（机械电子工程专业论文）基于ieee802154无线家庭控制子网关的设计与实现.pdf

浙江理工大学硕士论文 摘要 随着社会经济的快速发展及i t 技术的发展，家庭网络化、信息化已经成为人们研究 的热门课题，特别在无线家庭网络领域显示出其广阔的产业前景。国内外企业早已敏锐地 “嗅”出了这一市场，纷纷投身其中，抢占市场制高点。然而目前国内外无线技术层出不 穷且家庭网格标准尚未成熟，因此如何整合各领域优势，提供高效、易推广的家庭网络解 决方案成为主要的发展方向。做为家庭网络核心家庭网关更是研究家庭网络系统的关键。 论文以家庭控制子网为主要研究对象，首先讨论了目前智能家庭网络在国内外的发展 概况，并结合国内外的发展技术和研究现状，提出了基于i e e e 8 0 2 1 5 4 无线标准技术及 家庭控制子网通讯协议规范、家庭网络设备描述文件规范等国家家庭网络标准的 无线家庭控制子网关设计方案。该无线家庭控制子网关在硬件上采用了a r m 9 系列芯片作 为嵌入式控制核心，使得子网关有了丰富的片上资源、高性能的信息处理能力以及低功耗 的优势。采用开源的l i n u x 操作系统，其模块机制使得l i n u x 内核即保持独立又易扩充， 多任务的调度机制使子网关能很容易实现对家庭控制子网的配置、管理、无线数据交换等 功能。在无线通信模块上采用了符合i e e e 8 0 2 1 5 4 无线技术标准的超低功耗芯片，解决 了家庭网络内部的无线组网。以i e e e 8 0 2 1 5 4 无线技术为基础的家庭网络，不仅满足了 家庭局域网内任意方向的数据传输，且可组建大容量的网络拓扑结构。在软件上，论文给 出了家庭控制子网关的网络通信协议结构，并根据i e e e 8 0 2 1 5 4 无线技术标准及家庭 控制子网通讯协议规范分别实现了物理层、m a c 层、网络层、应用层的软件设计。在通 讯协议之上，子网关实现了对家庭控制子网内所注册设备的设备描述文件解析，并提供有 效的设备信息给用户界面。为了给用户提供友好的人机界面，在嵌入式系统上采用了q t 来开发图形用户界面，根据被控设备的设备描述文件信息，其各种功能简单明了的呈现在 用户面前，同时对用户的操作自动生成相应的网络帧格式并传输给相应子设备。良好的人 机界面使得用户能够轻松实现对家庭控制子网设备的管理和操作。 论文中作者不仅给出家庭控制子网关软件和硬件的具体设计实现，同时根据家庭控 制子网接口一致性测试规范对家庭控制子网关进行了相应验证测试，通过模拟控制子网 内设备功能，利用串口调试工具验证了子网关通讯协议以及子网关对子网设备的管理和控 制实现。最后论文对所做的工作进行了总结并阐述了系统设计中的不足和今后的工作。 关键词：家庭控制子网； i e e e 8 0 2 1 5 4 ； 嵌入式系统；通讯协议 浙江理工大学硕士论文 d e s i g na n dr e a l i z a t i o no f w i r e l e s sh o m ec o n t r o ls u b n e t w o r kg a t e w a y a d o p t i n g i e e e 8 0 2 1 5 4 a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fs o c i a le c o n o m ya n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , i n f o r m a t i z a t i o n a n dn e t w o r k i n gh a v eb e c o m eo n eo ft h em a i nt r e n d si nt o d a y sh o m en e t w o r kr e s e a r c h , e s p e c i a l l yi t sp o t e n t i a lp r o s p e c t si nt h ew i r e l e s sh o m en e t w o r kd o m a i n b o t ho ft h ed o m e s t i ca n d o v e r s e ae n t e r p r i s e sh a v ea l r e a d yp e r c e i v e dt h i sm a r k e ta n da r es t r u g g l i n gf o rt h ec o n t r o lo ft h e m a r k e t h o w e v e r , t h eh o u s e h o l dn e t w o r ks t a n d a r di ss t i l li ni m m a t u r i t ys t a t ef o rt h i sf i e l d ， t h e r e f o r ep r o v i d i n gah i g h l ye f f e c t i v ea n dp o p u l a rs o l u t i o nf o rh o m en e t w o r kb yc o n f o r m i t y v a