摘 要: 基于IEEE 802.15.4标准的ZigBee网络是一种支持拓扑变化、节点移动的新型无线个域网,其强大的组网能力使得网络的测试比其他短距离无线协议复杂,路由算法的测试更是研发工作的难点。本文提出几种测试方案,如衰减器连接法、黑名单法、坐标变化法、RSSI 限制法,对测试ZigBee 网络路由算法有极大的意义,同时对其他短距离无线网络的测试有很高的参考价值。
关键词: ZigBee 网络; 路由协议; 无线测试; 测试方案
0 引 言
ZigBee联盟制定的ZigBee 协议是组建无线个域网的一种新技术。其优点之一,就是网络层采用Cluster-Tree+AODVjr路由算法,支持星形(Star) 、树状(Tree)和网格(Mesh)等拓扑,提供强大的组网能力,使得无线节点不仅能自由移动, 而且能实现路由查找、数据转发等功能。ZigBee网络最多可以有65535个节点,由ZigBee技术组建的无线传感器网络、无线监控系统等都有很大的覆盖区域,可以跨楼层甚至跨楼宇[1-4] 。
符合ZigBee规范的无线模块传输距离是10～75m,在相对低的发射功率下仍能穿墙通信。所以,在实验室环境内,ZigBee模块间通常都可以点对点互相直接通信。无线通信有其特殊性质,每个节点发送的数据包既是信号源,同时又可能是干扰源。ZigBee网络的路由算法比Wi-Fi、蓝牙等其他短距离无线网络复杂,其测试是一大难题,业内也没有成熟的测试方案。本文提出ZigBee网络路由算法的几种测试方案,可在实验室内测试复杂的ZigBee网络,解决了研发ZigBee网络的路由测试问题。
1 测试方案
对节点固定和移动的ZigBee网络,可以采用不同的测试方案。本章将详细介绍衰减器连接法、黑名单法、坐标变化法和接收信号强度指示(receive signal strength indicator,RSSI) 限制法。
1.1 衰减器连接法
衰减器连接法是将ZigBee无线模块天线直接与带屏蔽的射频电缆(RF cable)连接,通过衰减后再由耦合器阵列(coupler matrix) 控制节点间的通信。耦合器阵列由多个耦合器、功率分配器(power divider) 按测试需求组合而成。这样可使预定拓扑中不能互相通信的ZigBee无线模块彼此隔离;而允许互相通信的ZigBee无线模块保持良好的通信效果。调整耦合器阵列,即可改变网络拓扑。
如图1 所示, PC通过串口控制ZigBee模块A、B、C、......、X ,模块与耦合器阵列之间由射频电缆连接,中间通过衰减器阵列把信号进行衰减。
1.2 黑名单法
为了能在室内方便测试网络性能,引入黑名单法。此方案是从IEEE 802.15.4标准中的访问控制列表(access control list,ACL) 机制[5] 得来的,但比ACL简单、方便。ACL机制在IEEE 802.15.4标准中主要起安全作用,在MAC层限制节点间的通信。黑名单法的核心思想也是在MAC层限制节点间的通信,强制一些节点对黑名单节点发送的数据包“视而不见”,以测试十几点甚至几十点的特殊网络。在实际应用中,去掉黑名单并不影响网络的工作性能。
每个ZigBee模块,它们各自唯一的标识就是64 bit的MAC层扩展地址,其中高24 bit是厂家标识,低40 bit 是厂家内部的序列号。将模块的MAC层扩展地址设置成高56 bit相同,低8 bit连续变化,变化的低8 bit地址即可作为黑名单列表里的地址标识s。
表1是模块的黑名单列表,该模块接收到的数据包发送方地址标识s如果符合式(1)中的一个不等式,则该节点认为没有接收到数据包,对该数据包不作任何处理。
图2所示网络,M表示MAC层扩展地址低8 bit值;N表示网络层地址,RN+是有路由能力(routing capacity)的路由节点(router) ; RN2是没有路由能力的路由节点;RFD是简化功能节点(reduced function device)。从表2所示黑名单可以看出,只有树状连接和邻居连接的节点间才能互相通信。表2中0 xmn表示16进制数mn。
1.3 坐标变化法
ZigBee协议支持节点移动,要模拟多个节点的移动效果,坐标变化法是一个非常好的测试手段。此方案的理论基础是,假设所有节点都在一个三维空间内,每个节点在每一时刻都有唯一的空间坐标(x,y,z),且其坐标根据系统时钟按预定的轨迹变化。通信时,把自身当前所在的坐标附加到数据包的网络层帧格式中。其他节点接收到数据包时,即可根据当前自身的坐标计算发送节点与自身的距离。
图3是ZigBee协议网络层帧格式[1],图4是扩展后的网络层帧格式。从图中可以看出,后者只比前者多3个字节。这冗余的3个字节对网络通信而言,影响极小。测试完毕,去掉网络层帧格式的坐标域,实际应用中网络层的路由算法不受任何限制。
如图5所示,节点A和节点B在同一个平面,它们的Z轴坐标相同,两点之间的距离可通过式(2)计算(设坐标单位为米):
测试时,自定义每个节点的坐标变化函数。如式(3)表示A、B、C3个节点都在同一平面上,节点A和节点B固定,节点C移动。其中节点C从坐标(0,2,0)开始,逐渐接近节点A,然后远离节点A,接近节点B,最后远离节点B。
