大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第四章 Zigbee网络组网方案 图16 节点组网流程
4.4 Zigbee树路由算法
Zigbee网络中，不同的网络拓扑结构所采用的数据路由算法[14]也不同。路由算法涉及到的就是数据的传递方式，在Zigbee网络中有三种数据路由方式：单播路由、组播路由、广播路由。星型网络中，其数据包传递过程相对来说比较简单，因星型网络只有两种类型的逻辑节点。即协调器节点和终端设备子节点。终端节点之间进行的数据传递采取轮询的方式[15]进行。如图17所示。
图17 星型网络数据路由
若节点A需向节点B传递数据包，则节点A首先将数据包发送给其父节点(且唯一的父节点即协调器节点)，然后节点B通过轮询的方式查找协调器节点的缓存中是否有给自己的数据，若有则向协调器节点发出数据请求，然后协调器节点则向节点B转发节点A传递来的数据。
在IEEE802.15.4标准中，经过初始节点关联，LR-WPAN网络的建立，形成一种被称作簇树的逻辑树拓扑结构。网络中的第一个节点也即被设计作为协调器的节点开始接受其它节点的关联请求。网络中任何其它节点依据其所拥有的存储空间和能量等可利用资源的大小，决定自己是否作为路由器节点，从而允许其它节点加入它。
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大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第四章 Zigbee网络组网方案 FFD节点接收到数据帧 是 目的地为本身 处理接收数据帧 否 目的地为子节点 是 转发到其子节点 否 否 为路由子节点 转发到其父节点 是
图18 簇树路由算法基本流程
在Zigbee规范中，其采用的簇树路由算法与原始的簇树路由算法相比有一点不同，那就是对两种设备即路由器设备与终端设备分配网络地址的方式不同。Zigbee规范中仍给路由器设备分配一定的地址空间以便进一步为它的子设备分配地址，终端设备仅被分配一个单一的地址，因而不允许有其它任何子设备。基于以上的地址分配逻辑，一个节点只要通过查询数据包中的目的地址，就能够很容易地将数据包向前传输到它的目的地。也即通过这种查询办法，节点即可决定将它的数据包传递给它的终端设备子节点还是它的路由器子节点或它的父节点。这种数据路由方法就是所谓的簇树路由算法[4][16]，算法基本流程如图18所示，假如数据转发从FFD节点(路由子节点)开始，该节点首先判断数据是否传递给本身，如果是接收并交由上层处理，如果不是再行判断是否传递给其子节点也即判断数据包目的地址是否在其地址空间范围内，如果是则将数据包转发到其相应子节点，如果不在其地址空间范围内，则将数据包转发到其父节点。当数据包转发到其子节点后，再判断该子节点是否为路由子节点，如果不是路由子节点说明是RFD节点，数据包直接交由该节点上层处理，如果为路由子节点则按照上述数据处理过程再次进行判断处理。
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大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第四章 Zigbee网络组网方案
图19 树路由中网络地址的分配
在树路由中，任意两节点间的路径是固定不变的并且数据的路由必需贯穿整个树结构。节点网络地址（短地址）分配采用分布式地址分配算法[17]，该算法主要基于最大路径深度(D)，每节点最大节子点数(C)，每节点允许的最大路由器节点数(R)。公式3中Cskip(Dn)指定了每路由节点所具有的网络地址范围。另外，处于最大路径深度的节点即叶子节点只能是非路由器节点。一旦协调器节点建立了网络，协调器节点将给其本身分配网络地址0，同时将其路径深度D0设置为0，若节点i想要加入网络并与节点k关联，那么节点k根据其网络地址Ak及其路径深度Dk，给节点i分配网络地址Ai及其路径深度为Di=Dk+1。
如果新入网节点为叶子节点即RFD节点，也即该节点没有路由能力，假设该节点为其父节点下的第n个叶子节点，其父节点为第k个路由子节点[18]，则有：
An?Ak?Cskip(Dn)?R?n （公式1） 如果新入网节点为路由子节点，也即该节点具有路由能力，假设该节点为其父节点下的第n个路由子节点，其父节点为第k个路由子节点，则有：
An?Ak?1?Cskip(Dn)?(n?1) （公式2） 其中
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大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第四章 Zigbee网络组网方案 ?1?C?(D?Dn?1),R?1?(D?Dn?1)?Cskip(Dn)??1?C?R?C?R,其它 （ 公式3）
1?R???图19为该算法所形成的树结构。其中MaxDepth=3，MaxChildren=6， MaxRoutersPerParent=2，因而根据该算法其网络容量即允许入网的最大子节点数为42。