r i o u sd o m a i n s s u p e r i o r i t yh a sb e c o m et h em a i nd e v e l o p m e n td i r e c t i o n t h eh o m eg a t e w a y , 酗 t h ek e r n e lo ft h eh o m e u s en e t w o r k , i st h ek e yt ot h ev a r i o u s es u l u t i o n s t h em a i nc o n t e n to ft h ep a p e ri sb a s e do nt h er e s e a r c ho ft h eh o u s e h o l ds u b - n e t w o r k n f i r s t l yd i s c u s s e st h es t a t eo ft h ea r th o m ea n da b r o a dd e v e l o p p i n gs i t u a t i o no fs m a r th o m e n e t w o r k , t h e ni n t r o d u c e st h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f i t ss o f t ：w a r ea n dh a r d w a r ef o rh o m e s u b - n e t w o r kg a t e w a yb a s e do ni e e e 8 0 2 15 4s t a n d a r d “s p e c i f i c a t i o nf o rh o m es u b - n e t w o r k c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l h o m en e t w o r kd e v i c ed e s c r i p t i o nf i l es p e c i f i c a t i o n a n ds t a n d a r d so r s p e c i f i c a t i o n s w i t ht h er e g a r d st oh a r d w a r e ，t h ew i r e l e s s e dh o m es u b - n e t w o r kg a t e w a yu s e s a r m 9c h i pa st h ec o r eo fe e m b b e ds y s t e m e n a b l e st h es u b - g a t e w a yt oh a v er i e ho cr e s o u r e s a n dh i 曲p e r f o r m a n c ei ni n f o r m a t i o n - h a n d l i n gc a p a c i t y , a sw e l la st h el o wp o w e rl o s ss u p e r i o r i t y i nt h i sp a p e r , l i n u xi sc h o o s e na st h ee m e b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m i t sm o d u l eb a s e da r c h i t e c t u r e m a k e st h e0 sk e m e le a s et oe x p a n d ，a n dt h em u l t i t a s k i n gm e c h a n i s me n a b l e st h es u b g a t e w a y e a s yt of u l l f i lt h eh o m es u b n e t w o r kf u n c t i o n ss u c ha sn e tc o n f i g u r e ，m a n a g e m e n ta n dw i r e l e s s d a t ae x c h a n g e t h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l eu s e sl o wp o w e rl o s sc h i pc o n f o r m e dt ot h e i e e e 8 0 2 15 4w i r e l e s st e c h n i c a ls t a n d a r d w h i c hh a ss o l v e dt h ep r o b l e mo fw i r e l e s sn e t c o n s t r u c t i o ni nd o m e s t i cn e t w o r k w i t ht h eh e l po fi e e e 8 0 2 15 4w i r e l e s st