畢業(yè)論文--高速公路車輛交通監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議研究

1、<p>　　畢 業(yè) 設(shè) 計 [ 論 文 ]</p><p>　題目：高速公路車輛交通監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)</p><p>　通信協(xié)議研究</p><p>　院 系：光學(xué)與電子信息學(xué)院</p><p>　專 業(yè)：光信息科學(xué)與技術(shù)</p><p>　姓 名：</p><p>

2、;　學(xué) 號：</p><p>　指導(dǎo)教師：</p><p>　2014年6月3日</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，汽車產(chǎn)業(yè)也得到了迅速的發(fā)展，各個地區(qū)的車輛數(shù)量在急劇增加，由此導(dǎo)致的堵車、交通事故數(shù)量也在相應(yīng)增加。隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，這些情況完全是可

3、以避免的。本論文設(shè)計的無線傳感網(wǎng)絡(luò)是采用ZigBee通信協(xié)議，在GAINSJ軟硬件開發(fā)平臺開發(fā)的。</p><p>　　ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。其特點是近距離、低復(fù)雜度、自由路由、低功耗、高數(shù)據(jù)速率。主要適合用于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。簡而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無線組網(wǎng)通訊技術(shù)。本論文對ZigBee協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層功能的實現(xiàn)、設(shè)備類型

4、和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、ZigBee網(wǎng)絡(luò)的路由選擇機制等都有較為詳細(xì)的闡述。</p><p>　　利用OPNET仿真軟件，對ZigBee協(xié)議進(jìn)行仿真。針對ZigBee網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)的時延，網(wǎng)絡(luò)通信性能和質(zhì)量，以及ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的擴展性進(jìn)行模擬，對ZigBee協(xié)議的路由選擇機制和自組網(wǎng)性能進(jìn)行探討，驗證了ZigBee技術(shù)時延短，自組網(wǎng)性能強，協(xié)議簡單以及高度擴充性的特點，同時提出OPNET仿真工具里封裝的ZigB

5、ee模塊的不足與限制。</p><p>　　本論文中也對設(shè)計的高速公路車輛交通監(jiān)測無線網(wǎng)絡(luò)做了詳細(xì)的介紹，該網(wǎng)絡(luò)是在GAINSJ平臺上開發(fā)的，我們也對網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的協(xié)議棧實現(xiàn)進(jìn)行了討論。而且我們也做了一些實際的測試并對測試的結(jié)果做了分析，以找到ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的缺陷，然后針對缺陷提出相應(yīng)的解決辦法。</p><p>　　關(guān)鍵詞：無線傳感網(wǎng)絡(luò) ZigBee通信協(xié)議 OPNET

6、仿真 車輛交通監(jiān)測</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　With the fast-paced economic development, the rapid growth of the number of vehicles in va

7、rious regions, Subsequently, traffic congestion, chaos and accidents occur frequently .However，with the development of wireless sensor network (WSN) , it is found that these unfavorable conditions can be avoided. This th

8、esis aims to study and design the WSN system for the road traffic monitoring based on the GAINSJ development platform.</p><p>　　ZigBee(IEEE802.15.4-2006 standard) is a category in the IEEE 802 family, ZigBee

9、 technology was developed for low-rate WPAN（LR-WPAN）which feature long battery life by having low date rates,low power consumption, self-healing ability for the network. The thesis researches the IEEE802.15.4/ZigBee prot

10、ocol, discusses the realization of ZigBee protocol in network layer, ZigBee device type and network topology, analyzes the routing mechanism. Then discuss the results of various cases simulated on OPNE</p><p&g

11、t;　　According to the ZigBee protocol and based on the GAINSJ development platform, we design the easy and feasible system for the road and traffic monitoring, and study the detailed implementation of protocol stack in ne

12、twork layer and application layer, complete the ZigBee network node communication and data receiving and sending. On a real site, by testing the speed of the car outdoors, we have measured the feasibility of the monitori

13、ng system, which has high application value. By testing the effe</p><p>　　Key Words：Wireless Sensor Network(WSN) ZigBee routing protocols</p><p>　　OPNET simulation Vehicle traffic monitoring

14、</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　ABSTRACTII</p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)1</p

15、><p>　　1.2 國內(nèi)外無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3 研究背景3</p><p>　　1.4 研究內(nèi)容3</p><p>　　2 高速公路車輛交通監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成5</p><p>　　2.1 系統(tǒng)硬件組成5</p><p>　　2.2 系統(tǒng)

16、軟件設(shè)計8</p><p>　　3 高速公路車輛交通監(jiān)測系統(tǒng)通信協(xié)議11</p><p>　　3.1 IEEE 802.15.411</p><p>　　3.2 Zigbee網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)12</p><p>　　4 ZigBee組網(wǎng)方案的模擬和優(yōu)化16</p><p>　　4.1 網(wǎng)絡(luò)仿真16&l

17、t;/p><p>　　4.2 仿真工具OPNET16</p><p>　　4.3 仿真目的17</p><p>　　5 結(jié)論與展望30</p><p>　　5.1 結(jié)論30</p><p>　　5.2 展望30</p><p><b>　　致 謝31</b&

18、gt;</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)32</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)</p><p>　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作

19、地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。傳感器、感知對象和觀察者構(gòu)成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個要素。</p><p>　　圖1-1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)整體基本結(jié)構(gòu)[3]</p><p>　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）是由多個傳感器節(jié)點組成，每個節(jié)點都能實施多個應(yīng)用進(jìn)行多任務(wù)操作，而且各個節(jié)點間由無線通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，構(gòu)成

20、無線通信網(wǎng)絡(luò)。無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WirelessSensorNetwork，WSN）綜合了傳感器、嵌入式計算、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信、分布式信息處理等技術(shù)，可以使人們在任何時間、地點和任何環(huán)境下獲取大量詳實可靠的信息，從而真正實現(xiàn)“無處不在”的計算理念。近年來，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)逐漸興起，《商業(yè)周刊》預(yù)測的未來四大新技術(shù)中, 無線傳感網(wǎng)絡(luò)列入其中[1]。在“中國未來20年技術(shù)預(yù)見研究”中總共157個技術(shù)課題, 其中有7項是直接論述傳感網(wǎng)絡(luò)的。200

21、6年初發(fā)布的《國家中長期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》為信息技術(shù)確定了三個前沿方向, 其中兩個與無線傳感網(wǎng)絡(luò)的研究直接相關(guān), 即智能感知技術(shù)和自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[2]。顯而易見，無線傳感網(wǎng)絡(luò)將在未來的很長一段時間內(nèi)成為研究的熱點之一。</p><p>　　由于無線傳感網(wǎng)絡(luò)具有很多獨特的優(yōu)點，所以它在很多領(lǐng)域中都有很好的應(yīng)用前景，比如環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療領(lǐng)域、軍工領(lǐng)域、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域等等。</p><p>　　如

22、上圖1-1所示為無線傳感網(wǎng)絡(luò)的整體基本構(gòu)架，在后面的論文中對它的組成節(jié)點有較為詳細(xì)的討論。</p><p>　　1.2 國內(nèi)外無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展可分為三個階段[4]。</p><p>　　第一階段主要集中在傳感器節(jié)點的研究，通過對各種傳感器研究和設(shè)計，致力于低成本、低功耗、小型化傳感器節(jié)點的開發(fā)和研制，大量新型的傳感器節(jié)

