（通信与信息系统专业论文）基于zigbee和以太网的矿井安全检测系统研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 基于z i g b e e 和以太网的矿井安全检测系统研究 摘，要 煤炭位居当今世界最重要的三大能源之首。我国虽然是一个产煤大国， 可同时也是一个矿难发生相当频繁的国家。这主要是因为我国煤矿开采环 境复杂、自然灾害严重、煤企生产力水平相对偏低、安全生产基础薄弱， 由此造成煤企生产与安全的突出矛盾，特大事故时有发生。随着国民经济 对能源的需求不断增加，我国也在逐年扩大煤炭的开采规模、提高开采的 速度，但是盲目的提高生产效率，却不重视安全隐患导致了我国煤矿安全 事故的频频发生，造成了巨大的损失。由此可见，煤矿行业依然是我国安 全生产事故频发的重点行业，安全生产的形势相当的严峻。因此，确保矿 井工作环境的安全是煤矿工业的重中之重。 目前，我国现有的矿井安全检测系统大多采用有线传输方式进行监测， 通常采用的技术途径是有源r f i d 结合工业总线等有线的通讯方式。然而， 有线连接方式，由于布线困难：维护复杂、监测点少而使效果有限。如果 将瓦斯浓度的测量和w s n 相结合，发挥w s n 的架网简单、数据自动路由、 功耗极低、节点增删容易等优点来构建数量众多的监测点以实现实时检测， 那么，现有有线连接方式所存在的所有问题就可以得到圆满的解决。 本课题就是基于以上的分析，提出了基于z i g b e e 和以太网的矿井安全 检测系统的总体解决方案，介绍了z i g b e e 协议栈和网络构建及瓦斯浓度检 测方法；详细论述了z i g b e e 协调器节点、路由器节点及终端节点的软硬件 设计；描述了节点接入网络的工作过程；设计了z i g b e e 协议和以太网相互 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 转换并与上位机通讯及基于l a b v i e w 的上位机监控软件，并结合实际环境 建立了簇树型z i g b e e 网络。综合各种因素，本设计z i g b e e 网络中的节点 采用t i 公司生产的单芯片实现方案c c 2 4 3 0 。利用终端节点的传感器采集 到瓦斯浓度信号，经由路由器节点传输到协调器接点，通过协调器节点转 换到以太网上送达到上位机监控软件，完成瓦斯浓度的实时监控。一旦瓦 斯浓度超标，终端节点的语音报警系统便以语音方式报警，提醒矿下工作 人员撤离。经过实验室系统性能测试实验，本文所设计的系统能够完成系 统设计的要求，对矿下瓦斯实时监控具有一定的理论和实际意义。 基于z i g b e e 和以太网的矿井安全检测系统能够完美的解决有线方式检 测系统所存在的所有问题。节点均选用标准化设计，功耗低、可靠性高、 组网灵活、开放性好，便于推广应用。 关键宇：z i g b e e 技术，以太网，瓦斯监控，l a b v i e w i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 一 r es e a r c ho ft h em i n es a f e t y m o n i t o r i n gs y s t e mb a s e d0 n z i g b e ea n de t 舰r n e t a bs t r a c t c o a lo c c u p i e sf i r s tp l a c ea m o n g s tt h ew o r l d st h r e em a j o re n e r g ys o u r c e s c h i n ai sad o m i n a n tc o a l p r o d u c i n g c o u n t r y , b u tt h er a i n ed i s a s t e ro c c u r r e d f r e q u e n t l y a st h ec o m p l e x i t yo fc h i n a c o a lm i n i n gc o n d i t i o n s ，s e r i o u sn a t u r a l d i s a s t e r s ，r e l a t i v e l yl o wo v e r a l lp r o d u c t i v i t yl e v e lo fc o a le n t e r p r i s e sa n dw e a k s e c u r i t yp r o d u c t i v eb a s e ，t h e r ei s c o n s p i c u o u sc o n t r a d i c t i o nb e t w e e nc o a l p r o d u c t i o na n ds e c u r i t yp r o b l e ma n dd i s a s t r o u sa c c i d e n ts t i l lh a p p e n sf r o mt i m e t ot i m e w i t ht h ei n c r e a s i n gd e m a n do f n a t i o n a le c o n o m