（控制理论与控制工程专业论文）现场总线系统的无线接入与互联.pdf

内蒙古科技大学硕士学位论文 论文题目：现场总线系统的无线接入与互联 一_ 作者：周雷 指导教师： 协助指导教师： 鍪塑皇塾堡单位：内蒙古科技大学 一。h 。- = 一：= ： 三堑查进塑单位：内蒙古科技大学 二一。灿：= ：= 二： 单位： o o _ - _ o _ l o _ l - _ _ _ _ _ _ l l _ _ - _ _ _ _ 一- 论文提交日期：2 0 1 0 年0 6 月1 2 日 学位授予单位：内蒙古科技大学 现场总线系统的无线接入与互联 w i r e l e s si n t e r e o n n e c t i o no f f i e l d b u ss y s t e m 研究生姓名：周雷 指导教师姓名：魏毅立 内蒙古科技大学信息工程学院 包头0 1 4 0 1 0 ，中国 c a n d i d a t e ：l e iz h o u s c h o o lo f i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y i n n e rm o n g o l i a u n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y b a o t o u0 1 4 0 1 0 ，p r c h i n a 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。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的研究成果，也不包含为获得 内蒙古科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并 表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 内蒙古科技大学硕士学位论文 摘要 d e v i c e n e t 是一种基于c a n 技术的低成本、高性能的现场总线网络，它的物理层 和数据链路层遵循c a n 2 0 协议，数据链路层协议通过c a n 控制器芯片实现。z i g b e e 技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术 或无线网络技术，主要适合于承载数据流量较小的业务，可嵌入各种设备中。g p r s 网络是基于g s m 的覆盖范围广，性能完善的无线网络，g p r s 通信网本身具有较强的 数据纠错能力，数据传输率较高，能够保证数据传输的可靠性和实时性。 本文根据d e v i c e n e t 技术、z i g b e e 技术和g p r s 技术特点，结合现场环境的实际 情况，给出了现场数据采集和远距离传输整体解决方案，在现场采用现场总线 d e v i c e n e t 和无线传感器网络z i g b e e 相结合，远程传输利用g p r s 网络，这样既方便 了现场的实时控制又低成本的实现了远程数据的传送。 论文中对系统的硬件和软件进行了详细的分析和设计。硬件方面，选用c h i p c o n 公司的超高频单片收发芯片c c l 0 0 0 实现z i g b e e 网络的数据传输，采用s i m c 0 m 公司 的g p r s 模块s i m 3 0 0 实现数据的远程传输，c a n 控制器选用m i c r o c h i p 公司的 m c p 2 5 1 5 ，c p u 选用a t m e l 公司的a t m e g a l 2 8 ；软件方面，采用了嵌入式实时操作系 统a v r x ，此操作系统内核小，速度快，代码公开便于裁减和扩展，在此基础上完成 了z i g b e e 协议栈软件，实现了d e v i c e n e t 应用层协议，并且完成g p r s 数据传输软 件的编制。 关键词：z i g b e e ；d e v i e e n e t ；g p r s ；现场总线 ， 内蒙古科技大学硕士学位论文 d e v i c e n e t , w h o s ep h y s i c a ll a y e ra n dd a t a - l i n kl a y e ra b i d eb yc a n 2 0p r o t o c o l , i sa k i n do fl o w - c o s ta n dh i g h - r , e r f o n m n e ef i e l d - b u sn e t w o r kb a s e do i lc a nt e c h n i q u e i t s p r o t o c o lo fd a t a - l i n kl a y e ri sa e h i e , e db