设定一个通信距离门限值,当2个节点之间的距离超过门限值时,强制对另一个节点直接发送的数据包不作任何处理,限制它们直接通信,即可产生预期的移动效果。对于多个节点的网络,按时间改变各自的三维坐标(x,y,z),即可测试移动网络。
1.4 RSSI 限制法
符合IEEE 802.15.4标准的模块,都可以从接收信号中判断该信号的强度,该值称为RSSI,能够直接从IEEE 802.15.4 模块中读取[5] 。如果各个无线模块的电气特性差异较小,在空旷、少反射的场合,瑞利衰减和多径干扰都比较小,RSSI值基本能反映两个节点间的距离。表3是作者使用的ZigBee无线模块在空旷的室外测试的结果,从中可以看出,RSSI的值跟距离的变化还是比较明显的。
RSSI限制法适合于在空旷的地方测试节点移动的网络。测试时,设置一个RSSI门限值,即可强制相互之间通信时RSSI值小于门限值的节点不能直接通信。如图6所示,测试RSSI值时,两个模块的天线要相对平行。设定RSSI门限值为-54dBm。当两个节点之间的距离小于200cm时,它们可以互相直接通信;当两个节点之间的距离大于200cm时,它们不能直接通信。
ZigBee的应用之一,就是进行定位。RSSI限制法测试所得的数据,可为ZigBee模块进行设备定位提供有用的经验值。
2 研发调试
上述4种测试方案各有特点,它们不是相互独立的。在研发过程中,不同阶段使用不同的测试方案,可以达到优势互补。
在代码调试的初始阶段,主要目的是发现代码错误,使用衰减器连接法既能保证预定拓扑中不能相互通信的节点间不会互相干扰,又可以使连接的两个节点间通信效果良好。通过衰减器连接法测试的网络,可以使用黑名单法测试,此法主要是验证无线收发器的带碰撞回避的载波监听多重访问(carrier sense multiple access with collision avoidance ,CSMA-CA)功能是否起到作用,同时测试静态拓扑。对支持移动功能的网络,则可以使用坐标变化法,使得各个节点的坐标按预期目的变化,产生移动效果。进入验收阶段,可以使用RSSI 限制法,或者由多个操作者手持模块,在结构复杂的楼宇间穿插移动,模拟使用环境进行现场测试。
测试中,可以使用Chipcon AS公司提供的IEEE 802.15.4包监听器(packet sniffer)侦听空气中传送的数据包,对数据包进行分析即可知道通信时数据是如何在节点间流动的。模块还可以通过I/O口向计算机输出自身的收发状态等信息,由计算机进行统计分析。对定时等精密测试,可使用逻辑分析仪等高端设备。
3 综合测试
衰减器连接法、黑名单法、坐标变化法和RSSI限制法是研发过程中路由算法的调测方案。建立ZigBee个域网后,对规模大的网络,路由协议实现的处理能力和稳定性越来越重要。因此,要对网络的吞吐量、传输延迟、抖动、洪泛(Flooding)下的系统稳定性等进行综合测试,可采用一致性测试、互操作性测试、性能测试、鲁棒性测试、强度测试等方法[6]。
ZigBee无线模块通常由射频芯片(如Chipcon AS公司的CC2420)与单片机(MCU)组成,单片机的数据处理能力较低,存储器容量有限,单独由模块测试模块的方案不能完成综合测试。本文开发出如图7虚线框图所示的网络路由综合测试系统,它由衰减器、CC2420、ARM 嵌入式处理器和PC组成。PC主要是发送指令及处理数据;高性能的ARM处理器模拟复杂的网络环境,直接控制CC2420的数据收发;ARM处理器通过射频电缆、衰减器与待测试ZigBee模块连接。这样可对模块网络层的路由算法进行综合测试。
4 总 结
本文主要给出了ZigBee网络路由的调试与测试方案。这几种方案已被美国Helicomm(赫立讯)公司用于测试其产品IP-Link系列网络模块、ZigBee开发套件以及家庭无线网络,取得良好的应用效果。其中ZigBee开发套件还通过了ZigBee联盟指定的德国莱茵TUV ZigBee实验室一致性测试。本文提出的测试方案,对其他短距离无线网络的测试也有很好的参考意义。
参考文献
[1] Zigbee Alliance. ZigBee Specification (Version 1.0) [S].2005.
[2] 顾瑞红,张宏科.基于ZigBee的无线网络技术及其应用[J].电子技术应用,2005,31(6):123.
[3] 周怡頒,凌志浩,吴勤勤.ZigBee无线通信技术及其应用探讨[J].自动化仪表,2005,26(6):529.
[4] 王锐华,于全.浅析ZigBee技术[J].电视技术,2004(6):33235.
[5] IEEE Standards 802.15.4 TM-2003 , Wireless medium access control(MAC) and physical layer(PHY)specifications for low-rate wireless personal area networks (LR-WPANs)[S].
[6] 崔勇,徐明伟,徐恪,等.基于大规模路由模拟的强度测试及结果分析[J].电子学报,2004,30(8):1238-1241.
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