yf o rt h ee n e r g y , t h es i z e a n ds p e e do fc h i n a sc o a lm i n i n gh a sb e e nc o r r e s p o n d i n g l yi m p r o v e dy e a r b y y e a r , b u tt h eb l i n dp u r s u i to fp r o d u c t i o n e f f i c i e n c ya n dt h en e g l e c to f n o n s e c u r i t yi n c r e a s et h er i s k so fm i n e c h i n a sc o a lm i n es a f e t y a c c i d e n t s o c c u r r e df r e q u e n t l ya n dr e s u l t e di nh u g el o s s e s t h u si t c a nb es e e nt h a tc o a l r e m a i n sc h i n a sc u r r e n t p r o d u c t i o ns a f e t y a c c i d e n t p r o n ek e yi n d u s t r i e s ， p r o d u c t i o ns a f e t ys i t u a t i o ni ss t i l lg r i m t h e r e f o r e ，t oe n s u r et h es e c u r i t yo f m i n e e n v i r o n m e n ti st h ec o a li n d u s t r y st o pi s s u e a t p r e s e n t ，t h em o n i t o r i n gs y s t e mi sm a i n l yr e a l i z e db yc a b l e t r a n s m i s s i o n ， i i i i ti sau s u a lt e c h n i c a la p p r o a c ht h a ts o u r c er f i dw i t hi n d u s t r i a lb u sa n do t h e r w i r e dc o m m u n i c a t i o n i t ss oh a r dt ow i r ea n dm a i n t a i nt h a tm a k e t h er e s u l t sa r e n o ts a t i s f a c t o r y w ec o u l di m p r o v et h ec u r r e n tw o r k i n gs y s t e ms u c c e s s f u l l yb y u s i n gt h et e c h n o l o g yo f w i r e l e s st ot r a n s f o r mt h ei n f o r m a t i o no fg a s s t i l lt h e w i r e l e s sc o u l db el o wp o w e r , r o u t e ra u t o m a t i c ，e a s yt oa d da n dr e d u c et e r m i n a l n o d ea n de a s yt ob u i l dan e t w o r kw i t hal a r g en u m b e r o fn o d e s b a s e do nt h ea b o v ea n a l y s i s ，t h i sp a p e rp u tf o r w a r dt h ew a yo ft e s t i n gt h e g a sc o n c e n t r a t i o ns y s t e mb yz i g b e ew i r e l e s s n e t w o r ka n de t h e r n e t z i g b e e p r o t o c o ls t a c k ，n e t w o r kb u i l d i n ga n dt e s t i n gt h ec o n c e n t r a t i o no f c o a lg a sa r e d e s i g n e d a l s o d i dd i s c u s st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n o fz i g b e e ， i n c l u d i n gt h ec o o r d i n a t o r ，t h er o u t e ra n dt h et e r m i n a ln o d e t h e s t u d yt o l dt h e d e t a i lw o r ka n dr e q u i r e m e n t so f j o