（通信与信息系统专业论文）基于zigbee的无线定位系统的研究与设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 摘要 随着现代社会人员交流的日渐频繁以及人们对娱乐以及特定场合工作人 员对人身安全的广泛追求，人们对无线定位的需求与日俱增，各种定位技术及 其产品不断涌现市场。 本文设计并实现了一个基于z i g b e e 技术的无线定位系统，该系统包括硬 件系统和软件系统。在系统的硬件设计中，共设计了三种类型的节点：协调器 节点、参考节点和定位节点。每种类型的节点均设计了多种电源供电模式，同 时设计了仿真下载接口用于下载程序，还设计了串口r s 2 3 2 用于协调器与p c 机之间的通信以及天线电路用于无线数据的收发。节点采用支持z i g b e e 技术 的芯片作为核心控制器件。本文使用t i 的z i g b e e 芯片c c 2 4 3 0 c c 2 4 31 作为 核心控制芯片，在芯片内部集成了一个无线模块。在芯片的射频引脚和s m a 天线之间设计了一个微带巴伦电路进行平衡不平衡转换，从而实现了高频信号 的收发匹配。 在系统的程序设计中，根据三类节点需要实现的功能分别进行了设计。每 种类型的节点之间要能够实现无线通信以及事件和数据处理，这需要借助 z i g b e e 协议栈来实现。z i g b e e 协议栈采用分层设计，在操作系统硬件抽象层 搭建了一个微型操作系统，通过轮询的方式进行任务调度。为每类节点添加任 务和事件，并编写相应的任务初始化函数和事件处理函数，由操作系统进行调 度。系统定位流程是由一系列输入簇和输出簇命令控制的。 本文采用多次测量取平均值的方法采集r s s i 值，并对多次采集的r s s i 值进行高斯滤波。根据实际测量环境，通过线性回归法确定环境参数，从而建 立适合本实验环境的室内信号传播模型，从而有效提高了距离测量的准确性。 与以往算法相比，使用基于r s s i 的改进三角形质心定位算法有效的提高了定 位精度。 最后对系统进行了测试，并对结果进行了分析，可见本系统实现了设计的 功能：协调器建立网络，其它节点自动加入网络，参考节点为定位节点提供坐 标和接收信号强度指示信息，定位节点根据参考节点提供的信息采用质心算法 得到定位节点坐标，然后发送到协调器节点，再通过串口发送到上位机显示。 关键词：无线定位；z i g b e e ：c c 2 4 3 0 c c 2 4 3 1 ；r s s i ；高斯滤波 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n g l yf r e q u e n tc o m m u n i c a t i o na m o n gp e o p l ea n dt h ew i d e l y p u r s u i to fp e r s o n a ls a f e t y i ns e v e r a le n t e r t a i n m e n ta n dc e r t a i no c c a s i o n s - t n e d e m a n df o rw i r e l e s sl o c a t i o na r es t e a d i l yo nt h ei n c r e a s e ，a l lk i n d so fp o s i t i o n i n g t e c h n o l o g ya n di t sp r o d u c t sa r ec o n s t a n t l yf l o o d i n gi nt h em a r k e t i nt h i sp a p e r ，w ed e s i g n e da n dr e a l i z e daw i r e l e s sp o s i t i o n i n gs y s t e mb a s e d o n z i g b e et e c h n o l o g y t h i ss y s t e mi n c l u d e sh a r d w a r ea n ds o f t w a r es y s t e m s f i r s t l y ，i n t h eh a r d w a r ed e s i g no ft h es y s t e m ，w ed e s i g n e dt h r e et y p e so fn o d e s ：c o o r d i n a t o r n o d e s r e f e r e n c en o d e sa n dp o s i t i o n i n gn o d e s m u l t i p l ep o w e rs u p p l ym o d e s ，t h e s i m u l a t i o nd o w n l o a di n t e r f a c eu s e df o rd o w n l o a d i n gp r o g r a m ，t h e s e r i a lp o r t r s 2 3 2u s e df o rt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nc