An Improved Routing Algorithm of Zigbee

Wireless Sensor Network for Smart Home System

Abstract—Smart home is a networked intelligent living en-

vironment which employs a house as the platform to inte-

grate automatic control system, computer network system and

communication technology all-in-one. In order to avoid the

constraints of cabling, moving and aesthetics in the traditional

smart home system using wired network, a design of smart home

network based on Zigbee wireless sensor network technology

is demonstrated in this paper. An improved routing algorithm

combining Cluster-Tree and AODVjr is proposed for Zigbee

wireless network. Therefore a more convenient and reliable

wireless communication environment is achieved in the smart

home system.

I. INTRODUCTION

Smart home is an intelligent living system which employs

a family home as the platform to integrate cabling, network

communications, automatic control, audio and video, security

and defense technology [1]. Usually the smart home has many

useful functions for a better life experience, e.g. appliances

control, residential video intercom, home information integra-

tion, automatic security precautions and so on. Smart home

integrates the distributed devices into network to implement

convenient, efficient and safe control. Therefore it can greatly

enhance the convenience, safety and artistic of daily life.

The concept of smart home can be considered as deriving

from the 1980s. With the rapid development of electronic

technology, such as television, telephone, air conditioning,

refrigerators and other large electrical devices into the home

environments, it greatly enhanced the efficiency and interesting

of family life. At that time, people felt the power of technology

and expected more electronic devices into the family life to

replace the traditional equipment, resulting in the concept

of Home Electronics (HE). However with the number and

category of appliances increasing, it brings troubles for home

applications. On the one hand it causes inconvenient to use

the appliances since they are scattered in every corner of the

rooms, on the other hand it causes confusion when control

similar appliances. As a result, there are urgent needs to

integrate the appliances together in certain way. Through a

unified terminal for implementation of distributed control, thus

one can get rid of the space constraint and remotely control

the different equipments. So the concept of Home Automation

(HA) is gradually proposed. During the late 1980s, with the de-

velopment of control and communication technologies, home

appliances, communication equipment and security equipment

can be integrated for remote monitor, control and management

online. This is the prototype of Smart Home [2].

As technology advances, nowadays the smart home system

has become increasingly comprehensive and complex. How-

ever no matter what the smart home system is, all forms

need the network to connect the distributed devices for the

implementation of centralized control. Therefore the network

structure is the core component of the smart home. According

to the different manners of network, it can be divided into

wired network, wireless network and hybrid network [3].

(1) Wired Network

The traditional and widely used smart home network is the

wired network which uses telephone lines, cable or Ethernet

cable to set up the communication network. And it is able

to ensure the signal transmission and control effects via a

wired connection agreements. Currently the common wired

connection protocols are the data communication protocol

for Building Automation Control network (BACnet), Digital

Home Working Group (DHWG), European Installation Bus

(EIB), Home Bus System (HBS) and Power Line Carrier

(X10) [4]. Wired network is easy to implement, but it requires

cumbersome wiring, so that the cost is higher and it is not

conducive to the aesthetics of the family and the flexibility

of the equipments. Fig. 1 shows a typical smart home system

based on the TCP/IP wired network.

(2) Wireless Network

The commonly used wireless protocols are the infrared

connection, Bluetooth, Wi-Fi, and the wireless sensor network

represented as Zigbee. Wireless networking can overcome the

space constraints of traditional wired networking problems,

the device can be arranged freely in every place of the home

for flexible control without compromising aesthetics.

(3) Hybrid Network

Applying wired network and wireless network in the same

system, it makes the system more practical value by taking

benefits of the flexible control of wireless network as well as

the convenience and reliability of wired network for lighting,

curtain, door locker and other stationary applications.

Fig. 1. A smart home system based on TCP/IP wired network

Wireless sensor network (WSN) derives from ”low-power

wireless integrated micro-sensors” proposed by Prof. William

J Kaiser of UCLA in 1996 [5]. Subsequently, Prof. Gregory

J Pottie of UCLA re-interpreted the meaning of wireless

sensor network from the perspective of network research.