i n i n gt h en e t w o r k ，d e s i g n e dt h ea p p l i c a t i o no f t r a n s f o r mt h ed a t ab yp r o t o c o lt r a n s l a t i o nm o d u l ea n dp cm o n i t o r i n gs o f t w a r e b a s e do nl a b v i e w , b u i l d i n g ac l u s t e r t r e em o d en e t w o r kp r a c t i c a l i t y c o n s i d e r i n g a l lo ft h ef a c t o r s ，w ec h o s et i ss i n g l e - c h i pi m p l e m e n t a t i o n c c 2 4 3 0t ob u i l dt h en o d eo fz i g b e en e t w o r k t h eg a sc o n c e n t r a t i o ns i g n a li s c o l l e c t e db ys e n s o r so ft e r m i n a ln o d ea n dt r a n s p o r t e dt o c o o r d i n a t o rt h r o u g h r o u t e r , a n dt h e ng e tt op cm o n i t o r i n gs o f t w a r eb y p r o t o c o lt r a n s l a t i o nm o d u l e t o r e a l i z et h er e a l t i m em o n i t o r i n g o f g a s c o n c e n t r a t i o n o n c et h e g a s c o n c e n t r a t i o ne x c e e d st h es t a n d a r d ，t h ev o i c ea l a r ms y s t e mo f t e r m i n a ln o d ew i l l g i v e a na l a r mt om a k et h es t a f fe s c a p e a f t e r t h et e s t i n go ft h es y s t e m p e r f o r m a n c ei nl a b o r a t o r y , t h es y s t e md e s i g n e d i nt h i sp a p e rc a nm e e tt h e i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 r e q u i r e m e n t sa n dh a sc e r t a i nt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ef o rr e a l t i m e m o n i t o r i n go fg a sc o n c e n t r a t i o n t h em i n es a f e t ym o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nz i g b e ea n de t h e m e tc a n s o l v ea l lt h ep r o b l e m so fw i r e dm o n i t o r i n gs y s t e mp e r f e c t l y t h en o d e su s e c l a s s i cd e s i g n i ti sl o w p o w e rc o n s u m p t i o n ，h i g hr e l i a b i l i t y , n e t w o r k i n g f l e x i b i l i t y , o p e n n e s s ，e a s yt oe x p a n dt h ea p p l i c a t i o n s k e y w o r d s ：z i g b e et e c h n o l o g y , e t h e r n e t ，g a sm o n i t o r i n g ，l a b v i e w 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 课题研究背景及意义 第一章绪论 煤炭行业是一个非常特殊的行业，其中瓦斯、矿尘、顶压等安全隐患严重威胁着矿 井工作人员的人身安全。作为世界第一产煤大国，我国煤矿的严重安全事故频繁发生， 形势非常严峻。据统计，我国国有重点煤矿中4 4 4 的矿井瓦斯高或者煤和瓦斯很突出， 具有煤尘爆炸危险的矿井约占9 1 3 5 ，煤尘有爆炸危险的矿井约占8 7 4 ，自然发火危 险的矿井约占5 1 3 ，水文地质条件复杂或极复杂类型的煤矿占约2 5 0 4 ，小煤矿中高 瓦斯或者煤与瓦斯突出的矿井已然超过1 5 ，其中多达5 7 7 1 的矿井具有强爆炸性。 