o o r d i n a t o ra n dp c sa s w e l la st h e a n t e n n ac i r c u i t su s e df o rt h er e c e i v i n ga n dd i s p a t c h i n go ft h ew i r e l e s sd a t aw e r e d e s i g n e df o re a c ht y p e o ft h en o d e s a p a r tf r o mt h e s e ，t h e c o r ec o n t r o ld e v i c e a d o p t e dt h ec h i pw h i c hs u p p o r t e dt h ez i g b e et e c h n o l o g y f o rt h en o d e s i nt h i s p a p e r ，w ec h o s e t h ec c 2 4 3 0 c c 2 4 3 1f r o mt ia st h ec o r ec o n t r o lc h i p ，aw i r e l e s s m o d u l ew e r ei n t e g r a t e di nt h ec h i p ，b e t w e e nt h er fp i n sa n dt h es m a a n t e n n a ，a m i c r o s t r i pb a r r o nc i r c u i t w a su s e df o rt h et r a n s i t i o nf o r mt h ee q u i l i b r i u m t o d i s e q u i l i b r i u m ，s o a st oc o m et r u et h et r a n s c e i v e rm a t c h i n go fh i g h - f r e q u e n c y s i g n a l i nt h es o f t w a r ed e s i g no ft h es y s t e m ，a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o nt h a tn e e dt o r e a l i z et h ed e m a n dt oa c h i e v et h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n de v e n t sa n dd a t a p r o c e s s i n gb e t w e e ne a c ht y p e o fn o d e s ，w ed e s i g n e dr e s p e c t i v e l yf o rt h et h r e e k i n d so fn o d e s b a s e do nt h ea b o v er e q u i r e m e n t s ，w ec h o s et h ep r o t o c o l s t a c ko f t h ez i g b e e ，i tu s et h el a y e r i n gd e s i g n i nt h eo p e r a t i n gs y s t e mh a r d w a r ea b s t r a c t i o n l a y e r , w eb u i l dam i n i a t u r eo p e r a t i n gs y s t e mt oc o n d u c tt a s ks c h e d u l e rt h r o u g h t h e p o l l i n gw a y ，b yt h es c h e d u l i n go ft h eo p e r a t i n gs y s t e m ，t a s ka n de v e n t sw e r ea d d e d f o re a c ht y p eo ft h en o d e s ，a n dh o m o l o g o u st a s ki n i t i a l i z a t i o nf u n c t i o na n de v e n t s p r o c e s s i n gf u n c t i o nw e r ec o m p i l e d t h ep r o c e d u r eo ft h e l o c a t i o ns y s t e mw e r e c o n t r o l l e db yas e r i e so fi n p u ta n do u t p u tc l u s t e r s f u r t h e r m o r e ，t h i sa r t i c l eu s et h ed a t ab yt h em e a s u r e m e n tm e t h o d o fa v e r a g i n g t h