（信号与信息处理专业论文）zigbee无线网络及其与internet的连接.pdf

摘要 摘要 微电子技术、计算机技术和无线通信等技术的进步，推动了低功耗多功能传 感器的快速发展，使其在微小体积内能够集成信息采集、数据处理和无线通信等 多种功能。无线传感器网络就是将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在 一起，改变人类与自然界的交互方式。人们可以通过传感器网络直接感知客观世 界，从而极大地扩展现有网络的功能和人类认识世界的能力。 z i g b e e 无线通信技术是一种新兴的短距离无线通信技术，具有低功耗、低速 率、低时延等特性，具有强大的组网能力与超大的网络容量，由于其独有的特性， z i g b e e 无线技术也是无线传感器网络的首选技术，可以广泛应用在消费电子产品、 家居与楼宇自动化、工业控制、医疗设备等领域，具有广阔的发展前景。 本文详细描述了z i g b e e 无线传感器网络服务器与网络节点的研发，以及无线 传感器网络的组建和通信。z i g b e e 无线传感器网络服务器采用b s 结构和模块化 的设计方法，使用$ 3 c 2 4 1 0 和l i n u x 的开发平台，通信模块采用m c l 3 1 9 2 收发 芯片，通过因特网实现对z i g b e e 无线传感器网络节点远程访问与控制。网络节点 采用h c s 0 8 g t 6 0 和m c l 3 1 9 2 的开发平台，实现对各种传感器信息的采集和传输。 此外，文中给出了无线传感器网络服务器和节点的软件和硬件设计方法，最后对 组建的无线网络进行了组网和监控测试，实验表明本文研究的无线传感器网络具 有很好的扩展性和移植性。 关键词：z i g b e e ；无线传感器网络；b o a ：b s 广东t 业大学硕士学位论文 a bs t r a c t w i t ht h ep r o g r e s so fm i c r o e l e c t r o n i ct e c h n i q u e ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sa n d c o m p u t e rt e c h n i q u e ，p r o m o t i n gt h er a p i dd e v e l o p m e n to fl o w - p o w e rm u l t i - f u n c t i o n a l s e n s o r , s ot h a ti tc a nb ei nt h es m a l ls i z eo fi n t e g r a t e di n f o r m a t i o na c q u i s i t i o n ，d a t a p r o c e s s i n ga n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sa n dm a n yo t h e rf e a t u r e s w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r kb l e n dt o g e t h e rt h el o g i c a li n f o r m a t i o nw o r l da n dt h eo b j e c t i v ep h y s i c a lw o r l d t oc h a n g et h ei n t e r a c t i o no fh u m a na n dn a t u r e s e n s o rn e t w o r k sc a nb e d i r e c t l y p e r c e i v e dt h r o u g ht h eo b je c t i v ew o r l d ，t h u sg r e a t l ye x p a n d i n gt h ee x i s t i n gn e t w o r k c a p a b i l i t i e sa n dt h ec a p a c i t yo fh u m a nu n d e r s t a n d i n go ft h ew o r l d z i g b e ew i r e l e s st e c h n o l o g yi s an e ws h o r t d i s t a n c ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s t e c h n o l o g y ，a n d i ti sal o w p o w e r , l o ws p e e da n dl o wl a t e n c yw i r e l e s ss t a n d a r d z i g b e eh a ss t r o n gn e t w o r kc a p a b i l i t ya n dl a r g en e t w o r kc a p a c i t ya n di tc a nb ew i d e l