The next decades, wireless sensor network technology has

attracted wide attention from academia, industry and even

governments, and it quickly became one of the most promising

core technologies in military, smart home, health care, envi-

ronmental monitoring and forecasting, structural monitoring,

urban transport, space exploration and other areas [6].lt;

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智能家居系统Zigbee无线传感器网络的改进路由算法

摘要

智能家居是一种联网智能生活环境，采用房屋作为平台，整合自动控制系统，计算机网络系统和通讯技术一体化。 为了避免使用有线网络的传统智能家居系统的布线，移动和美观的限制，本文展示了基于Zigbee无线传感器网络技术的智能家庭网络设计。 针对Zigbee无线网络提出了一种改进的组合树和AODVjr路由算法。 因此，在智能家居系统中实现更方便可靠的无线通信环境。

1. 介绍：

智能家居是一个智能生活系统，采用家庭作为整合布线，网络通信，自动控制，音视频，安全防御技术的平台[1]。 通常，智能家居具有许多有用的功能，以获得更好的生活体验，例如 家电控制，住宅视频对讲，家庭信息整合，自动安全防范等。 智能家居将分布式设备集成到网络中，实现方便，有效和安全的控制。 因此可以大大增强日常生活的便利性，安全性和艺术性。

智能家居的概念可以被认为是从20世纪80年代开始的。随着电视，电话，空调，冰箱等大型电子设备进入家庭环境的迅速发展，大大提高了家庭生活的效率和趣味性。当时，人们感受到技术的力量，并期望更多的电子设备进入家庭生活，以取代传统设备，从而形成了家用电器（HE）的概念。然而，随着家电数量和类别的增加，它给家庭应用带来麻烦。一方面，由于它们分散在房间的每个角落，因此使用电器不方便，另一方面在控制类似家电时会引起混乱。因此，迫切需要以某种方式将电器整合在一起。通过实现分布式控制的统一终端，可以摆脱空间限制，远程控制不同的设备。所以家庭自动化的概念（“房委会”）逐步提出。 20世纪80年代后期，随着控制和通信技术的发展，家用电器，通信设备和安全设备可以集成在一起，用于远程监控，在线管理和管理。这是Smart Home的原型

随着技术的进步，当今智能家居系统日益全面，复杂。 然而，无论智能家居系统是什么，所有形式都需要网络连接分布式设备，实现集中控制。 因此，网络结构是智能家居的核心组成部分。 根据网络的不同方式，可以分为有线网络，无线网络和混合网络[3]。

（1）有线网络：

传统和广泛使用的智能家庭网络是使用电话线，有线或以太网电缆建立通信网络的有线网络。 并且能够通过有线连接协议确保信号传输和控制效果。 目前普通有线连接协议是楼宇自动化控制网络（BACnet），数字家庭工作组（DHWG），欧洲安装总线（EIB），家庭总线系统（HBS）和电力线载波（X10）[4]的数据通信协议]。 有线网络易于实现，但需要繁琐的布线，成本更高，不利于家庭的美观和设备的灵活性。 图1显示了基于TCP / IP有线网络的典型智能家居系统。

（2）无线网络

常用的无线协议是红帽连接，蓝牙，Wi-Fi以及以Zigbee为代表的无线传感器网络。 无线网络可以克服传统有线网络问题的空间限制，该设备可以在家庭的每个地方自由安排，实现灵活的控制，而不会影响美观

（3）混合网络

在同一系统中应用有线网络和无线网络，通过利用无线网络的灵活控制以及照明，窗帘，门锁等固定应用的有线网络的便利性和可靠性，使系统更具实用价值。

无线传感器网络（WSN）来自于加州大学洛杉矶分校的William J Kaiser教授1996年提出的“低功耗无线集成微传感器”[5]。 随后，加州大学洛杉矶分校的Gregory J Pottie教授从网络研究的角度重新解释了无线传感器网络的意义。 未来几十年，无线传感器网络技术受到学术界，行业甚至政府的广泛关注，迅速成为军事，智能家居，医疗保健，环境监测与预测，结构监测，城市交通最有前途的核心技术之一 ，空间探索等领域[6]。

2002年，“Zigbee联盟”成立由世界领先的半导体制造商，技术提供商，技术集成商和最终用户组成。 他们基于IEEE802.15.4协议开始设计具有高可靠性，成本效益，低功耗的网络应用规范。 2004年，第一台Zigbee V1.0出来，虽然在许多方面并不完美，但已成为Zigbee无线传感器网络诞生的标志。 2006年，提出了一种可以被认为是传感器控制技术领域无线传感器网络新发展的新协议[7]。