yc a n c o n t r o lc h i p z i g b e ei sas h o r t - d i s t a n c e ，l o w - c o m p l e x i t y ，l o w - p o w e r , l o w - d a t a - r a t e ，l o w c o s ta n db i d i r e c t i o n a lw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g yo rw i r e l e s sn e t w o r kt e c h n o l o g y i ti sm a i n l ys u i t a b l ef o rt h es e r v i c et h a tb e a r s s m a l ld a t af l o wa n dc a nb ee m b e d d e di n t o v a r i o u se q u i p m e n t s c o m p a r i n gt oa l lt h ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u et h a te x i s t , z i g b e ei st h em o s tl o w - p o w e ra n dt h em o s tl o w - e o s t t e c h n i q u ea n di sa l s o0 1 1 eo ft h eh o t t e s tt o p i c si ne m b e d d e da p p l i c a t i o n g p r si sa k i n do f w i r e l e s sn e t w o r kw h i c hi sm o r ep e r f e c ta n dc o v e r sw i d er a n g e i th a sas t r o n ga b i l i t yo fd a t a e r r o rc o r r e c t i n ga n dh a sah j l g ht r a n s m i s s i o nr a t ea n dc 觚g u a r a n t e et h er e l i a b i l i t ya n dr e a l - t i m ep e r f o r m a n c eo f d a t at r a n s m i s s i o n b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s u c so fd e v i e e n e ta n dz i g b e ea n dg p r st e c h n i q u e sa n d c o m b i n e dw i t ht r u t ho ft h ef i e l d , t h i sp a p e rg i v e saw h o l es o l u t i o no i lf i e l dd a t aa c q u i s i t i o n a n df a r - d i s t a n c ei r a n s m i s s i o n d e v i c e n e tc o m b i n e dw i t hz i g b e ei st a k e ni nt h ef i e l da n d g p r si su s e df o rl o n g - d i s t a n c et r a n s m i s s i o n , w h i c hi sc o n v e n i e n tf o rt h er e a l - t i m ec o n t r o l a n da c h i e v e sl o w - c o s tl o n g - d i s t a n c ed a t at r a n s m i s s i o n t h i sp a p e rg i v e sd e t a i l e da n a l y s i sa n dd e s i g no nt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e f o r h a r d w a r e , t h eu l t r a - f r e q u e n c ym o n o l i t h i cl r a n s f e r - r e c e i v e rc c i0 0 0o fc h i p c o ni su s e dt o a c h i e v et h ed a t at r a n s m i s s i o