y u s e di nc o n s u m e re l e c t r o n i c s ，h o m ea n db u i l d i n ga u t o m a t i o n ，i n d u s t r i a lc o n t r o l s ， m e d i c a ls e n s o ra p p l i c a t i o na n do t h e rf i e l d s t h i sp a p e rw a sd e t a i l e dt od e s c r i b et h ed e v e l o p m e n to fz i g b e ew i r e l e s ss e r v e ra n d z i g b e en o d e ，a sw e l la st h ee s t a b l i s h m e n ta n dc o m m u n i c a t i o n so fw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s w i t hb ss t r u c t u r e sa n dm o d u l a rd e s i g nm e t h o d ，u s i n gt h ed e v e l o p m e n t p l a t f o r mo fl i n u xa n d $ 3 c 2 4 10 ，u s i n gm c1319 2a st h ec o m m u n i c a t i o nc h i p ，z i g b e e w i r e l e s ss e r v e rc a nb er e m o t ea c c e s sa n dc o n t r o lt or e a l i z er e a l - t i m em o t o r i n ga n d c o n t r o lf o rt h ez i g b e ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kv i ai n t e r n e t n e t w o r kn o d eu s e s d e v e l o p m e n tp l a t f o r mo fm c 1319 2a n dh c s 0 8 g t 6 0f o ri n f o r m a t i o nc o l l e c t i o n a n dt r a n s m i s s i o no fv a r i o u ss e n s o r i na d d i t i o n ，h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g ni si n t r o d u c e d ，a n dk e yi m p l e m e n t a t i o n t e c h n i q u e sa r ed e s c r i b e d f i n a l l yt h ee s t a b l i s h e dw i r e l e s sn e t w o r kh a sb e e nt e s t e do n a da n dm o n i t o r i n g ，t h et e s ts h o wt h a tw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sh a sg o o ds c a l a b i l i t y a n dp o r t a b i l i t y k e y w o r d s ：z i g b e e ；w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ；b s ；b o a i i 独创性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导教师签字： 论文作者签字： 僦 奔湃昊 幼口夕年么月日 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 微电子技术、计算机技术和无线通信等技术的进步，推动了低功耗多功能传 感器的快速发展，使其在微小体积内能够集成信息采集、数据处理和无线通信等 多种功能。无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点 组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地 感知、采集和处理网络覆盖区域中的感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、 感知对象和观察者构成了传感器网络的三个要素。如果说i n t e m e t 构成了逻辑 上的信息世界，改变了人与人之间的沟通方式，那么，无线传感器网络就是将逻 辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起，改变人类与自然界的交互方式。 