測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　4.1 監(jiān)測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

　　在成功獲取網(wǎng)絡(luò)連通性的基礎(chǔ)上，監(jiān)測(cè)平臺(tái)簡(jiǎn)化為兩大部分。一個(gè)是串口通信部分，用于將發(fā)送至串口的信息實(shí)時(shí)地讀取并存儲(chǔ)至計(jì)算機(jī)的文檔內(nèi)；另一個(gè)是圖形界面部分，根據(jù)所存儲(chǔ)的文檔，實(shí)現(xiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的重構(gòu)。

　　在本文中，使用VC++中的MSComm控件來實(shí)現(xiàn)串口通信。

　　選擇COM7口，以二進(jìn)制方式讀寫數(shù)據(jù)，波特率19200，無校驗(yàn)位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，一個(gè)停止位。當(dāng)緩沖區(qū)中有一個(gè)及一個(gè)以上字符時(shí)，將引發(fā)接收數(shù)據(jù)的OnComm事件。并將緩沖區(qū)內(nèi)容全部讀取。
 

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　　對(duì)于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的繪制我們使用Ucinet中的NetDraw來實(shí)現(xiàn)。

　　4.2 監(jiān)測(cè)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　1、將Zigbee套件中的NCB節(jié)點(diǎn)連接至PC機(jī)，打開開關(guān)，通過連線PC機(jī)將向該節(jié)點(diǎn)供電。NCB節(jié)點(diǎn)開始進(jìn)行信道能量掃描、選擇信道、短地址和網(wǎng)絡(luò)PAN ID。最終建立新的網(wǎng)絡(luò)，并等待其他Zigbee設(shè)備的加入；

　　2、將套件中的一個(gè)SRB節(jié)點(diǎn)打開，等待一段時(shí)間。此時(shí)SRB節(jié)點(diǎn)正在進(jìn)行信道掃描，找到可以接入的網(wǎng)絡(luò)，并連接至父節(jié)點(diǎn)。我們可以通過節(jié)點(diǎn)自帶的LED燈觀察到網(wǎng)絡(luò)的連接情況。若NCB上的LED燈如下顯示，則表明有一個(gè)設(shè)備已連接[4]：

　　3、打開另一個(gè)SRB節(jié)點(diǎn)，上述過程將被重復(fù)。最終NCB上的LED燈將如下顯示，表明有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)已經(jīng)連接至父節(jié)點(diǎn)：

　　4、運(yùn)行監(jiān)控平臺(tái)程序獲得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜瓦B接關(guān)系的顯示。

　　5、關(guān)閉其中的一個(gè)SRB節(jié)點(diǎn)，用于模擬能源耗盡或其他形式的損壞導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)不能工作。等待一段時(shí)間，NCB節(jié)點(diǎn)在向關(guān)閉的節(jié)點(diǎn)發(fā)送三次數(shù)據(jù)失敗后，判斷它已經(jīng)和網(wǎng)絡(luò)斷開。在下一次向串口發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，內(nèi)容將做相應(yīng)改變。由此，最終生成的拓?fù)鋱D形也會(huì)發(fā)生如下：

　　 6、打開已經(jīng)關(guān)閉的節(jié)點(diǎn)，將另一個(gè)節(jié)點(diǎn)關(guān)閉。等待一段時(shí)間后，監(jiān)控平臺(tái)根據(jù)重建的網(wǎng)絡(luò)得到如下拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：

　　可以看出，對(duì)于實(shí)際中網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，監(jiān)測(cè)平臺(tái)能夠?qū)崟r(shí)的做出變化，按每3秒一次的速度進(jìn)行刷新。

　　5. 總結(jié)

　　本文基于 Freescale 的Zigbee 套件，選取并實(shí)現(xiàn)了星型網(wǎng)絡(luò)的搭建，完成了對(duì)網(wǎng)絡(luò)連通性的實(shí)時(shí)獲取。在此基礎(chǔ)上搭建了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)平臺(tái)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證實(shí)其可以依網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化而變化。然而，星型網(wǎng)絡(luò)雖然構(gòu)造簡(jiǎn)單、易于實(shí)施，但其靈活性較差，容易發(fā)生故障，路由修復(fù)能力較弱。下一步我們應(yīng)該嘗試在網(wǎng)狀網(wǎng)的情況下完成檢測(cè)平臺(tái)的搭建。除此之外，將現(xiàn)在獲取的抽象化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)——無向圖進(jìn)一步具體化——顯示出節(jié)點(diǎn)的具體坐標(biāo)也是一個(gè)值得研究和努力的方向。這將使監(jiān)測(cè)平臺(tái)有更好的實(shí)用價(jià)值。