e c h n o l o g yt h eh o m e n e t w o r kc a l ln o to n l yt r a n s m i td a t at oa r b i t r a r i l yd i r e c t i o n s ，b u tc a ns e tu pl a r g e rc a p a c i t y n e t w o r kt o p o l o g y i nt h ea s p e c to fs o f t w a r e ，t h ep a p e l p u tf o r w a r d st h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c a l f o rh o m es u b 。n e t w o r k , a n dr e a l i z e st h es o f t w a r er e s p e c t i v e l yf o rt h ep h y s i c a ll e v e l ，m a cl e v e l ， n e t w o r kl e v e la n da p p l i c a t i o nl e v e la c c o r d i n gt ot h ei e e e 8 0 2 15 4w i r e l e s st e c h n i c a ls t a n d a ra n d “s p e c i f i c a t i o nf o rh o m es u b n e t w o r kc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s u b - n e t w o r ka l s or e a l i z e st h e f u n c t i o no fa n a l y z i n gt h eh o m en e t w o r kd e v i c ed e s c r i p t i o nf i l e sb e l o n gt oh o m en e t w o r kd e v i c e s ， a n dp r o v i l d e se f f e c t i v ed e v i c ei n f o r m a t i o nt ot h eu s e r sc o n t a c ts u r f a c e i no r d e rt op r o v i d et h e f r i e n d l yh u m a n - c o m p u t e ri n t e r f a c et ot h eu s e r s ，q ti sa d o p t e dt od e v e l o pt h eg r a p h i c a lu s e r i n t e r f a c eo nt h ee m b e d d e ds y s t e m w i t hd e v i c ed e s c r i p t i o nf i l e a l ld e v i c e s f u n c t i o n sa r ea l l c l e a r l yp r e s e n t e di nf r o n to ft h eu s e l 笃，a n du s e r s o p e r a t i o ni st r a n s l a t e dt on e t w o r kf r a m ef o r m a n dt r a n s m i t e da u t o m a t i c a l l y w i t ht h i sn i c eh u m a n - c o m p u t e ri n t e r f a c eu s l sc a ne a s i l yc o n t r o l a n dm a n a g eh o m es u b n e t w o r kd e v i c e s a tt h ef i n a lp a r to ft h ep a p e l s o m ee x p e r i m e n t sa r ep r e s e n t e dt ot e s tt h ef u n c t i o n a l i t yo f d e s i g n e dh a r d w a r ea n ds o f t w a r e sd i s c u s s e di nt h ea b o v es e c t i o n s t h et e s t sa r eb a s e do nt h e s p e c i f i c a t i o nf o r c o n f o r m a n c et e s to nt h ei n t e r f a c ef o rh e mc o n t r o ls u b n e t w o r k ”b y s i m u l a t i n gt h ee q u i p m e n tf u n c t i o n ，t h et e s tc o n f i r m