人们可以通过传感器网络直接感知客观世界，从而极大地扩展现有网络的功能和 人类认识世界的能力。美国商业周刊和m i t 技术评论在预测未来技术发展的报告 中，分别将无线传感器网络列为2 1 世纪最有影响的2 l 项技术和改变世界的1 0 大技术之一。 ， z i g b e e 技术是一种新兴的短距离的、低速率无线网络技术，它是一种介于无 线标记技术和蓝牙技术之间的技术方案，主要用于近距离无线连接，其技术标准 是由i e e e 8 0 2 1 5 4 工作小组制订。z i g b e e 无线技术以其短距离、低速率、低时延、 低功耗、低成本等优点弥补了无线技术的空缺，也满足了以传感器和白组织网络 为代表的无线传感器网络的要求。无线传感器网络并不要求较高的带宽，但要求 较低的时延与较低的功耗，z i g b e e 是无线传感网络最好的选择。 嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、功能、 可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式技术已经在通信、 家电、数码产品等多个领域获得了广泛的应用心，。而另一方面，i n t e r n e t 技术的高 速发展也推动着各个技术领域的变革和科技进步。目前大多数嵌入式系统还孤立 于i n t e r n e t 之外，但随着i n t e r n e t 的发展以及i n t e r n e t 技术与信息家电、工业控制 技术结合日益密切，嵌入式设备与i n t e r n e t 结合的技术正蓬勃发展。嵌入式技术 广东工业大学硕十学位论文 和i n t e r n e t 技术的结合促成了嵌入式w e b 技术的发展。嵌入式w e b 服务器，本身 就是在嵌入式设备中运行的基于w e b 协议的服务器，以网页的形式为计算机提供 嵌入式设备的状态、参数表示等信息，将w e b 服务器植入嵌入式系统后接入 i n t e r n e t 。嵌入式w e b 服务器不仅可以利用浏览器提供的丰富的图形用户界面实现 远程管理、监控嵌入式系统的功能，并且可以在服务器端结合嵌入式w e b 服务器 提供的接口进行进一步开发。嵌入式w e b 服务器更易于和i n t e r n e t 实现无缝连接， 它使得嵌入式设备的远程控制和管理方式都有了改变，不再需要专用的通信线路， 传输的信息也不再局限于数据信息。w e b 服务器，它为人们管理、控制和监测各 种各样的设备提供了一个很好的途径，这种设备可以是具有有限内存资源的位或 位系统，己足够提供一个用户界面，而且这种方式是基于i n t e r n e t 的，这种设备 可以在世界上任何一个地方，只要它连入就能够控制它。 无线传感器网络扩展了人们的信息获取能力，将客观世界的物理信息同传输 网络连接在一起，在下一代互联网络中将为人们提供最直接、最有效、最真实的 信息 2 1 。本课题研究的z i g b e e 服务器与i n t e r n e t 的连接可以实现对无线传感器网 络的控制和管理，实现信息的融合处理，并将信息传输到互联网，从而实现对无 线传感网络的远程监控。能够广泛应用于军事、环境监测和预报、健康护理、智 能家居、建筑物状态监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓 库管理，以及机场、大型工业园区的安全监测和其他公共安全等诸多领域，因而 具有十分广阔的应用前景。 1 2 国内外研究现状和发展趋势 z i g b e e 作为一种新兴的国际标准短距离无线通信协议，其协议栈体系结构是 基于标准的七层开放式系统互联( o s i ) 模型，i e e e8 0 2 1 5 4 2 0 0 3 标准定义了下 面的两层：物理层和媒介质接入层。网络层、应用会聚层、应用层由z i g b e e 联盟 制订。非营利组织z i g b e e 联盟由当初开发基本i e e e 标准的同一批专家在2 0 0 2 年组建而成。时至今日，z i g b e e 联盟已经拥有包括芯片制造商、软件开发者、终 端制造商以及服务提供商等在内的一条完整的产业链。摩托罗拉、三菱电子、飞 利浦、西门子、三星、德州仪器、华为等，都是联盟的成员。联盟所制订的规范 也得到了广泛的应用。进入2 0 0 6 年以来，市场上已经陆续出现了各种基于z i g b e e 2 第章绪论 技术的产品。z i g b e e 应用领域主要有移动增值、家庭自动化、家庭安全、工业与 环境控制与个人医疗看护等，应用产品则有移动终端、家电产品、消费性电子、 p c 周边产品与感测器等。 国内华为公司与意大利电信合作，在为其提供的终端s i m 卡中置入z i g b e e 技术，从而可以使运营商能够为用户提供更多的增值业务，如手机购物、手机遥 控等功能，这大大增强了运营商的业务提供能力和竞争实力。北京赫立讯公司推 出的无线定位方案已开始在煤矿行业中打开了市场，该公司利用其z i g b e e 无线网 络模块，运用区域定位技术，通过定位网络中的参考节点接收目标节点( 矿工随身 携带) 的无线信号强度r s s i 和无线信号质量l q i 等信息，从而随时了解矿工的工 作位置，同时还可以通过矿工身上的传感器，接收并上报该区域瓦斯浓度变化等 信息。