本发明属于紫外光通信网络技术领域，具体涉及一种基于zigbee自组网的紫外光通信系统。
背景技术：
紫外光通信属于一种特殊的无线光通信，它是利用大气对紫外光散射和吸收特性进行通信的无线光通信技术。适用于短距离通信和某些恶劣环境下的通信需求，广泛运用于军事通信领域，能够为军队作战提供隐蔽点，从而达到良好的作战效果。200nm～280nm的紫外光被臭氧层强烈吸收，有利于接收端对弱光信号的探测。紫外光通信自身的优点包括：不易被窃听；系统抗干扰能力；全方位性；非视距；无需捕获对准与跟踪(apt)；全天候工作等。这些优点大都源于紫外光较强的散射和吸收作用，这也是紫外光通信有别于其它光通信之处。紫外光通信不仅可以弥补传统光通信不能进行非视距通信的缺点，还可以弥补传统无线和有线通信的弊端(如基站部署灵活性差的问题)，在军事通信中具有巨大的开发潜力。
zigbee是基于ieee802.15.4标准的低功耗局域网协议。据国际标准规定，zigbee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。zigbee技术具有强大的功能，是一种特殊的、按接力方式传输的点对点的网络结构，网络可以通过“多级跳”的方式来通信，该拓扑结构还可以组成极为复杂的网络；网络还具备自组织、自愈功能，其路由可自动建立和维护；为网络用户提供了更大的覆盖范围和更好的故障恢复性。与蓝牙、等无线通信协议的技术不同，zigbee技术特点包括：高可靠性、高安全性、高保密性及低时延、低速率、低功耗、低成本，以及较大的网络容量、优良的网络拓扑、较大的有效范围和灵活的工作频段。主要用于短距离通信，通信距离增大会给设计增加难度。数据传输速率较低和通信范围较小的特点也决定了只适用于数据流量较小的业务。所以主要应用领域包括工业控制、家庭自动化、无线传感器网络、农业自动化和医用监护等。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种基于zigbee自组网的紫外光通信系统，组网灵活、实用性强。
本发明所采用的技术方案是，一种基于zigbee自组网的紫外光通信系统，包括通过紫外光通信连接的若干个节点通信机；每个节点通信机包括通过大气信道通信连接的发射系统和接收系统。
本发明的特点还在于：
发射系统包括依次连接的计算机、fpga芯片、移位寄存器a、驱动电路、紫外led灯。
驱动电路采用恒流驱动芯片dd311；
驱动电路由直流偏置电路、预均衡电路、bias-t电路组成。
接收系统包括依次连接的紫外光探测器、前端光接收电路、高通滤波电路、后端放大电路、移位寄存器b、fpga芯片、缓存器。
fpga芯片包括与计算机连接的网口接收模块a；网口接收模块a、fifo模块a、调制模块依次连接；
fpga芯片包括与移位寄存器b连接的解调模块；解调模块、fifo模块b、网口接收模块b依次连接。
还包括zigbee模块；zigbee模块分别通过启用伺服电机程序信号线、节点通信机通断控制信号线与fpga芯片连接；fpga芯片与伺服电机(13)电性连接；
fpga芯片载入伺服电机启动程序。
节点通信机需满足下述条件：
(1)非视距(nlos)情况
①两个节点通信机，一个的发射端和另一个的接收端方位角对准；
②两个节点通信机之间的距离小于或等于最大通信距离；最大通信距离为：
式中，pt为紫外led发射光功率；ar为探测器的接收面积；ks为大气散射系数；ke为大气消光系数；ps为散射角θc的散射相函数；η为接收光功率；θt为发射仰角，φt为光束发散角，θr接收仰角，φr为接收视场角，γt为发射光锥的轴心线，γb为接收视场的轴心线；θc为散射角，且θc＝θt+θr；
(2)视距(los)情况
①两个节点通信机中，一个的发射端和另一个的接收端方位角对准；
②两个节点通信机之间的距离小于或等于最大通信距离；最大通信距离为：
式中，pt为紫外led发射光功率；ar为探测器的接收面积；ke为大气消光系数；η为接收光功率；φt为光束发散角，φr为接收视场角，γt为发射光锥的轴心线，γr为接收视场的轴心线。
本发明的有益效果是：
(1)利用“日盲”波段的紫外光进行通信时，因为干扰主要来自于阳光，故系统的抗干扰能力得到增强，并且这个波段人眼不可见，通信时隐蔽不易被窃取信息；
