（控制科学与工程专业论文）基于无线网络能源监测系统的研制.pdf

学位论文的主要创新点 一、抄取用户用电量数据，通常采取的方式有有线4 8 5 模式和无线模 式，但是在学校楼宇，居住小区，绿化面积比较大的场合，如果采取 有线模式，需要在绿化地挖沟铺线，架设线缆，无疑增加工程项目负 担。本论文讨论的是在楼宇，居住小区这样特定的场合采用无线网络 监测用户的用电量，无需在绿化面积大的场合挖沟架线，这是本课题 所要讨论的重点。 二、在组网方面，本论文采用一主多从的组网方式，由于楼宇内部通 常有较强的信号屏蔽作用，无线模块节点与中心节点的通信需要一个 信号接力，而本文采用的s z 0 5 无线模块具有中继路由的功能，能够 把信号中转发送至中心节点，有效克服信号屏蔽带来的传输距离较短 的问题。 三、另外，本文所研制的电能监测系统采用三相电能计量芯片 a t t 7 0 2 2 b ，其对有功功率的测量精度达到了o 2 ，并且这款电能计 量芯片测量参数齐全，支持全数字式校表即软件校表，提高了校表精 度，简化了硬件设计，降低了设计成本，成为这次系统研制的优势。 要包 模块 元以 量的 力集 单片 机与计量芯片之间通过s p i 建立通讯，单片机再将采集到的数据通过r s 4 8 5 与无线 模块通讯，这样终端模块就可以实现从电参量采集到电参量通讯。为了提高传输 上的能力，本设计还利用中继来进行信号接力；其中中继模块是一个无线模块 s z - 0 5 ，传递中心节点传来的信号给终端部分，实现了系统的可扩展性。中心节 点是整个系统的重要部分，控制芯片采用a v rm e g a l1 6 2 单片机，它与s z 0 5 之间 通过r s 4 8 5 通讯。在上位机部分，主要是需要将返回的参量数据放入库表里便于 查阅，供管理中心后台运作管理。 本文依据实际工程背景，针对系统的总体结构及硬件设计、软件等关键问题 进行了探讨。首先，按照系统提出的技术要求，依据可靠性高、实用性强、操作 方便的设计原则，合理设计了能源监测系统的总体结构。在对系统软件实现过程 中，通过z i g b e e 组网技术实现某一信道内的网络连接一起，实现组网目的，通过 硬件设计改善系统的测控精度，使该控制策略具有良好的控制精度和很强的扩展 性，实验结果表明该设计完全达到了系统要求的技术指标。其次，针对系统的复 杂性，如组网过程中的信号数据包易丢失的问题，采用的解决方案是加入中继路 由来信号接力，实现整个系统的连贯性。 关键词：单片机，无线模块，电量采集，z i g b e e 技术组网，m o d b u s ，上位机 p a r to fc e n t r a ln o d ec o n s i s t so fm c uc o n t r o lu n i ta n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n m o d u l ea sw e l la st h ep cu n i t w h a f sm o r e ，t e r m i n a ln o d e sa n dc e n t r a ln o d e sa r et h e c o r eo ft h es y s t e m i nt h ee l e c t r i c i t yp a r a m e t e rg a t h e r i n gs y s t e m a c c o r d i n gt ot h e a c t u a ln e e d s ，w eu s et h ec 8 0 51 fm c ua n dt h ep o w e rm e t e r i n gc h i pp r o d u c e db yt h e g r o u pi n s h e n z h e na c t i o n sa t r 7 0 2 2 bc h i p s a n dl a s tw eu s et h ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nm o d u l ep r o d u c e db yt h es h u n c o ms z - 0 5s e r i e s t h em c u c o m m u n i c a t e sw i t ht h ea m 0 2 2 bo v e rt h es p i a f t e rt h a tt h em c uc o l l e c t st h ed a t a a n dc o m m u n i c a t e sw i t ht 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 e so v e rr s 4 8 5 s u c ht h e t e r m i n a lb l o c k sc a nf m i s ht h ew h o i ej o b si n