e dt h es u b g a t e w a ye o m m u n i c a t i o np r o t o c o l 浙江理工大学硕士论文 a sw e l la st h es u b g a t e w a y sm a n a g e m e n ta n dt h ec o n t r o l i n gr e a l i z a t i o no ns u b - d e v i c e su s i n g c o mt e s t i n gt 0 0 1 f i n a l l yac o n c l u s i o nt ot h ew h o l e p a p e ri sp r o v i d e di nt h ee n do f t h ep a p e r k e yw o r d s ：h o m es u b - n e t w o r k ；i e e e 8 0 2 15 4 ；e m b e d d e ds y s t e m ；c o m m u n i c a t i o np r o t o c a l i i i 浙江理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师 的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰 写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：7 气秒 日期：川年月【c 日 浙江理工大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权浙江理工 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在 不保密口 学位论文作者签名：吲坳 日期：，嘭年；月( 1 日 年解密后使用本版权书。 指导教师签名拳砻归月 日期：一罗年3 月i c 7 日 浙江理工大学硕士论文 1 1 研究背景 第一章绪论 随着社会的进步，经济的发展，人们的生活品质有了更高的需求，特别是今年十七大 的召开，给我们传递了这样一个信息，实现2 0 2 0 年人均国内生产总值较2 0 0 0 年翻两番， 不久的将来人们的生活水平将有很大的提高，这也表明人们将逐渐的在生活环境，家居条 件等方面提出更高的要求。当今社会工作节奏日益加快，人们在一天繁忙的工作之后都希 望有一个智能、高效、舒适、便利、安全家居环境n 1 。因此适应人们追求现代生活方式要 求的智能家居逐渐成为研究的新热点，智能家居轻松、便捷、高效的特点会使我们的生活 方式发生质的改变，它将是对人类住宅的又一场新的革命，是未来家居模式必然发展的趋 势。 1 1 1 智能家居 智能家居近几年来已成为家电、通讯、自动化、房地产行业的一个热门话题。智能家 居是以住宅为平台，是将建筑、网络通信、通信家电、设备自动化、系统、结构、服务、 管理融为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的家居环境嘲。智能家居通过综合采用先 进的计算机、通信和控制技术，建立一个由家庭安全防护系统、网络服务系统和家庭自动 化系统组成的家庭综合服务与管理集成系统，从而实现全面的安全防护、便利的通讯网络 以及舒适的居住环境的家庭住宅。智能家居是一个多功能的技术系统，包括可视对讲、家 庭内部的安全防范、家居综合布线系统、照明控制、家电控制、远程的视频监控、声音监 听、家庭的影音系统等口1 。在国内，家居智能化产品多以总线制、电力线载波、无线等方 式来实现，在网络连接方面基本上用总线制联网、电话联网或者通过以太网方式来实现。 在国际上，诸多跨国集团军纷纷将目光投向智能家居这一领域，并推出了各种技术解 决方案。这些方案被赋予了很多名字：网络家电系统、数字家电系统、信息家电系统、e h o m e 系统等等h 1 。通过对比、分析可以看出，无论被称作什么名字，智能家居都具有类似的特 征：在家庭范围内使家电设备、电气设备、通讯设备网络化，并运行在统一开放的技术平 台上，对内实现设备的互连、互通，对外实现基于公众网络的宽带或窄带应用业务。 浙江理工大学硕士论文 i 1 2 家庭主网 家庭网络系统是融合控制网络和多媒体信息网络于一体的家庭信息化平台，是在家庭 范围，实现信息设备、通信设备、娱乐设备、家用电器、自动化设备、照明设备、保安( 监 控) 装置及水气热表或概称的三表三防、家庭求助报警等设备互联和管理的系统陆1 。家庭 网络按网络拓扑结构分为两个网段：家庭主网和家庭控制子网。家庭主网是家庭网络中包 括家庭主网关、信息设备、娱乐设备、通讯设备、家庭控制子网关等设备的网段。家庭主 网关与外部网络相连接，为家庭主网内的设备提供外部网络的接口，并实现家庭主网的配 置和管理功能。家庭主网中的控制设备可以通过主网关控制所有主网设备。家庭网络系统 构成了智能化家庭设备系统，提高了家庭生活、学习、工作、娱乐的品质，是数字化家庭 的发展方向。 家庭网络的体系结构和参考模型嘲，如图1 1 所示。 