(2)利用紫外光通信，因其散射特性，无需捕获对准与跟踪(apt)，即使在非视距情况下也能进行通信，这就增加了系统的可靠信；
(3)利用zigbee本身的自组织特细来控制整个网络，降低了系统的复杂性；并且将节点间通信用紫外光信号代替原来zigbee模块本身的射频信号，这会使通信速率及距离得到提高。还可以按需求对节点进行增添剔除组成复杂的拓扑结构网络来达到所需目的。
附图说明
图1是本发明基于zigbee自组网的紫外光通信系统示意图；
图2是本发明基于zigbee自组网的紫外光通信系统中fpga芯片的工作原理图；
图3是本发明基于zigbee自组网的紫外光通信系统中驱动电路图；
图4是本发明基于zigbee自组网的紫外光通信系统中紫外led灯连接图；
图5是本发明基于zigbee自组网的紫外光通信系统的控制部分；
图6是本发明基于zigbee自组网的紫外光通信系统结构示意图；
图7是本发明基于zigbee自组网的紫外光通信系统中用到的紫外光单次散射模型；
图8是本发明基于zigbee自组网的紫外光通信系统中用到的坐标系中扫描区域模型；
图9是本发明基于zigbee自组网的紫外光通信系统中ffd设备节点入网流程图；
图10是本发明基于zigbee自组网的紫外光通信系统中zigbee自组网拓扑结构图；
图11是本发明基于zigbee自组网的紫外光通信系统中aodv反向路由建立；
图12是本发明基于zigbee自组网的紫外光通信系统中aodv前向路由建立。
图中，1.发射系统，2.接收系统，3.计算机，4.fpga芯片，5.移位寄存器a，6.驱动电路，7.紫外led灯，8.紫外光探测器，9.前端光接收电路，10.高通滤波电路，11.后端放大电路，12.移位寄存器b，13.伺服电机，14.缓存器，15.网口接收模块a，16.fifo模块a，17.调制模块，18.网口接收模块b，19.fifo模块b，20.解调模块，21.zigbee模块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
如图1、图6所示，本发明一种基于zigbee自组网的紫外光通信系统，包括通过紫外光通信连接的若干个节点通信机；每个节点通信机包括通过大气信道通信连接的发射系统1和接收系统2。
发射系统1包括依次连接的计算机3、fpga芯片4、移位寄存器a5、驱动电路6、紫外led灯7；其中，驱动电路6采用恒流驱动芯片dd311；驱动电路6由直流偏置电路、预均衡电路、bias-t电路组成(如图3)；
发射系统1的工作过程为：fpga从缓存器中取出数据对数据重新编码调制，把调制后的信号送入驱动电路驱动led发出紫外光进行数据传输，完成发射装置的功能。
接收系统2包括依次连接的紫外光探测器8、前端光接收电路9、高通滤波电路10、后端放大电路11、移位寄存器b12、fpga芯片4、缓存器14。
接收系统的工作过程为：探测器接收到紫外光后将光信号变为电信号，通过放大、滤波电路，再进入fpga进行编码及数据处理，然后存入缓存器中以备发射装置取用数据。
如图2所示，fpga芯片4包括与计算机3连接的网口接收模块a15；网口接收模块a15、fifo模块a16、调制模块17依次连接；
fpga芯片4包括与移位寄存器b12连接的解调模块20；解调模块20、fifo模块b19、网口接收模块b18依次连接。
调制过程具体如下：
网口接收模块a15：把pc机与网口接收模块相连写入数据，从串行数据中提取数据位得到16位并行数据，同时，每输出一个字节的值，使能信号就会出现下降沿，网口速率为10mbit/s、100mbit/s自适应；
fifo模块a16：主要进行数据缓存，对输入并行数据进行排队与读写操作；通过en信号进行使能，当检测到en为下降沿时，就将16位并行数据写入，再进行缓存；其功能是为了防止数据因没有及时取出而被其他数据替换掉造成数据丢失；在该模块中会判断缓存器中两个寄存器的值，若两个寄存器数值都为0，则fifo_en为低电平，若其中一个或都不为0，则fifo_en为高电平，与此同时，将取出数据后的寄存器赋值为0；