c l u d i n gt h ee l e c t r i c i t yp a r a m e t e rg a t h e r i n g a n dc o m m u n i c a t i o n w ea l s ol l s et h er e l a yt oe n h a n c et h et r a n s m i s s i o na b i l i t y t h e r e l a ym o d u l ec o n s i s t so fw i r e l e s sm o d u l es z - 0 5 ，w h i c hc o m m u n i c a t e s w i t ht h es z - 0 5 t h r o u g hr s 4 8 5 i nt h ep cp a r t ，w en e e dt om a n a g et h ed a t aw h i c hi sg a t h e r e db yt h e m c u b a s e do np r a c t i c a le n g i n e e r i n gb a c k g r o u n d ，w ed i s c u s st h e s ei s s u e si n c l u d i n gt h e o v e r a l ls t r u c t u r ef o rt h es y s t e m f i r s t , a c c o r d i n gt ot h es p e c i f i c a t i o nw h i c hi sr e l i a b l e ， p r a c t i c a l ，e a s yt oo p e r a t e ，w ed e s i g nt h eo v e r a l ls t r u c t u r eo fe n e r g ym o n i t o r i n gs y s t e m i nt h ec o u r o ft h es o r w a r ed e s i g n , w ec o n n e c tac h a n n e ln e t w o r kw i t h i nz i g b e e t e c h n o l o g ya n da c h i e v en e t w o r k i n gp u r p o s e s e c o n d , i nv i e wo fs y s t e mc o m p l e x i t y s u c ha ss i g n a ld a t ap a c k e t sl o s sp r o b l e m ，w eu s et h er e l a yt os i g n a ld e l a ya n dr e a l i z e t h ec o h e r e n c eo ft h ee n t i r es y s t e m k e y w o r d s ：m c u , w i r e l e s sm o d u l e s ，p o w e rc o l l e c t i o n , z i g b e et e c h n o l o g yn e t w o r k , m o d b u sr t u p c 目录 第一章绪论1 1 1 课题的研究背景l 1 2 国内外研究现状l 1 3 论文的组织结构及重点2 1 4 本课题的研究意义3 第二章相关协议的介绍5 2 1z i g b e e 简介5 2 2z i g b e e 协议栈介绍6 2 2 1 协议的结构6 2 2 2 物理层7 2 2 3m a c 层8 2 2 4 网络层8 2 2 5 应用层l o 2 3z i g b e e 组网技术1 0 2 4m o d b u s 协议介绍1 3 2 4 1m o d b u s 数据传输1 3 2 4 2m o d b u s 的传输模式1 4 2 4 3m o d b u s 消息帧1 5 第三章电能监测系统开发平台的选择1 7 3 1 电能计量芯片a t t 7 0 2 2 b 1 7 3 1 1 工作原理1 7 3 1 2s p i 通讯1 8 3 1 3 芯片最小系统1 9 3 2 主控芯片c 8 0 5 1 f 3 1 0 2 0 3 2 1 系统概述2 0 3 2 2 工作原理2 l 3 3 无线模块s z - 0 5 介绍2 2 3 3 1 功能简介2 2 3 3 2 无线模块的外部接口2 2 3 4 软件开发平台的选择2 3 第四章电能监测系统硬件和软件设计2 5 4 1 电能监测系统总体方案分析2 5 4 2 终端节点的硬件设计分析2 6 4 3 终端节点的硬件设计2 7 4 3 1 功能分析以及解决方案2 7 4 3 2 采集终端的硬件框图2 8 4 3 3 采集终端部分主要原理图2 9 4 4 中心节点的硬件设计3 3 4 5 