矿井瓦斯就是在煤炭开采过程中由煤层、岩层、采空区放出的以及生产过程中生成的各 类有害气体的总称，具体的讲，煤矿井下的有害气体包括甲烷( 又名沼气，化学式为 c h 。) 、乙烷、一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、硫化氢、氨、氢等，其中甲 烷气体所占比重最大，超过8 0 。煤矿瓦斯事故不论在重特大安全事故还是死亡人数上 都占到7 0 以上，所以煤矿瓦斯治理理所当然的成为煤矿安全生产治理的核心问题，如 何有效防范瓦斯事故也成为了解决煤矿安全问题的最关键环节。通常情况下，瓦斯爆炸 的浓度范围是5 15 。所以，采掘空间内的瓦斯浓度不允许超过规定限度( 大多数煤 矿规定不能超过1 ) 。大部分煤矿采取派专职人员巡检的形式来检测矿井内某点的瓦斯 浓度值，定期、定点的采集瓦斯信息，一旦瓦斯浓度超过报警线时( 通常为l ) 则报 警，同时，采取紧急措施来疏散工人、降低瓦斯浓度，保证人身安全，然而，如果瓦斯 在空气中含量较高时就会降低氧含量，甚至引起窒息，如果亲自到浓度信息采集点去采 集瓦斯浓度信息，就会存在采集人员人身安全的问题【2 1 。所以，怎样既能及时准确地采 集到矿井下指定采集点的瓦斯浓度信息，又能确保巡检人员的人身安全便成为我们研究 的热点问题。 通过矿井安全检测系统，可以实时监测矿井下的瓦斯浓度，一旦发现瓦斯超限，可 根据设定的参数和程序发出警报，使工作人员听到报警赶快撤离，从而有效地防止重、 特大瓦斯爆炸事故的发生。矿井安全检测系统对保障安全生产具有重大意义。使用矿井 安全检测系统对于煤矿安全生产，提高生产效率也具有十分重要的意义。目前，国外先 进的煤矿安全检测已经相当成熟，比如澳大利亚、新西兰等。在深入落实安全生产法 太原理工大学硕士研究生学位论文 的同时，完善煤矿井下安全检测系统，实现安全与效益兼顾已经成为我国煤炭企业的首 要任务。 1 2 现有矿井安全检测系统及发展方向 目前，我国现有的矿井安全检测系统大多采用有线传输方式进行监测，通常采用的 技术途径是有源r f i d ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 结合工业总线( 以太网e t h e m e t ) 等有线的通讯方式。但是有线监测方式存在以下几方面的缺陷： 布线相对复杂，劳动强度高，铺设速度慢，建设的初期很容易就形成安全上的盲 点，引起安全事故； 网络结构固定，不能随掘进工作动态变化，扩展性和灵活性都不够，容易导致资 源的浪费，从而使成本提高； 监测点一般都是固定的，很容易产生监测盲区； 工作现场的通信线路容易因施工而被破坏，一旦破坏其恢复周期通常比较长： 通信线路的维护成本高，由此造成部分煤矿边维护、边生产，甚至某些煤矿根本 不维护，这些违规现象严重威胁到了矿下工作人员的人身安全。 无线传感器网络( w s n ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ) 就是由分布在特定区域内的大量无 线传感器节点所构成的网络【3 】。网络中的每一个传感器节点都装有一种或者多种传感器 来获取信息，并且拥有一定的计算能力，各个节点之间通过网络协议进行信息的交流、 汇集及处理，实现对局部区域内目标的探测和定位【4 1 。随着通信技术、传感器技术及嵌 入式技术的飞速发展，新的微型传感器也开始在世界范围内不断出现，它拥有一定的感 知能力、通信能力及计算能力。 基于我国矿井安全检测系统的瓶颈现状及w s n 的自身优势，建立w s n 的矿井安 全检测系统将是未来矿井安全检测系统的发展方向，它可以圆满的解决现有有线方式监 测系统所存在的所有问题，如果可以实现，将具有极大的推广价值，并且拥有良好的市 场前景【5 石】。总之，w s n 在矿井安全检测系统中的应用具有非常重要的现实意义。 工业级w s n 技术的进步为传统的矿井安全监测系统存在的弊端提供了新契机。 z i g b e e 作为一种诞生不久的近距离射频识别通信技术，因其协议简单、功耗低、成本低、 组网方便等特点，广泛用于家用系统控制、工业监控、楼宇自动化等领域，z i g b e e 技术 的特点恰好能适应煤矿井下的特殊环境特性，如果能够将z i g b e e 技术恰当的用于煤矿 瓦斯监控系统，可以大大增强系统可靠性和灵活性4 1 。 ， 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 3 论文的主要内容和结构安排 本课题的研究是从我国煤矿瓦斯安全监控系统的实际状况出发，结合煤矿生产的特 点，用z i g b e e 网络技术和以太网技术对传统的有线传输煤矿瓦斯安全监控系统进行进 一步的改造，使新兴的z i g b e e 技术与以太网技术能够实现互连互通，把在工业现场以 及其它场合采集到的数据信息通过网关传送到以太网上，真正意义上实现无线监视和远 程控制被控现场。这样以来不但能够和有线网络监测系统相补充，实现矿井下安全监测 控制的全面覆盖，还能够随采掘进度而同步延伸，降低布线难度，减少成本，提高数据 的安全性及稳定性，与此同时，还能够在z i g b e e 覆盖范围内接入各种各样的传感器或 者监测设备，对其它的环境参数及生产参数进行实时监测，从而，为矿井的安全检测提 供了一种方便、可靠、节能的实现方案。