调制模块17：使能信号fifo_en为高电平时表明fifo中存在数据，可以进行读取操作，将从fifo模块中读出的数据，根据ook调制方式进行调制，以调制信号的时钟信号频率发送数据；用调制后信号的高低不同作为驱动源，驱动紫外led灯亮灭，发出信号；
解调过程与调制过程数据处理及方式相反。
如图5、图6所示，还包括zigbee模块21；zigbee模块21分别通过启用伺服电机程序信号线、节点通信机通断控制信号线与fpga芯片4连接；fpga芯片4与伺服电机13电性连接；其中，fpga芯片4载入伺服电机启动程序。
fpga与zigbee模块相连，zigbee模块作为“开关”来控制节点通信机的通断与伺服电机的启动；当某个节点通信机需要进行工作时，zigbee模块控制该节点通信机打开，并通过控制启动预先写入fpga的伺服电机启动程序来进行扫描操作。
节点通信机要通信需满足下述条件：
(1)nlos情况
①两个节点通信机，一个的发射端和另一个的接收端方位角对准；
②两个节点通信机之间的距离小于或等于最大通信距离；最大通信距离为：
式中，pt为紫外led发射光功率；ar为探测器的接收面积；ks为大气散射系数；ke为大气消光系数；ps为散射角θc的散射相函数；η为接收光功率；θt为发射仰角，φt为光束发散角，θr接收仰角，φr为接收视场角，γt为发射光锥的轴心线，γb为接收视场的轴心线；θc为散射角，且θc＝θt+θr；
(2)los情况
①两个节点通信机中，一个的发射端和另一个的接收端方位角对准；
②两个节点通信机之间的距离小于或等于最大通信距离；最大通信距离为：
式中，pt为紫外led发射光功率；ar为探测器的接收面积；ke为大气消光系数；η为接收光功率；φt为光束发散角，φr为接收视场角，γt为发射光锥的轴心线，γr为接收视场的轴心线。
一、驱动电路设计详情
为简化驱动电路设计，选用恒流驱动芯片dd311；该芯片内部有电流镜和电流开关组件，是一款大功率led专用单通道输出芯片；可通过调节外接电阻rext或偏置电压vbias来控制led的电流iled，最大可输出1a电流，关系式如下：
iled≈100(vbias-vrext)/rext＝100iref
同时输出端可承受高达36v的电压，使能频率可达1mhz，支持多颗大功率led的串接、并接和串并混接使用；图3为dd311一种典型的应用电路，图中vss和gnd为接地端，out为恒流输出端，rext为参考电流输入端，en为输出电流使能端，当en电压为0时，输出电流关闭，当en电压大于3.3v，输出电流导通。
连接方式的选择关系到led阵列的工作性能、可靠性和驱动电路的设计，常见的连接方式包括串联、并联、混连以及交叉连接等；根据本设计的要求，并联连接光强不均匀，并且不适于恒流驱动，混联和交叉连接无法发挥其高效率、高可靠性的优势，同时复杂的电路连接给设计带来了不便；而串联连接电路简单，发光效果好，是本设计的最佳连接方式，其结构如图4所示；当某只led短路，输出电流保持不变，其余led将正常工作；当某只led断路，与之并联的稳压二极管(导通电压大于led的导通电压)将导通，电路正常工作，这样的设计提高了系统可靠性。
二、zigbee自组网设计详情
zigbee网络由三种节点组成：协调器zc、路由器zr和终端设zd；协调器是网络的中心节点，它负责网络的初始化，确定网络唯一的标识符(panidentifier)，以及管理和分配网络节点的16位短地址；一个zigbee网络只能有一个zigbee协调器，并且只有ffd才能充当协调器；路由器负责网络内信息帧的路由；终端设备是实现具体功能的单元。根据功能来划分，zigbee网络设备又可以分为全功能设备ffd和精简功能设备rfd；协调器和路由器必须为ffd，终端设备既可以是ffd，也可以是rfd；本设计考虑所需功能的多样，以及便于通信链路的“多跳”增程，所用于通信节点机的zigbee模块全为ffd。
网络组建过程主要包括以下3个过程：
(1)网络初始化过程：节点初始化后，扫描信道检查网络是否存在；
(2)主节点配置网络过程：产生协调器网络节点，开始配置网络；
(3)从节点入网过程：其余路由器节点申请加入协调器节点。