中心节点主要原理图3 3 4 5 1r s 4 8 5 通讯部分的原理图3 3 4 5 2 铁电存储器部分的原理图3 4 4 6p c b 版图的设计3 5 4 7 终端节点的软件设计3 9 4 8 中心节点的软件设计4 0 4 9m o d b u s 调试4 3 4 9 1m o d s c a n 主从节点联网调试4 3 4 9 2m o d b u s 数据包纠错算法4 3 第五章实验结果数据分析4 5 5 1m o d b u s 主从点通讯调试4 5 5 2m o d b u s 主从点数据传输测试4 6 第六章总结与展望5 3 6 1 工作总结5 3 6 2 展望5 3 参考文献5 5 发表论文及参加科研情况5 9 致谢6 1 1 1 课题的研究背景 从1 9 9 8 年浏览器上网，发送邮件等应用的用户连接发展到商务在线，网络 支付，政务在线的服务连接再到最近几年发展起来的物体定位，能源监测，环境 感知等领域的物体连接，这三个阶段即互联网，互联网的衍生应用，再到物联网 极大地促进了经济的发展，惠及了民生。 物联网中核心“物”要满足一系列的条件：首先是要有中心节点或者后台管 理中心来接受数据信息，这其中包括数据源，接收源，数据发送与接受说遵从的 通信协议，控制单元，最后重要的一点是既然是物连网络，就得有网络编址的问 题2 1 。 针对楼宇，小型建筑群如学校校舍的用电量的采集监测正是在物连网络在能 源检测系统应用的一个范例，在本次论文中，由无线模块和微控制单元以及一些 外围电路组成数据源装置和数据转发接受装置，而整个物连网络的通信协议包括 无线模块内嵌的底层协议z i g b e e 协议和具体应用层协议m o d b u s 协议，之所 以采用无线方式而不采用纯有线r s 4 8 5 模式是因为有线采集会带来一些弊端如 不宜在每个角落铺线，浪费人力物力，还有在后期的故障检测与维修中有线模式 的弊端会彰显无遗。综合考虑物联网的大范围应用和有线4 8 5 模式的弊端，基于 无线网络能源监测系统的研制就这样提了出来。 1 2 国内外研究现状 对于物连网在z i g b e e 无线网络的应用，在国内和国外的发展状况是不尽相 同的，在1 9 9 9 年之前，国内对物连网络在z i g b e e 无线网络的研究可谓凤毛麟角， 而国外有很多机构和知名公司都在进行物连网络在z i g b e e 无线网络的研究，正 是由于z 1 6 b e e 网络具有很多的优势，比如传输距离较近，节点与节点之间能传 输大约1 0 0 米以内，能耗较低，传输数据的速率在2 5 0 k b p s 等。中国和其他国外 一些大的企业已经着手研究z i g b e e 网络的具体工程应用。但是相比较来说，中 国的研究程度不及国外，中国内对于z i g b e e 的研究大都限于实验室的自行试验， 天津工业大学硕士学位论文 没有大规模的实际产品的出现；在国外，很多机构对z i g b e e 的研究在时间上比 较考前，取得的成绩也是不俗的，如著名的国外电力公司和研究机构利用无线传 感器网络技术，在欧美地区部署支持无线传感器网络的具体应用如自动读表 a m r ( a u t o m a t e d m e t e r r e a d i n g ) 而国内，1 9 9 9 年之后就启动了无线传感网络的研 究，目前已拥有从材料，技术，器件，系统到网络的完整产业链，可以说中国在 世界传感网络领域具有话语权，高校有全国第一物连网工程学院，即物连网工程 学院，应当来说，虽然物联网这个名词提出来不久，但是这个概念的相关领域得 到了广泛的应用。在中国市场上我们通过调查发现好多市场中都是国外知名企业 的产品充斥着。尤其是美国，日本等发达国家大力发展物联网业务应用 3 ，并 以此完善自己各自的商业模式。对比国内外，虽然我们国内现在的z i g b e e 与物 联网技术对接不是很成熟，但是我们相信在中国这个大市场下，这一概念的提出 必然会引起广泛的关注，物联网的概念的提出虽然可以为后来的z i g b e e 的具体 应用提供理论上的支持，但是我们通过国内外的现状看，对于这部分的课题的研 究相对于其他比较成熟的技术来讲还是一个比较时尚的话题，这需要各界的专业 人员共同攻关，物联网的广泛应用同时也是一个需要时间的过程，但是我们相信 在不久的将来，物联网与z i g b e e 的完美结合将会该人们的生活带来赏心悦目的 变化4 1 。 1 3 论文的组织结构及重点 我们设计的基于无线网络能源监测系统研制系统部分主要有采集用户用电 量的采集节点，负责接收从节点的电量数据的中心节点，以及在p c 端负责调试 测试数据的m o d s c a n 部分，我们设计的部分实现的作用主要有： f i 用户的用电量可以通过我们选用的a t t 7 0 2 2 b 和单片机组成的用户从节点测 量。 在从节点模块中，电能计量芯片a t t 7 0 2 2 b 与主控单片机c 8 0 5 1 f 之间通过 s p i 总线通讯；而主控芯片与无线模块s z - 0 5 之间通过加有光耦隔离的r s 4 8 5 总 线通讯。