网关的设计是为了在z i g b e e 无线传输和以太 网远程数据传输之间搭建一座通信桥梁，同时，以太网也能够很方便的接入i n t e m e t ， 从而，最大限度的利用二者的优点，使得z i g b e e 在各种领域的应用更加广泛。 本论文分以下七个章节： 第一章：绪论。 分析煤炭行业这一极其特殊的行业存在的安全隐患及正视世界范围内发生的安全 事故中瓦斯爆炸事故频发的现状；比较我国与世界其他安全检测技术发达的国家存在的 差距，也就是本课题研究的迫切性及深远意义；介绍我国矿井安全检测系统的现状及存 在的问题，提出w s n 所具有的突出优势和现实意义，进而明确课题的研究方向。 第二章：z i g b e e 技术。 本章是对课题相关理论基础知识的介绍和总结，主要包括以下几个方面：第一， z i g b e e 技术概述及其优点。对z i g b e e 技术的由来和技术特色及其相关应用领域做了简 单的介绍。第二，对现有的主流无线技术做了分析和对比，分析它们各自的优势和劣势， 进一步突出z i g b e e 存在的意义及在应用上的绝对地位。第三，对z i g b e e 的网络拓扑结 构和协议栈做了详细的分析，使z i g b e e 技术更加具体、详实，为后面软件部分的设计 和实现奠定基础。第四，z i g b e e 技术作为一种先进的无线通信技术，必然有着广阔的 应用前景，本章最后对其应用前景做了概括和分析。 第三章：系统总体架构模型的设计。 介绍了本文设计的矿井安全检测系统的整体结构框架，并对框架中的三种节点( 协 调器节点、路由器节点、终端节点) 做了具体的分析，对于各节点的实现模块做了功能 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 分析，为后续软硬件的设计提供了依据。 第四章：系统硬件模块的实现。 分析和对比了现有的几种z i g b e e 实现方案，结合本设计的实际应用场合及条件选 择了集成r f 射频收发器和微处理器( m c u ，m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ) 的单芯片z i g b e e 实现方 案。对现今市场上存在的几种主要的z i g b e e 芯片做了比较，从综合性能上选择出c c 2 4 3 0 作为本设计的应用芯片。详细介绍了z i g b e e 网络中三种节点的硬件电路设计。 第五章：系统软件模块的实现。 首先，对本设计中所用到的软件开发环境i a re m b e d d e dw o r k b e n c h 和所采用的 z i g b e e 协议栈及上位机监测软件设计工具l a b v i e w 做了简单的介绍。然后，对三种节 点的软件设计做了具体、详细的介绍，包括流程设计及部分代码。之后，对节点接入 z i g b e e 网络做了分析和设计。最后，是对上位机监测软件的设计。 第六章：系统性能测试。 首先，在实验室环境下对系统进行软硬件的调试，之后分别对节点接入和网络数据 传输进行了测试。 第七章：总结与展望。 对本文所做的研究和设计工作做了总结，分析其存在的缺点，对未来的工作方向进 行了探讨和展望。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章z i g b e e 技术i e e e8 0 2 15 4 2 1 z i g b e e 技术概述 z i g b e e 是一种发展不久的短距离、低复杂度、低速率、低功耗、低成本的无线网络 技术，主要用于工业自动控制及远程监控领域，也可以嵌入到各种设备里面或用于地理 定位，是为了实现小型低廉设备的控制和无线联网而制定的，非常适合作为w s n 的通 讯协议。z i g b e e 这个名字的来源是蜂群所使用的通信方式，具体来说是蜜蜂利用跳 z i g z a g 形状的舞蹈告诉同伴新发现食物源的具体位置，方向和距离等相关信息【4 】。 表2 1 所示，是z i g b e e 技术的主要特征，其中的传输距离是单段传输距离的理论值， 具体实际传输中还需要依据应用模式、发射功率大小和中继节点的分布情况而定【_ 卜8 l 。 在信道接入上采用c s m a c a ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o na v o i d a n c e ) 方 式，可以有效避免无线电载波之间的冲突，另外，通过建立完整的应答通信协议来保证 传输数据的可靠性。z i g b e e 设备是低功耗设备，自身具备能量检测及链路质量提示能力， 依据实时检测结果，相应设备能够自动调整自身的发射功率，在能够确保通信链路质量 的情况下，使所消耗的设备能量达到最小。z i g b e e 技术采用1 2 8 位长度的密钥加密算法 来确保z i g b e e 设备之间通信数据的安全性及保密性。 