ffd设备节点加人网络流程图，如图9所示；具体过程：节点上电硬件初始化，经过延时，先搜索其通信范围内是否存在网络。若找到网络，节点根据所取得的网络信息，选定一个主节点同时发送入网请求，并等待主节点的请求响应；如果没有找到网络，ffd设备节点将自己申明为网络协调器建立网络，发送广播信标帧，同时作为主节点接受从节点的入网请求。主节点收到一个入网请求后，将根据请求信息作出是否允许加人网络的判断。若允许加入，主节点将发送请求响应给从节点。从节点收到请求响应后，将获得主节点分配给它的一个网络地址作为网络内的唯一身份标识，该节点成功加人网络。如主节点不允许从节点加人，则从节点可以寻找另外一个主节点申请加人网络。
zigbee支持星形网star、网状网mesh和簇树状网cluster-tree三种网络拓扑结构，如图10所示；本系统采用网状网络，网状网是一种对等自组织网络，它是一个由pan协调器和若干个ffd节点组成的多跳网络。网络中的ffd节点可以与其信号覆盖范围内的任何节点通信。网状网的每一个ffd节点还可以连接其它ffd，故可扩展性好。网状网是一种通信链路高度冗余的网络(任意两个节点之间存在多条通信路径)，故其可靠性高。
自组网采取按需路由的通信方式，aodv(adhocon-demanddistance-vector)协议是一种按需改进的距离矢量路由协议，其特点是采用dsdv(dynamicdestination-sequenceddistance-vector)算法逐跳路由方式、序号机制和周期性广播信标，并结合算法中的按需路由机制。即在aodv协议中，网络中的每个节点在需要通信时才发送路由请求，而不会周期性发送路由请求来得到所有其他节点路由同时各节点路由表只维护本节点到其他节点路由，而无需掌握整个网络拓扑结构。协议能快速收敛，计算量小。通过在网络中引入节点序列号，有效的避免了网络环路和无穷计数问题。aodv使用3种基本控制信息：路由请求(rreq，routerequestpacket)、路由响应(rrep，routereplypacket)、路由错误(rerr，routeerrorpacket)。rreq主要用于节点在进行路由发现时向邻节点发送的帧，该帧以flooding方式发送；rrep帧消息由目的节点或具有到目的节点有效路由的中间节点发出，用来通知源节点与目的节点之间的路由；rerr帧由检测到路由失效的节点发出，用来通知所有使用失效路由的节点，使这些节点及时搜索新的路由。
aodv协议算法描述
aodc协议的实现主要分为路由发现、路由维护两个阶段。路由发现阶段主要任务是建立与期望目的节点之间的可靠路由，这个路由可能是以前有的，也可能是通过算法新建立的；路由维护阶段主要任务是维护和更新路由表中保存的路由表项。
路由发现阶段
与dsr协议相比，aodv的路由依赖于中间节点建立和维护的动态路由表。aodv的路由发现包括反向路由建立和前向路由建立。反向路由指从目的节点到源节点的路由，用于将路由响应帧发送回源节点。反向路由是源节点通过广播路由请求帧建立起来的，前向路由指从源节点到目的节点方向的路由，用于后续数据帧发送，如图11、图12所示。
aodv路由发现过程如下：
(1)源节点首先发起路由请求过程，向邻节点广播rreq报文，其中序列对<源地址，广播id>(<src，broadcastid>)唯一标识一个路由请求。
(2)中间节点在收到rreq报文后，比较本节点和rreq报文中目的节点地址
如果本节点是目的节点，则通过反向路径回复rrep报文。否则转向2；
根据<src，broadcastid>判断是否收到过该路由请求，如果收到过则丢弃，否则转向3；
记录相关信息，以建立反向路由。同时将rreq中的跳数计数器项(hopcount)加1后向邻节点转发该rreq报文。
路由维护阶段：
节点的移动可能会造成现有路由的失效，根据节点的不同，aodv路由协议处理方法也不同。
(1)如果是源节点移动而造成路由失效时，可以重新启动路由发现过程寻找新的路由。
(2)如果是中间节点或目的节点移动而造成路由失效时，则由路由断连的节点向上游节点发送rerr报文直到源节点，以通知它们删除该部分路由。如果仍需要路由，源节点重新发起路由。
综上，pc机通过网口接线与zigbee网关相连，通过控制网关以射频信号来控制各个zigbee模块，从而控制各节点通信机。
三、两个通信条件的推导过程如下：
(1)nlos情况