在这两两通讯过程中我们采取的电表通讯协议模式是m o d b u s 通讯协议。 这样电能计量芯片通过电压电流取样值转换成相应的数据，等待中心节点要数据 的命令。 中心节点汇集采集终端读取的电表的数据 中心节点收集电能采集终端节点传来的数据，然后根据后台上位机的指令回 送电参量，这样便于管理中心的数据获取和相应的管理。 2 第一章绪论 f i无线网络模块s z - 0 5 在2 4 g 频段的z i g b e e 网络中，能根据网络拓扑要求随 意设置节点类型，利于我们组网的各种测试方案的对比。 无线组网的拓扑结构，我们把从节点设置成终端节点类型，同时组网的信道 设置成统一的信道号。无线模块s z 一0 5 从节点与从节点的i p 编号各不相同，这 样使得组网后中心节点能按照i p 编号查询相关从节点的用户用电量的数据。 i lp c 端m o d s c a n 主从节点通讯调试数据 我们设计的本次系统在组成网络拓扑结构和正确的设置节点类型后，采集电 量的数据返回到中心节点之后，我们通过主从调试软件m o d s c a n 软件测试用户的 用电量数据。在这个界面中，根据我们的软件编程，有显示用户的三相电表各相 的电压，电流，有功功率，无功功率以及功率因数等参数。 l i 实验数据测试分析。 p c 端在获得要测试的从节点i p 编号之后，会有相关的用电量数据传送回来。 实验数据分析就是要根据用户的用电参数，绘制相应的用电量曲线，为以后的管 理提供依据。 本选题的重点是无线网络电量采集终端节点的设计，中心节点的设计， z i g b e e 的组网技术，在整个系统组网的过程中需要根据实际应用组建不同的网 络。以及根据采集的用户电量数据分析曲线为管理提供数据支持。 1 4 本课题的研究意义 电能的监测纯采用有线铺设所带来的问题，推动着电能监测系统的技术和应 用的不断发展，而基于z i g b e e 技术的无线监测系统作为一种新兴的短距离，低 速率无线网络通讯技术z i g b e e 网络能在数千个微小的节点之间相互协调通讯， 这些节点本身需要能量小，以接力的方式通过无线电波把数据从从节点传到中心 节点或者后台设备，具有很高的应用价值。主要应用于楼宇自动化，学校或其他 工业设备。我们所设计的基于无线网络能源监测系统利用z i g b e e 技术作为网络 应用的一个强有力的平台有重要的意义：物联网概念的提出，利用z i g b e e 无线 技术把从节点间连接成一个巨大的网状结构，这每个从节点的i p 编号各不相同， 但是z i g b e e 网络技术的优势在于能够在我们不人工干涉的情况下自动管理从节 点间的组网。由于具有这些特定的优点，所以z i g b e e 技术能够广泛地应用于很 多场合，比如无线传感器网络，数据采集系统的设计，公交系统的集中管理系统。 另外一个重要的优势在于我们设计的基于无线网络能源监测系统试用的场合是 针对学校的楼宇，小区等绿化面积大的场合，因为这些场合如果采用有线方式， 则需要在草地等地方挖沟刨线，造成一些不必要的工程预算。而我们采用无线网 3 天津工业大学硕士学位论文 络来实现这一项目的话，就能够节省掉这部分的开支。 同时利用无线布网可以解决有线布网的一系列的问题，比如利用有线布线在 空旷地带还可以，但是在一些地下或角落，不但布线困难，而且在后期的管理维 修上会很麻烦。我们采用无线技术之后，当管理中心监测到数据异常或者系统报 警的时候，我们可以方便的进行检测维修管理。 用户用电量的监测已经是较早的课题，但是在具体的应用实际过程中，尤其 网络传输的可靠性和误差率方面的没有广泛的实际应用。我们设计的基于无线网 络能源监测系统在网络组网，然后数据测试，曲线绘制方面下功夫，对于学校的 用电管理中心提供有力的数据支持。 4 2 1zig b e e 简介 作为一种新兴的短距离，低速率无线网络通讯技术z i g b e e 网络能在数千个 微小的节点之间相互协调通讯，这些节点本身需要能量小，以接力的方式通过无 线电波把数据从从节点传到中心节点或者后台设备，具有很高的应用价值。主要 应用于楼宇自动化，学校或其他工业设备，它具有以下几个特性婚1 ： n 工作频段灵活 z i g b e e 联盟选用了不需要许可认证即能适用的“免注册”工业、科学、医疗 频段，这样使用户能够自由地适用z i g b e e 产品。在我国适用的z i g b e e 产品全 部工作在2 4 g h z 频段。在2 4 g h z 频段里总共分配了1 6 个信道，每个信道的宽 度为6 m h z ，它的数据传输速率最高可达2 5 0 k b s 。z i g b e e 无线模块体积小巧， 重量轻盈，在大规模的从节点组网的时候有着较大的优势：由于在固有的免注册 频段2 4 g 里有1 6 个信道供用户选择，空间增大，机动性较强。这样在一个学校 楼宇或者小区内组成不同的网络拓扑结构时从节点之间不会窜扰，影响z i g b e e 网络的效果。 