no f z i g b e en e t w o r k ；t h eg p r sm o d u l es i m 3 0 0o fs i m c o mi s u s e dt or e a l i z el o n g - d i s t a n c ed a t at r a n s m i s s i o n ；m c p 2 515c a nc o n t r o l l e ro fm i e r o c h i pi s u s e d ；a t m e g a l 2 8o fa t m e li su s e d f o rs o t t w a r e ，t h ee m b e d d e dr e a l - t i m eo p e r a t i n g s y s t e ma v r x i su s e d t h i so p e v a t i a gs y s t e mh a sas m r h s y s t e mk e r n e la n dah i g ho p e r a t i n g s p e e d i t sc o d ei so p e na v ai sc o n v e n i e n tt oc u ta n de x t e n d t h ez i g b e ep r o t o c o ls t a c k s o f t w a r e ，d e v i e e n e ta p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o la n dt h eg p r sd a t aw a n s m i s s i o n f b 隔i ea r c a l la c h i e v e db a s e do i lt h i so p c r a l j l l gs y s t e m k e yw o r d s ：z i g b e e ；i ) e v i e e n e t ；g p r s ；f i e l db u ， 内蒙古科技大学硕士学位论文 目录 摘j 要i a b s t r a c t i i 弓l 言2 1 绪论一4 1 1z i g a e e 简介 1 1 1z i g b e e 网络节点类型4 1 1 2z i g a e e 网络工作模式5 1 1 3z i g a e e 网络拓扑结构。5 1 1 4 节点功能7 1 2g p r s 简介9 2g p r s - z i g b e e 无线网络系统整体设计1 0 2 1c c10 0 0 模块1 l 2 2s i m 3 0 0 模块1 2 2 3 主控制器模块1 2 2 4c a n 模块1 4 2 5d e v i c e l 证t 15 2 6u s b 模块l7 2 7p c bl ! l j 17 3 网络协调器系统软件设计18 3 1z i g b e e 信息帧19 3 2g p r s 模块软件设计1 9 3 3 主控制器软件设计2 0 4a v r 单片机的r t o s - a v r x 2 1 4 1a v r x 的特点2 l 4 2a v r x 的任务2 l 4 3a v r x 的信号量2 2 4 4a v r x 的定时器2 2 4 5a v r x 的系统堆栈2 2 4 6a v r x 语句结构2 3 结 论3 3 参考文献3 4 附勇乏a 3 7 在学研究成果。6 0 致 谢6 l 内蒙古科技大学硕士学位论文 引言 随着通信技术的发展，传统的信息和控制传送的方式正在被新的技术所取代，有线 的非功率传送的通信和控制系统由于缺乏易构性，线路安装和维护的成本高昂，随着时 间的推移可靠性更加难以保证，而且网络一旦安装完毕就不易更改，除非再次布网，而 无线的通信和控制传送网络由于低成本低功耗组网和更改方便正日益得到广泛的应用。 无线传感器网络w s n ( w i i d e 鼹s 锄s o rn e t w o r k ) 是由部署在监测区域内大量的具 有信息采集数据处理和无线通信能力的微小传感器节点通过无线电通信形成的一个多跳 的自组织网络系统，其目的实际协作地感知和处理网络覆盖区域内被监测对象的信息并 发送给检测者，无线传感器网络可以被广泛用于军事、环境保护。医疗护理、智能家 居、智能交通、智能建筑、工业控制和监视、空间探测等领域【i 短距离无线通信的历史发展到标准网络是近十几年的事，目前正在成为无线通信技 术的一大热点，表一列出了正在使用的几种主要标准的发展时间表和主要特点。 表1 1 几种短距离无线通信技术的简要比较 各种短距离无线通信技术的简要比较 红外技术成本较低，具有好的安全性和抗干扰性，但是传输距离较短且为视距传 播，无法组网。 w i - f i 传输速率高传输距离远，可以实现小范围的组网，但是w i f i 的8 0 2 11 的射 频和基带协议较为复杂，实现成本高功耗大，实现嵌入式应用困难。 