1 i 3 家庭控制子网 图1 1 家庭网络体系结构及参考模 家庭控制子网是家庭网络中包含家庭控制子网关、移动控制终端、照明设备、安保( 监 控) 装置及水电气热或改称的三表三防设备、家庭求助报警设备和家用电器等设备的网段。 f 7 1 家庭控制子网关是家庭控制子网中的一种设备，子网关能够与家庭控制子网中的设备实 现互联，同时为家庭控制子网内的各种设备提供与家庭主网的接口，使各子网设备可以获 2 浙江理工大学硕士论文 得各种服务，并实现对家庭控制子网的配置和管理。移动控制终端是家庭控制子网中的设 备之一，通过友好的人机交互界面，在家庭控制子网范围内，以无线的方式实现对家庭控 制子网设备的网络配置、控制、参数设置等功能。家庭控制子网设备是接入家庭控制子网 中具有网络接口、符合相应网段通信协议、支持必要网络功能的设备。 设备注册表是由子网关保存的描述家庭控制子网中各个家庭控制子网设备信息的文 件。 设备描述文件是用来描述设备自身功能和命令的数据结构文件。每台家庭控制子网设 备都会保存一份描述自身功能和控制命令的设备描述文件。该文件描述了设备的各项控 制、状态参数、以及对相关参数进行读取与设置的命令、设备控制图形界面、语音和报告 等内容。 通信模块是家庭网络设备的通信接口单元。通信模块可以采用与家庭网路终端设备控 制系统分离的结构，也可采用与家庭网络终端设备控制系统一体化的结构。 1 2 国内外相关技术及研究现状 智能家庭网络发展虽然只有2 0 多年的历史，但其发展速度相当迅猛，特别是随着社 会经济及科学技术的发展，网络和信息家电已越来越多地出现在人们的生活之中。世界家 电巨头为了占领家电制造业的制高点，并提升利润本已很薄的家电产品的附加值，纷纷开 展家庭信息化网络技术或信息家电平台技术的研究隅引。在韩国，三星集团推出了全面的 数字家庭解决方案。在其数字家庭中包含了可视对讲门铃、网络家电的控制、家庭娱乐等 内容，并在2 0 0 1 年的拉斯维加斯“消费电子展 上全面亮相。l g 电子也紧随其后，推出 了整体的网络家电控制系统，并在韩国的5 0 0 0 个家庭推广应用。为了解决不同企业标准 的产品互连互通的问题，韩国产业资源部技术标准院提出了“共同通信网络协议 ( c c p ) ， 并且已被i e c 确定为国际标准方案n 们。在日本，东芝、日立、三洋、松下等家电制造公司 纷纷推出整体的家庭信息化网络解决方案，但在实践过程中他们逐渐认识到：由于家庭信 息化网络的特点，单个厂家的产品不可能被消费者接受，转而进行联合，成立了“家庭信 息化网络联合体，并已制定家庭网络标准e c h o n e t 。美国的e c h e l o n 公司依仗其在 楼宇自动化领域多年的经验及掌握着电力线载波通讯的关键技术，也进入家庭网络技术领 域，并提出了l o n g t a l k 通讯协议；美国家电制造商协会( a h a m ) 联合g e 、惠而浦、美泰 克、三星、e l e c t r o l u x 、z i l o g 等公司，于2 0 0 2 年5 月提出了“家电设备互连标准 ( c 姒一1 ) 。 国际上以i n t e l 、m i c r o s o f t 为代表的i t 家电巨头成立了数字生活联盟( d l n a ) ，目的是 3 浙江理工大学硕士论文 提供国际家庭网络标准和产业推广m 1 。 目前，虽然国内家庭网络智能化还处于初始发展阶段，但近几年来我国政府及产业办 开始了自己的标准体系战略以及专利战略和人才战略，2 0 0 1 年1 2 月，在信息产业部科技司 的推动下，前国家计委、信息产业部、国家标准化管理委员会将家庭网络系统标准制定工 作纳入到国家数字电视标准体系中，并成立了“数字电视接收设备与家庭网络平台接口标 准 工作组，目标是制定具有自主知识产权的家庭网络系统标准n 铂。经过几年的努力，2 0 0 5 年6 月2 8 日，信息产业批准发布了6 项构成家庭网络基本技术规范的家庭网络标准：家庭 控制子网通讯协议规范、家庭网络系统体系结构及参考模型、家庭主网通讯协议 规范、家庭主网接口一致性测试规范、家庭控制子网接口一致性测试规范、家 庭网络设备描述文件规范。 1 3 课题研究意义、研究内容及创新点 1 3 1 无线家庭网络研究的意义 家庭网络组建从技术上主要分家庭有线网络技术和无线家庭网络技术，有线家庭网络 技术目前几种比较成熟的技术：r s 4 8 5 总线协议、c a n 总线协议、l i n 总线协议等n3 l ，有线 传输技术将要传输的信息限制在传输导线中，抗干扰性比较好，而且具有容量大、速率要、 宽频带和传输质量稳定的特点，能满足高速数据通信和宽带多媒体业务的通信需求，但有 线通信移动性较差，不易维护，不能及时适应用户及产品变化要求。而随着无线技术的发 展其可靠性和抗干扰能力的提高，无线技术的优点更加明显，使得无线技术在家庭网络的 应用更加广泛。无线局域网是最后一块未被开发的近距离无线通信领域，特别是在无线家 庭网络这块，随着国民经济的高速发展，人们对物质生活水平要求的逐渐提高，中国有着 巨大的市场潜力。但由于在无线技术和通讯协议等方面技术标准还难以统一，为智能家居 的迅速普及留下了很大的障碍。目前，国外公司正在加速加紧这方面的研究工作，企图垄 断这一产业，中国科技及工业界应力争在这一领域占有自己的一席之地。 