em u l t i p l em e t e r i n ga st h er s s iv a l u e ，a n dt h e np r o c e e dg a u s s i a nf i l t e rf o rt h e r s s iv a l u ew h i c hi sc o l l e c t e dm a n yt i m e s a c c o r d i n gt ot h ea c t u a lm e a s u r e m e n t e n v i r o m e n t ，t h el i n e a rr e g r e s s i o nm e t h o dw a su s e dt o d e t e r m i n et h ee n v i r o n m e n t p a r a m e t e r s , a f t e rt h a tt 。e s t a b l i s hai n d o o rs i g n a lp r o p a g a t i 。n r o o d e ls u i t f o rt h i s e x p e r i m e n t e n v i r o n m e n tt oi m p r o v et h em e a s u r i n ga c c u r a c y o ft h ed i s t a n c e e f f e c t i v e l y c o m p a r e dw i t ht h ep r e v i o u sa l g o r i t h m s ，t h ep o s i t i o n i n ga c c u r a c y w a s g r e a t l yi m p r o v e db yu s i n gt h ei m p r o v e dt r i a n g l e c e n t r o i dl o c a l i z a t i o na l g o r i 也m b a s e do nr s s l l a s t l y 。w et e s t e dt h es y s t e m ，a n da n a l y z e dt h er e s u l t s ，f r o m t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t s ，w ec a ns e et h a tt h i ss y s t e mc o m e t r u et h ef u n c t i o no ft h ed e s i g n ，w h i c ht h e c o o r d i n a t o r s e t u p n e t w o r ka n d o t h e r n o d e s jo i n i nt h i sn e t w o r k a u t o m a t i c a l l y ；r e f e r e n c en o d e sp r o v i d ec o o r d i n a t ei n f o r m a t i o na n d r e c e l v es l g n a l s t r e n g t h i n d i c a t i o ni n f o r m a t i o nf o r b l i n dn o d e s ；t h e b l i n dn o d e so b t a l n t h e p o s i t i o n i n gn o d e c o o r d i n a t e su s i n gc e n t r o i da l g o r i t h m o nt h eb a s i so ft n e i n f o r m a r i o np r o v i d e db yr e f e r e n c en o d e s ，t h e ns e n dt o c o o r d i n a t o rn o d e s ，a n dl a s t t op cd i s p l a yt h r o u g has e r i a lp o r t k e yw o r d s ：w i r e l e s s l o c a t i o ns y s t e m ；z i g b e e ；c c 2 4 3 0 c c 2 4 31 ；r s s i ； g a u s s i a nf i l t e r 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 第1 章绪论 1 1 课题研究背景和意义 随着现代社会人员交流的日渐频繁以及人们对娱乐以及特定场合工作人 员对人身安全的广泛追求，人们对无线定位的需求与日俱增。尤其是近几年， 随着无线通信和网络技术的蓬勃发展，无线定位服务【l j 也迅速崛起。无线定位 以其低成本，高精度，能够在室内、仓库等环境下可靠工作等无可比拟的优点 而得到了广泛的发展和应用。其主要应用于以下几个方面【z j ：紧急救援，跟踪 业务，车辆的防盗报警，交通控制，车辆导航服务以及手机导航服务等。