h o m er f 的共享协议主要是侧重于p c 及其外设，成本较高，抗干扰性较差【2 1 。 蓝牙的技术比较复杂，应用系统费用高、功耗高、产品的互操作性还未得到很好的 解决。 内蒙古科技大学硕士学位论文 一一 而z i g b 的成本低，功耗低，可以胜任、m f i 无法胜任的领域，可以补充蓝牙技 术达不到的低速率长距离的技术盲区。 现场总线是连接现场智能设备和自动化控制设备的双向串行、数字式、多节点通信 网络。 在工业现场中，随着越来越多的复杂控制系统需求，现场总线获得了越来越广泛的 应用。 在解决工业环境及过程控制环境下的许多移动对象、旋转对象、危险环境对象的监 测与控制时仍有局限，对于移动设备上传感器，手持的数据采集设备等，采用有线的物 理介质连接是较难甚至无法实现的，在这些情况下就需要无线技术和现场总线的结合方 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1z i g b e e 简介 z i g b c e 是由英国i n v e n s y s 公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰 飞利浦公司于2 0 0 2 年1 0 月共同提出的一种新的短距离低速率无线通信技术。 z i g b e e 由i e e e8 0 2 15 4 小组和z i g & e 联盟两个组织制订。 z i g s e e 的连接时延一般在大约1 5 毫秒到3 0 毫秒之间，z i g b e e 采用直接序列扩频 ( d s s s ) 技术，工作频段分别为2 4 g ( 全球通用) 、8 6 8 兆赫( 欧洲) 和9 1 5 兆赫 ( 美国) ，都是无须申请执照的频段。 基z i g b e e 技术配置无线个域网络是近年来近距离无线通信技术的一种新发展f 3 】，在 工业自动化领域和智能家居领域的应用越来越广泛。 z i g b e e 的传输距离在1 0 - 1 0 0m 范围内，在空旷的环境中可达1 5 0m 。 一个z i g b e e 网络最可以有多达2 5 5 台的z i g a e e 设备相连接，其中包括一个主控 ( m a s t e r ) 设备和其他从属( s l a v e ) 设备。若是通过网络协调器( n e t w o r k c o o r d i n a t o r ) ，整个网络可以支持超过6 4 0 0 0 个的z i g a e e 网络节点。 依据i e e e8 0 2 1 5 4 标准和z i p ；b e e 协议，可以在数干个微小的传感器之间相互协调 并实现通信。这些传感器只需很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传 感器传到另一个传感器，所以通信效率非常高。 z i g b e e 网络设备主要包括网络协调器，全功能设备和精简功能设备三类。 网络协调器包括所有的网络消息，是三种设备类型中最复杂的一种，存储容量最 大，计算能力最强，功能是发送网络信标，建立一个网络，管理网络节点，存储网络节 点信息，寻找一对一节点间的路由消息，不断地接受和发送信息。 全功能设备( f u l l - f u n c t i o nd e v i c e ，f f d ) 可以担任网络协调者，形成网络，让其 他的f f d 或精简功能装置( r f d ) 联结。f f d 具备控制器的功能，可以提供信息双向 传输。其设备特性如下 4 1 ： 精简功能设备( r e d u c e d - f u n c t i o nd e v i c e ，r f d ) 只能传送信息给f f d 或从f f d 接 收信息。 r f d 由于省掉了部分内存和其他电路，降低了z i g s 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。 1 1 1z i g b e e 网络节点类型 从网络配置上，z i g b e e 网络中有三种类型的节点： 内蒙古科技大学硕士学位论文 ( 1 ) z i g b e e 协调点 ( 2 ) z i g b e e 路由节点 ( 3 ) z i g b e e 终端节点。 1 、z i g b e e 协调点 z i g a 协调点在i e e e 8 0 2 1 5 4 中也称为p a n ( p e r s o n a la r e an e t w o r k ) 协调点 ( z i g b e ec o o r d i n a t o r ，z c ) ，在无线传感器网络中可以作为汇聚节点。z i g b e e 协调点 必须是f f d ，一个z i g a e e 网络只有一个z i g b e e 协调点，是整个网络的主控节点。