23、點紛紛涌現(xiàn)。</p><p>　　第二階段開始對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議進(jìn)行研究，把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一個通信網(wǎng)絡(luò)，對信息的查詢、處理，傳感器節(jié)點的部署等以及中間件的問題，與其他的技術(shù)進(jìn)入更深的研究。</p><p>　　發(fā)展到第三階段，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要在集中在網(wǎng)絡(luò)群體智能行為與在實際應(yīng)用的研究。在這階段，實際應(yīng)用只是處在實驗階段，這方面研究想對較少，在大規(guī)模商用中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展

24、還有很多的問題需要解決。 </p><p>　　目前國外的無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用日漸成熟，在水下探測的應(yīng)用也越來越多。比如科威特海灘的水質(zhì)探測就應(yīng)用了無線傳感網(wǎng)絡(luò)。在水質(zhì)監(jiān)測中，通過對節(jié)點的設(shè)置可以監(jiān)測水質(zhì)的很多方面，由此來判斷水質(zhì)的變化，以做出相應(yīng)的判斷，采取相應(yīng)的措施。而且國外已經(jīng)嘗試在惡劣環(huán)境中用無線傳感網(wǎng)絡(luò)來監(jiān)測一些需要的數(shù)據(jù)。而且由于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的性價比，無線傳感網(wǎng)絡(luò)的普及速度會很快。</p>

25、<p>　　我國現(xiàn)代意義的無線傳感網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用研究幾乎與發(fā)達(dá)國家同步啟動，1999年首次正式出現(xiàn)于中國科學(xué)院《知識創(chuàng)新工程試點領(lǐng)域方向研究》的信息與自動化領(lǐng)域研究報告中，作為該領(lǐng)域提出的五個重大項目之一。隨著知識創(chuàng)新工程試點工作的深入，2001年中科院依托上海微系統(tǒng)所成立微系統(tǒng)研究與發(fā)展中心引領(lǐng)院內(nèi)的相關(guān)工作，并通過該中心在無線傳感網(wǎng)絡(luò)的方向上陸續(xù)部署了若干重大研究項目和方向性項目，參加單位包括上海微系統(tǒng)所、聲學(xué)所、微電子所、

26、半導(dǎo)體所、電子所、軟件所等十余個研究所，初步建立傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)研究平臺，在無線智能傳感網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、微型傳感器、傳感器節(jié)點、簇點和應(yīng)用系統(tǒng)等方面取得很大的進(jìn)展。近幾年來，國家發(fā)改委、科技部、信息產(chǎn)業(yè)部等均啟動了在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及自組織網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的研發(fā)項目?！秶抑虚L期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)》將“傳感器網(wǎng)絡(luò)及智能信息處理“作為未來信息產(chǎn)業(yè)及現(xiàn)代服務(wù)業(yè)的重點方向”。由于受到了學(xué)術(shù)界及產(chǎn)業(yè)界的普遍關(guān)注，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)正

27、以前所未有的速度發(fā)展。國內(nèi)的許多高校也掀起了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究熱潮。清華大學(xué)、中國科技大學(xué)、浙江大學(xué)、華中科技大學(xué)、天津大學(xué)、南開大學(xué)、北京</p><p><b>　　1.3 研究背景</b></p><p>　　近年來由于很多發(fā)達(dá)國家開始對智能交通系統(tǒng)(Intelligent Transportati -on system)進(jìn)行研究和開發(fā)，人們對智能交通的認(rèn)識

28、也越來越深。智能交通系統(tǒng)也涉及了很多學(xué)科，如網(wǎng)絡(luò)通信、計算機處理技術(shù)、電氣傳感和控制等等，所以通過對這些先進(jìn)技術(shù)科學(xué)的應(yīng)用，完全可以實現(xiàn)全方位和立體化的智能交通系統(tǒng) [5]。</p><p>　　高速公路車輛交通監(jiān)測主要是對車輛的一些參數(shù)進(jìn)行測量，如車輛類型、車流量、車速、車距以及車重等等[6]，這是道路交通管理部門調(diào)度和管理高速公路的重要依據(jù)。本論文的主要研究目的就是通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)對交通車輛的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。&

29、lt;/p><p>　　目前美國在這方面的研究是處于世界頂尖水平的，在20世紀(jì)90年代，美國交通管理部門就提出來關(guān)于智能交通系統(tǒng)的詳細(xì)項目規(guī)劃。美國的一些大學(xué)在智能交通系統(tǒng)領(lǐng)域已經(jīng)在使用無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究[7]。而國內(nèi)仍處于初級發(fā)展階段，在幾年前的世博會上，上海移動首次在市區(qū)的車輛上搭載有定位功能的傳感器芯片，通過無線發(fā)送數(shù)據(jù)來傳送市區(qū)內(nèi)的交通情況，以便于人們對交通的擁堵有所了解，及時調(diào)整自己的出行方式和路線，方便

30、出行。</p><p><b>　　1.4 研究內(nèi)容</b></p><p>　　本課題主要研究的是采用ZigBee路由協(xié)議的新型的無線傳感網(wǎng)絡(luò)。該無線傳感網(wǎng)絡(luò)主要是通過傳感器節(jié)點對高速公路車輛的一些信息進(jìn)行監(jiān)測，如某條道路上的車輛的數(shù)量、車速、車的長度、車的類型、以及當(dāng)前道路的溫度（用來判斷當(dāng)前道路是否結(jié)冰）等信息。通過道路上鋪設(shè)的固定無線傳感節(jié)點對相應(yīng)的信息進(jìn)行

31、了監(jiān)測，而后無線傳感節(jié)點可以把收集到的信息發(fā)送給相應(yīng)的傳送節(jié)點，最后傳輸?shù)娇刂浦行?，這樣就可以對高速公路的車輛信息有較為詳細(xì)的了解，以便于控制中心的調(diào)度，方便人們的出行，避免一些車禍等危險的發(fā)生。我們做的主要是在GAINSJ軟硬件開發(fā)平臺開發(fā)的基礎(chǔ)上完成節(jié)點的設(shè)計，設(shè)計完善的節(jié)點拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，根據(jù)相應(yīng)的MAC協(xié)議，完成節(jié)點的數(shù)據(jù)通信；根據(jù)具體的要求設(shè)計相應(yīng)的路由協(xié)議，以將在節(jié)點間融合后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉?yīng)用層，而后通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給高速公路的車輛調(diào)度

32、中心，完善高速公路的交通管理。</p><p>　　本實驗主要基于寧波中科集成電路設(shè)計中心基于Jennic公司產(chǎn)品-JN5139芯片設(shè)計的GAINSJ無線傳感網(wǎng)絡(luò)實驗平臺進(jìn)行的，開發(fā)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)采用的是ZigBee協(xié)議。我們基于此平臺的電磁傳感器和溫度傳感器，對車輛速度、車流量、車型以及道路溫度等信息進(jìn)行監(jiān)測。</p><p>　　另外本論文還闡述了使用仿真軟件對ZigBee協(xié)議的仿真，