1 3 2 课题研究的内容 论文主要研究对象为家庭控制子网，家庭控制子网的信息传输速率一般不超l o o k b p s ， 主要用来连接家庭中各种家用电器设备、三表三防设备及照明系统等，在家庭控制子网中 家庭控制子网关是其核心设备，能够与家庭控制子网中的设备实现互联，实现对家庭控制 4 浙江理工大学硕士论文 子网的配置和管理。论文主要参照国家家庭网络标准家庭控制子网通讯协议规范、家 庭网络系统体系结构及参考模型、家庭控制子网接口一致性测试规范及家庭网络 设备描述文件规范，采用i e e e 8 0 2 1 5 4 无线技术标准，研究并设计了无线家庭控制子网 关系统。子网关具有以下主要功能： 1 ) 提供友好的人机晃面； 2 ) 具有管理各种家庭控制子网设备的功能； 3 ) 与各个通行模块进行数据交换。 1 3 3 创新点 1 设计了一种无线家庭控制子网关，整个设备所采用的网络通讯协议、网络结构及 系统测试都参照2 0 0 5 年6 月2 8 日国家颁布的家庭网络标准家庭控制子网通讯协议规范、 家庭网络系统体系结构及参考模型、家庭控制子网接口一致性测试规范及家庭 网络设备描述文件规范。与传统的家庭网络相比，由于采用国家标准的家庭网络通讯协一 议，使其具有更强推广性，技术应用上更趋于完备，方便家庭网络的普及应用。 2 由于家庭控制子网通讯协议规范在2 4 g h z 频段上，并没有给出具体的物理层 和m a c 层协议，因此本文在无线技术上采用了国际i e e e 8 0 2 1 5 4 标准协议，这既是对国 家家庭控制子网标准协议的补充，同时这也是与国际低速无线技术标准的接轨。这种无线 技术可以支持2 5 6 个节点的星型网络、最大速率可达2 5 6 k b p s ，直线传输距离可达1 0 0 米， 很好的满足了家庭无线局域网的设计需求。 3 子网关采用a m r 9 系列芯片作为嵌入式控制核心，充分利用其丰富的片上资源、高 性能的信息处理能力以及低功耗的优势。采用开源的l i n u x 操作系统，l i n u x 的模块机制 使得l i n u x 内核保持独立又易扩充，多任务的调度机制使子网关能很容易实现对家庭控制 子网的配置、管理、无线数据交换等功能。 4 在可视化人机界面设计上采用了q t 图形用户界面开发，软件实现了对设备描述文 件解析，在可视化界面上被控设备的各种功能简单明了的呈现在用户面前，同时对用户的 操作自动生成相应的命令帧并传输给相应设备。良好的人机界面使得用户能够轻松实现对 家庭控制子网设备的操作。 5 浙江理i 大学硕士论文 第二章家庭控制子网关整体设计方案 2l 家庭控制子网的网络拓扑结构 家庭控制子网关作为家庭控制子网的核心e 要负责建立起整个控制子网网络，完成 对各个控制子网设各注册，提供友好t o a 机界面实现对各种家庭控制了网设备的网络配 置、控制、参数设置等功能，通过子网关用户可以查询、控制家庭子网设备的状态，同时 子网设备能够主动向子网芙报告自身的状态并通过子州关、家庭主网关将状态信息通知 近程的用户。 一个无线家庭| 叫络的组建其日口提和基f t i , 是选择一个合理的网络拓扑，网络拓扑的结构 町以决定删络的速度、特点和实现的功能。目f i , j - 广泛采用的网络拓扑结构种类有：星形拓 扑、树形拓扑、刚络拓扑、混合拓扑“”“。 足形拓扑整个成辐射状，通信数据和网络命令都通过中心节点传输。这类拓扑结构中 外围节点直接于中心节点相连，艇彤拓扑结构最大的优点足结构简单，因此大大简化了通 信协议设计要求，特别是在网络层上不需复杂的路由算法，所以对于星形结构网络设计所 需要的成本较低，且方便管理。但这种网路结构存在不可避免的缺陷，星形的网路结构限 制了网络的覆盖范围，不能应付高密度的删络节点。集中的信息涌向中心节点，容易造成 网络拥堵、数据丢失、系统下降等。星形拓扑结构如图21 所示。 ，譬t ：j 髻譬譬害 2 l 星形拓扑结构 树形拓扑是多个星形拓扑的集合，若干个星形拓扑链接到一起，扩展到更广阔的区域， 可以实现网络范围内“多跳”信息服务的最简单的拓扑结构。树形拓扑结构展值的注意的 地方就是保持了星形拓扑的简单性：较少的上层路由信息、较低的存储需求。“多跳”能 嘻一，衲 浙江理工大学硕十论文 毒油 管i 孪，口 艿耆害。芬譬 赣挚 浙江理工大学硕士论文 家庭网络的这些特点同时参照 1 1 ，0 0 0 +7 2 01 0 m b2 0 2 5 0 ： 传输距离( 米) 1 1 0 01 - 1 0 +l 一5 0 +1 - 1 0 0 + 鹗 ；成功尺度速度、灵活性价格便宜，方便速度、灵活性 可靠、低功耗、l ； 錾 ；箩磐謦熹一 魏。自。巍；貔磊凌撬# 缀溉 乳，砸磁缓。募溉盘潞兹施旒钮茹轨糍= 础，彩。五缸翰觚端巍瑶螽轭燃妇疗磁i 缸施z 施，。 在家庭控制子网中，智能设备控制的数据量一般都很少，因此根据对比z i g b e e 、 h o m e r f 、b l u e t o o t h ( 蓝牙) 适合家庭控制子网的应用。根据表2 1 ，我们看到与其它无线 技术相比，基于8 0 2 1 5 4 技术标准的z i g b e e 有其更大的优点口钔： 功耗低：发射功率仅l m w ，还可采用休眠模式；两节5 号电池可工作6 个月到2 年( 与工 作环境和工作频率有关) 成本低：由于传输速率低，网络协议简单，成本较低，而且z i g b e e 协议免专利费。