目前 g p s 是应用最为广泛的一种定位技术，它主要利用卫星进行通信。一般来说， 对于民用产品，能够实现十米左右的定位精度，能够确定位置的大致区域。但 是当使用g p s 接收机在室内进行定位时，卫星信号在穿过墙壁时易受到建筑 物的影响，从而使得接收到的信号受到很大程度的衰减，进而导致定位精度的 下降。因此，为了在室外和室内环境下均能够实现较高精度的定位，需要使用 其它的技术来开发定位系统。 目前能够实现室内环境无线定位的技术主要包括i e e e8 0 2 1 5 4 ( z i g b e e ) 、 u w b 、w i f i 、超声波、红外线等，其中u w b 造价高，功耗较高，超声波受多 径效应和非视距传播影响较大，红外线适合短距离传播且易受灯光干扰j 。而 z i g b e e 技术是一种新兴的低成本、低功耗的无线通信技术。该技术的特点是通 信距离短、自组网p j 、结构简单、功耗低、数据传输速率低、所需成本较低等。 该技术主要适用于智能家居以及工业自动化领域一j ，可以嵌入到多种设备中。 1 2 常用无线定位系统 1 2 1g p s 定位系统 g p s 定位系统在全球应用最为广泛。它是由美国于19 9 4 年研制的基于卫 星通信的导航定位系统，主要用于对移动的人、车辆设备进行远程实时监控， 全天侯监控所有被控车辆的实时位置、行驶方向以及速度等。现已广泛用于车 辆导航和手机地图导航等领域。 g p s 定位虽然具有很多优点，比如有效通信覆盖范围大以及导航信号免费 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 等。但是，其定位信号到达接收端时比较弱，且穿透障碍物的能力较差，导致 室内定位效果不理想。 1 2 2 北斗卫星导航系统 北斗卫星导航系统是我国自主研发的导航系统，现阶段主要用于车载导 航。该系统为有源定位系统，系统容量有限以及终端设备比较复杂，尚处于完 善之中。 1 2 3r a d a r 系统 r a d a r 系统是基于无线局域网技术的室内环境无线射频定位系统，主要使 用场景法进行定位5 1 。该系统的主要优点是容易安装、需要基站少，但是其基 于w l a n 技术，限制了节点的种类、大小以及电源情况。 1 3 国内外研究现状 z i g b e e 技术是近年来新兴的一种有发展前景的短距离无线通信技术，伴随 着该技术的应用研究也随之展开。对于国外企业而言，他们已经实现了芯片、 协议栈、软件配套以及定位算法等的产品化【6 j 。但是在实际应用中，由于各种 环境的限制，许多算法需要改进才能达到好的定位效果。对于国内企业而言， 目前还只停留在使用国外芯片进行应用开发阶段。 2 0 0 5 年上半年，许多著名的芯片制造商先后推出了符合z i g b e e 标准的收 发芯片和软件套件，比如c h i p c o n 公司的c c 2 4 2 0 2 4 3 0 、c c 2 5 0 0 c c 2 5 5 0 ， e m b e r 公司的e m 2 4 2 0 以及飞思卡尔公司的m c l319 2 m c l319 3 。这些芯片是 设计z i g b e e 定位系统的核心器件。 美国t i 公司在c c 2 4 3 0 芯片的基础上开发出了c c 2 4 3 1 芯片，此芯片与 c c 2 4 3 0 几乎完全一样，只是多了一个定位引擎vj ，在许多场合这两款芯片可 以互相替换使用。现在许多产品都是使用基于定位引擎的硬件定位。但是仅依 靠硬件定位的方法会造成系统灵活性较差，定位精度不高。因此，本论文采用 c c 2 4 3 0 c c 2 4 3 l 加上软件定位算法的方法实现定位，期望对定位精度有可观的 提高。 1 4 论文的研究目标 定位系统的实现方案有多种，根据定位系统的研究背景、成本情况、定位 效果以及适用范围等因素，结合定位系统的研究现状，本设计采用基于近年来 新兴的具有很大发展前景的z i g b e e 技术来设计定位系统。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 本论文以室内区域为研究背景，采用t i 公司的c c 2 4 3 0 c c 2 4 3 1 芯片作为 硬件核心控制器件，组建z i g b e e 无线网络，利用参考节点传递位置信息给定 位节点，定位节点根据相关的定位方法进行定位计算。参考节点和定位节点的 位置信息都通过协调器节点传输到上位机软件进行显示。从而设计和实现了一 个基于z i g b e e 技术的定位系统。 1 5 论文的组织结构 第一章绪论 首先论述了本论文的研究背景和意义，然后介绍了几种常用的无线定位系 统以及z i g b e e 技术的特点与研究现状，最后讲述了论文的研究目标和组织结 构。 第二章z i g b e e 技术和协议栈 讲述z i g b e e 协议栈的四层体系结构，各层的结构、主要功能以及一些重 要概念。 第三章系统的硬件设计 实现定位系统的硬件平台设计，分析了系统各部分电路设计方法，完成了 参考节点硬件设计、定位节点硬件设计和协调器节点硬件设计。 第四章系统的软件设计 研究了z s t a c k 协议栈的运行机制、参数配置、数据收发过程、接收数据 处理，总结了应用程序开发流程，描述了论文使用的定位算法并予以实现。