肖 鵬，沈蘇彬

(南京郵電大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，江蘇 南京 210003)

1 概 述

ZigBee是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有低功耗、低成本、低復(fù)雜度等優(yōu)點(diǎn)，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中扮演著非常重要的角色[1-2]。ZigBee網(wǎng)關(guān)的主要功能是數(shù)據(jù)匯總和協(xié)議轉(zhuǎn)換，能夠?qū)igBee網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)上傳到以太網(wǎng)[3]。另一方面，能對以太網(wǎng)發(fā)送過來的命令通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和地址解析，發(fā)送給ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，控制相關(guān)設(shè)備[4]。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)的傳感節(jié)點(diǎn)和Internet之間的數(shù)據(jù)交互必須通過網(wǎng)關(guān)，因此網(wǎng)關(guān)成為傳感節(jié)點(diǎn)和Internet交互的瓶頸。在單網(wǎng)關(guān)模式下的ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)集中匯聚在一個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)帶來的問題如下：

(1)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率有限，在網(wǎng)絡(luò)的上行模式下，當(dāng)短時(shí)間有大量數(shù)據(jù)需要交互時(shí)，容易造成網(wǎng)關(guān)以及周圍路由節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生擁塞，導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的上行吞吐量降低；

(2)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大，單網(wǎng)關(guān)模式無法滿足偏遠(yuǎn)終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求，端到端的時(shí)延會(huì)隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增加而增加，同時(shí)終端節(jié)點(diǎn)掉包率也會(huì)提高；

(3)網(wǎng)關(guān)周圍部署的路由節(jié)點(diǎn)需要存儲大量的路由信息，并且持續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)來自終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致過早消耗能量。當(dāng)某個(gè)路由節(jié)點(diǎn)因電量耗盡而宕機(jī)，勢必加重其他路由節(jié)點(diǎn)的負(fù)擔(dān)，造成連鎖效應(yīng)，從而影響網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。

從圖1中看出，終端節(jié)點(diǎn)D的數(shù)據(jù)若需要發(fā)送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，有三條路徑可以選擇。第一條路徑為D→R1→R2→G1,第二條路徑為D→R1→R3→R4→G2,第三條路徑為D→R1→R5→R6→R7→G3，在只考慮路由跳數(shù)的情況下，顯然第一條路徑是最優(yōu)的，G1網(wǎng)關(guān)是最優(yōu)網(wǎng)關(guān)。假設(shè)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中只存在一個(gè)G1網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，根據(jù)ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)路由算法，R2節(jié)點(diǎn)的工作量是巨大的，它需要不斷轉(zhuǎn)發(fā)來自其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，使得節(jié)點(diǎn)過早地消耗能量，同時(shí)G1網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化能力是有限的，可造成數(shù)據(jù)擁塞。

圖1 最優(yōu)網(wǎng)關(guān)選擇

目前針對Mesh型網(wǎng)絡(luò)[5-6]的多網(wǎng)關(guān)選擇問題研究較為廣泛。文獻(xiàn)[7]通過把Mesh節(jié)點(diǎn)劃分成若干組，并且每一組中的節(jié)點(diǎn)與特定的網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信，是一種負(fù)載均衡策略。該算法需要網(wǎng)關(guān)之間信息的交互，開銷較大。文獻(xiàn)[8]的潛在網(wǎng)關(guān)選擇策略是基于路由跳數(shù)，網(wǎng)關(guān)廣播網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)消息，非網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)根據(jù)消息計(jì)算與網(wǎng)關(guān)的距離，選擇具有跳數(shù)最少的路徑網(wǎng)關(guān)，用于將流量發(fā)送到基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以組成Mesh網(wǎng)絡(luò)，文獻(xiàn)[9]針對ZigBee Mesh網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)提出一種多網(wǎng)關(guān)方案，但其只考慮了路由跳數(shù)作為網(wǎng)關(guān)的選擇依據(jù)，沒有考慮網(wǎng)關(guān)本身的性能。在上述研究的基礎(chǔ)上，文中提出將ZigBee路由成本與網(wǎng)關(guān)負(fù)載相結(jié)合的方式作為網(wǎng)關(guān)的選擇方案。

目前針對ZigBee網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用多以單網(wǎng)關(guān)模式運(yùn)行，在節(jié)點(diǎn)數(shù)量少、數(shù)據(jù)量小的應(yīng)用場景能夠滿足需求，但對于環(huán)境復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)數(shù)量大，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量大的場合，需要多個(gè)網(wǎng)關(guān)才能滿足數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)和控制功能[10]。目前國內(nèi)外針對Mesh網(wǎng)絡(luò)的多網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的研究較多，而對ZigBee網(wǎng)絡(luò)的多網(wǎng)關(guān)的研究較少，文中提出一種針對ZigBee Mesh網(wǎng)絡(luò)的多網(wǎng)關(guān)協(xié)作方案，提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)吞吐量，達(dá)到較小網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)時(shí)延的目的。