目 前模块成本在6 美元左右，随着用量的增大，很快就能降到1 5 美元到2 5 美元之间。 时延短：典型搜索设备时延为3 0 m s ，休眠激活时延为1 5 m s ，活动设备信道接入时延为 1 5 m s 。 网络容量大：一般一个网络可以容纳2 5 4 个从设备和一个主设备，通过路由网络可容 纳6 5 ，0 0 0 个设备。 传输可靠：采用碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的业务预留专用时隙，避免了发 1 0 浙江理工大学硕士论文 送数据时的竞争和冲突。m a c 层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送数据包都必须 等待接受方的确认信息。 安全：采用a e s - 1 2 8 力i 密算法，各个应用可灵活确定其安全属性。 z i g b e e 技术并不是完全独有、全新的标准。其物理层和m a c 层采用i e e e 8 0 2 1 5 4 技术 标准，然后在此基础上扩展了网络层和应用层。在家庭网络应用上z i g b e e 并没有在网络层 和应用制定相应的标准规范，很难在我国无线家庭网络中得到广泛的应用。因此本文即考 虑到i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 的优点，又从我国无线家庭网路应用实情出发，以i e e e 8 0 2 1 5 4 无线技术标准为基础，采用家庭控制子网通讯协议规范等国家标准来设计无线家庭控 制子网关。 2 3 系统硬件设计方案 2 3 ii e e e 8 0 2 1 5 4 无线射频技术标准 i e e e 8 0 2 1 5 4 标准是针对于低速无线个人区域网( 1 0 w r a t ew i r e l e s sp e r s o n a l a r e a n e t w o r k ，l r - w p a n ) ，把低能量消耗、低速率传输、低成本作为重点目标，旨在为个 人或者家庭范围内不同设备之间低速互连提供统一的标准 2 3 。i e e e 8 0 2 1 5 4 标准定义 的l r w p a n 网络具有如下特点瞵1 ： ( 1 ) 在不同的载波频率下实现了2 0 k b p s 、4 0 k b p s 和2 5 0 k b p s 三种不同的传输速 率。 ( 2 ) 支持星型和点对点两种网络拓扑结构。 ( 3 ) 有1 6 位和6 4 位两种地址格式。6 4 位地址是全球唯一的扩展地址，而1 6 位 地址是网内通信短地址。 ( 4 )支持冲突避免的载波多路侦听技术( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s w i t h c o l l i s i o na v o i d a n c e ，c s m a c a ) 。 i e e e8 0 2 1 5 4 标准协议包括两个协议层( p h y 物理层和m a c 层) ，p h y 层包括射频收 发器和底层的控制模块，采用直接序列扩频技术，可工作在两个独立的频段范围：8 6 8 9 1 5 m h z 和2 4 g h z 。低频段p h y 层涵盖了8 6 8m h z 欧洲频段和用于美国、澳大利亚等国家的 9 1 5 m h z 频段。高频段p h y 层为全球通用的2 4 g h z 。m a c 子层为高层访问物理信道提供点 对点通信的服务接口，采用可避免冲突的载波监听多路访问( c s m a c a ) 机制控制对无线 信道的访问。它的功能包括传输信标帧、同步和提供可靠的传输机制例。图2 5 表明了该 浙江理工大学硕士论文 协议栈的简化结构框图。 在图的上几层协议中包括一个支持网络构建、 运作和信息路由的应用层以及一个支持有预定功 能的设备应用层，但是这些上面层次的定义不包括 在i e e e8 0 2 1 5 4 协议中。i e e e8 0 2 2 协议中定 义的逻辑链路控制( l l c ) 可以通过包括特定服务的 聚合子层( s s c s ) 访问m a c 子层。一个l r - w p a n 网 络构架可以通过嵌入式设备来实现，也可以通过需 要p c 等外部设备支持的设备来实现。 物理层( p h y ) ：物理层定义了物理无线信道和 与m a c 子层之间的接口，提供物理层数据服务和物 理层管理服务。物理层数据服务从无线物理信道上 l 上层协议 i ： 。l l 8 0 2 2 l l c 善 i s s c s i 善 ，r i m a c 1 善工 l p h y i 收发数据，物理层管理服务维护一个由物理层相关 图2 5i e e e 8 0 2 1 5 4 协议结构 数据组成的数据库。 物理层相对简单，主要是在驱动程序的基础上，实现数据传输和管理。数据传输包括 数据的发送和接收。管理服务包括信道能量监测( e d ) ，链接质量指示( l q i ) 和空闲信道 评估( c c a ) 等，其模型如图2 6 所示。