DASH7协议的Mesh网设计与实现

引 言

为了满足无线传感器网络在工业、农业、军事等应用中不断提高的要求，更加健壮、低功耗的无线通信协议成为研究的关键，目前比较流行的无线通信技术包括蓝牙、Wi-Fi、ZigBee、DASH7 等。

DASH7 是基于 ISO18000-7 标准的无线通信协议，具有通用性好，低功耗、穿透障碍能力强等特点。但按照标准DASH7 协议的传输只允许执行两跳路由，只能组成单一的星型拓扑结构，无法对 DASH7 及节点建立多跳 Mesh 网，阻碍的 DASH7 远距传输的应用。

本文使用嵌入式 web 服务器技术，将 DASH7 协议与Wi-Fi 协议（或 TCP/IP 协议）相转化，从而实现一个具有路由选择功能的 DASH7 协议的 Mesh 网，该网络可提升 DASH7协议在无线传感器网络（WSN）中的性能，扩展其应用范围。

1DASH7协议的分析与设计

DASH7是一种基于ISO18000-7的超低功耗开源的无线通信协议标准，使用433Hz的SIM射频传输。与目前流行的ZigBee技术相比具有以下特点：

（1）基于ISO18000-7的DASH7协议与基于IEEE802.15.4的ZigBee协议相比具有更好的通用性；

（2）DASH7的覆盖范围更大，约是ZigBee覆盖范围的6倍；

（3）DASH7的波长更短，具有更强的穿越障碍物的能力；

（4）具有更好的交互性。

由于ISO18000-7只简单制定了DASH7协议标准框架，本文参照ZigBee协议栈设计了一个比较完整的协议栈，其构架层次如图1所示。

DASH7协议栈分为物理层（PHY）、链路层（MAC）、网络层（NWK）、应用支持子层（APS）、应用层（APL）。

PHY层首先做信道能量的检测后，使用433Hz频率发送，物理层包括为MAC提供服务的接口和物理层管理实体（PLME），PLME需要维护物理层信息库（PIB）。

MAC层依据ISO18000-7标准，使用了Z-MAC链路协议。Z-MAC是一种综合TDMA和CSMA的混合型MAC协议，其可根据信道竞争负载大小自适应选择策略。在信道负载过大环境下，Z-MAC执行类似CSMA方式，在信道负载较小环境下，Z-MAC执行类似TDMA方式，图2所示是Z-MAC自适应执行的描述图。

在图2中，图2（b）与图2（c）为图2（a）中节点在不同信道负载下的通信机制，图2（b）为低负载信道中A与B节点的TDMA通信机制，图2（c）为节点在高负载信道中的CSMA 通信机制。

NWK 层负责设备之间的通信，其包括网络安全策略、路由选择等，为了解决 NASH7 无法多跳路由的问题，下文将具体描述使用嵌入式 web 服务技术实现多跳的 Mesh 网，并建立路由表，优化路由选择的方法。

NWK 层依据标准现将 NASH7 节点分为 End_Worker、Rout_Worker、Edge_Worker 三种网络身份， 并用 NetStatus（uintf8）区别标记，表 1 所列是 NASH7 节点的网络身份标记。

由于对 NASH7 节点网络管理引入了域的概念，只有相同域内节点才能自组网，同时，由 Edge_Worker 为域内节点分配一个网络地址 PAN_ID，并建立与维护一张节点的 MAC 地址与其 PAN_ID 的对应表，每个域只能有一个 Edge_Worker。

End_Worker 节点为终端工作节点，Rout_Worker 节点为中间路由节点，Edge_Worker 节点为协调节点或是域边界节点，起作用为组网、接受数据、融合数据、转发数据。

APS 层是为 NWK 层与 APL 层提供一个通用的接口和安全管理，APL 层为开发人员提供硬件设备管理接口应用框架下的 API 等。

2 Mesh 网的设计与实现

本文先将完整的 DASH7 协议栈架构于采用 TI 公司CC430 系列中 CC430F5137 芯片的无线传感器模块上（模块板装载了温湿度和电压传感器），并建立 DASH7 的无线传感器网络 [6] ；然后建立了多个嵌入式 web 服务器站点，并与网络中 Edge_Worker 节点相结合作为 Mesh 网的边界路由节点，其兼顾了 Wi-Fi 或 TCP/IP 协议转发的网关功能，同时具有路由优化功能，可降低网络的通信代价。