33、對ZigBee的自組網(wǎng)、擴展性、測量準(zhǔn)確性都做了實驗仿真，并對仿真結(jié)果進(jìn)行了分析討論。</p><p>　　2 高速公路車輛交通監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成</p><p>　　我們設(shè)計的無線傳感網(wǎng)絡(luò)主要包括三個方面，即通信系統(tǒng)、中間層、應(yīng)用系統(tǒng)[8]。通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)是傳感器的組網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸，這一點最后面有詳細(xì)的介紹。中間層和應(yīng)用系統(tǒng)主要是對本系統(tǒng)的管理、信息處理、即時性等進(jìn)行研究。<

34、/p><p>　　本次車輛交通監(jiān)測的研究，是基于GAINSJ節(jié)點軟硬件套件開發(fā)平臺，采用Jennic公司的ZigBee解決方案。下面對該平臺和監(jiān)測系統(tǒng)有較為詳細(xì)的論述。</p><p>　　2.1 系統(tǒng)硬件組成</p><p>　　硬件部分是以寧波中科集成電路設(shè)計中心有限公司設(shè)計開發(fā)的GAINSJ無線傳感網(wǎng)絡(luò)平臺為基礎(chǔ)，在GAINSJ節(jié)點具備溫濕度傳感器的前提下，通過

35、I/O口擴展連接磁阻傳感器，所采用的傳感器節(jié)點主要分為傳感節(jié)點和傳輸控制節(jié)點兩部分，前者用于感知車輛和采集數(shù)據(jù)，傳輸控制節(jié)點用于控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接受以及數(shù)據(jù)的存儲。在這套監(jiān)測系統(tǒng)中，本人主要承擔(dān)數(shù)據(jù)通信組網(wǎng)和ZigBee組網(wǎng)方案的模擬和優(yōu)化。</p><p>　　2.1.1 開發(fā)平臺GAINSJ</p><p>　　本次實驗采用的GAINSJ開發(fā)平臺是由寧波中科集成電路設(shè)計中心有限公司設(shè)

36、計的，工作頻率：2.4GHZ，使用方便，可以直接下載調(diào)試程序，還有很多的擴展口，以便于教學(xué)實驗中外界一些額外的感知設(shè)備，本次實驗就擴展了磁阻傳感器。開發(fā)平臺由GAINSJ節(jié)點、軟件開發(fā)包、實驗教程及軟件后臺iSnamp-J組成，開發(fā)臺本身含有溫濕度傳感器，還有按鍵和Led指示燈，人們可以方便的調(diào)試程序以及反映節(jié)點情況[9]。</p><p>　　GAINSJ節(jié)點采用JENNIC公司的JN5121-Z01-M01模

37、塊制成，該模塊支持ZIGBEE協(xié)議棧并帶有SMA連接器，我們提供外部天線。使用該產(chǎn)品，用戶可以花較短的時間和較少的花費實現(xiàn)IEEE802.15.4和ZIGBEE協(xié)議。采用GAINSJ節(jié)點可以免去復(fù)雜的射頻設(shè)計環(huán)節(jié)，以及高成本的開發(fā)和設(shè)計過程，同時GAINSJ的配置充分考慮到用戶需要，適合于教學(xué)和科研。</p><p>　　本次實驗采用的5個節(jié)點都采用了Jennic公司的JN5139模塊，具有下列優(yōu)點：</p

38、><p>　　開發(fā)套件特性[10]：</p><p>　　板載溫濕度傳感器，用于監(jiān)測節(jié)點所處環(huán)境狀況。</p><p>　　提供RS232接口，用于flash編程、在線調(diào)試。</p><p>　　提供網(wǎng)絡(luò)可視化后臺軟件ISNAMP-J。</p><p>　　提供開發(fā)板及其外圍器件的參考設(shè)計。</p><

39、p>　　提供完整的SDK和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，協(xié)議棧使用C言開發(fā)，易于開發(fā)與移植。</p><p>　　提供不受限制的軟件開發(fā)環(huán)境、編譯器、FLASH編程器等工具鏈。</p><p>　　提供無線網(wǎng)絡(luò)庫、控制器和外圍設(shè)備庫。</p><p>　　如圖2-1所以為GAINSJ節(jié)點開發(fā)板，圖中標(biāo)識了各主要組成部分。</p><p>　　圖2-1

40、GAINSJ節(jié)點開發(fā)板</p><p>　　2.1.2 傳感節(jié)點</p><p>　　傳感器節(jié)點是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能單元。傳感器節(jié)點基本組成模塊有：傳感單元、處理單元、通信單元以及電源部分（如下圖2-2所示）。</p><p>　　圖2-2 單節(jié)點硬件基本構(gòu)架圖</p><p><b>　　電磁傳感器。</b>

41、</p><p>　　在磁阻傳感芯片HMC1021芯片設(shè)計電路，而后通過監(jiān)測地球磁場的變化來判斷車輛的信息。</p><p>　　MCU和信號收發(fā)單元</p><p>　　Jennic公司研發(fā)的JN5139模塊是基于第二代無線通信研發(fā)的，本次實驗的傳感器節(jié)點就是使用的該模塊，該模塊可以很方便的在ZigBee通信協(xié)議的基礎(chǔ)上進(jìn)行再次開發(fā)。</p><

42、;p>　　該模塊集成SMA連接器和天線和JN5139 Soc 芯片，具有低電流（TX電流<37mA、RX電流<37mA），低功率（TX功率+2.5dBm），高接收靈敏度（-96.5dBm），兼容2.4GHz IEEE802.15.4和ZigBee協(xié)議等特點，以及相對較遠(yuǎn)的無線通信距離（在無強電磁干擾、開闊環(huán)境下，最大距離可達(dá)1Km）[10~11]，具體參數(shù)如表2-1所示。這個模塊采用了微控制器中的數(shù)據(jù)處理到無線收發(fā)的一

43、整套完整方案來代替微控制器與收發(fā)模塊的PCB連接測試與處理，在二次開發(fā)編程時只需要將要發(fā)送和接受的數(shù)據(jù)通過相應(yīng)的模塊函數(shù)，就可直接實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。JN5139模塊系列有5種系列可供選擇，即JN5139-xxx-M00到JN5139-xxx-M04系列，考慮到道路監(jiān)測系統(tǒng)在實際應(yīng)用中能量消耗和傳輸性能等實際情況，本課題中選擇的是JN5139-xxx-M1模塊（如圖2-1所示）。</p><p>　　表2-1J

44、N5139 Soc芯片MCU主要特性</p><p>　　2.1.3 接收控制節(jié)點</p><p>　　接收控制節(jié)點并不搭載在開發(fā)板。它實際就是ZigBee通信協(xié)議里面的協(xié)調(diào)器，主要起到收集路由設(shè)備和終端設(shè)備采集的信息，另外還要擔(dān)當(dāng)發(fā)起傳感器網(wǎng)絡(luò)和控制節(jié)點加入的任務(wù)。通過串口和電腦連接后，可以通過軟件軟件iSnamp-J或者串口工具進(jìn)行可視化操作。而在實際應(yīng)用中是通過設(shè)計好的PC機軟件來