与其他无线智能家居网络相比，Zigbee更适用于智能家电控制领域，具有以下优点：（1）低功耗 （2）低成本（3）低传输速率（4）短距离（5）短暂延迟（6）高容量

（7）高安全性

本文的其余部分组织如下：第2节介绍了Zigbee无线网络的拓扑结构，第3节介绍了Zigbee无线网络的路由算法。最后，我们在第4节中总结了本研究。

二．ZigBee无线网络拓扑

Zigbee是智能家居系统的核心通信网络。 由于环境影响，通信的性能与网络结构密切相关。 因此，网络结构的设计是智能家居系统的首要任务

（一）.Zigbee网络的通用架构

Zigbee标准提供三种类型的网络拓扑，即星型，网格和群集树结构[8]。

1. 基于中心通信拓扑的星形网络如图2所示。

星网具有独特的网络协调器，传感器节点只与协调器通信，不能相互通信。 星网的特点是结构简单，设计方便，信息传输直接，延时小。

1. 基于对等通信拓扑的网状网络如图3所示。

网状网络是一种对等通信网络，节点可以互相互连，每个节点具有转发功能。 网状网络的特点是信息的多跳传输和通信的高可靠性。

（3）集群树综合网络

拓扑如图4所示。群集树网络是Star和Mesh网络的组合。 网络中有协调器，传感器和路由节点，协调器负责网络管理，通信只发生在节点和协调器之间。 与星形网络不同，信息可以由路由节点转发。

（二）.智能家居系统网络架构

分析家庭环境，可以获得以下特点：

（1）室内结构不同，通信范围不同;

（2）受控设备之间没有互通;

（3）网络可能受到墙壁和其他障碍物的干扰;

（4）受控设备处于分散位置，数量可达数十种。

根据上述特点，在ZigBee网络拓扑结构设计中，所选择的网络应具有可靠的通信，低延迟，高效率和容错架构。

首先，星网络通信延迟小，效率高，但ZigBee网络的信号通过墙壁差，中继传输不足，导致家庭环境中的信号衰减和丢失。

其次，Mesh网络可以通过多跳方式确保传输的可靠性，但结构复杂度高，网络维护费用高，传输延迟高，不适合智能家居应用。

第三，群集树网络具有明星和网状网络的优势，平衡了可靠性和实时性。 通过在智能家居环境中灵活设置多个冗余路由节点，系统可以保持星网的高效率和小延迟，也提高了抗干扰能力。 因此，ClusterTree Network最适合在智能家居系统中应用ZigBee。

三．ZIGBEE无线网络的路由算法

在智能家居环境中，存在更多的障碍和干扰，结合2.4GHz频段的短距离和低穿透性，因此，多跳传输需要群集树网络，但实时传输也可能受到影响。 设计路由算法的目的是找出消息端点之间的最佳路径，并确保消息快速，准确地到达。

ZigBee网络的通用路由算法根据ZigBee协议，它为通用应用提供了两种路由算法，即Cluster-Tree和AODV路由算法

1）簇树路由算法：根据Zigbee协议，每个节点有两个地址。一个是在节点芯片中固定的64位IEEE扩展地址;另一个是用于网络唯一标识符的短16位PAN ID。当将新节点添加到网络中时，协调器节点将为新节点分配新的PAN ID。在ZigBee网络中，当终端节点需要与其他节点建立通信时，首先将消息发送给具有路由功能的父节点，然后由父节点转发以执行路由功能。相应地，当其他节点需要与终端节点通信时，首先需要向父节点发送消息，然后消息可以由父节点转发。因此，识别节点之间的逻辑连接关系，可以控制信息传输路径。簇树算法是通过树地址分配策略来确定节点之间的逻辑连接关系，有利于找到下一跳信息传输的节点[8]。

根据Cluster-Tree算法，网络中每个节点的地址由父节点使用分布式地址分配方案分配。 首先，父节点根据公式计算节点地址参数。 1如下：

其中：Cskip（d） - 节点地址参数

Cm - 父节点的子节点的最大值

Rm - 父节点的路由节点的最大值

Lm - 网络的长度

d - 节点的当前长度

如果新节点i是终端节点，由于它没有路由功能，它将被分配为协调器的??ℎ子节点，其父节点j根据等式分配节点地址。

?? = ?? ?????(?)times;?? ?,1 le; ? le; (??minus;??) (2)

如果新节点i是路由节点，则其父节点j将根据等式分配节点地址

?? = ?? ?????(?)times;(?minus;1),1 le; ? le; ?? (3)

图5是通过Cluster-Tree算法分配IP地址的图。 通过地址分配，建立节点之间的逻辑连接，用于路由和寻址，无需复杂的计算。 由Cluster-Tree算法分配，每个节点的网络地址是唯一的，节点的地址与逻辑拓扑的位置相关，因此可以根据直接的地址来执行寻址，这有利于应用。