基于z i g b e e 无线传输的自动抄表系统、智能建筑和楼宇自动化系统等的解 决方案也陆续得到市场的认可。 北京辰森伟业软件开发有限公司选用赫立讯的z i g b e e 无线模块成功推出了 一套餐饮手持点菜系统。该系统现已被广泛应用于全国超过1 0 0 家高级酒店。餐 馆无线有线点菜系统由服务员手持内嵌有z i g b e e 无线收发模块的p d a 和同时在 餐馆的墙壁上安装的多个内嵌有z i g b e e 无线收发模块的无线收发端口组成，这些 移动的p d a 和固定的无线收发端口构成了一个无线网络。p d a 里采集到的信息 将被传送到无线收发端口，通过无线收发端口相连的i n t e r n e t 或r s 4 8 5 网络，将 所有信息都汇总到餐馆的主控电脑内。主控电脑统一对这些信息进行处理和归类， 将不同的指令发送到不同的操作区域，例如厨房、酒吧台和收银台。这些无线网 络支持双向通信方式，任何厨房、酒吧和收银台的反馈或从主控电脑传出的指令 和查询都将很容易的通过无线或有线网络传送到不同的服务器上。 韩国三星先进技术研究院( s a i t ) 试制了配备z i g b e e 无线通信功能的手机， 并在c e s 会场进行了展示。z i g b e e 收发模块封装在机壳背面，利用z i g b e e 的近 距离无线通信功能，用户之间可以在半径1 0 0 m 左右的范围内进行本地连接，可 用于游戏等用途。s a i t 的解说员说：“使用z i g b e e 近距离无线通信功能，手机用 户可进行网状连接，以进行射击游戏等。韩国用户大都喜欢在线游戏，也对近距 离的用户之间的游戏抱有兴趣。 作为唯一的面向无线传感器网络的技术标准，z i g b e e 的目标是建立一个无所 不在的传感器网络。从成立到现在，z i g b e e 联盟已经从最初的1 3 家公司发展到 广东工业大学硕士学位论文 1 0 0 多家知名企业加盟的商业团体，在众多企业的追棒下，z i g b e e 技术呈现出蓬 勃的发展趋势。同时，为了增强z i g b e e 标准的易用性和对大型网络的支持，z i g b e e 联盟已经批准在最初的协议栈规范中增加高级功能和更高灵活性能的z i g b e e p r o 框架堆栈，它在最初规范的基础上增加了网络可伸缩性、分解片段( 分解较 长消息和实现与其它协议和系统交互的能力) 、频率捷变和自动设备寻址管理能 力。未来的z i g b e e 除了增强自身功能外，将向着更廉价、更省电、与i p v 6 结合 的方面发展。根据最新的信息，一节电池工作3 年的z i g b e e 产品己经面世，在日 本的神户机场，所有z i g b e e 节点仅仅依靠- d , 块太阳能电池板供电。而随着应用 的不断增加，更大的产量必然形成更低廉的价格；i p v 6 拥有巨大的地址空间，可 以为每一个z i g b e e 节点分配一个全球唯一的网络地址，同时提供安全的通信保障 和优良的q o s 保证。i p v 6 和z i g b e e 的结合是一个必然趋势。 1 3 本文的主要研究内容 1 3 1 研究目标 z i g b e e 无线传感器网络的研发以及实现其与i n t e r r l e t 的连接，从而通过因特 网实现对远程传感器网络的监控和管理。 z i g b e e 无线传感器网络服务器采用b s 结构和模块化的设计方法，使用 $ 3 c 2 4 1 0 和l i n u x 的开发平台，通信模块采用m c l 3 1 9 2 收发芯片，通过因特网实 现对z i g b e e 无线传感器网络节点远程访问与控制。网络节点采用h c s 0 8 g t 6 0 和 m c l 3 1 9 2 的开发平台，实现对各种传感器信息的采集和传输。 1 3 2 研究内容 围绕上述目标，开展以下几个方面的研究： ( 1 ) 分析z i g b e e 协议栈、路由协议和组网形式对z i g b e e 无线通信网络的影 响。深入了解z i g b e e 协议栈各层协议，包括媒介质接入层( m a c 层) 的信标管理机制，信道接入机制，保证时隙( g t s ) 管理机制，c s m a - c a 机制，安全模式以及超帧结构；深入了解z i g b e e 网络层的网络路由协 议，网络拓扑结构等，构建星型网和网状网等网络拓扑结构的z i g b e e 网络，以及详细了解各协议层之间的接口。 ( 2 ) z i g b e e 无线通信网络的总体设计和硬件平台的搭建。针对z i g b e e 网络 4 第一章绪论 中的不同设备类型，提出不同的设计方案。服务器采用$ 3 c 2 4 1 0 和 l i n u x 的开发平台，使用b s 和模块化的设计方法，设计出了相关p c b 电路。节点采用h c s 0 8 g t 6 0 和m c l 3 1 9 2 的开发平台，完成了节点的 电路设计。 ( 3 ) z i g b e e 无线通信网络的软件设计。通信网络的软件设计包括服务器和 节点的软件设计。z i g b e e 服务器的移植和开发，包括操作系统的移植、 b o a 服务器的移植、驱动程序的设计和相关通信组网程序的设计等。 