主控芯片的微控制器很容易满足z i g b e e 无线模块的应用。 在这次的系统设计中，采用的无线模块已经嵌入z i g b e e 协议。所以在主控 芯片和无线模块的连接应用方面不算太过复杂。这套方案尤其适用于那些要求在 较低成本的场合，但是不适用那些需要大量布置网络从节点的场合，随着 z i g b e e 的研究与发展，现在一种新的方案即把单片机和无线模块集成在一个片 子上的最小系统芯片即s o c 方法。利用这种方法，可以更减小硬件体积，降低产 品的造价。并且试用的范围增大，用途也大大增强。如应用在公交系统的管理， 物联网的未来应用场合等。 信息帧的收发过程比较保密 z i g b e e 网络技术在p h y 层和m a c 层使用国际上惯用的美国电气工程学会 指定的协议标准，为了保证信息收发过程的保密性，z i g b e e 网络技术中心节点 与从节点之间的通讯采用带时隙或不带时隙的载波检测多址方式访问，无线信道 问为了避免串扰通过相应的躲让原理进行信息帧的收发。由于信息帧的收发需要 一定的隐秘性，z i g b e e 与c r c 校验一起能够确认信息流的保密性。在本次基 5 天津工业大学硕士学位论文 于无线网络能源监测系统研制中，为了增加监测系统的灵巧度，保证本次采用的 主控芯片能够正常收发数据，需要从节点和中心节点的相应设备有较多的开启状 态，这样可以保证在适当的时候启用不同的开启状态，起到低功耗的目的。 从节点和中心节点等无线器件耗能少 在本次基于无线网络能源监测系统研制中，从节点的功耗是较低的，因为从 节点在相应中心节点的命令之后，即向中心节点返发数据，从节点的到中心节点 的信息帧流通周期很短，保证了二者的低耗能。 i i z i g b e e 拓扑组网方式多样化 z i g b e e 网络拓扑结构包括m e s h 结构，n e t 结构和t r e e 状结构。在本 次基于无线网络能源监测系统研制中，我们在实验室阶段组成网状结构，进行数 据测试，中心节点在一个信道的网络中可以挂接2 4 7 个从节点。利用不同的网络 拓扑结构可以实用不同的应用场合，这就需要在实验室及结合特定的工程应用选 择网络拓扑结构。 2 2z l g b e e 协议栈介绍 2 2 1 协议的结构 我们应用的完整的z i g b e e 协议由a p p l i c a t i o n 层，a p p l i c a t i o n i n t e r f a c e 层，a p p l i c a t i o nc o n 三r g e n c e 层，n e t 层，m a c 层和p h y 层 组成。z i g b e e 协议体系结构如图2 1 所示，其中n e t 层以上协议包括 a p p l i c a t i o n 层和a p p l i c a t i o ni n t e r f a c e 层等由z i g b e e 负责出具相关 规范，而底层的向m a c 层和p h y 层由美国电气电子工程师学会制定m a c 层和 p h y 层的相对应的标准1 。 6 第二章相关协议的介绍 巍用 心用层接u f 安全 z i g b e e 联盟 3 2 - 6 4 - 1 2 8 位加密 嗍络层l 2 2 2 物理层 媒介接入控制 卧c 物理层( p 盯) 8 6 8 删z 9 1 5 唧z 2 4 g h z 图2 - 1z i g b e e 协议体系结构 i i e e e 釉z l s 4 l z i g b e e 在p h y 层具有媒体访问控制层与p h y s i c a lw i r e l e s s 层之间的通用 连接，在z i g b e e 物理层要实现的任务如下：唤醒或者使得从端节点和中心节点 处于低功耗状态，监测无线网络的相应的信道的能量消耗，能显示在网络传输过 程中的传输性能，检测从节点与从节点之间i p 编号之间是否冲突的错误，在无线 网络中没有用到的信道进行相应的处理。 rz i g b e e 网络的传输频率和收发数据的速度 美国电气电子工程学会指定的底层的p h y 层通用传输频段，为2 4 g h z 频段的 p h y 层，8 6 8 9 1 5 瑚z p h l 层。两个物理层都是使用d i r e c ts e q u e n c es p r e a d s p e c t r u m 方法，在p h y 层的数据发送的标准一样，两个p h y 层的不同点体现在 于他们的网络传输频段、解调和调制的标准、数据包的长度和传输的速率不太一 样。 其中在物理层上的有关参数，有四个比较重要的参数如下所示： 1 ) 传输能量( p o w e r ) ：约i m w 的能量。 2 ) 传输中心频率的兼容性：约4 0p p m 。 3 ) 接收器之灵敏度：一8 5 d b m ( 2 4 5 0m h z ) ，- 9 2 d b m ( 8 6 8 9 1 5m h z ) ，1 分组差 错率( p s d u _ 2 0b y t e s ) 。 