表2 1z i g b e e 技术的主要特征 t a b l e2 - 1p r i n c i p a lt e c h n o l o g yc h a r a c t e r so fz i g b e e 工作频段( h z ) 2 4 g9 1 5 m8 6 8 m 适用地域 全球 美国欧洲 传输速率( b i t s ) 2 5 0 k4 0 k2 0 k 传输l 陋n ( m ) 1 0 3 0 - 7 53 0 0 信道数 1 61 11 1 通信时延 1 5 m s 寻址方式6 4 b i t l e e e 地址，8 b i t 网络寻找 信道接入c s m a c a 和时隙化的c s m a c a 温度 4 0 - 8 5 2 2z i g b e e 技术主要优点 z i g b e e 的网络架构具有支持双向通信的主从( m a s t e r s l a v e ) 属性，其突出优点为【9 】： 低功耗：工作模式中，z i g b e e 技术的传输速率低、数据量小，所以接收和发送信 号所需的时间相应很短；非工作模式中，z i g b e e 节点处在休眠状态。这两种工作状态都 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 使得z i g b e e 节点非常省电，其节点的电池有效工作时间一般为6 2 4 个月。针对电池种 类、容量及应用场合的不同，z i g b e e 在协议上做了相应的优化，对于某些工作时间和总 时间之比小于l 的场合，电池的寿命有时能够超过1 0 年。 数据传输速率低：z i g b e e 工作在2 0 】饵s 2 5 0 l s 的较低速率，可提供 2 5 0 k b s ( 2 4 g h z ) 、4 0 k b s ( 9 1 5 m h z ) 、2 0 k b s ( 8 6 8 m h z ) 的原始数据吞吐率，专注于低速 率传输数据的需求，能够更好的为低传输所应用。 成本低：z i g b e e 数据传输的速率低，协议简单，所以大大降低了成本，再加上 z i g b e e 协议免专利费，从而使z i g b e e 的价格仅为几美分。 时延短：z i g b e e 的响应速度比较快，其典型搜索设备的时延为3 0 m s ，休眠激活 的时延为】5 m s ，活动设备信道接入时延为1 5 m s 。 网络容量大、自组织能力强、通信可靠：一个z i g b e e 网络最多可以包括2 5 5 个 网络节点，它们中的一个是m a s t e r 设备，剩下的都为s l a v e 设备。如果通过n e t w o r k c o o r d i n a t o r ，那么整个网络的节点数能够达到6 5 0 0 0 个，而各个n e t w o r kc o o r d i n a t o r 又 可以互相连接，这样整体z i g b e e 网络的节点数就会相当可观。z i g b e e 能和已有的网络 标准实现无缝集成，利用c o o r d i n a t o r 自动建立网络，提供全握手协议来保证数据的可 靠传递。 数据安全：z i g b e e 技术不仅提供数据完整性检测及鉴权功能，而且采用美国最新 的a e s 1 2 8 加密算法，该算法是当今世界上最好的文本加密算法之一，在数据传输过程 中提供三级安全性，供各个应用灵活选择其安全属性。 工作频段非常灵活：z i g b e e 技术可利用的频段有2 4 g h z ( 全球) 、9 1 5 m h z ( 美 国) 、8 6 8 m h z ( 欧洲) ，均为免执照( 免费) 频段。 2 3 无线技术综述 无线技术的发展历史并不短，各种新技术层出不穷，但主要的行业应用都集于：蓝 牙技术、w i f i 技术、g p r s 通信技术、z i g b e e 技术等。上述各种无线通信技术，在不 考虑应用行业、实际功能需求和成本的情况下都可以实现矿井安全检测，但是具体在本 项目，z i g b e e 技术在工业领域的优势就突显出来。 2 3 1 蓝牙( b l u e t o o t h ) 1 9 9 8 年5 月，包括爱立信、诺基亚、i b m 在内的世界五家著名厂商共同提出了蓝 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 牙技术，它的宗旨是取代有线电缆，提出一种新的短距离、低成本无线传输技术。它采 用微波技术来实现移动设备和固定设备、移动设备和移动设备之间的互联，采用跳频技 术来实现扩频。蓝牙技术具有快速、灵活、组网简单、抗干扰能力强等突出优点，并且 通讯设备的具体位置不受限制，这使得它在社会各个领域尤其是监控领域拥有非常广泛 的应用。蓝牙技术的另一显著优势在于它的技术标准是开放的、全球统一的，具有蓝牙 技术知识产权全球共享的强大诱惑力。 蓝牙的工作频率是2 4 g h z ，有效传输范围大约在1 0 m 半径内，假如增大功率或者 加上特定外设最长可达1 0 0 m 传输距离。蓝牙技术在局域网的各类数据及语音设备中有 着相当广泛的应用，如：p d a 、笔记本电脑、拨号网络、传真机、移动电话、打印机、 数码相机及优质耳机等，蓝牙无线通讯把各类不同的设备连接成为一个个微微网，若干 个微微网相互之间也可以再连接，以实现各种各样设备无论何时何地都能进行快速通 信。蓝牙技术的典型应用环境有：无线办公环境、信息家电、汽车工业、学校教育和医 疗设备及工厂自动控制等。 其缺点在于：有效传输距离不高、传输速率低、安全性不高。 