2 多網(wǎng)關(guān)協(xié)作與最優(yōu)網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)

ZigBee設(shè)備不能直接連接到以太網(wǎng)，網(wǎng)關(guān)的目標(biāo)是解決不同端點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)之間的異質(zhì)性；加強(qiáng)端點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的管理；將傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)與端點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通。在多網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)中，最先啟動(dòng)的ZigBee網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大，新的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)加入到網(wǎng)絡(luò)，分擔(dān)數(shù)據(jù)的上行和下行工作。ZigBee網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)上行至最優(yōu)網(wǎng)關(guān)后，網(wǎng)關(guān)將建立終端節(jié)點(diǎn)的地址映射表，以便Internet網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)下行進(jìn)入ZigBee網(wǎng)絡(luò)時(shí)進(jìn)行快速尋址，從而避免在單一網(wǎng)關(guān)下，數(shù)據(jù)需要通過多次路由才能達(dá)到終端節(jié)點(diǎn)，減少了下行數(shù)據(jù)的時(shí)延。多網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，樹莓派二代和CC2530節(jié)點(diǎn)通過串口連接在一起形成ZigBee網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。多個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)一起形成ZigBee Mesh型網(wǎng)絡(luò)。

圖2 多網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)架構(gòu)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)吞吐量提高可以通過增加網(wǎng)關(guān)的數(shù)量，但多網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)性能與網(wǎng)關(guān)配置有很大關(guān)系。增加網(wǎng)關(guān)負(fù)載約束是為了避免終端節(jié)點(diǎn)聚集到某一網(wǎng)關(guān)，造成一部分網(wǎng)關(guān)負(fù)載過重，另一部分網(wǎng)關(guān)沒有發(fā)揮應(yīng)有的作用，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)吞吐量下降。若只考慮網(wǎng)關(guān)的負(fù)載，終端節(jié)點(diǎn)會(huì)選擇負(fù)載小的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)，但對于某些終端節(jié)點(diǎn)來說，與負(fù)載小的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間的路徑質(zhì)量并不是最優(yōu)的，路由成本可能會(huì)很大，可能導(dǎo)致端到端時(shí)延增加，不能提高整體網(wǎng)絡(luò)的性能。因此，文中結(jié)合網(wǎng)關(guān)負(fù)載和路由成本兩個(gè)主要影響網(wǎng)絡(luò)性能的因素，作為最優(yōu)ZigBee網(wǎng)關(guān)的選擇依據(jù)。

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)負(fù)載代表網(wǎng)關(guān)在單位時(shí)間內(nèi)能轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)率，使用緩沖區(qū)當(dāng)前隊(duì)列長度Lcurrent與緩沖區(qū)中隊(duì)列最大長度Lmax的比值來衡量：

(1)

其中，LoadRatei用來表示當(dāng)前網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)i的負(fù)載，文中定義當(dāng)LoadRatei>LoadRatethreshold時(shí)，表示該網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)已經(jīng)達(dá)到了傳輸瓶頸。LoadRatethreshold取0.8。

在ZigBee路由算法中，路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)是以路由成本為依據(jù)選擇最佳路徑的。一條最佳路徑由多個(gè)鏈路組成，每個(gè)鏈路都有相應(yīng)的鏈路質(zhì)量。鏈路質(zhì)量越高，路由成本越低。鏈路質(zhì)量表示相鄰節(jié)點(diǎn)之間通信所傳遞的數(shù)據(jù)報(bào)的強(qiáng)度和質(zhì)量。

如果定義一條長度為L的路徑[D1,D2,…,Di],Di表示編號為i的節(jié)點(diǎn)，[Di,Di+1]表示Di和Di+1的鏈路，則該路徑的路由成本之和表示為：

(2)

其中，PathCost{P}表示網(wǎng)關(guān)到終端節(jié)點(diǎn)的路徑路由成本；C{[Di,Di+1]}表示相鄰節(jié)點(diǎn)Di到Di+1的路由成本。

路由成本C是關(guān)于鏈路質(zhì)量的函數(shù)，計(jì)算公式如下：

(3)

