一种基于信号强度的Zigbee节点网络地址分配方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，涉及一种基于信号强度的Zigbee节点网络地址分配方法。

背景技术

随着我国高端草药、优质烟叶、漂浮水稻、优质牧草的需求量的不断增加以及国家支持政策的不断出台，智能植物工厂在国内将迎来大规模应用，应用于植物工厂的智能管控系统也将给传统农业生产带来巨大改进和提升。随着人类对太空的探索日趋深入，在农作物智能培育、航天器材料、器件及其功能系统的空间环境效应等方面亟待深入研究。智能收割机器人及转运系统作为植物工厂的关键设备，可以实现农产品规模化、标准化、工业化的流水线生产。

在智能收割机器人及转运系统中，需要对植物工厂内的大量的收割机器人、堆垛机、种植架设备进行监测、控制，基于Zigbee通信技术的无线传感器网络具有网络节点数量多、节点使用寿命长等优点，广泛布置在植物工厂种植区域内。由于植物工厂种植区域极为广阔，Zigbee节点的路由策略与网络地址分配会影响Zigbee网络传输效率，为了快速、高效配置植物工厂Zigbee网络建立与节点通信所需参数，需要提供一种有效的Zigbee节点网络地址分配方法。

区域内存在大量Zigbee节点数量，Zigbee网络通信信道选择、Zigbee终端节点路由策略选取会影响Zigbee网络传输质量，Zigbee网络建立过程中，存在Zigbee节点网络地址生成缺少规律性、难以有效分配并利用网络地址字段等问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于信号强度的Zigbee节点网络地址分配方法。该方法适用于Zigbee网络最大深度为2的树状拓扑网络，可以较大程度上避免不同Zigbee子网的信道互扰情况，可以根据通信网络连接质量为不同Zigbee节点分配网络地址，可以实现对Zigbee网络内路由器节点与协调器节点的网络地址进行动态分配。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于信号强度的Zigbee节点网络地址分配方法，包括如下步骤：

步骤1：Zigbee协调器节点向主站节点请求网络配置参数，Zigbee协调器组建Zigbee子网并在区域内广播宣告；

步骤2：Zigbee非协调器节点返回链路质量指示信息，供Zigbee协调器节点确定Zigbee节点距离；

步骤3：Zigbee非协调器节点选举预选路由节点，获取潜在子节点列表；

步骤4：Zigbee协调器节点根据预选路由节点数和潜在子节点数分配网络地址段为Zigbee非协调器节点分配地址。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

本发明可以实现对同一区域下不同Zigbee子网的Zigbee协调器节点设置局域网编号和通信信道以减缓通信干扰；通过基于链路质量指示的路由选取策略，可以提高Zigbee终端节点向Zigbee路由节点传输数据的稳定性，降低传输丢包率；利用Zigbee网络内Zigbee路由节点的子节点数量分配网络地址，可以实现Zigbee网络地址的有效利用。

附图说明

图1是Zigbee节点网络框图。

图2是Zigbee节点网络地址分配方法的流程图。

图3是Zigbee节点网络地址分配方法的具体流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

本发明提供了一种基于信号强度的Zigbee节点网络地址分配方法，如图1所示，所述Zigbee节点包括Zigbee协调器节点、Zigbee路由器节点和Zigbee终端节点。如图2所示，所述网络地址分配方法包括如下步骤：

S1：Zigbee协调器节点向主站节点请求网络配置参数，Zigbee协调器组建Zigbee子网并在区域内广播宣告；

S2：Zigbee非协调器节点返回链路质量指示信息，供Zigbee协调器节点确定Zigbee节点距离；

S3：Zigbee非协调器节点选举预选路由节点，获取潜在子节点列表；

S4：Zigbee协调器节点根据预选路由节点数和潜在子节点数分配网络地址段为Zigbee非协调器节点分配地址。

如图3所示，具体包括以下步骤：

S1、Zigbee协调器节点通过以太网向主站节点请求局域网编号和无线通信信道。

本步骤中，定义所有Zigbee节点分布在区域A中，Zigbee节点总数量为a。Zigbee节点按照功能分为Zigbee协调器节点、Zigbee路由器节点和Zigbee终端节点。由于本步骤中无法确定最优Zigbee路由节点，因此在本步骤中，将Zigbee节点分为Zigbee协调器节点和非Zigbee协调器节点，Zigbee协调器节点数量为p。

本步骤中，所有Zigbee协调器节点通过以太网向主站节点M发送携带良好信道编号和物理地址的以太网数据包，宣告协调器节点存活。其中，协调器节点记作c；良好信道编号记作ch；Zigbee节点物理地址记作mac；；以太网数据包记作epk，以太网数据包中包含良好信道编号信息和物理地址信息。

本步骤中，Zigbee通信信道编号为1-27，其中信道编号1为868MHz频段，信道编号2-11为916MHz频段，信道编号12-27为2.5GHz频段。Zigbee的物理地址为64位地址，由Zigbee芯片生产厂商给出，该地址具有全球唯一性。

S2、主站节点为Zigbee协调器节点分配局域网编号和无线通信信道。

本步骤中，主站节点M根据以太网数据包EPK为Zigbee协调器节点分配局域网编号和Zigbee通信信道。其中，局域网编号用于区分标识不同的Zigbee子网，每一个Zigbee子网只存在一个Zigbee协调器节点，具有相同局域网编号的Zigbee节点可以相互通信，局域网编号不同的Zigbee节点无法建立通信。