2 3 2w i f i ( 8 0 2 1 1 b 标准) w i f i 全称w i r e l e s sf i d e l i t y ，是i e e e 定义的一个无线网络通信工业标准，使用i s m 免授权的2 4 g h z 频段。其传输速率最高可达1 1 m b i t s ，室内传输距离可达1 0 0 m ，室外 可达3 0 0 m ，主要用来实现小范围的移动组网及无线接入。其主要特点是：速度快、可 靠性高、通讯距离远、与现有以太网整合方便、组网成本低廉等。 其缺点在于：基带和射频协议复杂、功耗大、成本高、硬件实现所需空间大，难以 实现嵌入式应用。 2 3 3g p r s 通信技术 g p r s 是在g s m 网络基础上增加g p r s 网关支持节点和s g s n ( s e r v i n gg p r s s u p p o r tn o d e ) j 艮务支持节点来实现的，它采用分组交换方式发送和接收数据、分配 网络资源。g p r s 是一种利用现有无线网络实现传输点移动同时数据的远距离传输技术， 也就是现有移动通信运营商已经建立好的覆盖广阔的g s m 网络，这种传输方式的特点 是：便捷、灵活、稳定、可靠、传输距离远、无地域限制、价格合理等。 g p r s 的优点在于：数据传输可靠性高；传输时延小，适合实时信息的传输；传输 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 速率高，最大理论传输速率能够达到1 7 1 2 k b s 。它的缺点为：g p r s 管理中心的接入 方式比较复杂，基本上不能实现利用低成本用户终端方式完成接入，因此，远程终端的 造价相对较高t 10 1 。 2 3 4 对比分析 通过以上对几种常用的无线通信技术的介绍，可以发现他们各有优缺点，整理对比 成下表2 2 ： 表2 2 几种无线通信技术的简要比较 t a b l e2 - 2b r i e fc o m p a r i s o ns e v e r a lw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s w j f ib l u e t o o t h z i g b e e 技术方案 g p r s 8 0 2 1 1 bv 1 18 0 2 1 5 4 广阔范围 应用重点w e b ，e m a i l ，图像电缆替代品监测& 控制 声音& 数据 电池寿命( 天) 1 70 5 51 71 0 0 1 0 0 0 + 网络大小 13 272 5 5 6 5 0 0 0 带宽( k b s ) 6 4 1 2 8 +1 1 0 0 0 +7 4 8 8 1 02 0 2 5 0 传输距离( 米) 1 0 0 0 】一】0 0 j 1 0 +1 一】o o + 可靠，低功耗， 成功尺度覆盖面大，质量速度，灵活性价格便宜，方便 价格便宜 针对本项目分析：z i g b e e 技术主要用于检测和控制领域，可以创建传感器网络，有 效传输距离可达到l o o m ，网络容量大，功耗小，成本低廉，而且z i g b e e 设备响应速度 高。相对于g p r s ，z i g b e e 的缺点是覆盖面和传输距离，但是功耗和价格要比其少很多； 相对于w i f i 和蓝牙，z i g b e e 的不足在于数据传输速率，但是功耗要比上述二者低得多： 综合考虑，z i g b e e 更加适合本项目的完成。 2 4z i g b e e 网络拓扑结构 在一个z i g b e e 网络中包含两类不同功能的设备：全功能设备( f f d ，f u l lf u n c t i o n d e v i c e ) 和简约功能设备( r f d ，r e d u c e df u n c t i o nd e v i c e ) 。f f d 具备标准定义的全部功能 和特性、存储器及计算能力；r f d 只具有有限的功能以控制功耗、复杂性和成本。r f d 设备只能作为终端设备；f f d 设备之间、f f d 设备和r f d 设备之间能够直接进行通信。 根据i e e e8 0 2 1 5 4 标准，z i g b e e 网络中的设备按逻辑意义又可以分为协调器、路由器 及终端设备三类。 在实际应用中，z i g b e e 网络可支持以下三类拓扑结构： 8 太原理1 ，人学硕十研究生学位论文 星型 星驾9 拓扑是最简单、最基础的拓扑结构，由一个网络协调器节点和若干个路由器及 终端设备所组成。其中网络协调器是整个网络的核心，完成整个网络的建立和维护工作， 其他节点分柿丁网络协调器的覆盖区域内，直接与网络协调器进行通信。各子节点不能 直接通信，必须经i i j 网络协调器进行转发来实现。星型拓扑结构如图2 1 所示： n l n l 一 蠹州曩_ = t “。、。 。“4 = = ；譬 ：，j 餐 斟2 1 星型结构 f i g 2 1s t a rt o p o l o g ys t r u c t u r e 因为星型拓扑的结构简单，所以相应的设计和维护成本都很低，但由于网络协调器 要负责繁重的管理和数据处理工作，很容易导致网络阻塞、信息丢失、性能下降等情况。 鉴于星型拓扑的这些特点，其主要适合用于小区域、终端设备少及通信数据量有限的场 合。 