实 现了定位系统的参考节点软件设计、定位节点软件设计、协调器节点软件设计 以及上位机显示。 第五章系统调试与运行 在室内环境下，对定位系统进行实际测试，对系统进行硬件测试、软件测 试以及串口通信测试。介绍了系统的运行结果，并对实验结果进行了分析。 最后，对本次设计进行了总结，针对系统存在的问题，提出了进一步改进 的方法和方向。 1 6 本章小结 本章在广泛的查阅资料和研究的基础上，讲述了论文的研究背景和意义， 介绍了几种常用的无线定位系统，分析了基于z i g b e e 定位技术的国内外研究 现状，提出了本论文的研究目标，最后对论文的组织结构做出了安排。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 第2 章z i g b e e 技术和协议栈 2 1z i g b e e 技术 z i g b e e 技术出现至今，已经经过了好几年的发展，目前正处于走向成熟的 阶段，现已初步展现了广阔的发展前景。 2 1 1z i g b e e 技术的发展概述 目前，z i g b e e 、w i f i 、蓝牙( b l u e t o o t h ) 、超宽带( u w b ) 以及近距离无 线传输( n f c ) 是业界比较热门的五种短距离无线网络技术。其中，z i g b e e 技术此前被称为“h o m e r fl i t e ”无线通信技术【8 j ，主要适用于低速率、低功 耗、低成本以及近距离无线连接环境。 2 0 0 0 年l2 月，i e e e 标准委员会成立了8 0 2 15 4 工作组，其任务是开发出 一个具有低速率、低功耗、低复杂度的的无线个域网标准一j 。该标准对p h y 层和m a c 层提出了规范。 2 0 0 1 年8 月，z i g b e e 联盟成立。2 0 0 2 年，摩托以及飞利浦等著名国际公 司纷纷加入“z i g b e e 联盟”，目标是开发下一代标准一一z i g b e e 技术【1 0 。2 0 0 4 年6 月，z i g b e e 联盟提出了第一份z i g b e e 规范一一z i g b e ev 1 o ，该规范不是 很完善，错误比较多。2 0 0 6 年，联盟又推出了比较成熟的z i g b e e 2 0 0 6 协议规 范。2 0 0 7 年底，z i g b e ep r o 被推出。2 0 0 9 年3 月，z i g b e er f 4 c e 被推出， 其具有更大的灵活性和更完善的远程监控能力。 自从z i g b e e 技术诞生以来，该技术日趋成熟，c h i p c o n 公司、p h i l i p s 公司 以及t i 等大公司都推出了自己的z i g b e e 产品，并且这些产品在智能家居和工 业自动化领域取得了广泛的应用，具有很大的发展前景。国内一些企业也逐渐 加入到z i g b e e 技术的开发队伍中，比如无线龙科技、华立仪表等。 2 1 2z i g b e e 技术的特点 与其它四种近距离无线通信技术相比，z i g b e e 技术的最大优势是低功耗、 自组网和低成本。表2 1 比较了五种无线通信技术。| 。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 表2 1 五种无线通信技术比较 规范 z i g b e e u w bw i f ib l u e t o o t hn f c 通信半径m5 0 3 0 01 05 0 1 00 2 最大功耗 1 31 41 0 01 1 0 01 5 m w 8 6 8 ， 频段 3 1 ( 7 5 g h z2 禾3 h 乙2 4 ( m z1 3 5 6 z 9 1 5 ，2 4 g 也 具有天然的安w e p 加 安全性1 2 8 位a e s1 2 8 位密钥 硬件实现 全性密 传输速率 m b p $ 0 0 2 ，0 0 4 ，0 2 5 1 0 0 05 4 1 , 2 ，3 0 4 2 4 入网时间 3 013 0 0 06 0 0 0l o o m s w s n 、家庭领域、 计算机桌面、多 主要用途 ，ia n 个人网络手机支付 工业自动化领域媒体 z i g b b e e 技术的特点如下l 1 2 j ： ( 1 ) 低速率：z i g b e e 的数据传输速率最低为2 0 k b p s ，最高只有2 5 0 k b p s 。 各个频段对应的传输速率分别为2 0 k b p s ( 8 6 8 m h z ) 、4 0 k b p s ( 9 15 m h z ) 和 2 5 0 k b p s ( 2 4 g h z ) 。 ( 2 ) 高可靠性：采用了c s m a c a 信道访问机制，极大的提高了系统信 息传输的可靠性。 ( 3 ) 低功耗：z i g b e e 引入了休眠机制，在电池供电的情况下可以周期性 休眠，而且数据传输率比较低，因此功耗很低，通常电池能用好几年。 ( 4 ) 低成本：协议栈开发简单，不用增加额外的专利使用费。 ( 5 ) 高安全性：z i g b e e 提供了三级安全模式，在安全性要求比较高的场 合可以使用高级加密标准( a e s ) 。 ( 6 ) 高容量：z i g b e e 网络可以使用三种网络拓扑结构，每个协调器最多 可以容纳6 5 5 3 6 个网络节点，利用多个网络相连又可以组成更庞大的网络，容 纳的z i g b e e 网络容量将相当可观。 ( 7 ) 免费频段：使用免费的三个频段2 4 g h z 、9 15 m h z 以及8 6 8 m h z ， 极大提高了开发者的热情。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 2 2z i g b e e 网络 2 2 1z i g b e e 设备类型 根据设备功能的不同，z i g b e e 网络中的设备可分为全功能设备( f u l l f u n c t i o nd e v i c e ，f f d ) 、精简功能设备( r e d u c e df u n c t i o nd e v i c e ，r f d ) l 1 3 。 f f d 实现了z i g b e e 的全部协议，具有最全面的功能；r f d 只实现了z i g b e e 的部分协议，因此能够实现的功能有限。f f d 能够和f f d 或者r f d 进行一对 多通信，而r f d 只能和f f d 进行一对一通信。 根据设备所承担任务的不同，z i g b e e 网络中的设备可分为p a n 协调器、 协调器和一般设备，它们分别被称为z i g b e e 协调器( c o o r d i n a t o r ) 、z i g b e e 路 由器( r o u t e r ) 以及z i g b e e 终端设备( e n d d e v i c e ) l 1 耳j 。z i g b e e 协调器和z i g b e e 路由器必须是f f d ，而z i g b e e 终端设备可以是f f d ，也可以是r f d 。 z i g b e e 协调器：个域网( p a n ) 的总控制器，其负责建立和启动网络，配 置网络以及维护网络。协调器通过选择一个优良的信道和一个唯一的网络i d 号来建立z i g b e e 网络。一个z i g b e e 网络有且只能有一个协调器。 z i g b e e 路由器：，接纳其它节点设备的加入，具有路由功能。 z i g b e e 终端设备：没有成为父节点或者路由节点的能力，通常用作边缘设 备，不负责维持特定的网络任务，可以休眠或者唤醒，常与监控对象连在一起， 只与父节点主动通信，不参与路由信息处理。 2 2 2z i g b e e 网络拓扑结构 z i g b e e 支持三种网络拓扑结构：星型结构( s t a r ) 、树形结构( c l u s t e rt r e e ) 以及网状结构( m e s h ) 【l 圳。 星型结构：如图2 1 所示。在星型结构网络中，协调器处于结构的中心位 置，终端节点和路由节点处于结构的末端。终端节点和路由器节点分别与协调 器直接相连，终端节点与终端节点、终端节点与路由器节点以及路由器节点与 路由器节点之间不能直接相连，它们都通过同一个协调器进行间接通信。因此， 协调器的负担比较重，如果协调器发生故障，整个网络将陷入瘫痪，所以此结 构的网络发生错误的几率比较大。除此之外，一个协调器节点能够连接的节点 是有限的，故此种结构网络的网络容量较小。但是，星型结构的网络比较简单， 目前广泛应用在实际中。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 终端节点 o 拶嘏 嫦移电c 艄 、- 、j 终端节点 图2 1 星型结构 树型结构：如图2 2 所示。每个终端节点只与一个路由器节点或协调器节 点直接相连。协调器节点与一个或者多个路由器节点相连。路由器节点与路由 器节点之间进行点对点通信。在星型结构的基础上，利用路由器节点之间的连 接功能形成了树型结构网络。信息传输的起点与终点之间只有一条传输路径， 只要路径中的任一节点发生故障，那么信息将不能够传递到目标节点。该类型 的网络常用于无线r f 环境中。 ， 终端节点 终端节点 八 路由器固路由器 ， 、 八 终端节点fu 终端节点 7 终端节点 图2 2 树型结构 八 lj 终端节点 网状结构：如图2 3 所示。在树型结构的基础上实现所有路由器节点相连 就形成了网状结构。在该结构的网络中，信息传输的起点与终点之间通常有多 条传输路径，只要协调器节点保持正常工作，即使某个路由器节点发生故障， 信息仍然能够传输到目标节点，因此有效的提高了网络的可靠性。网状结构网 络比星型结构网络和树型结构网络复杂，常应用于大规模网络环境中。 r ) 器 路 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 2 3z i g b e e 协议栈 2 3 1z i g b e e 协议栈概述 一嚣 、j 奠 幽黼器路端 i 鎏岁路日器鬟汐路自器 一、。 图2 - 3 网状结构 z i g b e e 协议栈的四层结构模型如图2 - 4 所示。该结构模型是由i e e e 8 0 2 15 4 标准和z i g b e e 联盟共同规范的。其中，前者定义了底层一一p h y 层 和m a c 层，后者定义了上层一一n w k 层和a p l 。其中a p l 又包括应用支持 子层( a p s ) 、z i g b e e 设备对象( z d o ) 以及自定义对象 1 6 。 