假如某路由器子节点(其地址为A，所在网络的路径深度为d)需将数据包转发到某目的节点(其地址为D)，根据图18所述路由算法，首先根据表达式A
?D,终端设备??N??A?1??D-(A?1)??Cskip(d),其它 ?Cskip(d)??????否则下一跳地址为该路由器子节点的父节点地址。
（公式4）
树路由的优点就是从任意节点到目的节点的路径均可以由已知的MaxRouterPerParent，MaxDepth，MaxChildren，Cskip这4个参数以及当前节点地址和目的节点地址来确定，因此该路由实现起来比较容易。缺点就是即使两节点均处于各自的POS范围内，其在网络中的路由路径也是唯一的。数据包的传输必须采用多跳的方式通过固定的路径来进行传输而不是采用两节点之间的最短路径进行直接传输。
基于簇树路由算法的过程，设备能够立即将数据包传递给刚入网的其它设备而不需执行路由发现过程。然而从跳数成本来看，大多数簇树路由并非最佳路由，并且簇树路由还可能导致非均匀流量分配。因此在Zigbee网络中可采取簇树路由与基于需求的表驱动路由也即AODVjr(ad hoc on-demand distance vector junior)路由算法相结合的办法来克服上述现象的发生。AODVjr路由算法是AODV路由协议的一个简化版本，是一种最佳或者说次最佳的路由协议。并且该算法能够有助于减小消息的传输延迟。不过该算法与簇树路由算法相比需要更大的内存空间用来存储路由表表项，同时还会导致更高的控制成本花费。像大多数基于需求其它路由算法一样，由于存在路由发现过程的执行，因而将会引起较高的路由初始化延迟。总的来说，AODVjr算法适合应用于具有足够内存空间的设备以及需长时间通信的场合。因而在Zigbee网络中，不同的设备采用这两种不同的路由算法将使网络性能能够得到很大提高。
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大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第五章 Zigbee传感器自组织网络在机电监测系统中的应用 第五章 ZigBee传感器自组织网络在机电监测系统中的应用
机电设备的可靠性是确保生产建设正常运行的重要前提，一旦发生故障，将会影响整个生产过程，造成经济损失甚至严重的灾难。机电监控技术作为当前制造企业竞争力的核心技术之一，已成为企业减少设备故障率、节能降耗、提高产品质量的有力保障。对机电设备关键部件的状态参数进行实时监测，及时取得各种信息进行分析和处理，可以对设备可靠性随时做出判断，及早发现潜伏故障，实现预知性维修[19]。
机电设备的监测维护通常是通过人工或有线监测实现的。人工操作可能出现失误，同时由于机电设备复杂程度越来越高，人工监测判断故障的方法也远不能适应当今的技术进步。有线监测系统常在监测的设备上布置监测点和传感器，通过现场总线（CAN）传输采集的数据构成低层网络。这种系统需要大量在监测设备上布置大量电缆以及各种导线。在设备的小修、大修期间安装拆卸十分繁杂，且许多设备上无法布线（如大型直流电机内部和水力发电机涡轮等）。在高温，强腐蚀等工作环境下各种电缆、导线的可靠性严重受到影响，使得各种数据的误差增大。更重要的是它对生产线上的可移动设备缺乏有效的连接和管控手段，同时对无线传感设备和执行设备的无线接入缺乏足够的支持力度。
Zigbee传感器自组织网络能够实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，从而获取详尽而准确的信息。与传统的设备监控手段相比，Zigbee传感器自组织网络由大量传感器节点密集部署在监控区域而构成的自治网络系统。Zigbee传感器节点尺寸小，可布置在被测对象内，也可接近对象测量，可在短距离内进行通信，具有传感、数据处理和通信功能。如果考虑设备购置安装等全部费用，Zigbee传感网络技术成本要低于有线监测系统，并且Zigbee传感器网络具有数据采集范围广、采集点多、布线容易、监测精度高、便于维护等优点。因此利用Zigbee传感器自组织网络技术实现设备监测有着广阔的前景。
5.1 基于Zigbee传感器网络的机电监测系统的构建
5.1.1 大型机电系统的特点及对Zigbee传感网络监测系统的要求
Zigbee传感器自组织网络设备监控系统开发主要应用于机电设备监控与故障诊断，以机床、电站等大型复杂机械为研究对象，采用温度、压力、流量、振动等传感器，在实验室构建一个Zigbee传感器网络监控系统。因此，在系统设计中需要充分考虑大型机电系统的特点[20]。
（1）复杂性
组成方面，大型机电系统由多个互联的机械、液压、电力、电子以及机电结合的子系统构成，其组成极其复杂；结构方面，大型机电系统通常体现为递阶分布式结构，其硬件由若干子系统组成，各子系统有其各异的结构和功能；此外大型机电系统状态通常是时变的，具有不确定性，整个系统通常是非线性的，系统的定量模型很难建立。
（2）实时性
大型机电系统通常要求具有信息快速处理、命令执行准确以及对外界的变化实时快速反应的
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