节点软件设计主要是协议栈的移植、驱动程序的开发和组网程序的设 计。 ( 4 ) z i g b e e 无线通信网络的系统测试。针对设计的z i g b e e 无线网络设备进 行组网、a d 采集和远程监控测试，并对设计节点的通信距离、功等 性能进行了测试。 1 4 本文的论文结构 本论文一共分为六章，其结构如下： 第一章：绪论。介绍了本论文研究课题的研究背景，以及同类研究在国内外 的研究现状，列出了本论文研究内容和论文的结构。 第二章：z i g b e e 无线网络技术。本章主要阐述了z i g b e e 技术的特点、网络设 备类型、协议栈、拓扑结构，并与其它常用无线通信技术的做了比较。 第三章：系统硬件电路设计。阐述了系统的总体设计方案，设计了z i g b e e 无 线网络服务器和节点的硬件电路，重点介绍了射频电路设计和一些外围电路设计， 以及一些接口电路设计。 第四章：系统软件设计。介绍了z i g b e e 无线通信网络系统的核心软件设计， 阐述了w e b 服务器移植开发过程，以及通信网络的相关通信程序开发。 第五章：z i g b e e 无线通信网络的系统测试。对论文设计的无线通信网络进行 了组网和远程监控测试，对节点的信息采集和功耗等性能给出了相关的测试结果。 第六章：结论与展望。对论文工作进行了总结，并提出了后续研究的建议。 广东工业大学硕十学位论文 1 5 本章小结 本章阐述了论文的研究背景和意义，介绍了本课题的研究目标、内容和论文 的结构。 6 第二章z i g b e e 无线通信网络技术 第二章z i g b e e 无线通信网络技术 2 1z i g b e e 无线通信技术概论 z i g b e e 的名字来源于蜜蜂的通信方式，蜜蜂之间是通过跳z i g z a g 形状的舞蹈 来相互交流信息，以便共享食物源的方向、距离和位置等信息。z i g b e e 是针对小 型设备的无线联网和控制而制定的协议规范，拥有一套非常完整的协议层次结构， 由i e e e s 0 2 1 5 4 和z i g b e e 联盟共同制订完成，。z i g b e e 是一种短距离、低速率、 低功耗、低成本和低复杂度的无线传输技术，它工作于无需注册的2 4 g h zi s m 频段，传输速率为1 0 k b s 2 5 0 k b s ，传输距离为1 0 7 5 m 。具有电池寿命长、应用 简单、可靠性高及组网能力强等特点，主要适用于无线传感器网络、自动控制和 远程控制领域。 根据i e e e8 0 2 1 5 4 标准协议，z i g b e e 的工作频段为3 个频段，这3 个工作 频段相距较大，而且在各频段上的信道数目不同，因而，在该项技术标准中，各 频段上的调制方式和传输速率不同。它们分别为8 6 8m h z 、9 1 5m h z 和2 4 g h z ， 其中2 4 g h z 频段上，分为1 6 个信道，该频段为全球通用的工业、科学、医学频 段，该频段为免付费、免申请的无线电频段，在该频段上，数据传输速率为2 5 0 k b p s ；另外两个频段为9 1 5 8 6 8m h z ，其相应的信道个数分别为1 0 个信道和1 个 信道，传输速率分别为4 0k b p s 和2 0k b p s 。 在组网性能上，z i g b e e 设备可构造为星型网络或者点对点网络，在每一个 z i g b e e 组成的无线网络内，连接地址码分为1 6b i t 短地址或者6 4b i t 长地址，可 容纳的最大设备个数分别为2 1 6 个和2 3 2 个，具有较大的网络容量。 在无线通信技术上，采用免冲突多载波信道接入( c s m a c a ) 方式，有效 地避免了无线电载波之间的冲突，此外，为保证传输数据的可靠性，建立了完整 的应答通信协议。 z i g b e e 设备为低功耗设备，其发射输出为0 3 6 d b m ，通信距离为3 0 7 0 m ， 具有能量检测和链路质量指示能力，根据这些检测结果，设备可自动调整设备的 发射功率，在保证通信链路质量的条件下，最小地消耗设备能量。 广东工业大学硕士学位论文 为保证z i g b e e 设备之间通信数据的安全保密性，z i g b e e 技术采用了密钥长度 为1 2 8 位的加密算法，对所传输的数据信息进行加密处理。 2 2z i g b e e 网络设备类型 z i g b e e 的网络设备类型包括：网络协调器、全功能设备( f f d ) 和精简功能 设备( r f d ) 【4 3 】。 l 、网络协调器：包含所有的网络消息，是3 种设备类型中最复杂的一种，存 储容量最大、计算能力最强。功能有：发送网络信标、建立一个网络节点、存储 网络节点信息、寻找一对节点间的路由消息、不断地接收信息。 2 、全功能设备( f f d ) ：可以担任网络协调者，形成网络，让其他的f f d 或 是精简功能装置( r f d ) 连接，f f d 具备控制器的功能，可提供信息双向传输。 ( 1 ) 附带由标准指定的全部8 0 2 1 5 4 功能和所有特征。 ( 2 ) 更多的存储器、计算能力可使其在空闲时起网络路由作用。 ( 3 ) 能作用终端设备。 3 、精简功能设备( r f d ) ：r f d 只能传送信息给f f d 或从f f d 接收信息。 ( 1 ) 附带有限的功能来控制成本和复杂性。 ( 2 ) 在网络中通常用作终端设备。 ( 3 ) z i g b e e 相对简单的实现自然节省了费用。r f d 由于省掉了内存和其他 电路，降低了z i g b e e 部件的成本，而简单的8 位处理器和小协议栈也有助于降低 成本。 2 3z i g b e e 网络拓扑结构 z i g b e e 网络支持多种网络拓扑结构，如图2 1 所示。最典型的网络结构是星 型网络的拓扑结构【4 3 】。对于星型网络，由一个协调器和多个终端节点组成。在星 型网络中，所有的通信都是通过协调器转发。这种星型的网络结构从理论上来讲 是可以支持多个节点系统的通信要求的，但是系统的协调和协作的所有信息的交 互都需要通过协调器。除了支持星型网络以外，z i g b e e 还支持集群( c l u s t e r ) 和 网状( m e s h ) 等对等网络。在对等网络中，也存在一个p a n 协调器( c o o r d i n a t o r ) ， 但是它己经不是网络的主控制器，而是主要起到发起网络和组网的作用。在对等 第二章z i g b e e 无线通信网络技术 网络中，一个设备在另一设备的通信范围之内，他们就可以互相通信。因此，对 等网络拓扑结构统一构成较为复杂的网络结构。对等网络拓扑结构主要在工业检 测和控制，无线传感网络，供应物资跟踪，农业智能化以及安全监控方面都有广 泛的应用。在网络中，各个设备之间发送消息时，使用了多跳传输，以增大网络 的覆盖范围。其中，组网的路由协议是采用了一种简化的a o d v 路由协议无论是 星型拓扑还是对等拓扑，每个独立的p a n 都有一个唯一的标志符( p a n i d ) ，用 以同一个网络之内节点的互相识别和通信。 a 星型网 2 4z i g b e e 协议栈 c网状网络 bm e s h 网络 图2 0 1z i g b e e 网络拓扑结构 f i g 2 1z i g b e en e t w o r kt o p o l o g ys t r u c t u r e z i g b e e 技术是一种可靠性高、功耗低的无线通信技术，在z i g b e e 协议栈中， 其体系结构是通过层来量化它的各个简化标准。每一层负责完成所规定的任务， 并且向上层提供服务。各层之间的接口通过所定义的逻辑链路来提供服务。z i g b e e 协议栈的体系结构主要由物理层( p h y ) 、媒体接入控制层( m a c ) 、网络安全 9 层以及应用框架层组成i 州其各层的分布如图2 2 所示。 从图2 2 不难看出，z i g b e e 协议栈的体系结构比较简单，其中物理层( p h y ) 和媒体接入控制层( m a c ) 采用i e e e s 0 2 1 54 协议标准，而网络，安全层和应用 层则由z i g b e e 国际联盟制定，各层之间均有数据服务接口和管理实体接口。下面 对z i g b e e 协议栈各层协议的功能进行简单的介绍。 - 一 图2 - 2 z i g b e e 协议栈 f i g2 - 2z i g b e ep i 。| o t o c o ls t a c k 24 1z i g b e e 物理层 z i g b e e 物理层不仅规定了信号的工作频率范围、调制方式和传输速率，而且 还规定了物理层功能和为上层提供的服务。 z i g b e e 技术对于不同的国家和地区提供的工作频率范围不同，i e e e8 0 2 】5 4 规范标准对于不同的频率范围也规定了不同的调制方式，因而其数据传输速率也 不同。如表2 1 所示。 表2 - 1 不同地区的z i g b e e 标准 t a b l e 2 - 1z i g b e es t a n d a r do f d i f f e r e n t a r e a s 工作频率范围m h z国家和地区 调制比特速率，k b p s 8 6 8 - 8 6 86欧洲b p s k 2 0 9 0 2 9 2 8 北美 b p s k4 0 2 4 0 0 2 4 8 35全球 o q p s k 2 5 0 z i g b e e 物理层通过射频固件和射频硬件提供了一个从媒体接入层( m a c ) 到 瓣驰驴鹫艨 韶i l | 竺 镶i = 一 舶一 同 e e 暑! l 一 一 懋 一 雌 - 第二章z i g b e e 无线通信网络技术 物理层( p h y ) 无线信道的接口。在物理层中，存在有数据服务接入点和物理层 实体服务接入点。数据服务接入点支持在对等连接m a c 层的实体之间传输m a c 层协议数据单元，提供数据传输和接收服务；物理层实体服务接入点通过调用物 理层的管理功能函数，为物理层管理服务提供其接口，同时，还负责维护由物理 层所管理的目标数据库，该数据库包含有物理层个域网的基本信息，物理层提供 的管理服务包括检测当前信道的能量、接收链路服务质量信息和选择信道频率等。 2 4 2z i g b e e 媒体接入层 z i g b e e 媒体接入层采用的是i e e e8 0 2 1 5 4 标准的m a c 层协议规范，m a c 层处理所有物理层无线信道的接入【一3 1 。