45、直接控制的，這個軟件在后面有詳細(xì)的介紹。</p><p>　　2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計</p><p>　　2.2.1 開發(fā)軟件簡要介紹</p><p>　　GAINSJ節(jié)點上的軟件的組成部分是面向WSN的嵌入式操作系統(tǒng)（簡稱GOS）以及相應(yīng)的應(yīng)用程序。圖2-3所示是嵌入式操作系統(tǒng)的總體架構(gòu)，分為嵌入式OS內(nèi)核和API兩層[12]。嵌入式內(nèi)核具有簡單高效的任務(wù)調(diào)度、

46、中斷處理單元，以及一個自組織網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和對MCU的功耗管理單元。節(jié)點上的內(nèi)核底層提供了所有的硬件設(shè)備的驅(qū)動。</p><p>　　圖2-3 GOS總體框架</p><p>　　GAINSJ集成開發(fā)環(huán)境本身就含有編輯編譯環(huán)境，集成編譯環(huán)境采用的是開源軟件Code：Blocks，安裝完SDK后可以提供圖形用戶界面形式編譯，以及命令行形式編制工程。Code：Blocks開發(fā)軟件界面如圖2-4所

47、示：</p><p>　　圖2-4 Code：Blocks主界面</p><p>　　2.2.2 監(jiān)測系統(tǒng)的組成及部署</p><p>　　整個高速公路車輛交通監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的想法如下，如下圖2-5所示，在公路上某一車道上在一定的距離上安置兩個固定的節(jié)點，節(jié)點的距離已知。因此當(dāng)某車輛經(jīng)過節(jié)點時，節(jié)點上搭載的磁阻傳感器就能感應(yīng)到車輛經(jīng)過的信息，此時間t1會產(chǎn)生一個信

48、號波動，傳感器節(jié)點會記錄下這個時間信息和波動信號；而后當(dāng)該車輛經(jīng)過下一個節(jié)點時，則會在t2時刻產(chǎn)生一個波動信號，傳感器也會記錄下該時間和波動信息。然后傳感器節(jié)點就會把測量后的信息傳輸給協(xié)調(diào)器節(jié)點，通過串口發(fā)送給PC機。在PC機的軟件內(nèi)設(shè)置一定的算法來調(diào)取傳輸?shù)男畔?，計算出車輛經(jīng)過的時間差，然后根據(jù)已知的節(jié)點距離算出車速。</p><p>　　從下圖2-5結(jié)構(gòu)圖可知，僅僅只需要兩個傳感器節(jié)點就可以測出某一車道上的車

49、速和其他的相關(guān)道路交通參數(shù)。因此，既可以搭建小型的臨時交通監(jiān)測網(wǎng)，又可以構(gòu)建大型固定的監(jiān)測系統(tǒng)，基于以上的設(shè)計思路可以對整個公路全部的車道進(jìn)行采集數(shù)據(jù)和處理。本論文中涉及的是用于臨時的測試實驗階段，用于小型的臨時交通監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的搭建。其中采用的設(shè)備包括兩個路由器節(jié)點設(shè)備、一個協(xié)調(diào)其節(jié)點設(shè)備和一臺PC機。</p><p>　　圖2-5 道路交通監(jiān)測系統(tǒng)</p><p>　　2.2.3 PC

50、機監(jiān)測軟件設(shè)計</p><p>　　數(shù)據(jù)的直觀顯示對我們來說是很必要的，因為這可以讓我們很直觀的了解到測量的數(shù)據(jù)信息，所以我們利用VB設(shè)計了如下圖所示的PC顯示軟件，主要采用了上面車速和流量算法和計算機的串口通信方式。我們采用了VB中的串口通信控件MSComm來完成結(jié)果到計算機的數(shù)據(jù)傳輸，軟件界面如圖2-6所示：</p><p>　　圖2-6 PC顯示軟件界圖</p>&l

51、t;p>　　3 高速公路車輛交通監(jiān)測系統(tǒng)通信協(xié)議</p><p>　　IEEE 802.15.4/ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的主要目標(biāo)是低功耗、低成本，為無線傳感網(wǎng)絡(luò)提供了一種互聯(lián)互通的平臺[13]，各大射頻芯片廠商陸續(xù)推出了支持該標(biāo)準(zhǔn)的無線收發(fā)芯片。本章先對IEE802.15.4/ZigBee標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行簡略介紹，而后著重對ZigBee協(xié)議路由機制和網(wǎng)絡(luò)層功能進(jìn)行說明。</p><p>　　3

52、.1 IEEE 802.15.4</p><p>　　為了滿足低功耗、低成本，開發(fā)一個低數(shù)據(jù)率的WPAN（LP-WPAN,Low-Rate wireless Personal Area Network）標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)絡(luò)要求，802.15.4工作組由IEEE標(biāo)準(zhǔn)委員會在2000年12月份正式批準(zhǔn)并成立[14]。</p><p>　　3.1.1 網(wǎng)絡(luò)組成及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)</p>&l

53、t;p>　　IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)是指在一個POS內(nèi)使用相同無線信道并通過IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)相互通信的一組設(shè)備的集合，又名LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)。在這個網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)設(shè)備所具有的通信能力，可以分為全功能設(shè)備（Full Function Device , FFD）和精簡功能設(shè)備（Reduced Function Device , RFD）。FFD設(shè)備之間以及FFD設(shè)備與RFD設(shè)備之間都可以通信。RFD設(shè)備之間不能直接通

54、信，只能與FFD設(shè)備通信，或者通過一個FFD設(shè)備向外轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。這個與RFD相關(guān)聯(lián)的FFD設(shè)備稱為該RFD的協(xié)調(diào)器（coordinator）。RFD設(shè)備主要用于簡單的控制應(yīng)用，如燈的開關(guān)、被動式紅外線傳感器等，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較少，對傳輸資源和通信資源占用不多，這樣RFD設(shè)備可以采用非常廉價的實現(xiàn)方案。</p><p>　　IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)根據(jù)應(yīng)用的需要可以組織成星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，也可以組織成點對點網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

55、圖3-1顯示了這兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。</p><p>　　圖3-1 星型和點到點拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)</p><p>　　如圖3-1中箭頭方向所示，星型網(wǎng)絡(luò)以網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器為中心，所有設(shè)備只能與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)發(fā)起和構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，以及數(shù)據(jù)的傳輸。</p><p>　　點對點網(wǎng)絡(luò)中，任意兩個設(shè)備只要能夠彼此收到對方的無線信號，就可以進(jìn)行直接通信，不需要其他設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)。但是點到

56、點網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備與設(shè)備之間可以相互通信，使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)呈現(xiàn)非常復(fù)雜的形式，如樹狀網(wǎng)絡(luò)、混合型（Mesh）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。</p><p>　　3.2 Zigbee網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) </p><p>　　ZigBee技術(shù)建立在IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)之上，，該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈中的M2M行業(yè)，如智能電網(wǎng)、智能交通、智能家居、金融、移動POS終端、供應(yīng)鏈自動化、工業(yè)自動化、