它负 责发起建立新的网络，设定网络参数，管理网络中的节点以及存储网络中节点信息等， 网络形成后也可以执行路由器的功能。z i g b e e 协调点是3 种类型z i g b e e j 节点中最复杂 的一种，一般由交流电源持续供电。 2 、z i g b c e 路由节点 z i g b e e 路由节点( z i g b r o u t e r ，z r ) 也必须是f f d 。z i g b e e 路由节点可以参与 路由发现，消息转发，通过连接别的节点来扩展网络的覆盖范围等 s l 。此外，z i g a e e 路 由节点还可以在它的个人操作空间( p o s ，p e r s o n a lq 斌嘶1 1 9s p a c e ) 中充当普通协调点 ( i e e e 8 0 2 1 5 4 称为协调点) 。普通协调点与z i g b e e 协调点不同，它仍然受z i g b e e 协 调点的控制。 3 、z i g b e e 终端节点 z i g b e e 终端节点( z i g b e ee n d d e v i c 洽，z e ) 可以是f f d 或者r f d ，它通过z i g b e e 协调点或者z i g b e e 路由节点连接到网络，但不允许其他任何节点通过它加入网络， z i g b e e 终端节点能够以非常低的功率运行。 1 1 2z i g , b e e 网络工作模式 z i g b e e 网络的工作模式可以分为信标( b e a c o n ) 和非信标( n o n - b e a c o n ) 2 种模 式，信标模式实现了网络中所有设备的同步工作和同步休眠，以达到最大限度的功能节 省，而非信标模式则只允许z e 进行周期性休眠，z c 和所有z r 设备必须长期处于工作 状态。 1 1 3z i g a e e 网络拓扑结构 i e e e 8 0 2 1 5 4 网络根据应用的需要可以组成星型网络，也可以组成点对点网络。在 星型结构中，所有设备都与中心设备p a n 网络协调器通信【6 】。在这种网络中，网络协 调器一般使用持续电力系统供电，而其他设备采用电池供电。星型网络适合家庭自动 化，个人计算机的外设以及个人健康护理等小范围的室内应用。与星型网络不同，点对 点网络只要彼此都在对方的无线辐射范围之内，任何2 个设备都可以直接通信。点对点 网络中也需要网络协调器，负责实现管理链路状态信息，认证设备身份都功能。点对点 内蒙古科技大学硕士学位论文 网络模式可以支持a dh o e 网络，允许通过多跳路由的方式在网络中传输数据。不过一 般认为自组织问题由网络层来解决，不在i e e e 8 0 2 1 5 4 标准讨论范围之内。点对点网络 可以构造更复杂的网络结构，适合于设备分布范围广的应用，例如，在工业检测与控 制，货物库存跟踪和智能农业等方面有非常好的应用背景。 由于树状网络和网状网络具有在多个网络之间路由数据包的功能，因而被称为多跳 网络，而星型网络被称为单跳网络【7 】。和任何网络一样，z i g b e e 网络也是多点接入网 络，这意味着网络中所有节点对通信介质的访问是同等的。其有二种类型的多点接入机 制，在没有使能信标的网络中，只要信道是空闲的，在任何时候都允许所有节点发送。 在使能了信标的网络中，仅允许节点在预定义的时隙中进行发送。协调器会定期以一个 标识为信标帧的超级帧开始发送，并且希望网络中的所有节点与此帧同步。在这个超级 帧中为每个节点分配一个特定的时隙，在该时隙内允许节点发送和接收数据。超级帧可 能还含有一个公共时隙，在此时，隙内所有节点竞争接入信道。 ( 1 ) 星形网络 星形网络是一个辐射状系统，数据和网络命令都通过中心节点传输。在这种路由拓 扑中，外围节点需要直接与中心节点无线连接，某个节点的冲突或者故障将会降低系统 的可靠性。星形网络拓扑结构最大的优点是结构简单，因为很少有上层协议需要执行， 设备成本低，较少的上层路由管理；中心节点承担绝大多数管理工作，如发放证书和远 距离网关管理等。缺点是：灵活性差，因为需要把每个终端节点放在中心节点的通信范 围内，必然会限制无线网络的覆盖范围；而且，集中的信息涌向中心节点，容易造成网 络阻塞，丢包，性能下降等情况。 星形网络以网络协调器为中心，所有设备只能以网络协调器为中，凸, s l ，所有设备只 能与网络协调器进行通信，因此在星形网络的形成过程中，第一步就是建立网络协调 器。任何一个f f d 设备都有成为网络协调器的可能，一个网络如何确定自己的网络协 调器由上层协议决定。一个简单的应用策略是：一个f f d 设备在第一次被激活后，首 先广播查询网络协调器的请求，如果接收到回应说明网络中已经存在网络协调器，再通 过一系列认证过程，设备就成了这个网络中的普通设备。如果没有收到回应，或者认证 过程不成功，这个f f d 设备就可以建立自己的网络，并且成为这个网络的网络协调 器。