無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)是一種具有感測(cè)、計(jì)算和傳輸能力的小型傳感器節(jié)點(diǎn)的集合。由于單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的功能有限,特別是能量的存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ),所以需要制定良好的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和路由協(xié)議。文中重點(diǎn)研究基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的Zig Bee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò),提出基于最小生成樹(shù)(MST)的高效聚類(lèi)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)MSCT,最終的目的在于以最小的成本構(gòu)建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。文中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還考慮了室內(nèi)環(huán)境,提出了處理墻壁和障礙物導(dǎo)致的路徑損耗和信號(hào)衰減的度量,并計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間的鏈接的權(quán)重。最后,通過(guò)能量的損耗和網(wǎng)絡(luò)的壽命來(lái)論證文中提出的MSCT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比Cluster-Tree拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更具有優(yōu)勢(shì)性。

三種zigbee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)各有優(yōu)勢(shì)，zigbee網(wǎng)絡(luò)目前有星型、樹(shù)型和網(wǎng)狀網(wǎng)三種構(gòu)架，可以根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目需要來(lái)選擇合適的zigbee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

1、星型拓?fù)?/p>

是最簡(jiǎn)單的一種拓?fù)湫问?，他包含一個(gè)Co-ordinator(協(xié)調(diào)者) 節(jié)點(diǎn)和一系列的 End Device(終端)節(jié)點(diǎn)。每一個(gè)End Device 節(jié)點(diǎn)只能和 Co-ordinator 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊。如果需要在兩個(gè) End Device 節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行通訊必須通過(guò)Co-ordinator 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息的轉(zhuǎn)發(fā)。

2、樹(shù)形拓?fù)?/p>

樹(shù)形拓?fù)浒ㄒ粋€(gè)Co-ordinator(協(xié)調(diào)者)以及一系列的 Router(路由器) 和 End Device(終端)節(jié)點(diǎn)。Co-ordinator 連接一系列的 Router 和 End Device， 他的子節(jié)點(diǎn)的 Router也可以連接一系列的 Router 和End Device. 這樣可以重復(fù)多個(gè)層級(jí)。樹(shù)形拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)如下圖所示：

需要注意的是：

Co-ordinator 和 Router 節(jié)點(diǎn)可以包含自己的子節(jié)點(diǎn)。

End Device 不能有自己的子節(jié)點(diǎn)。

有同一個(gè)父節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)之間稱為兄弟節(jié)點(diǎn)

有同一個(gè)祖父節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)之間稱為堂兄弟節(jié)點(diǎn)

樹(shù)形拓?fù)渲械耐ㄓ嵰?guī)則：

每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都只能和他的父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)之間通訊。

如果需要從一個(gè)節(jié)點(diǎn)向另一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，那么信息將沿著樹(shù)的路徑向上傳遞到最近的祖先節(jié)點(diǎn)然后再向下傳遞到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。

這種拓?fù)浞绞降娜秉c(diǎn)就是信息只有唯一的路由通道。另外信息的路由是由協(xié)議棧層處理的，整個(gè)的路由過(guò)程對(duì)于應(yīng)用層是完全透明的。

網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建不同于前文描述的Cluster-Tree結(jié)構(gòu)。它是基于最小生成樹(shù)的。假設(shè)圖G=(V,E)表示靜態(tài)傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)?其中V表示傳感器節(jié)點(diǎn),E表示兩個(gè)連接的節(jié)點(diǎn)之間的鏈路權(quán)重。理論上,傳感器網(wǎng)絡(luò)的鏈路權(quán)重表示兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的歐幾里得距離,但是如前面部分所解釋的,必須考慮由于室內(nèi)環(huán)境的障礙造成的路徑損耗和信號(hào)衰減。使用基于“Kruskal”的算法[6-7](算法1,如下所示)對(duì)權(quán)重進(jìn)行排序。根據(jù)該算法,能夠獲得通信傳輸成本最小的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

3、網(wǎng)狀拓?fù)?/p>

Mesh拓?fù)?網(wǎng)狀拓?fù)? 包含一個(gè)Co-ordinator和一系列的Router 和End Device。這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问胶蜆?shù)形拓?fù)湎嗤?請(qǐng)參考上面所提到的樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。但是，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚哂懈屿`活的信息路由規(guī)則，在可能的情況下，路由節(jié)點(diǎn)之間可以直接的通訊。這種路由機(jī)制使得信息的通訊變得更有效率，而且意味這一旦一個(gè)路由路徑出現(xiàn)了問(wèn)題，信息可以自動(dòng)的沿著其他的路由路徑進(jìn)行傳輸。 網(wǎng)狀拓?fù)涞氖疽鈭D如下所示：

通常在支持網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)上，網(wǎng)絡(luò)層會(huì)提供相應(yīng)的路由探索功能，這一特性使得網(wǎng)絡(luò)層可以找到信息傳輸?shù)淖顑?yōu)化的路徑。 需要注意的是，以上所提到的特性都是由網(wǎng)絡(luò)層來(lái)實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用層不需要進(jìn)行任何的參與。

MESH 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的功能，網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)“多級(jí)跳”的方式來(lái)通信;該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還可以組成極為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò);網(wǎng)絡(luò)還具備自組織、自愈功能;

隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展,無(wú)線技術(shù)大量地應(yīng)用在傳輸測(cè)繪數(shù)據(jù)的基站當(dāng)中[1]。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際的應(yīng)用當(dāng)中需要大面積的部署,一旦部署完成,再次更改部署就相對(duì)的比較困難,這就是為什么需要高效的使用網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的有限資源。無(wú)線傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域有很多種,如溫濕度監(jiān)控、家庭自動(dòng)化、救援監(jiān)控等。絕大部分的應(yīng)用都需要大范圍無(wú)線傳輸,需要使用IEEE802.11b這類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)支撐。相關(guān)研究表明,藍(lán)牙、WLAN[2]等傳統(tǒng)的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)不適合家庭自動(dòng)化和工業(yè)室內(nèi)檢測(cè)這種類(lèi)型場(chǎng)景的應(yīng)用,這種應(yīng)用場(chǎng)景通常選擇IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。本文重點(diǎn)研究在室內(nèi)墻壁干擾的情況下,提出基于最小生成樹(shù)(MST)高效聚類(lèi)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)MSCT。1Cluster-Tree網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銫luster-Tree是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,能源的消耗是必須要考慮的重要部分,本文首先將研究Cluster-Tree網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在能源消耗方面的效率[3]。Cluster-Tree網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)劃分為父級(jí)和子級(jí)兩個(gè)層級(jí)關(guān)系,如圖1所示。在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,每一個(gè)簇節(jié)點(diǎn)通過(guò)本級(jí)頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信,每一層的頭節(jié)點(diǎn)由PAN協(xié)調(diào)器進(jìn)行控制[4],拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過(guò)關(guān)聯(lián)請(qǐng)求和關(guān)聯(lián)響應(yīng)這種方式進(jìn)行構(gòu)建。為了實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型的最佳控制效果,每一個(gè)父節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)數(shù)量和延伸深度要在一定的范圍之內(nèi),這里的深度指的是PAN協(xié)調(diào)器到節(jié)點(diǎn)之間的距離。例如:PAN協(xié)調(diào)器的節(jié)點(diǎn)作為級(jí)別0,PAN協(xié)調(diào)器的子節(jié)點(diǎn)作為級(jí)別1

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)傳輸終端