57、智能建筑、消防、公共安全、環(huán)境保護(hù)、氣象、數(shù)字化醫(yī)療、遙感勘測、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水務(wù)、煤礦、石化等領(lǐng)域。</p><p>　　Zigbee的體系結(jié)構(gòu)由稱為層的各模塊組成。每一層為其上一層提供特定的服務(wù)：即由于數(shù)據(jù)服務(wù)實體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)；管理實體提供所有的其他管理服務(wù)。 每個服務(wù)實體通過相應(yīng)的服務(wù)接入點（SAP）為其上層提供一個接口，每個服務(wù)接入點通過服務(wù)原語來完成所對應(yīng)的功能。</p>&l

58、t;p>　　圖3-2 ZigBee體系結(jié)構(gòu)</p><p>　　IEEE僅處理低級MAC層和物理層協(xié)議，因此zigbee聯(lián)盟對其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進(jìn)行了標(biāo)注化，zigbee聯(lián)盟還開發(fā)了安全層。  </p><p>　　3.2.1 物理層 </p><p>　　物理層定義了物理無線信道和MAC子層之間的接口，提供物理層數(shù)據(jù)服務(wù)和

59、物理層管理服務(wù)，物理層數(shù)據(jù)服務(wù)從無線物理信道上收發(fā)數(shù)據(jù)。物理管理服務(wù)維護(hù)一個由物理層相關(guān)數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)庫。</p><p><b>　　物理層內(nèi)容：</b></p><p>　　zigbee的激活 </p><p><b>　　當(dāng)前信道的能量檢測</b></p><p>　　接收鏈路服務(wù)質(zhì)

60、量信息 </p><p>　　Zigbee信道接入方式 </p><p><b>　　信道頻率選擇 </b></p><p><b>　　數(shù)據(jù)傳輸和接收</b></p><p>　　3.2.2 MAC層</p><p>　　MAC層負(fù)責(zé)處理所有

61、的物理無線信道訪問，并產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信號、同步信號；支持PAN連接和分離，提供兩個對等MAC實體之間可靠的鏈路。</p><p>　　MAC層數(shù)據(jù)服務(wù)：保證MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元在物理層數(shù)據(jù)服務(wù)中正確收發(fā)</p><p>　　MAC層管理服務(wù)：維護(hù)一個存儲MAC子層協(xié)議狀態(tài)相關(guān)信息的數(shù)據(jù)庫。</p><p><b>　　MAC層功能：</b></p

62、><p>　　網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器產(chǎn)生信； </p><p><b>　　與信標(biāo)同步 </b></p><p>　　支持PAN鏈路的建立和斷開</p><p>　　為設(shè)備的安全性提供支持 </p><p>　　信道接入方式采用免沖突載波檢測多址接入（CSMA-CA）機制 

63、</p><p>　　處理和維護(hù)保護(hù)時隙（GTS）機制 </p><p>　　在兩個對等的MAC實體之間提供一個可靠的通信鏈路 </p><p>　　3.2.3 網(wǎng)絡(luò)層</p><p>　　Zigbee協(xié)議棧的核心部分在網(wǎng)絡(luò)層，網(wǎng)絡(luò)層主要實現(xiàn)節(jié)電加入或離開網(wǎng)絡(luò)、接收或拋棄其他節(jié)點、路由查找及傳送數(shù)據(jù)等功能，支持Clust

64、er-Tree等多種路由算法，支持星行、樹形、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。</p><p><b>　　網(wǎng)絡(luò)層功能實現(xiàn)過程</b></p><p><b>　?。?） 網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)</b></p><p><b>　?。?） 網(wǎng)絡(luò)形成</b></p><p>　?。?）

65、60;容許設(shè)備連接</p><p>　?。?） 路由器初始化</p><p>　?。?） 設(shè)備網(wǎng)絡(luò)連接</p><p>　?。?） 直接將設(shè)備同網(wǎng)絡(luò)連接</p><p>　　（7） 斷開網(wǎng)絡(luò)連接</p><p>　?。?） 重新復(fù)位設(shè)備</p><p

66、><b>　?。?） 接收機同步</b></p><p>　?。?0） 信息庫維護(hù)</p><p>　　3.2.4 應(yīng)用層 </p><p>　　Zigbee應(yīng)用層框架包括應(yīng)用支持層（ASP）、zigbee設(shè)備對象（ADO）和制造商所定義的應(yīng)用對象, 應(yīng)用支持層的功能包括：維持綁定表、在綁定的設(shè)備之間傳送消

67、息。所謂綁定就是基于兩臺設(shè)備的服務(wù)和需求將他們匹配地連接起來, Zigbee設(shè)備對象的功能包括：定義設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的角色（如zigbee協(xié)調(diào)器和終端設(shè)備），發(fā)起和響應(yīng)綁定請求，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間建立安全機制。Zigbee設(shè)備對象還負(fù)責(zé)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備，并且決定向他們提供何種應(yīng)用服務(wù)。 </p><p>　　Zigbee應(yīng)用層除了提供一些必要函數(shù)以及為網(wǎng)絡(luò)層提供合適的服務(wù)接口外，一個重要的功能是應(yīng)用者

68、可在這層定義自己的應(yīng)用對象。</p><p>　　3.2.5 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)</p><p>　　ZigBee協(xié)議定義了三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖3-3所示的星型網(wǎng)絡(luò)、樹狀網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。</p><p>　　星型網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一個單跳（single-hop）系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點都與基站和網(wǎng)關(guān)進(jìn)行雙向通信[14]。在星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，協(xié)調(diào)器節(jié)點由多個路由節(jié)點或者終端節(jié)點圍繞，呈

69、現(xiàn)一個星型的結(jié)構(gòu)。在星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，即使路由節(jié)點設(shè)備與協(xié)調(diào)器節(jié)點直接通信，路由節(jié)點間并不能通信和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。這種ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較顯著的特點是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單、組網(wǎng)方便和功耗小，但同時也存在致命缺點[20~21]。如果協(xié)調(diào)器節(jié)點無法正常工作，整個網(wǎng)絡(luò)將陷于癱瘓的狀態(tài)，這是由于所有的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)是往協(xié)調(diào)器節(jié)點匯聚發(fā)送的。同時，協(xié)調(diào)器節(jié)點很容易突破不了由于數(shù)據(jù)匯聚造成擁堵的瓶頸，尤其是一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以拓展到65000多節(jié)點。</p

70、><p>　　圖3-3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?lt;/p><p>　　網(wǎng)狀或者樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是多條系統(tǒng)，所有節(jié)點都是相同的處于同一等級，可以直接互相通信，與協(xié)調(diào)器節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)和命令傳輸，在樹狀網(wǎng)中，所有的節(jié)點都有多條路徑到達(dá)網(wǎng)關(guān)或其它節(jié)點，因此具有很強的網(wǎng)絡(luò)傳輸性能，但同時傳輸花費的功耗也更大，因為節(jié)點始終在“監(jiān)聽”和判斷傳輸路徑。</p><p>　　在ZigBee網(wǎng)絡(luò)

71、三種結(jié)構(gòu)中，Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是最靈活的，這是由于數(shù)據(jù)從源節(jié)點到目的節(jié)點的發(fā)送可以有很多種傳輸路徑的選擇，而且如果在網(wǎng)絡(luò)中某個傳輸路徑由于某個節(jié)點無法正常工作而中斷，ZigBee網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)路由和自組網(wǎng)性能會重新尋找一條可行的傳輸路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，因此Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有更小的網(wǎng)絡(luò)延時和更加可靠的穩(wěn)定性。</p><p>　　ZigBee協(xié)議具有很強的自組網(wǎng)自配置特性，在通信過程中，具有很強的路由自我調(diào)節(jié)能力。具