4 ) 接收信号强度指示的测量( r s s i ) 。 r 调制及扩频 在z i g b e e 的2 4 g 频段里p h y 层将数据每字节的低四位与高四位分别映射， 7 天津工业大学硕士学位论文 这样组成数据符号( s y m b 0 1 ) ，每种数据符号又被映射成3 2 位伪随机噪声数据码 片( c h i p ) ，数据码片序列采用半正弦脉冲波形的偏移四相移相键控技术 ( o - q p s k ) 调制。而且对偶数序列码片进行同相调制，而对奇数序列码片进行正 交调制。 r 分组差错率的数据格式 分组差错率的数据格式由如下部分组成：保证数据包传送一致的首字节、包 括数据包的字节总和的p h y 层，除此之外还有媒体应用层的数据包的纯数据总 量。 2 2 3m a c 层 在z i g b e e 网络协议中，底层的媒体应用层要实现的任务是：连接从节点与 从节点之间，从节点与中心节点之间，中心节点与中心节点之间的网络通讯，这 包括开始的成立网络连接，之后的系统网络管理以及中断任务；对于数据包的发 送与接收数据格式的统一；z i g b e e 无线网络的信道选择；数据包的格式检查； 对空余的信道等的相应维护；对中心节点查询相关从节点i p 编号的维护。而且 媒体应用层与上面的通讯层的通讯通过两个服务访问点实现。这样一来灵活的媒 体应用帧结构适应了不同的应用及网络拓扑的需要，同时也保证了协议的简洁 性。 2 2 4 网络层 z i g b e e 协议在n e t 层中主要实现的功能如下所示： 无线网络的组网结构的选择以及日后的管理是在n e t 层完成的。对从节点的 设备i p 编号的设置以及从节点与从节点之间的连接也是在n e t 层实现。在这个 网络中，根据设备所具有的通讯能力，又可以分为全功能设备( f f d ) 和精简功能 设备( r f d ) 。在这里要注意：f f d 设备与f f d 设备之间以及f f d 设备与r f d 设备之间可以通讯。r d f 设备与r f d 设备之间不能够通讯，r d f 设备只能与 f d f 设备通讯，或者通过一个f d f 设备向外转发数据。 e 网络结构 z i g b e e 网络可以组成三种网络拓扑结构如下： 星形结构 树状结构 网状结构 网络三种结构如图2 - 2 所示。 8 富网络协议 在网络层包含以下的功能：拓扑结构的搭建和维护，命名和关联业务，包含 了查找从节点的i p 编号地址，途径，实现动态连接，维护方面的任务。通过在 网络层实现的功能，可以很方便地管理从节点与从节点，从节点与中心节点组成 的网络造价。网络中的路由表和路由发现表如表2 1 所示，网络层数据帧的一般 格式如图2 3 所示。 9 天津工业大学硕士学位论文 表2 - 1 路由发现表 字段名 大小 描述 路由请求命令帧的一个序列， 路由请求i d l 每次初始化一个路由请求时， 列号加l 源地址 2路由请求发起者的1 6 位的网络 抽由r 发送地址2 最近最低花费的发送到本地址 的路由请求发送命令帧，这个 字节决定了路由应答命令帧要 走的路线 前面花费代价 1 从源地址累加到目前设备累计 路径花费的总和 剩余代价 1 叭目前设备节点到目标地址累 计路径花费总和 时间期限 2 一个自减定时器给出了路由发 现的期限 巨网络帧格式 网络层中通用帧格式如图2 - 3 所示。 字节：2 2 2 l 1 可变 目的地址 源地址广播半径广播序列号净荷 帧控制 路由子域 网络层数据头 网络层净稿 2 2 5 应用层 图2 - 3 通用帧格式 在应用会聚层中将主要负责把不同的应用映射到z i g b e c 网络上，在本系统 的设计过程中我们加入了一层应用层协议及m o d b u s 协议( 有关介绍见下面章 节) 来完成数据的通讯和控制要求。 2 3zig b e e 组网技术 在z i g b e e 网络中，从节点与从节点之间的组网是自动完成的，并且在数据 的发送与命令的接收过程中存在，有规则地进行维护，那么在我们这个能源监测 体制如何来满足z i g b e e 网络的有规律的功能的实现，在这里我们要建立一种方 1 0 第二章相关协议的介绍 便的可变化的灵活的i p 寻找供应的方式。在我们的基于无线网络能源监测系统 研制中，中心节点能够挂接好多从节点，在我们实验阶段，从节点和中心节点要 使得接入比较理想的从节点作为终端节点的话，那就要求在这个组网的过程选择 中要有从节点i p 地址的分发性能，意思就是z i g b e e 网络的中心节点如果可以发 给给申请网络地址的从节点网络i p 的话，那么系统中的信号接力作用的无线节 点也应有这样的功能，那么就要求具有地址分配能力，这种地址分配能力和中心 节点开始预置功能，z i g b e e 网络的复杂度、每个中心节点设备可以加入的采集 从节点的数量和信号接力作用的中继路由的数目都有联系。 