其中，C{l}的取值范圍為[0,1,…,7]，表示鏈路L上傳輸?shù)目煽啃?；Pl的測量根據(jù)接收幀的鏈路質(zhì)量指示平均值來估計(jì)。

IEEE802.15.4的物理層中添加鏈路質(zhì)量指示(link quality indication，LQI)這個(gè)物理量，對LQI的測量是通過接收機(jī)ED、信噪比估計(jì)或者混合使用這兩種方法來進(jìn)行[11-12]。在ZigBee中每個(gè)接收的分組都要進(jìn)行LQI測量，其結(jié)果值用8 bit整數(shù)表示，并將結(jié)果值傳給MAC子層。

目前流行多網(wǎng)關(guān)選擇策略中的決策因素是通過單一的路由跳數(shù)作為基準(zhǔn)，路由跳數(shù)少，表明該節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)的路徑是最優(yōu)的。而路由跳數(shù)并不能保證選擇的網(wǎng)關(guān)最優(yōu)，隨著網(wǎng)絡(luò)通信量的增加，這種網(wǎng)關(guān)選擇方式容易導(dǎo)致熱點(diǎn)區(qū)域的形成，并出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)瓶頸，最終導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞。文中采用網(wǎng)關(guān)負(fù)載和路由成本的方式作為最優(yōu)網(wǎng)關(guān)的判斷標(biāo)準(zhǔn)，提出一個(gè)網(wǎng)關(guān)選擇函數(shù)。終端節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)關(guān)選擇函數(shù)計(jì)算出Optimali值，公式如下：

Optimali=α×PathCosti+(1-α)LoadRatei

(4)

其中，α表示權(quán)重，由終端節(jié)點(diǎn)決定；PathCosti表示終端節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)i的路由成本(在能到達(dá)的情況下)；LoadRatei表示網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)i的負(fù)載。PathCosti值越小，說明終端節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的路徑質(zhì)量越高，路由成本越低；LoadRatei值越小，說明網(wǎng)關(guān)的負(fù)載越小，該網(wǎng)關(guān)能夠承受更多的數(shù)據(jù)量。根據(jù)式4計(jì)算的Optimali值存儲在終端節(jié)點(diǎn)中，終端節(jié)點(diǎn)依據(jù)Optimali最小者選取最優(yōu)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。

終端節(jié)點(diǎn)與Internet通信前，首先需要通過某種手段找到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，即網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)過程，文中采用主動(dòng)發(fā)現(xiàn)機(jī)制。新的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)加入到網(wǎng)絡(luò)后，向全網(wǎng)周期性廣播網(wǎng)關(guān)通告消息，告知終端節(jié)點(diǎn)自身的信息，包括網(wǎng)關(guān)唯一標(biāo)識符、網(wǎng)絡(luò)中16位短地址和負(fù)載。

最優(yōu)網(wǎng)關(guān)選擇算法描述如下：

(1)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的任意節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)，加入網(wǎng)絡(luò)后，判斷自身是否為網(wǎng)關(guān)；

(2)若是網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，則以廣播的形式周期性向全網(wǎng)發(fā)送Gateway_Status通告，網(wǎng)關(guān)通告字段如表1。

表1 網(wǎng)關(guān)通告字段

(3)若是終端節(jié)點(diǎn)，則初始網(wǎng)關(guān)短地址默認(rèn)為協(xié)調(diào)器短地址，在未收到任何其他網(wǎng)關(guān)通告之前，終端節(jié)點(diǎn)以默認(rèn)網(wǎng)關(guān)作為數(shù)據(jù)的匯聚節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中收到任意網(wǎng)關(guān)通告后，獲取網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的ID，并判斷該網(wǎng)關(guān)是否已存在自己的網(wǎng)關(guān)設(shè)備表中，若存在則更新該網(wǎng)關(guān)信息條目，包括負(fù)載、路由成本；若不存在，則創(chuàng)建新的網(wǎng)關(guān)條目，并將該網(wǎng)關(guān)條目添加到網(wǎng)關(guān)設(shè)備表中。

(4)終端節(jié)點(diǎn)根據(jù)式4計(jì)算網(wǎng)關(guān)的Optimal值，更新到網(wǎng)關(guān)設(shè)備表中。

(5)終端節(jié)點(diǎn)遍歷網(wǎng)關(guān)設(shè)備表，若當(dāng)前的網(wǎng)關(guān)Optimal值大于新的網(wǎng)關(guān)，則更改終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送地址，將地址修改為新網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的地址；否則，不做變化。

(6)終端節(jié)點(diǎn)向新網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送Optimal_Confirm消息，通知最優(yōu)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)收到Optimal_Confirm消息后，存儲該終端節(jié)點(diǎn)的信息。外部網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)網(wǎng)關(guān)存儲終端節(jié)點(diǎn)地址信息自由的切換網(wǎng)關(guān)，以達(dá)到快速尋址、傳輸數(shù)據(jù)的目的。