当然，这里还存在一些更深入的问题，一个是网络协调器过期问题，如原有的网络 协调器损坏或者能量耗尽；另一个偶然因素造成多个网络协调器竞争问题，如移动物体 阻挡导致一个f f d 自己建立网络，当移动物体离开的时候，网络将出现多个协调器。 网络协调器要为网络选择一个唯一的标识符，所有该星形网络中的设备都是用这个 标识符来规定自己的属主关系。不同星形网络之间的设备通过设置专门的网关完成相互 通信。选择一个标识符后，网络协调器就允许其他设备加入自己的网络，并为这些设备 转发数据分组。星形网络中的2 个设备如果需要互相通信，都是先把各自的数据包发送 内蒙古科技大学硕士学位论文 给网络协调器，然后由网络协调器转发给对方。 ( 2 ) 树状网络 树状网络是点对点网络的一个例子，也是z i g b e e 典型的网络拓扑结构1 9 1 。在一般的 点对点网络中，任意2 个设备只要能彼此收到对方的无线信号，就可以进行直接通信， 不需要其他设备的转发。但点对点网络中仍然需要一个网络协调器，不过该协调器的功 能不再是为其他设备转发数据，而是完成设备注册和访问控制等基本的网络管理功能。 网络协调器的产生同样由上层协议规定，例如，把某个信道上第一个开始通信的设备作 为该信道上的网络协议器。 在z i e 班e e 的树状网络中，绝大多数是f f d 设备，而r f d 设备总是作为树状的叶 设备连接到网络中。任意一个f f d 都可以充当r f d 协调器或者网络协调器，为其他设 备提供同步信息。在这些协调器中，只有一个可以充当整个点对点网络的网络协调器。 网络协调器可能和网络中其他设备一样，也可能拥有比其他设备更多的计算资源和能量 资源。网络协调器首先将自己设为簇头( c l u s t e rh e a d e r ，c l h ) ，并将簇标识符 ( c l u s t e ri d e n t i f i e r ，c i d ) 设置为0 ，同时为该簇选择一个未被使用的p a n 网络标识 符，形成网络中的第一个簇【l o l 。接着，网络协调器开始广播信标帧；临近设备收到信标 帧后，就可以申请加入该簇；设备是否可以成为簇成员，由网络协调器决定。如果请求 被允许，则该设备将作为簇的子设备加入网络协调器的邻居列表。新加入的设备会将簇 头作为自己的父设备加入到自己的邻居列表中。 上面描述的只是一个由单簇构成的最简单的树状，个域网网络协调器可以指定另一 个设备成为邻接的新簇头，以此形成更多的簇。新簇头同样可以选择其他设备成为簇 头，进一步扩大网络的覆盖范围。但是过多的簇头会增加簇间消息传递的延迟和通信开 销。为了减少延迟和通信开销，簇头可以选择最远的通信设备作为相邻簇的簇头，这样 可以最大限度地缩小不同簇问消息传递的跳数，达到减少延迟和开销的目的。 ( 3 ) 网状网络 m e s h 网状网络拓扑结构的网络具有强大的功能，网络可以通 z - t 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。 网状( m e s h ) 网是一种特殊的，按接力方式传输的点到点的网状结构i “】，其路由 可自动建立和维护。一个z i g b e e 网络只有一个网络协调器，但可以有若干个路由器。 协调器负责整个网络的建网，同时它也作为与其他类型网络的通信节点( 网关) 。构成 协调器和路由器的器件必须是全功能器件( 肿) ，而构成终端设备的器件可以是全功 能器件，也可以是简约功能器件( r f d ) 。 1 1 4 节点功能 典型的z i g b e e 节点可支持多种特性和功能。例如，i o 节点可能有多种数字和模拟 内蒙古科技大学硕士学位论文 输入偷出。一些数字输入可能被一个远程控制器节点用到，而其他数字输入可能被另 一个远程控制器节点使用。这种分配将创建一个真正的分布式控制网络。为了便于在 i o 节点和2 个控制器节点之间进行数据传输，所有节点中的应用程序必须保存多个数 据链路。为了减少成本，z i g b 节点仅使用一个无线信道来和多个端点接1 ：3 来创建多 条虚拟链路或信道。 一个z i g b e e 节点支持3 2 个端点( 编号为1 ) 和8 个接口( 编号为0 - - - 7 ) 。端点 0 被保留用于设备配置，而端点3 l 被保留仅用于广播，剩下的总共3 0 个端点用于应 用。每个端点总共有8 个接口。因此，实际上，应用在一个物理信道中最多可能有2 4 0 条虚拟信道。 一个典型的z i g b e e 节点也将有很多属性。例如，i o 节点包含称为数字输入1 、数 字输入2 、模拟输入1 等的属性。每个属性都有自己的值。例如，数字输入1 属性可能 有值1 或o 。属性的集合称为群集。在整个网络中，每个群集都被分配了一个唯一的群 集i d ，每个群集最多有6 5 5 3 5 个属性。 z i g b e e 协议还定义了一个称为配置文件的术语【1 2 j 。配置文件就是指对分布式应用 的描述。