2）AODVjr路由算法：Ad hoc按需距离向量（AODV）路由协议由于其快速收敛，可扩展性和高兼容性，已成为移动自组织网络（MANET）中最常用的协议。 Zigbee网络应用的AODVjr算法是基于AODV的简化版本。

AODVjr算法的路径发现过程如下：当节点1需要与节点4通信时，由于路由表没有到达节点4的直接路径，因此节点1将向其邻居节点广播路由请求（RREQ） 以查询邻居节点路由表中节点4的路径。 邻居节点收到RREQ报文，更新路由表中节点1的路由信息，并将RREQ转发给其他节点。 通过这种流式查询方法，节点4最终将从多个节点接收RREQ数据包。 随后，节点4计算每个路由路径的成本，并选择最小成本路由存储在路由表中，然后通过单播方式沿着反向路径应答RREP分组。 当节点1收到RREP报文后，整个路径发现过程完成，节点1更新自己的路由表，然后可以与节点4通信。路由过程如图6所示。

AODVjr算法与AODV算法相比，消除了中间节点RREP响应，提高了路由发现效率。 通过定期删除Hello消息，可以避免广播风暴。 在路径维护中，单向通信节点需要定期发送数据，以检测路径的完整性双向通信节点可以在通信过程中维护路由信息，无需额外的周期性探测。 因此，AODVjr算法简单实用，能够在许多应用中适应频繁变化。

1. 智能家居系统的路由算法

虽然簇树算法和AODVjr算法都具有路由检测和路径优化功能，但在实际应用中仍然存在一些缺点，主要包括：（1）使用 Cluster-Tree算法，可以受到路由节点数量，分布节点数和网络最大深度的影响。 而在实际应用中，网络以Ad hoc的形式组织，即网络节点根据信号强度自动选择最佳节点作为其附近节点中的父节点。 因此，非自适应路由算法的选择不会是最优路由。（2）根据Cluster-Tree算法，树级路由方式将使簇头节点在更大的通信负载下关闭根，这导致快速能量衰减。 当簇头节点的能量耗尽时，会导致网络划分，通信问题差。

AODVjr算法是基于对称链路设计的，即计算出的路由是双向可靠的通信路由。 然而，无线通道受到环境的显着影响，路由通道常常出现一个方向平滑的现象，同时阻碍相反的方向。 在这种情况下，AODVjr算法不能很好地识别非对称链路情况。 基于上述分析，通过结合Cluster-Tree地址分配策略和AODVjr路由算法的优点，改进了智能家居系统，具体如下：

1）网络初始节点的地址分配仍然使用Cluster-Tree算法进行分配，此时不是最优路由。 在随后的消息传输中，使用AODVjr路由算法来满足路径识别和地址校正。 使用集成方法，可以充分利用Cluster-Tree算法进行快速路由计算和AODVjr算法进行路由发现和维护。

2）采用簇头旋转机制平衡网络节点间的能耗。 首先，根据系统的需要设置簇头节点的最小能量阈值，节点网络的深度越大，簇头节点消耗的能量越多。 它可以通过公式计算网络深度d中的簇头节点所需的能量。

其中：???? - 簇头节点的最小阈值

?1 - 节点能量消耗的附加因子

d - 节点的网络深度

对于网络中的原始簇头节点，可以反映时间t之后剩余的能量等式。

其中：?0 - 簇头节点的初始能量

?2 - 节点能量消耗的附加因子

d - 节点的网络深度

当簇头节点的剩余能量小于所需能量时，簇头节点向协调器发送应用以进行替换。 随后，协调器节点向所有节点发布簇头竞争消息，满足能量需求的节点将使用AODVjr路由算法的RREQ包来广播消息以及簇头的附加应用。 接收到RREQ报文的所有节点都需要回复RREP给施工者节点修改邻居信息表，稍后将发送给协调器。 协调器节点接收多个邻居信息应用程序节点表，将选择具有大多数邻居节点的节点作为新的簇头节点。 最后，新的簇头节点为周围节点广播簇头信息，修改路由信息。

使用Zigbee 2007 / Pro协议的网络链路状态消息（NLSM）来解决AODVjr算法的不对称链路问题。 思路如下：路由节点1周期性地向邻居节点发送NLSM，包括节点的邻居表。 当节点4从节点1接收到NLSM时，它没有在其邻居表中找到节点1，或者在某个时间段内没有接收到节点1但没有接收到NLSM，所以可以确定节点4之间的连接 节点1是非

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