其中r f s a p 是由驱动程序提供的接口，而p d s a p 是p h y 层提供给m a c 层的数据服务接口，p l m e - s a p 是p h y 层给m a c 层提供的管理服务接 口。p h y 层协议还定义了p i p 层的服务原语，具体p h y 层原语在4 2 1 中会有详细说明。 物理层服务包括以下五个方面： ( 1 ) 激活和休眠射频收发器； ( 2 ) 信道能量检测( e d ) ； ( 3 ) 检测接收数据包的链路质 量指示( l q i ) ； ( 4 ) 空闲信道评估( c c a ) ； ( 5 ) 收发数据 信道能量检测为网络层提供信 图2 6 物理层参考模型 道选择依据，主要测量目标信道中接 收信号的功率强度，该检测本身不进行解码操作，检测结果为有效信号功率和噪声信号功 率之和。链路质量指示为网络层或者应用层提供接收数据帧时无线信号的强度和质量信 1 2 浙江理工大学硕士论文 息，它要对信号进行解码，生成一个信噪比指标。空闲信道评估判断信道是否空闲， i e e e 8 0 2 1 5 4 定义了三种空闲信道评估模式：第一种简单判断信道的信号能量，当信号 能量低于某- f - j 限值就认为信道空闲；第二种通过判断无线信号的特征，该特征包含两个 方面，即扩频信号特征和载波频率；第三种是前两种模式的综合，同时检测信号强度和信 号特征，给出信道是否空闲的判断。 m a c 层：m a c 层提供两种服务：m a c 层数据服务和m a c 层管理服务。前者保证m a c 协议数据单元在物理层数据服务中 的正确收发，而后者从事m a c 层的 管理活动，并维护一个信息数据库。 m a c 层就本质而言，实际上是建筑 在物理传输层之上的为原始信息 ( 比特或字节) 交互而建立的语法、 句法逻辑实体结构。i e e e 8 0 2 1 5 4 定义的m a c 层协议提供数据链路 层传输服务( m c p s ) 和管理服务 图2 7 姒c 层参考模型 ( m l m e ) ，其逻辑模型如图2 7 所示。m a c 层的管理服务主要有信道的访问，开始和维护 p a n ，节点加入退出p a n 、同步、传输事务管理等。其中p d - s a p 是p h y 层提供给m a c 的 数据服务接口，p l m e - s a p 是p h y 层给m a c 层提供的管理服务接口，而m l m e s a p 是由m a c 层 提供给n w k 层的管理服务接口，而m c p s - s a p 是m a c 层提供给n w k 层的数据服务接口。同 样的，m a c 层协议也定义相应的服务原语，具体m a c 原语在4 2 1 中会有详细说明。m a c 子 层的主要功能包括如下六个方面： ( 1 ) 协调者产生并发送信标帧( b e a c o n ) ，普通设备通过b e a c o n 与协调者同步； ( 2 ) 支持p a n 的关联( a s s o c i a t i o n ) 和取消关联( d i s a s s o c i a t i o n ) 操作； ( 3 ) 支持无线通信信道安全； ( 4 ) 使用c s m a - c a 机制访问信道； ( 5 ) 支持时槽保证( g u a r a n t e e dt i m es l o t ，g t s ) 机制； ( 6 ) 支持m a c 层实体之间可靠传输。 关联操作是指当设备加入到特定网络中时，向协调者注册以及身份验证的过程；取消 关联是设备退出网络的注销过程。 时槽保证机制和时分复用类似，但可以动态地为有收发请求的设备分配时槽。使用时 1 3 浙江理工大学硕士论文 槽保证机制需要设备间的时间同步，i e e e 8 0 2 1 5 4 的时间同步是通过超帧机制实现的。 在i e e e 8 0 2 1 5 4 中，可以选用超帧为周期组织l r - w p a n 网络内设备间的通信。每 个超帧都以网络协调者发出信标帧开始，在信标帧中包含了超帧将持续的时间以及对这段 时间的分配等信息。网络中的普通设备接收到包含超帧结构的信标帧后，就可以根据其中 的配置信息安排自己的任务。 超帧将通信时间划分为活跃和不活跃两个部分。在不活跃期间内，p a n 网络中的设备 不会相互通信，从而可以进入休眠状态以节省能量。超帧的活跃期间划分为三个阶段：信 标帧发送阶段、竞争访问阶段( c o n t e n t i o na c c e s sp e r i o d ，c a p ) 和非竞争访问阶段 ( c o n t e n t i o nf r e ea c c e s sp e r i o d ，c f p ) 。超帧的活跃部分被划分为1 6 个等长的时槽， 每个时槽的长度、竞争访问时段包含的时槽数等参数，都由协调者决定，并通过信标帧广 播到整个网络。图2 8 为一个超帧结构示意图。 1 型书 德 卜 g 罄g 葛l 黯翟髓垤 i l l l l l ，l l ，i i ，l 参l ，渺n 弘舻1 秘 如图2 8 超帧结构示意图 在超帧的竞争访问时段，i e e e 8 0 2 1 5 4 网络设备使用带时槽的c s m a - c a 机制，并且 任何通信都必须在竞争访问时段结束前完成。在非竞争时段，协调者根据上一个超帧期间 p a n 网络中设备申请g t s 的情