它通过两个不同的服务接入点提供两种不 同的m a c 服务，即m a c 层通过它的公共部分子层服务接入点提供数据服务，通 过管理实体服务接入点提供管理服务。m a c 层的主要功能为：网络协调器产生网 络信标、与信标同步、支持个域网链路的建立和断开、为设备的安全性提供支持、 信道接入方式采用免冲突载波检测多址接入( c s m a c a ) 机制、处理和维护保 护时隙( g t s ) 机制、在两个对等的m a c 实体之间提供一个可靠的通信链路。 m a c 层的数据服务是公共部分子层服务接入点提供的数据传输服务，它为上 层协议和物理层之间的数据传输提供一个接口，实现数据发送、数据接收、清除 m a c 层的事务处理排列表的一个数据单元等服务。 m a c 层的管理服务是允许上层与m a c 层管理实体之间传输管理指令，其功 能分别为设备通信链路的连接与断开管理、信标管理、个域网信息库管理、孤点 管理、复位管理、接收管理、信道扫描管理、通信状态管理、设备的状态设置和 启动、网络同步、轮询管理等。 2 4 3z i g b e e 网络层 z i g b e e 网络层的主要功能就是提供一些必要的函数，确保z i g b e e 的m a c 层 正常工作，并且为应用层提供合适的服务接口。为了向应用层提供其接口，网络 层提供了两个必须的功能服务实体，它们分别为数据服务实体和管理服务实体。 网络层数据实体通过网络层数据实体服务接入点提供数据传输服务，网络层管理 实体通过网络层管理实体服务接入点提供网络管理服务。网络层管理实体利用网 络层数据实体完成一些网络的管理工作，并且，网络管理实体完成对网络信息库 的维护和管理】。 广东工业大学硕士学位论文 网络层数据实体为数据提供服务，在两个或者更多的设备之间传送数据时， 将按照应用协议数据单元的格式进行传送，并且这些设备必须在同一个网络中， 即在同一个内部个域网中。网络层数据实体提供如下服务包括有生成网络协议数 据单元，网络层数据实体通过增加一个适当的协议头，从应用支持层协议数据单 元中生成网络层的协议数据单元；指定拓扑传输路由，网络层数据实体能够发送 一个网络层的协议数据单元到一个合适的设备，该设备可能是最终目的通信设备， 也可能是在通信链路中的一个中间通信设备 4 3 1 。 网络层管理实体提供网络管理服务，允许应用与堆栈相互作用。网络层管理 实体应该提供的服务包括：配置一个新的设备，为保证设备正常工作的需要，设 备应具有足够堆栈，以满足配置的需要，配置选项包括对一个z i g b e e 协调器和连 接一个现有网络设备的初始化操作；初始化一个网络，使之具有建立一个新网络 的能力；连接和断开网络，具有连接或者断开一个网络的能力，以及为建立一个 z i g b e e 协调器或者z i g b e e 路由器，具有要求设备同网络断开的能力；z i g b e e 协调 器和z i g b e e 路由器具有为新加入网络的设备分配地址的能力；邻居设备发现，具 有发现、记录和汇报有关一步邻居设备路由的能力；路由发现，具有发现和记录 有效地传送信息的网络路由的能力：接收控制，具有控制设备接收机接收状态的 能力，即控制接收机什么时间接收、接收时间的长短，以保证m a c 层的同步或 者正常接收等。 z i g b e e 网络层支持星型、树型和网状型拓扑结构。在星型拓扑结构中，整个 网络由一个称为z i g b e e 协调器的设备来控制。z i g b e e 协调器负责发起和维持网络 正常工作，保持同网络终端设备通信。在网状型和树状型拓扑结构中，z i g b e e 协 调器负责启动网络以及选择关键的网络参数，同时，也可以使用z i g b e e 路由器来 扩展网络结构。在树型网络中，路由器采用分级路由策略来传送数据和控制信息。 树型网络可以采用基于信标的方式进行通信，网状型网络中，设备之间使用完全 对等的通信方式，在网状网络中，z i g b e e 路由器将不发送通信信标。 网络层的地址分配算法。加入z i g b e e 网络的节点通过m a c 层提供的关联过 程组成一棵逻辑树，当网络中的节点允许一个新节点通过它加入网络时，它们之 间就形成了父子关系，每个进入网络的节点都会得到父节点为其分配的一个在网 络中唯一的1 6b i t 网络地址。z i g b e e 协调器决定在其网络内允许连接的子设备的 最大个数，这些子设备由路由器和终端设备组成，每一个设备具有一个网络深度， 第二章z i g b e e 无线通信网络技术 即连接深度表示仅仅采用父子关系的网络中，一个传送帧传送到z i g b e e 协调器所 传递的最小跳数。z i g b e e 协调器自身深度为o ，而它的子设备深度为1 。对应多 跳网络，其深度大于1 。z i g b e e 协调器决定网络的最大深度。假定父设备拥有子 设备数的最大值为c m ，网络的最大深度为l m ，父设备将路由器作为它的子设备 的最大数为r m ，则可计算函数c s k i p ( d ) ，该函数为在给定网络深度和路由器以及 子设备个数的条件下，父设备所能分配子区段地址数为： d 坳( d ) _ 1 1 + + c 踟m 絮一- 锄a - 1 ) 尺珑三历一一1 1 一冗们 ，i fr m = 1 ( 2 1 ) ，o t h e r w i s e 如果一个设备的c s k i p ( d ) 值为o ，由于它没有接收子设备连接的能力，并且 将这样的设备看作为一个z i g b e e 网络的终端设备。