图2 4z i g b e e 四层结构模型 z i g b e e 协议栈结构如图2 5 所示。下层通过该层的服务接入点( s a p ) 访 问上层，下层为上层提供服务。每层都将提供两种服务：一种是数据服务，另 一种是管理服务。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 图2 - 5z i g b e e 协议栈结构 2 3 2z i g b e e 协议栈体系结构 2 3 2 1p h y 层 p h y 层规范了z i g b e e 的通信频率。i e e e8 0 2 1 5 4 定义了两个物理层标准 17 1 ，其分别是8 6 8 9 15 m h zp h y 层和2 4 g h zp h y 层，它们所定义的无线信道 如表2 2 所示。 表2 - 2z i g b e e 无线信道 _ _ 信道编号 中心频率信道间隔频率上限 频率下限 ( m h z )( m h z )( m h z )( m h z ) k = 0 8688686 8 6 8 0 k 2 1 ，2 ，1 0 9 0 6 + 2 ( k 一1 ) 2 9 2 8 0 9 0 2 0 k 2 1 1 ，1 2 ，2 6 2 4 0 1 + 5 ( k - 1 ) 5 2 4 8 3 5 2 4 0 0 0 i e e e8 0 2 15 4 定义的两个物理层的相同点是都采用了相同的扩频技术和 数据包格式，不同点是工作频率、传输速率、适用地区、调制技术以及符号阶 数，如表2 - 3 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第10 页 表2 - 3 两个物理层的比较 p h y 层参考模型如图2 6 所示。m a c 层与p h y 层无线信道之间有一个接 口，即无线射频服务接入点( r f s a p ) ，是由p h y 层的射频固件和硬件提供 的。p h y 层还存在两种服务接入点：一种是数据服务接入点( p h yl a y e rd a t a s e r v i c ea c c e s sp o i n t ，p d s a p ，为p h y 层提供数据服务) ，另一种是物理层管 理实体服务接入点( 即p h yl a y e rm a n a g e m e n te n t i t y s e r v i c ea c c e s sp o i n t ， p l m e s a p ，为p h y 层提供管理服务，并负责维护p h y 层p a n 信息库p i b ) 。 图2 - 6p h y 层参考模型 p h y 层主要功能 1 8 】为：无线射频收发器的打开与关闭、信道的检测与评 估、无线数据的收发等。 2 3 2 2m a c 层 m a c 层处理p h y 层传递的数据并为n w k 层提供服务。m a c 层包括m a c 公共部分子层( m a cc o m m o np a r ts u b l a y e r ，m c p s ) 和m a c 层管理实体 ( m l m e ) 。该层为上层提供两个服务接入点，其中公共部分子层服务接入点 ( m a cc o m m o np a r ts u b l a y e r s e r v i c ea c c e s sp o i n t ，m c p s - s a p ) 为n w k 层提 供常规数据服务【1 9 ，m l m e s a p 提供内部数据的访问、配置以及管理。公共 西南交通大学硕士研究生学位论文 第11 页 部分子层和管理实体之间通过隐含的内部接口通信。m a c 层的参考模型如图 2 7 所示。 、 图2 7m a c 层参考模型 m a c 层的主要功能为：无线信道管理、无线信道接入机制、保护时隙管 理等。 2 3 2 31 n w k 层 n w k 层包括n l d e 和n l m e 1 9 。网络层管理实体与数据实体问通过内部 接口进行通信，并且对网络信息库( n i b ) 进行管理与维护。n w k 层的参考 模型如图2 8 所示。 图2 - 8n w k 层参考模型图 n w k 层的主要功能为：网络管理、路由与设备发现等。 2 3 2 4a p l a p l 主要包括z i g b e e 应用支持子层( a p p l i c a t i o ns u p p o r ts u b l a y e r ， a p s ) 、z i g b e e 应用框架( a p p l i c a t i o nf r a m e w o r k ，a f ) 以及z i g b e e 设备对象 西南交通大学硕士研究生学位论文 第12 页 ( z i g b e ed e v i c e0 6 j e c t ，z d o ) 。其中a p s 定义的功能为建立以及维护绑定表、 在两个绑定设备之间传输信息，并为应用对象提供接口服务；a f 定义的功能 为定义应用程序对象，通过z d o 公共接e l 与z d o 通信；z d o 定义的功能为 定义z i g b e e 网络中的协调器、路由器以及终端设备，实现绑定机制并建立安 全机制，网络设备发现以及设备应用服务配置d 9 。