发射器(紫外ledhse245-to18fw)和探测器(kw_ml8511)型号确定，则发射器的光束发散角φt、探测器的接收视场角φr、探测器的光功率接收下限为η已知，并且通信节点已设置好后发射仰角θt及接收仰角θr固定不变。
两点间通信区域判定：
发射端和接收端的节点通信机方位角处于对准状态。当开通节点通信机，不论此时节点通信机方位角是否对准，都能通过zigbee模块控制伺服电机转动使两节点通信机对准。
方位角对准的判断原理：
如图7所示，nlos模型，t为发射点，r为接收点。t为发射点，r为接收点；θt为发射仰角，φt为光束发散角，θr接收仰角，φr为接收视场角，γt为发射光锥的轴心线，γb为接收视场的轴心线；θc为散射角，且θc＝θt+θr。
以平行于tr的直线为x轴建立空间直角坐标系：设点t的坐标为(xt,yt,zt)，点r的坐标为(xr,yr,zr)，zt＝zr＝0；直线γt与x、y、z轴的正方向夹角分别为αt、βt、
当t节点进行扫描时(电机转动使其工作)，αt、βt、
此时令图7nlos情况为t＝0时刻：则αt＝θt，βt＝90°，
取空间任意一点m坐标(x0,y0,z0),z0＞0；过点t和m的直线l方程为：
直线γt的方程为：
故，直线l与直线γa的夹角为：
由于，在δtcr中已知两角和一边，由几何关系可得到：
若
发射光锥与接收视场存在重合区域，在模型中集合t、r存在公共点，即(t∩r)≠0；
通信距离判断原理：
紫外光探测器存在光功率接收下限η，接收光功率需要大于该值。在所建立的模型中用数学表达式表示所满足的这个条件：
紫外nlos链路的接收光功率表达式为：
式中，pt为紫外led发射光功率；ar为探测器的接收面积；ks为大气散射系数；ke为大气消光系数；ps为散射角θc的散射相函数；除了通信距离l，其它所有参数可以通过查询计算得到；当接收光功率取时η，即pr,nlos＝η。
然后进行变量代换，令：
式(11)转化为：
变形为lambertw函数的形式
根据lambertw函数求反法则，可得
将a、b的值带回到式(16)中可得到发射端与接收端节点通信机之间的距离计算公式
通信节点机之间的最大通信距离为l，故只要通信距离小于l，就满足接收光功率pr,nlos大于探测器接收光功率下限η。
(2)los情况
对于los情况，不存在发射和接收仰角，建立数学模型如图7所示，los模型，t为发射点，r为接收点。φt为光束发散角，φr为接收视场角，γt为发射光锥的轴心线，γr为接收视场的轴心线。传输路径为l＝γt+γr。
los情况下方位角判定比较容易：当发射光锥的轴心线γt与接收视场的轴心线γr共轴时，方位角处于对准状态。
紫外光探测器存在光功率接收下限η，接收光功率需要大于该值。紫外los链路的接收光功率表达式为：
pt为紫外led发射光功率，ar为探测器的接收面积，ke为大气消光系数。除了通信距离l，其它所有参数可以查询得到。当接收光功率取时η，即pr,los＝η。
然后进行变量代换，令：
式(18)转化为：
变为：
两边同乘以
变为lambertw函数的形式：
根据lambertw函数求反法则，可得：
将(19)带入式(24)有
通信节点机之间的最大通信距离为l，故只要通信距离小于l，就满足接收光功率pr,los大于探测器接收光功率下限η。
当两节点通信机通信距离小于或等于最大通信距离l时，探测器能接收到足够的光功率。
本发明一种基于zigbee自组网的紫外光通信系统的工作过程为：通过外接设备(如pc机)对一个节点通信机(主节点)写入数据，并发出携带信息的紫外光；选择需要进行通信的节点机(从节点)，用zigbee网关控制zigbee模块开通节点机，预热一段时间后控制zigbee模块启动fpga中的扫描程序；此时，伺服电机匀速转动，当探测器的视场区域与信息源节点通信机发射器的光锥重合时，电机停止转动，并稳定下来，两通信节点机建立通信链路完成。从节点通信机探测器接收到主节点发出的紫外光，即完成信息的传输；其中主节点以发送信息为主，接收信息为辅，两者可以同时进行；从节点以接收信息为主，然后将信息转发，在紫外光自组网中起到中继转发的作用。这里主从节点的功能可以根据需要进行切换，即当主节点信息发送完毕后可以切换成从节点中继转发的功能，从节点在完成信息转发后可以切换成主节点功能。