2.1 DASH7无线传感网络的设计搭建

基于 DASH7 协议的无线传感器网络拓扑结构是星型网络，由多个 End_Worker 节点，一个Rout_Worker 节点和一个 Edge_Worker 节点组成，End_Worker 节点为终端工作节点，Rout_Worker 节点为单跳中继路由节点，其也可以作为终端工作节点，Edge_Worker 节点为边界融合节点，负责网络协调、接受数据、数据的封装与转发等作用。图 3 所示为 DASH7 星型网络的运行流程图。

2.2边界路由节点的实现

实现DASH7的Mesh网重点在于可以实现多跳功能边界路由节点的设计，利用边界路由节点将多个星型DASH7的WSN连通组成Mesh网。

边界路由节点是将Edge_Worker节点与嵌入式web服务器技术结合，同时利用嵌入式web服务器的网关功能将DASH7协议转为Wi-Fi协议，并依赖Wi-Fi协议形成具有网关和多跳路由功能的异构Mesh网。

嵌入式web服务器具有成本低、处理能力强等特点。具体实现步骤如下：

（1）嵌入式平台的搭建

本文基于ARM9系列的S3C2440嵌入式平台，采用开源的Linux操作系统，修改Makefile文件和按照需求对Linux内核裁剪后进行交叉编译，再将内核移植到嵌入式ARM平台，并为其制作根文件系统yaff2，将TP-LinkWN321G+无线网卡驱动[8]移植到Linux系统中，使用TP-LinkWN321G+无线网卡转发Wi-Fi协议数据。

（2）web服务器的实现目前，常见的嵌入式web服务器有goahead、thttpd、lighttpd等，本文选用稳定性更强的boa-0.94.13。上位机对boa-0.94.13源文件解压后，修改configure配置文件和Makefile文件，并修改部分源代码，交叉编译后移植ARM平台，建立相关目录。

（3）sqlite数据库的移植为方便上位机直接对嵌入式web服务器进行数据访问，需要为其建立数据库，本文采用嵌入式轻量级数据库sqlite-3.6.23，解压后交叉编译移植到ARM机中。

（4）通用网关接口（CGI）应用程序开发开发相应的CGI应用程序将嵌入式web服务器接收到的Edge_Worker节点数据存入sqlite数据库，便于查询，并使用socket技术将接收的数据通过TP-LinkWN321G+无线网卡转发出去。

2.3路由算法的设计与实现

为DASH7的Edge_Worker节点设计基于路由优化算法，是保证DASH7的Mesh网节点通信代价最小。本文以Dijkstra最短路径代价算法为基础，考虑了通信链路质量，设计了一个新的加权路径代价函数来反应链路之间的节点通信代价。

Mesh网在考虑通信链路质量时，信道的负载通信质量通过MAC层Z-MAC协议调节，链路质量主要考虑到达目的节点所经历不同路径的链路代价。

DASH7路由算法的设计步骤如下：

步骤1：依据最短路由路径树算法（SPT）将Mesh网路由节点建立分层，如图5所示。

步骤2：结合将网络分层的通信链路代价构造加权路径代价函数Cost（Pi）。

步骤3：依据链路代价利用Dijkstra最短路径代价算法选择最佳路由路径。

Mesh网中路由节点视为图N（V，A），V={V1，V2，…，Vm}有限的m个路由节点，A={a1，a2，…，am}为m条有限的边，Cm，n为同一条链路相邻节点m与n之间通信代价，而Mesh网对应多条路由链路，则C,iitt+1第i条链路第t个节点与第t+1个节点之间的通信代价。

SPT算法计算加权路径代价计算引入了加权参数α，其取决于链路质量的好坏，链路i代价函数Cost（Pi）为：

在边界路由节点中实现以上路由算法，并建立路由表， 基于 DASH7 的 Mesh 网的实现方案如图 6 所示。

2.4实验结果分析

将上位PC机与Mesh网相连，就可以通过对嵌入式web服务器来访问Mesh网节点的相关数据，图7所示是在web服务器搭建的前台页面，上位机通过浏览器访问嵌入式web服务器（访问地址为192.168.1.230），并调用服务器中的CGI应用程序获取数据。

实验结论：上位PC机通过本文设计的DASH7的边界路由节点访问Mesh网内无线传感器节点的数据，验证了Mesh网络的有效性。

3结语

本文通过对DASH7协议栈的研究与设计，在DASH7的无线传感器网络（WSN）基础上使用嵌入式web服务器技术实现了具有路由优化选择功能的边界路由节点，解决了DASH7协议无法组建Mesh网络的问题，其具有一定的理论研究意义与实践应用价值。

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