它根据应用必须处理的数据包和必须执行的操作来描述分布式应用。使用描述 符对配置文件进行描述，描述符仅仅是各种值的复杂结构。此配置文件使z i g b c e s 设备 可以互相操作。z i g b e z 联盟已经定义了很多标准的配置文件，例如，远程控制开关配置 文件和光传感器配置文件等。任何遵循某一标准配置文件的节点都可以与其他实现相同 配置文件的节点进行互操作。每个配置文件可以定义最多2 5 6 个群集，每个群集最多可 以有6 5 5 3 5 个属性。此灵活性允许节点有大量的属性。 1 2g p r s 简介 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os c r v i o g 、通用分组无线服务) 是一整套基于全球移动 通信系统g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ) 的包模式通信服判1 3 1 。 g p r s 用户以一种低成本并有效利用g s m 网络的非接入方式通信，具备以下特 性： 间歇的非周期性发送，发送间隔时间一般大于传输时延 频繁传送低容量数据 传送高容量数据不频繁 g p r s 通信中有两种服务方式，一种为点到点的服务方式f i t ，一种是点到多点的 服务方式p t m 。 g p r s 提供数据传输速率，最高可达1 7 1k b i t s 。g p r s 接入等待时间短，可快速建立 连接，平均为2s 。 内蒙古科技大学硕士学位论文 一一_ 提供实时在线功能用户将初始处于连线和在线状态，支持协议和x 2 5 协议。 g s m 网络覆盖面广，使得g p r s 能提供i n t c r n c t 和其他分组网络的全球性无线接 入。 g p r s 信道资源利用率高的特点，g p r s 使用分组交换，动态分配信道资源，有数据传 送时才占用资源，没有自动释放。 g p r s 网络适合于频发小数据量的实时传输。工业的远程数据采集系统就是一个比 较典型的频发小数据量的实时传输系统。 内蒙古科技大学硕士学位论文 2g p r s - z i g b e e 无线网络系统整体设计 g p r s - z i g b e e 系统是由多个z i g b e e 节点构成，每个z i g b e e 节点都可以通过c a n 总线和现场工作单元连接，可以进行控制数据的采集、计算和通信。z i g b e e 网络设备根 据拓扑结构可以分为三类：网络协调器、网络路由器和网络终端。网络协调器功能最强 也最复杂，网络路由器一般为全功能设备，网络终端可以是精简功能设备。简单的网络 可以由网络协调器和精简功能设备构成，形成星形结构( s t a r ) ，比较复杂的网络可 以有中间层全功能设备构成z i g b e e 网内路由节点，形成树状网络( 眦e ) 和网状网络 ( m e s h ) 文章的g p r s - z i g b e e 混合系统的网络协调器配备g p r s 通讯模块，可以实 现g p r s - z i d e e 系统间的远程互连或者和其他计算机系统的远程互连【1 4 1 。 为了实现本网络节点的设计，将本系统的硬件设计分为四个模块： z i g b e e 无线收发模块，由c h i p e o n 公司的c c l 0 0 0 无线收发芯片实现。 g p r s 收发模块，由英国s i m c o m 公司的g p r s 模块s i m 3 0 0 实现。 主控模块，由a t m e l 公司的微型处理器a t m e g a l 2 8 实现。 c a n 模块，由m c p 2 5 1 5 和m c p 2 5 5 1 组成的c a n 总线控制接口实现。 图2 1g p 赆z i g b 无线网络拓扑结构图 内蒙古科技大学硕士学位论文 图2 2g i 哏& 舀g b 无线网络系统硬嗣擞图 2 1c c l 0 0 0 模块 c c l 0 0 0 3 是位于挪威的c h i p e o n 公司生产的一种理想的超高频收发芯片，它专用 于低功率和低电压类无线产品【1 6 1 ，此i c 主要用于i s m ( 工业科学医疗) 方面和s r d ( 短距离通讯) 方面，工作频带分别为3 1 5 m h z 、8 6 8 枷陇和9 1 5 m h z ，但c c l o o o 可 以很容易地通过编程使其工作在3 0 0 1 0 0 0 m h z 。c c l 0 0 0 的f s k 数传可以达到 7 2 8 k h z 。 内蒙古科技大学硕士学位论文 图2 3z i g b e e 模块c c l 0 0 0 电路设计图 2 - 2sm 3 0 0 模块 s t m 3 0 0 2 是英国s i m c o m 公司生产的一种三频紧凑型封装g s m g p r s 模块【l r l ， 可以工作在9 0 0 1 8 0 0 1 9 0 0 m h z 频段，它可以低功耗地实现语音，短信息和数据及传真 通讯，s d m o o 的特性可以使它理想地用于固定式无线终端，m 2 m 以及手持设备等应 用。