72、體表現(xiàn)為，如果網(wǎng)絡(luò)中某個節(jié)點無法正常工作，ZigBee網(wǎng)絡(luò)的路由功能會重新發(fā)起和尋找一條新的鏈路，并不會導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)的癱瘓而無法通信，所以具有很強的穩(wěn)定性[22]。由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)在理論上能支持?jǐn)U展連接65000個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，因此，通過布置大量的節(jié)點設(shè)備，ZigBee網(wǎng)絡(luò)可應(yīng)用于在移動、某些惡劣的環(huán)境。</p><p>　　在本次課題項目中，用于高速公路車輛交通監(jiān)測的傳感器節(jié)點是固定在道路中間，位置不會發(fā)生改變

73、。但也會由于意想不到的原因，導(dǎo)致一些節(jié)點癱瘓無法正常工作，但是由于ZigBee的自組網(wǎng)的性能，網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點會自動重新發(fā)起和尋找一條最優(yōu)鏈路，重新傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，故可以保證在線實時監(jiān)測的正常進(jìn)行。這正是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)路由和自組網(wǎng)特性的體現(xiàn)。</p><p>　　4 ZigBee組網(wǎng)方案的模擬和優(yōu)化</p><p><b>　　4.1 網(wǎng)絡(luò)仿真</b>&l

74、t;/p><p>　　協(xié)議的開發(fā)一般是基于模擬器進(jìn)行的。利用模擬器可以調(diào)試開發(fā)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，分析各種協(xié)議在不同約束條件下的性能。目前約束條件主要考慮能耗模型、信道模型、移動模型；度量標(biāo)準(zhǔn)主要集中在吞吐量、延時、抖動、丟包率等QoS因子或路由負(fù)載、尋路時間等外部特性以及連通度等內(nèi)部屬性上。目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)界已有的模擬或者仿真器有：</p><p>　　NS-2[15]（Network Simula

75、tor）是由UC Berkly大學(xué)開發(fā)的一個面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡(luò)模擬器,本質(zhì)上是一個離散事件的模擬器。具有良好的結(jié)構(gòu)和可擴展性，但同時也有規(guī)模上的限制。</p><p>　　GloMoSim[16](Global Mobile Information System Simulator)，是由UCLA所開發(fā)的一套主要用于模擬無線網(wǎng)絡(luò)的模擬器。GloMoSim是專門針對無線網(wǎng)絡(luò)的，可支持大規(guī)模的無線網(wǎng)絡(luò)，算法實現(xiàn)更加靈活。

76、</p><p>　　OPNET仿真軟件。關(guān)于OPNET的介紹將在下一屆展開介紹。</p><p>　　TOSSIM是美國UC Berkly大學(xué)開發(fā)的，基于TinyOS的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模擬器。它的主要特點是體現(xiàn)在規(guī)模性、完整性、精確性以及橋梁作用這四個方面。但同時有分析底層協(xié)議的不準(zhǔn)確性的缺點[17]。</p><p>　　SensorSim，是基于NS-2的模擬器

77、，對NS-2主要進(jìn)行了三方面的擴展。最大的貢獻(xiàn)是針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提出了一個完整的架構(gòu)，首次建立電池模型和傳感信道模型。</p><p>　　OMNeT++（Object Modular Network Test-bed in C++），是1992年開發(fā)的一個開源的、基于組件的模塊化離散事件模擬器。</p><p>　　4.2 仿真工具OPNET</p><p>

78、　　OPNET公司起源于麻省理工學(xué)院，成立于1986年。1987年OPNET公司發(fā)布了它的第一個商業(yè)化的網(wǎng)絡(luò)性能仿真軟件，提供了具有重要意義的網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化工具，使得具有預(yù)測性的網(wǎng)絡(luò)性能管理和仿真成為可能。它的產(chǎn)品線除了Modeler外，還包括IT Guru、SP Guru、OPNET Development Kit和WDM Guru等[18]。 　</p><p>　　OPNET Modeler提供了三層建模機制

79、，分別在進(jìn)程層，節(jié)點層和網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行由下到上的建模。同時在仿真的過程中它采用了離散事件驅(qū)動的模擬機理。</p><p>　　本課題中考慮采用OPNET作為仿真平臺，是由于其準(zhǔn)確性和它的高級圖形用戶接口。雖然NS-2也被用來評價無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN），但由于其MAC協(xié)議、數(shù)據(jù)包的格式和能耗模型與實際WSNs應(yīng)用中有很大的不同 [19~20]，NS-2模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性不令人信服。事實上這也歸結(jié)于NS-2是從基于IP網(wǎng)

80、絡(luò)中發(fā)展，后來才應(yīng)用于無線ad-hoc網(wǎng)絡(luò)中的原因[35]。</p><p>　　目前，OPNET Modeler在國內(nèi)主要的版本有8.1, 10.5, 11.5, 14.5.等幾個，8和10是比較常用的，最新版本是14.5，在仿真速度方面有很大的提高, 重要的是，14.5版本里包含封裝了ZigBee協(xié)議的模塊跟庫函數(shù)，如圖4-1所示。因此，在仿真ZigBee協(xié)議時可以直接利用現(xiàn)有的模塊進(jìn)行建模分析。</p

81、><p>　　圖4-1 OPNET14.5版本里封裝好的ZigBee網(wǎng)絡(luò)三種設(shè)備</p><p><b>　　4.3 仿真目的</b></p><p>　　本課題研究一種新型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)由若干傳感器節(jié)點組成。每一個節(jié)點又由電磁傳感器、光電傳感器、微處理器、無線收發(fā)模塊、電池等組成，由傳感器節(jié)點對車輛數(shù)量、運動方向、速度、車輛長度及道

82、路結(jié)冰、大霧等路況進(jìn)行檢測，檢測的信息經(jīng)過節(jié)點間相互通信數(shù)據(jù)融合處理后，按照基于位置信息通信協(xié)議，發(fā)送到控制中心，再由控制中心對交通進(jìn)行控制監(jiān)控。</p><p>　　針對本課題中采用ZigBee協(xié)調(diào)器和路由器設(shè)備構(gòu)建Mesh拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，利用OPNET仿真主要是在Mesh網(wǎng)絡(luò)中，考察節(jié)點傳輸時延對節(jié)點間時間同步影響，模擬ZigBee技術(shù)中自組網(wǎng)和路由選擇機制過程，在數(shù)據(jù)傳輸過程中對傳輸性能的一些參數(shù)進(jìn)行考量分析，如

83、丟包率、端到端的時延，來分析ZigBee網(wǎng)絡(luò)的通信可靠度，自組網(wǎng)特性，為在實際道路交通監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的搭建提供數(shù)據(jù)參考。</p><p>　　4.3.1 節(jié)點間端到端的時延對同步的影響</p><p>　　高速公路車輛交通監(jiān)測系統(tǒng)里有一項指標(biāo)是測量車速，具體的測量方法如下：</p><p>　　在道路上放置兩個固定的節(jié)點，節(jié)點間距可以測出，節(jié)點內(nèi)含有磁阻傳感器，當(dāng)有