3 多網(wǎng)關(guān)協(xié)作與最優(yōu)網(wǎng)關(guān)選擇的實(shí)現(xiàn)

3.1 網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)包括兩部分，一個(gè)是負(fù)責(zé)運(yùn)行ZigBee網(wǎng)絡(luò)的CC2530，是德州儀器公司開發(fā)的真正片上系統(tǒng)解決方案。它結(jié)合了一個(gè)高性能2.4 GHz DSSS射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級小巧高效的8051控制器，具有32/64/128 KB可編程閃存和8 KB的RAM，還包括A/D轉(zhuǎn)換器、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時(shí)器等[13]。

另一個(gè)是利用樹莓派作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，是網(wǎng)關(guān)的核心組成。樹莓派(Raspberry Pi)是一個(gè)小巧的、功能強(qiáng)大、價(jià)格便宜的小型卡片式電腦[14]，這種信用卡大小的計(jì)算機(jī)具有眾多性能并且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的價(jià)格，是許多設(shè)備接口的完美平臺。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)使用樹莓派2代，B型，RAM為1 GB，并配有一個(gè)無線傳輸WiFi模塊，一個(gè)以太網(wǎng)接口模塊和三個(gè)USB接口模塊。ZigBee網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點(diǎn)以串口形式與樹莓派相接，占用串口設(shè)備為ttyUSB0。

3.2 網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)

樹莓派以Linux系統(tǒng)為基礎(chǔ)，移植基于C++的QT庫作為主要的開發(fā)語言[15]。QT庫使用的版本為QT5.8，由于樹莓派的性能有限，對于大型程序的開發(fā)工作仍然需要在PC機(jī)上完成。PC機(jī)對QT5.8源碼包進(jìn)行交叉編譯成ARM版本的庫，隨后移植到樹莓派上，同時(shí)本地也需要保存ARM版本的副本，作為網(wǎng)關(guān)程序編譯時(shí)的鏈接庫。網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序涉及的主要模塊有串口通信、協(xié)議轉(zhuǎn)換、TCP數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)和最優(yōu)網(wǎng)關(guān)選擇算法等。

(1)串口通信：利用串口通信模塊可以對ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行讀寫。開辟串口讀寫線程，將來自串口的數(shù)據(jù)讀入緩沖區(qū)。

(2)協(xié)議轉(zhuǎn)換：將ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為TCP/IP，涉及的工作是對ZigBee數(shù)據(jù)格式解碼和重新封裝。首先識別數(shù)據(jù)幀邊界，將串行的數(shù)據(jù)格式根據(jù)邊界標(biāo)識符劃分為單個(gè)數(shù)據(jù)幀；然后將單個(gè)數(shù)據(jù)幀根據(jù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)義恢復(fù)為初始數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)的合法性進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證方法是通過前后數(shù)據(jù)檢驗(yàn)和對比，相同則數(shù)據(jù)合法，否則丟棄不合法數(shù)據(jù)幀；最后生成新的數(shù)據(jù)對象，以JSON的形式對數(shù)據(jù)重新打包，并添加時(shí)間戳。重新分裝的數(shù)據(jù)送入網(wǎng)絡(luò)接口，等待上傳。

(3)TCP數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)：樹莓派以TF卡作為永久存儲設(shè)備，容量有限，同時(shí)為了方便對網(wǎng)關(guān)性能進(jìn)行綜合分析，有必要將網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。在PC上搭建服務(wù)器，監(jiān)聽來自網(wǎng)關(guān)的請求，監(jiān)聽端口為8080，并且服務(wù)器以多線程方式進(jìn)行監(jiān)聽。網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器通訊是建立在TCP協(xié)議下套接字接口的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)的上傳。

(4)最優(yōu)網(wǎng)關(guān)選擇算法實(shí)現(xiàn)：最優(yōu)網(wǎng)關(guān)選擇算法需要終端節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)相互配合才能達(dá)到最優(yōu)網(wǎng)關(guān)選擇的目的。

算法核心偽代碼如下：

Begin

A nodeijoin the ZigBee network;

if(nodei==gateway) then

Gateway computes LoadRatei;

Gateway periodically sends gateway

status message: ID, Address, LoadRate;

end if

if(nodei==end) then

When nodeireceives gateway status message;