同时为了有针对性地进行i p 编号的分发功能，为信号中转的无线模块提供 比较方便的路径，使得z i g b e e 网络的实现完整流畅。从节点的i p 编号分发的过 程是非常重要的。由于这个地址分发的过程不是静态的，不动的，所以这个过程 是一个非单向的选择，主要包括分发端和被分发端，分配端在实际应用过程中是 指从节点，而主动分发的部分是中心节点设备睁1 ，在从节点和中心节点的i p 编号分发的过程流程如图2 4 所示。 图2 - 4 被分配端流程图 同时要注意申请新加入网络的终端节点要先进行网络发现的操作，然后才收 天津工业大学硕士学位论文 集网络的反馈信息，这样最后把反馈信息加入到本设备的邻接表当中，分两种情 况如果没有z i g b e e 网络没有回应从节点加入到网络的请求，并且它的邻接表也 没有数据，那就证明从节点这个设备网络不存在加入网络的请求，就是说d 地 址分发不成功；而相反邻接表里面有网络加入的数据，那么就去取邻接表中的数 据，当成他要加入的z i g b e e 网络，最后通过数据包的格式通知z i g b e e 网络， z i g b e e 网络没有回应加入的请求，则需要修改邻接表的数据格式，再次申请， 如果z i g b e e 网络回应加入的请求，那么申请成功，设置此从节点是上一级主节 点，完善邻接表的有关信息。如果没有做到这一步表示口编号地址分发不成功。 这样的思路适用于对于中心节点，要实现数据流程如图2 - 5 所示，当中心节 点接收到一个从节点自动加入z i g b e e 网络中的i p 编号时，中心节点先要检查这 个从节点的编号是否与现有z l g b e e 网络中的i p 编号重叠，要是申请加入的从节 点的i p 编号已经与现有的z i g b e e 网络中的某一个子节点的i p 编号重合的话， 那么这次申请是无效的，反之，要是现有的i p 编号没有和要申请加入的1 0 编号 重合，那么中心节点要进行下一步的检查，就是所谓的自检，检查中心节点要想 加入申请的从节点的i p ，是有有容纳分发i p 编号的能力，好了，如果有的话就 表示从节点加入中心节点的要求可以满足，结果是中心节点会分发一个地址给申 请的从节点。相反的话拒绝n 纠副。 图2 5 分配端地址分配流程 1 2 第二章相关协议的介绍 2 4m o d b u s 协议介绍 m o d b u s 协议是工业控制器的网络协议中的一种n 印，在控制器和控制器、 控制器和单片机，p l c 等进行数据交换。由于m o d b u s 可以和多种器件进行数 据交换、在具体的应用中用户可以用到m o d b u s 的标准协议，然后根据自己的工 程应用补充，并且随着m o d u b u s 的规范化发展，它已经成为多种工程应用的参考。 而且目前各大公司生产的产品能够方便简单地可靠地组成相应的拓扑结构，从而 便于系统的统一管理。m o d b u s 规范具有中心节点和从节点等不同器件可以遵 循的统一数据帧格式。在中心节点主器件查询从节点器件的过程当中，可以查找 不正确的信息存储在相应的位置。如在本次设计的基于无线网络能源监测的研制 中，中心节点能够识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应 的话，控制器将生成反馈信息并用m o d b u s 协议发出。在其它网络上，包含了 m o d b u s 协议的消息转换为在此网络上使用的帧或包结构。这种转换也扩展了 根据具体的网络解决节地址、路由路径及错误检测的方法u 引，在实际应用中，我 们可以使用r s 2 3 2 ，m o d e m 加电话线、t c p i p 来联网。有两种传送方式，r t u 方式和a s c i i 方式。以l s b 在先的形式传送数字量，以m s b 在先的形式传送 模拟量。把通信参与者规定为主站和从站。在我们这个能源监测系统中，主站可 向多个电量终端从节点发送通信请求，最多可达2 4 7 个从站。每个从站都有自己 的地址编号。在本实验中我们连接了一个中心节点，各带1 1 个从节点进行实验。 2 4 1m o d b u s 数据传输 m o d b u s 控制器上的标准端口是使用一个r s 2 3 2 兼容的串行接口，定义了 连接器，接线电缆，信号等级，传输波特率，和奇偶校验等信号，这样控制器可 直接或通过调制解调器接入网络。通讯技术使用主从技术，即主机能起动数据传 输，称查询。而从节点等终端节点对中心主节点等发出的数据命令的回答，或处 理查询所要求的动作。主机可对各从机寻址，从机接收中心节点的命令后进行相 应的反应，由于中心节点作为主节点，而采集终端作为从节点应答，当中心节点 根据i p 编号查询从节点的数据信息的时候，并且从节点没有回传数据说明数据 包格式没有通过正确的校验，此时从节点会回发自己的i p 地址编号，响应的时 候，从节点会发送一个错误信息，不会返发主节点要求的相应地址的数据帧结构， 只会输出从节点的i p 网络标号n 踟，其主节点给从节点发送数据命令的过程如图 2 - 6 所示。 