84、車輛經(jīng)過時，內(nèi)置的磁阻傳感器能感應(yīng)到該車輛，所以這兩個固定的節(jié)點可以測出車輛經(jīng)過他們時的時間間隔，而又可以測出節(jié)點的間隔，故可以由此計算出車速。所以時間測量的準(zhǔn)確性是保證數(shù)據(jù)可靠的很重要的因素，所以我們要精確的控制時間精度以及兩個節(jié)點的時間同步。所以我們采用OPNET仿真軟件，來考察節(jié)點在傳輸數(shù)據(jù)時端到端的時延對同步產(chǎn)生的影響。</p><p>　　圖4-2 ZigBee Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D</p>

85、<p>　　我們利用OPNET仿真軟件的Object Palette Tree里面提供的ZigBee Model搭建一個Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，如上圖4-2所示。在上圖內(nèi)，含有兩個路由節(jié)點node_0和node_1，以及一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器mobile_node_0，協(xié)調(diào)器用于發(fā)起網(wǎng)絡(luò)，路由節(jié)點不僅可以感知和傳輸數(shù)據(jù)，也有路由轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的功能。</p><p>　　下面介紹我們的仿真的實驗以及對實驗結(jié)果的分析：&

86、lt;/p><p>　　圖4-3 協(xié)調(diào)器和路由器接收和發(fā)送數(shù)據(jù)流量圖</p><p>　　上圖4-3表示的是，在模擬的15分鐘內(nèi)兩個節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)接收情況，圖中橫坐標(biāo)的單位是（m）表示仿真進(jìn)行的時間，縱坐標(biāo)的單位是（bit/Sec）表示每秒的數(shù)據(jù)流量，在后面的仿真實驗中單位表示都是一樣的。</p><p>　　由圖4-3可知，在網(wǎng)絡(luò)建立的初始階段，即

87、大概在1~8分鐘的這段時間內(nèi)，協(xié)調(diào)器接收數(shù)據(jù)，路由器節(jié)點采集和發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定的上升趨勢的：當(dāng)協(xié)調(diào)器發(fā)起網(wǎng)絡(luò)后，路由節(jié)點加入到網(wǎng)絡(luò)，后面的數(shù)據(jù)接受和發(fā)送速率是很穩(wěn)定的，而且沒有出現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接受中斷的意外情況。</p><p>　　圖4-4 路由節(jié)點1和2到協(xié)調(diào)器節(jié)點端到端的時延即時分布（ETE）（As is）</p><p>　　圖4-5 路由節(jié)點1和2到協(xié)調(diào)器節(jié)點端到端的

88、時延平均分布（ETE）（average）</p><p>　　上面的兩幅圖片都是表示的路由節(jié)點到協(xié)調(diào)器即誒的那的端到端的時延（ETE，end-to-end delay）的分布情況，其中4-4是即時分布，4-5是平均分布圖。由圖中可以看出，在協(xié)調(diào)器mobile_node_0發(fā)起和建立網(wǎng)絡(luò)的時候，節(jié)點node_0比節(jié)點node_1更晚加入到網(wǎng)絡(luò)中，這是因為node_0距離路由節(jié)點較近，可以直接加入到網(wǎng)絡(luò)中，而node

89、_1需要經(jīng)歷路由的最佳路徑選擇，但是加入到網(wǎng)絡(luò)后，他們是端到端的時延穩(wěn)定在0.0073s和0.006s。</p><p>　　而因為路由節(jié)點的間距一般在幾十米，一般高速公路上的車速都要大于200Km/h，所以我們可以推算出，這個時延對計算車速的影響不大，所以可以忽略不計，認(rèn)為測得車數(shù)是準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。</p><p>　　下面我再考慮當(dāng)路由節(jié)點和協(xié)調(diào)器之間的距離發(fā)生變化時，時延ETE的變化情況

90、。如下圖4-6所示，協(xié)調(diào)器節(jié)點沿著白線運動。</p><p>　　接下來我們分析實驗結(jié)果：</p><p>　　圖4-6 協(xié)調(diào)器節(jié)點運動的Mesh拓?fù)鋱D</p><p>　　圖4-7 協(xié)調(diào)器節(jié)點運動時各節(jié)點接收和發(fā)送數(shù)據(jù)流量即時分布圖（average）</p><p>　　上圖4-7是協(xié)調(diào)器運動時，路由節(jié)點和協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)發(fā)送和接受的即時分

91、布圖，從圖中可以看出大概在4分鐘的時候，由于路由節(jié)點和協(xié)調(diào)器的距離大致為0.7Km，此時由于距離較遠(yuǎn)，他們不能再彼此接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。圖中的綠色曲線是路由節(jié)點node_1發(fā)送分布圖，我們可以考到在即將停止發(fā)送以前，他出現(xiàn)了一個峰值，這是因為他比路由節(jié)點node_0距離協(xié)調(diào)器近，所以在即將達(dá)到最遠(yuǎn)值時，節(jié)點node_0通過選擇最佳路徑而先把數(shù)據(jù)發(fā)送給node_1，而后通過node_1發(fā)給協(xié)調(diào)器，后面當(dāng)他們都連接不上協(xié)調(diào)器時，發(fā)送的數(shù)據(jù)就降為

92、0了。從這里也可以看出ZigBee網(wǎng)絡(luò)具有很強的自組網(wǎng)特性，不會因為個別節(jié)點不能直接給協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)無法正常工作。</p><p>　　下圖4-8和4-9分別顯示的是放協(xié)調(diào)器運動時，兩個路由節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)時到協(xié)調(diào)器節(jié)點ETE的即時和平均分布。由圖可知，隨著距離的增大，ETE也在增大，當(dāng)距離大到兩個節(jié)點都連接不到協(xié)調(diào)器時，ETE會變成無窮大。而且圖示可以看到，節(jié)點node_0比節(jié)點node_1有更大的時延，

93、這是因為node_0距離協(xié)調(diào)器較遠(yuǎn)，需要花費時間來尋找最佳路徑和協(xié)調(diào)器節(jié)點通信，其中就包括通過節(jié)點node_1來傳輸自己的數(shù)據(jù)。這也說明了ZigBee有自組網(wǎng)絡(luò)的特點。</p><p>　　圖4-8 協(xié)調(diào)器節(jié)點運動時路由節(jié)點1和2ETE即時分布圖（As is）</p><p>　　圖4-9 協(xié)調(diào)器節(jié)點運動時路由節(jié)點1和2ETE平均分布圖（average）</p><p

94、>　　總的來說，當(dāng)協(xié)調(diào)器運動時，會導(dǎo)致ETE的變化，但是即使運動到節(jié)點和協(xié)調(diào)器無法通信，時延ETE最大也只有0.018s左右，并不會因此而導(dǎo)致車速測量不準(zhǔn)確。</p><p>　　4.3.2 ZigBee自組網(wǎng)性能模擬</p><p>　　前文中說到了OPNET仿真中節(jié)點的最大通信距離是0.7Km，對于這個問題，外國作者Sam Leung在文獻(xiàn)[21]中利用OPNET仿真軟件進(jìn)行Z