如果父设备的c s k i p ( d ) 值大于 o ，则可以接受子设备，并且将根据子设备是否具有路由器能力来向子设备分配不 同的地址。利用c s k i p ( d ) 作为偏移，向具有路由器能力的子设备分配网络地址， 父设备为它的第一个路由器子设备分配一个比它自己更大的地址，随后所分配给 路由器子设备的地址将以c s k i p ( d ) 为间隔，依此类推为所有的路由器分配地址。 假设父节点的地址为a p a r e n t ，则第n 个终端设备的网络地址将按照如下公式进行 分配： a n = a p a r e n t + c s k i p ( d ) r m + n ，l n s ( c m r m ) ( 2 2 ) z i g b e e 网络层采用两种路由算法：c l u s t e r t r e e ( 簇树) 路由协议和a o d y j r 路由算法。c l u s t e r t r e e ( 簇树) 路由协议是一种由网络协调器展开生成树状网络 的拓扑结构，适合于节点静止或者移动较少的场合，属于静态路由，不需要存储 路由表。而a o d v j r 路由算法是针对a o d v ( a dh o c 按需距离矢量路由协议) 算法的改进，考虑到节能、应用方便性等因素，简化了a o d v 的一些特点，但是 仍然保持a o d v 的原始功能。 c l u s t e r t r e e ( 簇树) 路由算法与z i g b e e 路由层采用的分布式地址分配网络 地址的算法密切相关，该地址分配方案为每一个父设备分配一个有限的网络地址 段。这些地址在每一个特殊的网络是唯一的，并且由父设备分配给它的子设备。 在c l u s t e r - t r e e 算法中，节点根据分组目的节点的网络地址计算分组的下一跳。 对于地址为a ，深度为d 的z i g b e e 路由节点，如果满足下述表达式a d a + r m c s k i p ( d ) ，则说明目的节点是它的一个终端 子节点，这时下一跳节点地址n 为：n = d ，否则n = a + l + ( ( d 一( a + 1 ) c s k i p ( d ) ) 幸c s k i p ( d 、) 。 如果目的节点不是接收节点的一个后代，则将分组发送给它的父节点。 a o d v j r 路由算法具有a o d v 的主要功能，但考虑到降低成本、节能、使用 的方便性等因素，对a o d v 作了一些简化： ( 1 ) 为了减少控制开销和简化路由发现的过程，a o d v j r 中并没有使用目的 节点序列号。a o d v 协议使用目的节点序列号确保了所有路径在任何时间无环路， 为了保证路由无环路，a o d v j r 中规定只有分组的目的节点可以回复路由应答命 令帧( r r e p ) ，即使中间节点存有通往目的节点的路由也不能回复路由应答命令 帧。 ( 2 ) a o d v j r 不存在a o d v 中的“先驱节点列表”，从而简化了路由表结构。 在a o d v 中节点如果探测到下一跳链路中断则通过上游节点转发路由错误命令 帧( r e r r ) ，通知所有受到影响的源节点。在a o d v j r 中，路由错误命令帧仅转 发给传输失败的数据分组的源节点，因而不需要先驱节点列表。 ( 3 ) 在数据传输中如果发生链路中断，a o d v j r 采用本地修复，在路由修复 的过程中，同样由于没有使用目的节点序列号而仅允许目的节点回复路由应答命 令帧。如果本地修复失败，则发送路由错误命令帧至数据分组的源节点，通知它 由于链路中断而引起目的节点不可达。路由错误命令帧的格式也被简化至仅包含 一个不可到达的目的节点，而a o d v 的路由错误命令帧中包含多个不可到达的目 的节点。 ( 4 ) a o d v 中节点周期性地发送h e l l o 分组，为其它节点提供连通性信息； 而a o d v j r 中节点不发送h e l l o 分组，仅根据收到的分组或者m a c 层提供的信 息更新邻居节点列表。 c l u s t e r t r e e 算法中，节点收到分组后可以立即将分组传输给下一跳节点，没 有路由发现过程，而且节点不需要维护路由表，从而减少了路由协议的控制开销 和节点能量消耗，并且降低了对节点存储能力的要求；但由于c l u s t e r - - t r e e 建立 的路由不一定是最优的，会造成分组传输时延较高，而且较小深度的节点往往业 务量较大，相对较大深度的节点业务量又比较小，这样就容易造成网络中通信流 1 4 第二章z i g b e e 无线通信网络技术 量分配不均衡。因而，z i g b e e q b 允许r n + 节点使用a o d v j r 去发现最优路径 i 州+ 节点收到分组后，可以发起a o d v j r 中的路由发现过程，找到一条通往目 的节点的最短路径，当存在两条相同跳数的最短路径时，节点可以根据8 0 2 1 5 4 m a c 层提供的l q i ( 链路质量) 指标，选择l q i 较高的那条路径；路由建立过程结束 后，节点沿着刚刚建立的路由发送分组；如