s i m 3 0 0 模块通过s i m 卡座和s i m 卡相连，并通过微型天线卡座连接9 d b 天线，通 过此二种外设实现s i m 3 0 0 模块和g s m 基站之间的信号发送和接收。本设计仅仅使用 了s i m 3 0 0 的g p r s 和s m s 功能，该g p r s 功能是通过s i m 3 0 0 和主控制器之间的 u a r t 通讯实现的。 2 3 主控制器模块 主控制器为a t m e g a l 2 8 处理器芯片【硎，a t m e g a l 2 8 是r i s c 型的8 位微处理器芯 片，主频为1 6 兆赫，芯片内部有1 2 8 k 的片上f l a s h ，选择这个芯片是因为这个芯片 有足够大的片上空间可以装下z i g a e e 协议栈。g p r s 、z i g b e e 、c a n 和u s b 模块均接 在a t m e g a l 2 8 的中断输入引脚上，四级中断形成雏菊花链式中断结构。主控制器芯片 的定时器和计数器可以辅助主控制器和z i g b e e 芯片之间的控制时序和协议栈协议内容 内蒙古科技大学硕士学位论文 的实 1 3 现 j 内蒙古科技大学硕士学位论文 兹 粪 翱鬣 一j 。曝 荔善墨荔墨 嬲嚣萎嬲o c 羲南e 尹墨 雕您委善乏嚣器 瓣蕤霎陲蠖瓣 荔隽荔霉 萎薹莓 墨奄霉蔼 擘一雾堋 鬻鬟羹 要譬甏 萋著薹甾 ”i i j 蓉 摔蟹 蚴 p 擎l 玲e l 捌砼 d c 2 秘强。 d e j 辫鼍 d c 僦 撵 口c s l 璐 捌潞戕6 渤 鞠睁，。畦埒7 絮x g 嚣b v c e 飘啪磁 ；流：a d l 蓼霉器霉黧瓣僦 圣蒌莲蓬 髫鬟鬈苗 耋1 勰藤 图2 5a t m e g a l 2 8 主拄潜毡啵计图 秘：蟹 船 糍 2 4 c a n 模测1 9 1 c a n 总线模块采用m i c r o c h i p 公司的m c p 2 5 1 5 和m c p 2 5 5 1 组合实现，通过c a n 总线模块可以和本地控制单元实现数据交互以实现应用工业控制或者科学医疗楼宇自动 化控制等应用，c a n 应用符合c a n 2 0 b 总线规范。 m c p 2 5 1 5 能够发送和接收标准数据帧以及扩展数据帧，并具有接收和过滤信息的 功能。m c p 2 5 1 5 通过其s i 引脚同m c u 进行数据传输，最高数据传输速率可达 1 m b p s 。m c u 可以通过m c p 2 5 1 5 与c a n 总线上的其他m c u 进行通信。m c p 2 5 1 5 内 含3 个1 4 字节的发送缓冲器，2 个1 4 字节的接收缓冲器，并且具有灵活的中断能力、 帧屏蔽和过滤、帧优先级设定等特性。这些特点使得m c u 对c a n 总线的操作变得非 常简单。 m c p 2 515 主要功能参数： 支持c a n 协议2 0 a 2 0 b 。 复茹稿w崎嚣一 鼍舢_。委蒂_z慧i每牮n_磊“ _0尹。铲一蔫旁 ：第_v20麓菇霉：f|嚣嘏计屯n籼。i 蓍_，嚣秘乏_ 内蒙古科技大学硕士学位论文 最大可编程波特率为1 m b p s 。 有标准帧和数据帧两种帧可供选择，每个帧中的数据段长可为0 - 8 字节。 支持远程帧。 内含3 个发送缓冲器和2 个接收缓冲器，并且其优先级可编程设定。 内含6 个2 9 字节的接收过滤器和2 个2 9 字节的接收过滤屏蔽器。 具有l o o p - b a c k ( 自环监测) 模式。 标准帧的数据段的前两个字节的单独过滤功能。 支持比c a n 更高层的协议，如d e v i c e n e t 。 c 臌 u 1 2 图2 6c a n 总线模块设计图 2 5d e v i c e n e t i z o ! d e v i c 2 n e t 协议最初由美国的r o c k w e l l 自动化公司开发应用。目前有o d v a ( o v e nd e v i e e n e tv e n d o ra s s o c i a t i o n ) 组织管理和推广。他是一个开放式的协议，只要付 出象征性的资金获得o d v a 的一个许可号码，就可以得到协议的详细内容。i ) e v i c e n e t 属于c i p ( c o n tr o la n d l n f o r m a t i o np r o t o c 0 1 ) 网络的范畴, c i p 网络有下列特点： 内蒙古科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 报文的传输类型有i o 、互索、配置、程序上下载等； ( 2 ) 他是一个面向连接的协议，必须要先建立才能