End node computes Optimali;

if(current_optimal=null or Optimali

current_optimal=Optimali;

end if

if(find(gateway.ID)) then

Update parameters Optimal in gateway

device table;

end if

if(!find(gateway.ID)) then

New gateway insert into the gateway device Table;

end if

Update destination address in nodeiby

current_optimal gateway address;

Send data to the optimal gateway;

end if

End

4 測試與分析

為驗(yàn)證多網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的連通性和網(wǎng)關(guān)性能，在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中搭建多網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)測試平臺。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)由樹莓派二代和CC2530組成，數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)為CC2530開發(fā)套件，通信協(xié)議為ZigBee協(xié)議。測試平臺包括2個(gè)網(wǎng)關(guān)，若干個(gè)無線節(jié)點(diǎn)，以及1臺用來作為服務(wù)器的PC機(jī)。每個(gè)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)根據(jù)網(wǎng)關(guān)選擇函數(shù)向網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)再通過套接字接口編程向服務(wù)器存入數(shù)據(jù)。服務(wù)器對網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器的通信建立日志追蹤，可以從日志獲取的信息包括ZigBee節(jié)點(diǎn)的編號，節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)短地址，數(shù)據(jù)量，端到端的通信時(shí)間等。文中通過Python編寫腳本讀取日志文件，對日志進(jìn)行分析，比較網(wǎng)絡(luò)在單網(wǎng)關(guān)模式和多網(wǎng)關(guān)模式下的網(wǎng)絡(luò)性能，包括網(wǎng)關(guān)的連通性、網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和數(shù)據(jù)時(shí)延。實(shí)驗(yàn)中，每個(gè)ZigBee數(shù)據(jù)包大小為100個(gè)字節(jié)，運(yùn)行時(shí)間60 s。

4.1 終端節(jié)點(diǎn)選擇不同權(quán)重值的結(jié)果分析

為驗(yàn)證選取不同的權(quán)重值對網(wǎng)絡(luò)吞吐量的影響，在多網(wǎng)關(guān)模式下，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模一定，節(jié)點(diǎn)發(fā)送速率為250 kbps時(shí)進(jìn)行吞吐量的實(shí)驗(yàn)對比。從圖3可以看出，在α接近0.5時(shí)，網(wǎng)絡(luò)吞吐量最高，文中后續(xù)的權(quán)重值設(shè)置為0.5。

4.2 兩種網(wǎng)關(guān)模式網(wǎng)絡(luò)吞吐量對比

如圖4所示，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增加，單網(wǎng)關(guān)模式處理大量數(shù)據(jù)的能力明顯低于多網(wǎng)關(guān)模式，單網(wǎng)關(guān)的負(fù)載持續(xù)增加，最終會(huì)達(dá)到瓶頸。而多網(wǎng)關(guān)考慮到網(wǎng)關(guān)負(fù)載均衡，能夠?qū)?shù)據(jù)分?jǐn)偟狡渌W(wǎng)關(guān)，避免了單一網(wǎng)關(guān)能力有限的問題，提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

圖3 不同權(quán)重值下的吞吐量

圖4 單網(wǎng)關(guān)模式和多網(wǎng)關(guān)模式吞吐量對比

4.3 兩種網(wǎng)關(guān)模式數(shù)據(jù)時(shí)延對比

圖5對比了網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量增大情況下兩種模式的時(shí)延，從中可以看出節(jié)點(diǎn)數(shù)目少，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量少，單網(wǎng)關(guān)能夠快速轉(zhuǎn)換，滿足了要求。一旦業(yè)務(wù)量伴隨網(wǎng)絡(luò)規(guī)模增加，單網(wǎng)關(guān)的負(fù)載就會(huì)增加，等待轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)不能及時(shí)處理，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性降低。在多網(wǎng)關(guān)模式下，網(wǎng)關(guān)感知業(yè)務(wù)量增加這一變化，將自己的狀態(tài)告知全網(wǎng)，使得網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)有機(jī)會(huì)重新選擇那些負(fù)載小的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，從而減少了數(shù)據(jù)時(shí)延。

圖5 單網(wǎng)關(guān)模式與多網(wǎng)關(guān)模式數(shù)據(jù)時(shí)延對比

5 結(jié)束語

分析了單ZigBee網(wǎng)關(guān)模式在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲袔淼膯栴}，提出一種多網(wǎng)關(guān)協(xié)作方案，并完成了硬件和軟件的設(shè)計(jì)，完整搭建了基于ZigBee多網(wǎng)關(guān)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證平臺，能完成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)建、多網(wǎng)關(guān)選擇、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋υ摲桨高M(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，多網(wǎng)關(guān)協(xié)作方案提高了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，減少了數(shù)據(jù)時(shí)延。