95、igBee協(xié)議仿真時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)節(jié)點間的距離到達(dá)1200m時，節(jié)點間竟然也可以正常通信，同時他們的網(wǎng)絡(luò)性能竟然也沒有變差。</p><p>　　圖4-10 Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D</p><p>　　如圖4-10所示把Coordinator節(jié)點的位置固定，使其與router3和4節(jié)點的距離在保持正常通信范圍內(nèi)，但與router1和2節(jié)點的距離在保持在不能通信的范圍內(nèi)。先使router3和4節(jié)點不能

96、正常工作，觀察Coordinator和router1和2節(jié)點的傳輸數(shù)據(jù)的狀況。</p><p>　　圖4-11 router_1和2節(jié)點傳輸流量示意圖</p><p>　　從上圖4-11看出，路由節(jié)點沒有數(shù)據(jù)包發(fā)送，協(xié)調(diào)器節(jié)點也沒有接收，即表明路由節(jié)點router_1和2節(jié)點無法與Coordinator節(jié)點進(jìn)行通信，當(dāng)使路由節(jié)點router3和4節(jié)點恢復(fù)正常時，各個節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)包和ETE

97、分別如下圖4-12、4-13所示。</p><p>　　圖4-12 router_1、2、3和4節(jié)點傳輸流量狀況（Average）</p><p>　　從圖4-12中可以看出，router1和2節(jié)點與Coordinator節(jié)點進(jìn)行通信是經(jīng)過router3和4節(jié)點這兩個路由節(jié)點進(jìn)行的，這驗證了在ZigBee Mesh網(wǎng)絡(luò)中路由器不僅可以直接向Coordinator節(jié)點傳遞數(shù)據(jù)。還可以起到路

98、由作用，將其它不能直接與Coordinator通信的節(jié)點傳遞數(shù)據(jù)。而圖4-12反映出當(dāng)向Coordinator節(jié)點傳遞數(shù)據(jù)時，router2節(jié)點中的ETE比router1節(jié)點要大一些，而且路由節(jié)點的ETE經(jīng)歷了增大到趨于平穩(wěn)的發(fā)展過程，這是由于router2節(jié)點比較遠(yuǎn)離Coordinator，將要比router1節(jié)點花費更多的時間來尋找路由和傳輸路徑，而且在協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)發(fā)起網(wǎng)絡(luò)時，路由節(jié)點在加入網(wǎng)絡(luò)的時候，將會花費時間尋求最短的損耗傳輸路

99、徑，即將經(jīng)歷選擇最佳路由加入網(wǎng)絡(luò)的過程。</p><p>　　圖4-13 router_1、2、3和4節(jié)點的ETE（Average）</p><p>　　當(dāng)使router3節(jié)點無法正常工作，考察router1、2和4的通信時的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和狀況。</p><p>　　圖 4-14 router_1、2和4節(jié)點的ETE（Average）</p><

100、;p>　　圖4-15 router_1、2和4節(jié)點傳輸流量狀況（Average）</p><p>　　圖4-16 router_1、2和4節(jié)點的丟包率</p><p>　　從上三圖中可以看出，當(dāng)router3節(jié)點無法正常運轉(zhuǎn)，router4節(jié)點作用路由節(jié)點接受router1和2節(jié)點的數(shù)據(jù)包時，整個網(wǎng)絡(luò)傳輸性能并沒有受多大影響，相比較各個router節(jié)點的ETE沒有很大變化，甚至整個網(wǎng)

101、絡(luò)都沒有丟包率。結(jié)果顯示ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議表現(xiàn)出很好的自主組網(wǎng)性能，即使router節(jié)點沒有直接連接上Coordinator節(jié)點，也可以自主尋找鄰居路由達(dá)到與Coordinator通信的目的，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，體現(xiàn)出ZigBee網(wǎng)絡(luò)良好的傳輸性能和很強的可靠性。</p><p>　　當(dāng)使router4節(jié)點無法工作router3正常運轉(zhuǎn)，仿真情況跟上面步驟的結(jié)果大概一致。</p><p>　　

102、4.3.3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)擴充性能模擬</p><p>　　這個仿真的目的是通過增加ZigBee網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的數(shù)目，來考察整個網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量和性能參數(shù)的變化。</p><p>　　首先增加四個End devices節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如下所示：</p><p>　　圖4-17-測試節(jié)點數(shù)目增加時的傳輸性能拓?fù)鋱D</p><p>　　考察圖4-17

103、中三個End device（node_1、node_2、node_3）節(jié)點的傳輸狀況，分別考察這三個節(jié)點向路由節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)流量（由于End device節(jié)點距離協(xié)調(diào)器節(jié)點較遠(yuǎn)），以及在傳輸過程中的丟包率，如圖4-18、4-19所示。</p><p>　　圖4-18 End device node_1、2和3的節(jié)點傳輸流量即時分布（average）</p><p>　　圖4-19 En

104、d device node——1、2和3節(jié)點的丟包率即時分布（average）</p><p>　　從上圖可以看出，End device node_1和2節(jié)點都能通過路由節(jié)點成功連接上路由器節(jié)點進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)，但End device node_3節(jié)點卻沒有連接上router節(jié)點，丟包率達(dá)到1，這說明一旦其中兩個End device節(jié)點成功連接上router節(jié)點后，該router節(jié)點沒有分配地址槽給End devic

105、e3節(jié)點使其無法連接上。這與Sam Leung作者在文獻(xiàn)[35]中仿真的結(jié)果，在OPNET中ZigBee model里面的router只能最多連接兩個End device節(jié)點相符合。</p><p>　　當(dāng)調(diào)整其中兩個End device節(jié)點的位置時，使其更靠近router節(jié)點時，End device節(jié)點都能連接上router并能傳輸數(shù)據(jù)，如下圖4-20所示，再次驗證上述觀點。</p><p&

106、gt;　　圖4-20 End device node_0到3節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包即時分布（average）</p><p>　　當(dāng)增加router節(jié)點數(shù)量時，如下圖4-21所示：</p><p>　　圖4-21 增加11個router節(jié)點的拓?fù)鋱D</p><p>　　增加11個router節(jié)點，考察Coordinator的ETE以及丟包率如下圖所示：</p>

107、<p>　　圖4-22 沒有增加router節(jié)點（上）和增加后（下）Coordinator的ETE和丟包率平均分布</p><p>　　由上圖看出，在增加router節(jié)點后Coordinator節(jié)點并沒有丟失數(shù)據(jù)，只是ETE略有上升，達(dá)到0.02以上。這是由于增加router節(jié)點造成整個網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)量上升，致使網(wǎng)絡(luò)擁堵，網(wǎng)絡(luò)時延肯定是會上升的。我們知道，在ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多支持255個裝置，其中一

108、個是主裝置，其余則是從裝置。若是通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器最多可達(dá)到65000個ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點[22]。通過這次仿真可以看出， ZigBee網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出很強的拓展性能，而且傳輸數(shù)據(jù)的性能非常的良好，并不會隨著傳輸數(shù)據(jù)包的增加出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁堵而導(dǎo)致掉包的現(xiàn)象，ZigBee model在OPNET中亦是如此。</p><p><b>　　5 結(jié)論與展望</b></p><p>&l