1 3 天津工业大学硕：仁学位论文 主节点查询信息 设备地址 广飞b 设备地址 功能代码功能代码 数据数据 校验码q 么校验码 从节点相应信息 图2 - 6 主节点给从节点发送数据命令的过程 在m o d b u s 的通信协议查询中的功能代码是一些中心节点要求自己要求的从 机设备应执行的相应操作。数据帧格式包括头验证码，从节点的i p 地址编号， 发送的功能码是读还是写等，数据的长度，c r c 校验码。在我们这次的基于无线 网络能源监测系统研制中主要用到功能代码0 3 - 读寄存器。当从节点相应中心节 点的命令相应之后，而且c r c 校验正确，那么从节点会返发数据，包括从节点的 地址，数据的长度，数据的具体信息和c r c 校验码。 2 4 2m o d b u s 的传输模式 在m o d b u s 协议中规定了两种数据传输模式a s c i i 和r t u 。这两种方式仅适 用于标准的m o d b u s 网络，在m o d b u s 协议中数据包格式在主节点和从节点都有相 应的规范。在主节点发出命令到从节点之后，从节点如何破解主节点的数据包命 令，然后回发数据包等n 鲥，m o d b u s 协议中的传输模式a s c i i 和r t u 消息帧格式 分别见图2 - 7 和图2 - 8 所示。 图2 - 7a s c i i 模式消息帧格式 图2 - 8r t u 模式消息帧格式 a s c i i 模式传输与r t u 传输模式的比较： 我们知道m o d b u s 网络协议中是一主多从，在本次基于无线网络能源监测系 统中，所有的从节点都是由主节点就是中心节点控制命令的输出。 1 4 模式， a s c i i 模式传输通常应用c h a r 型数据的输出，排除错误，在以j a v a 应用的 控制器中应用广泛：相比a s c i i 模式传输，r t u 模式适用于低级语言应用的控制 器。a s c i i 模式传输处理难度系数不是很大，传输的数据量比较，r t u 模式是它 的一半。而且用a s c i i 模式传输信息帧的c h a r 型数据间可以产生1 0 0 0 m s 的停顿， 这样可以满足运算精度高的计算机。 r t u 传输模式适用于我们本次设计的比较大众化的低端控制器。r t u 传输模 式输出的是一个字节的数据。 两种数据传输模式都有自己的应用场合，需要在实际应用过程中根据自己的 实际情况选择不同的数据传输模式。 2 4 3m o d b u s 消息帧 不论是a s c i i 模式还是r t u 模式，m o d b u s 信息以帧的方式传输，在信息 帧格式中有各自的开始标志和完成标志。这样规定的好处在于使得从节点能够明 白所接收的信息帧的含义，以中心节点发过来的开始和完成标志作为暗号”，提 高相应速度砒2 1 。 在本次设计的无线网络能源监测系统中，我们设计的从节点与从节点之间， 从节点与中心节点之间，中心节点与中心节点之间，都采用m o d b u s 协议。网 络协议中中布有一个主机，多个从节点，在通信的时候主从机制的工作过程是这 样的：当网络运行的时候，中心节点发出数据帧，里面包含命令的所有信息，对 从节点进行问答，发送信息。 m o d b u s 模式主要分为两种模式：a s c i i 模式和r t u 模式。 a s c i i 数据传输格式为：消息以( ：) 号( a s c i i 码3 a h ) 开始，以回车换行符 ( c r l f ) ( a s c l l0 d h 和o a h ) 表示信息结束。其他的域可以使用的传输字符是十 六进制的0 ，l ，2 9 ，a f 。网络上的设备会不断地检查开始标志位“：”字 符，当有一个冒号信号接收到的时候，此时从节点会利用c r c 效验码解析相应的 地址字节，判断是否是发给自己的。 其中中心节点主节点发送的信息中字符间的发送的时间间隔不能超出1 秒， 否则从节点会把它当成一个错误，而不返发相应的数据信息。其中在信息帧格式 里，起始位1 个字符，从机地址，功能代码，校验码和结束码各占用2 个字符。 r t u 模式中，在信息传输的起始字节要满足至少有3 5 个字符的静止时间， 根据我们自己具体应用过程中使用的数据传输速率，可以轻松实现这个静止的时 1 5 天津工业大学硕士学位论文 间。信息帧格式如下所示：t 1 t 2 t 3 t 4 的起始位时间间隔。一个字节即8 位的 从机设备的地址信息，功能代码信息一个字节，数据多个字节，还有c r c 校验 码2 个字节和结束标志码t 1 t 2 t 3 t 4 。 同样分析传输过程如下：传输信息帧的第一个字节是从机设备的地址。从设 备解码后判断是否是发给自己的，在最后一个传输字符之后，要保证至少 t 1 - t 2 - t 3 t 4 个字符的时间。 例如0 3 功能码，发送0 3 功能码再加上两个字节表示主机查询相应地址采集 终端节点的信息。1 1 0 3 0 0 3 8 0 0 0 1 x x 表示