a p l 参考模型如图2 - 9 所 示。 ( 1 ) 应用支持子层( a p s ) 图2 - 9a p l 参考模型 a p s 处理n w k 层提供的服务，并为应用对象、z d o 以及z d o 管理平台 提供服务接口。a p s d e 服务主要用于同一网络的应用对象之间的通信；a p s m e 主要用于为应用对象提供安全和设备绑定服务，并且维护一个管理对象的信息 库( a i b ) 1 9 。a p s d e 和a p s m e 可以通过内部接口通信。a p s 的参考模型如 图2 1 0 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第13 页 ( 2 ) 应用框架( a f ) 图2 1 0a p s 参考模型 应用框架为应用对象提供运行环境。在应用框架内，可以定义1 2 4 0 个 应用对象，每个对象定义一个应用支持子层数据实体服务接入点，接收其提供 的数据服务。端口0 不能被应用对象所占用，其专门为z d o 提供数据服务。 z d o 通过a f 与z d o 之间的公共接口对a f 内的应用对象进行管理和控制。 应用框架支持两类数据服务 2 0 】：一种是k v p 服务，其专门用于传输特殊 数据；另一种是m s g 服务，其用于传输无特殊格式要求的数据。 ( 3 ) z i g b e e 设备对象( z d o ) z d o 位于a f 和a p s 之间，由a p s d e s a p 端点0 为其提供服务。其主要 功能 1 9 为：启动网络、服务和设备发现、绑定管理等。 设备发现是指获取相应设备的网络地址或者扩展地址。服务发现是指获取 相应设备提供的服务，当网络层地址加上某种标识符查询类型时，对应的地址 将会为设备返回相应的标识符【2 0 1 。 绑定和解除绑定服务 2 1 】是指为绑定表建立资源值、为绑定表增加或者减 少绑定请求、执行绑定或者解绑定命令以及对终端设备绑定的硬件操作。安全 管理服务根据安全服务规范来执行，具体是由a p s m e 原语来执行的。 2 4 重要概念 2 4 1 原语 z i g b e e 设备的每个层为上层提供服务并且处理下层提供的服务，而服务是 由服务原语来实现的，其定义与接口的实现无关。一个或者多个原语的组合形 成执行服务的命令。原语通常有以下四种类型： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第14 页 r e q u e s t ( 请求) ：该原语由用户发起并传送到x 层，表示请求服务开始； i n d i c a t i o n ( 指示) ：该原语由用户的x 层发起并传送到第二个用户； r e s p o n s e ( 响应) ：该原语由第二个用户发起并传送到该用户x 层； c o n f i r m ( 确认) ：该原语由第x 层发起并传送到原用户，用于传送请求服 务的执行结果。 2 4 2 绑定( b i n d i n g ) 绑定是指在相互关联的应用之间建立逻辑连接。应用之间的绑定关系记录 在绑定表里。图2 11 是一个绑定的例子。在此例中，建立了两种开关：一种 装在墙端，另一种位于灯本身。通过按下这两种开关，两个设备之间就建立了 绑定关系，同时在相应的绑定表中建立入口。当墙端按钮按下时，终端设备发 起绑定请求命令给协调器，协调器在一定时间内也收到了灯的终端设备的绑定 请求命令，则协调器将把两者连接起来，形成简单绑定机制。 、逮撩 供应 s a 髓c 1 u s t e r i d s 开关 图2 1 1 简单的照明控制系统绑定关系 2 4 3 模板( p r o f i l e ) p r o f i l e 是z i g b e e 中的一个重要概念。p r o f i l e 规范了设备类型、功能以及 应用范围，两个设备之间要实现通信就必须使用相同的p r o f i l e i d 。在进行 z i g b e e 应用程序开发时必须使用p r o f i l e 选项。 p r o f i l e 主要包括两部分：簇( c l u s t e r s ) 和设备描述( d e v i c ed e s c r i p t i o n s ) 。 簇是一组属性的集合。每个簇都具有一个唯一的16 位簇标识符( c l u s t e r 西南交通大学硕士研究生学位论文 第15 页 i d e n t i f i e r ) 。簇中的每个属性都具有唯一的属性标识符( a t t r i b u t ei d e n t i f i e r ) ， 这些属性用于存储数据或者状态值。设备描述提供了设备本身的信息，比如设 备使用的频段、设备的逻辑类型等。使用16 位的数值标识每个设备描述。设 备描述主要包括五部分l z z j ：节点描述( n o d ed e s c r i p t o r ) ，节点电源描述( n o d e p o w e rd e s c r i p t o r ) ，简单描述( s i m p l ed e s c r i p t o r ) ，复杂描述( c o m p l e xd e s c r i p t o r ) 和用户描述( u s