本步骤中，局域网编号记作pi，长度为16位，分配方式采用随机数分配，在分配时避免随机数重复出现。

本步骤中，通信信道分配方式采用如下方法：对于p个Zigbee协调器节点，每个节点提供的优质信道数量有限且可能存在差异。将Zigbee协调器节点按照可提供优质信道数量由低到高进行排序，优先为较少优质信道的Zigbee协调器节点设置信道，并在后续Zigbee协调器节点信道设置中跳过该信道编号。若后续Zigbee协调器节点在跳过前置Zigbee协调器节点所设置优质信道的条件下无可选信道，则选择该Zigbee协调器节点可选优质信道中选择前置Zigbee节点选择最少优质信道编号。

S3、Zigbee协调器节点建立Zigbee子网，发送子网网络建立消息。

本步骤中，Zigbee协调器节点广播Zigbee子网网络建立消息，建立Zigbee子网。

本步骤中，Zigbee子网网络建立消息定义为

S4、Zigbee网络非协调器节点根据Zigbee数据包的链路质量指示发送入网请求信息加入合适网络。

本步骤中，区域内非Zigbee协调器节点接收所有Zigbee协调器节点发送的Zigbee子网网络建立消息，根据该消息的链路质量指示选择合适的Zigbee协调器节点，请求加入Zigbee子网并发送节点入网请求。

本步骤中，非Zigbee协调器节点记作z；链路质量指示记作lqi；节点入网请求定义记作

本步骤中，链路质量指示可以反映Zigbee节点传输信号的连接质量，链路质量指示LQI在Zigbee协议栈中表现为pkt->LinkQuality，在部分Zigbee协议中可以由信号强度指示RSSI进行替代。信号强度指示与链路质量指示的转换关系如式(1)所示：

链路质量指示LQI可以在一定程度上表现Zigbee节点之间的实际物理距离。

S5、Zigbee非协调器节点记录其他非协调器节点发送数据包的链路质量指示数值。

本步骤中，区域内节点发现节点入网请求信息时记录链路质量指示值。虽然在步骤S4中节点入网请求信息为非Zigbee终端节点向Zigbee协调器节点发送的单播数据包，但对于其他Zigbee非协调器节点，仍可以获取该数据包的链路质量指示具体数值。

S6、Zigbee协调器节点确定Zigbee子网内节点数量及路由节点比例。

本步骤中，Zigbee协调器节点收到节点入网请求信息，计算Zigbee子网内节点数量，向n

S7、Zigbee非协调器节点将链路质量指示由小到大进行排序概率当选预选路由节点。

本步骤中，区域内非Zigbee协调器节点收到路由预选信息后，将路由预选信息链路质量指示归一化处理，按照由小到大顺序排列，通过路由选举函数f(x,P,μ)判定是否成为预选路由节点，若是则非Zigbee协调器节点为预选路由节点，若不是则为预选终端节点，其中μ为路由预选信息链路质量指示平均值，x为非Zigbee协调器节点选举成为预选路由节点的概率，P为Zigbee路由节点在子网总节点数量的所占比例。

本步骤中，对链路质量指示的归一化处理具体方法为，选择集合

本步骤中，若已知各节点的路由预选信息链路质量指示

本步骤中，选举函数

在Zigbee节点执行选举函数后，通过随机数生成函数生成范围为(0,1)的随机数，若该随机数小于x，则成为预选路由节点，否则为预选终端节点。

S8、预选路由节点搜索潜在子节点列表，发送潜在父节点宣告信息。

本步骤中，对于预选路由节点，寻找符合路由预选信息链路质量大于路由预选信息链路质量设定阈值的预选终端节点，发送潜在父节点宣告信息，该信息包含非Zigbee协调器节点的物理地址，该信息表示预选路由节点向预选终端节点单播数据包，在数据包中应携带预选路由节点的物理地址，数据包格式应满足Zigbee协议规范。

S9、Zigbee非预选路由节点根据是否收到潜在父节点宣告信息判断是否发送终端孤立信息。

本步骤中，对于预选终端节点，判断是否收到潜在父节点宣告信息，若是，则进一步判断收到潜在父节点宣告信息的数量，若不是，则发送终端孤立信息，该信息包含非Zigbee协调器节点的物理地址，该信息表示预选终端节点向Zigbee协调器节点单播数据包，数据包格式应满足Zigbee协议规范。

S10、Zigbee非预选路由节点根据链路质量指示选择合适的预选路由节点作为潜在父节点。

本步骤中，对于预选终端节点，若收到一个潜在父节点宣告信息，则选择对应发送节点作为潜在父节点，若收到多个潜在父节点宣告信息，则选择链路质量指示最大值所对应预选路由节点作为潜在父节点发送终端所属信息，该信息预选终端节点表示预选终端节点向预选路由节点单播数据包，在数据包中应携带预选终端节点的物理地址，数据包格式应满足Zigbee协议规范。

S11、Zigbee预选路由节点计算潜在子节点数。

本步骤中，对于预选路由节点，计算潜在子节点数量是否为0，若是，则该节点成为预选终端节点，发送终端孤立信息，若不是，向Zigbee协调器节点c

S12、Zigbee协调器节点判断是否收到终端孤立信息。

本步骤中，对于Zigbee协调器节点，若收到终端孤立信息，则返回步骤S7，否则发送网络拓扑确定信息，预选路由节点成为路由节点，预选终端节点成为终端节点。网络拓扑确定信息表示Zigbee协调器节点向同一Zigbee子网内的所有节点广播数据包，应满足Zigbee协议规范。

S13、Zigbee协调器节点分配网络地址段。

本步骤中，对于Zigbee协调器节点c

S14、Zigbee路由节点为子节点分配网络地址。

本步骤中，对于路由节点，对潜在子节点按照链路质量指示大小依次分配网络地址并发送分配网络地址信息，该信息。表示Zigbee路由节点向Zigbee终端节点单播数据包，在数据包中应携带路由节点地址，数据包格式应满足Zigbee协议规范。