网状型 网状型拓扑通常情况下是由几个f f d 自组一i l l - 而成的骨干网。各节点是完全对等关 系，每个节点都能够和在其无线通信范围之内的其它节点进行通信，一般来说，把信道 中的第一个通信节点看作网络的协调器。网状型拓扑为数据的传输提供了不止一条路 径，当某一路径发生故障的时候，还有其它路径可供选择，因此网状型拓扑是一种高可 靠性网络，同时也是一种高冗余度网络。这利，拓扑的优点是消息传递及时、可靠性高， 缺点是网络复杂、造价较星型网络要高。网状型拓扑结构如图2 2 所示： 9 太原理i 。大学硕卜研究生学位论文 路由器 簇树型 簇树型拓扑是由一个网络协调器和若干个星型网络组成，网络协调器能够连接路 由器及终端设备，路由器又可以连接子路m 器或者终端设备。枝干术端节点一般为r f d ， 各设备除了可以直接和其子节点或者父节点进行点对点通信外，其它的数掘信息和控制 信息的传输只能依靠树状路由来完成。簇树型拓扑继承了星型拓扑的简单模式，最大 限度的节约了成本；这种采用“多级跳”传输的网络使开发者采用d , s ) 3 率、近距离的无 线通讯设备完成了组建大区域无线网络的目的，但是随着网络的扩大，带来的是信息传 输时延增大，导致网络同步变的越来越困难、复杂。簇一树型拓扑结构如图2 3 所示： 、赣 ，4 7 尸 l 一 图2 - 3 簇一树型结构 f i g 2 3c l u s t e r t r e et o p o l o g ys t r u c t u r e 10 路由器 终端设备 、 、 l， 、 黪 、 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 5z i g b e e 协议栈 z i g b e e 协议栈是由一组层模块构成的，每层都给其上一层提供了一组对应的特定服 务：一个是数据实体为下一层提供数据传输服务；另一个是管理实体为上一层提供其它 全部服务。每一个服务实体均通过一个相应的服务接入点( s a p , s e r v i c ea c c e s sp o i n t ) ) 白它 的上一层提供服务接口，而且每一个s a p 都提供一系列基本服务指令以完成相关功能。 z i g b e e 协议栈层次结构如图2 - 4 所示。虽然z i g b e e 协议栈是基于标准七层开放式系统 互联( o s i ，o p e ns y s t e m si n t e r c o n n e c t i o n ) 模型，但其仅定义涉及z i g b e e 的层，i e e e 8 0 2 1 5 4 2 0 0 3 标准对最下面的两层进行了定义l l - 3 ：物理层( p h y ，p h y s i c a ll a y e r ) 和媒体 接入层层( m a c ，m e d i a a c c e s sc o n t r 0 1 ) ，z i g b e e 联盟进行了网络层( n w k ，n e t w o r kl a y e r ) 及应用层( a p e ，a p p l i c a t i o nl a y e r ) 的框架设计，其中a p l 的框架包括了应用支持子层 ( a p s ，a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gs u p p o r t ) 、z i g b e e 设备对象( z d o ，z i g b e ed e v i c eo b j e c t ) 和由制造商制定的应用对象1 1 4 】。 l 应用程序接口 卜 i 网络层 卜一 z i g b e e 联盟定义 i 数据链路层 卜一 媒体接入层( m a c u p p e r )卜一 2 5 1 物理层( p h y ) 图2 - 4z i g b e e 协议栈层次结构 f i g 2 - 4z i g b e ep r o t o c o ls t a c ks t r u c t u r e 1 、工作频段及数据速率 z i g b e e 定义t - - 个工作频段( 2 4 g h z 频段、9 1 5 m h z 频段和8 6 8 m h z 频段) 。其中 2 4 g h z 频段是全球通用的i s m ( i n d u s t r i a ls c i e n t i f i ca n dm e d i c a l ) 频段，分配了16 个信道， 1 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 数据传输速率是2 5 0 k b s ，采用偏移四相相移键控( o q p s k ，o f f s e t q u a d r a t u r ep h a s es h i f t k e y i n g ) 技术；9 1 5 m h z 为美国的i s m 频段，分配了1 0 个信道，数据传输速率是4 0 k b s ； 8 6 8 m h z 为欧洲的i s m 频段，仅分配了1 个信道，数据传输速率为2 0 k b s 。9 15 m h z 频段和8 6 8 m h z 频段均采用带有二进制移相键控( b p s k ，b i n a r yp h a s es h i f tk e y