（信号与信息处理专业论文）全网全功能zigbee无线抄表系统的设计与实现.pdf

一| 憩 母 ， 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。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作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 堡：2 肇j 日期： 竺! ! ：! ：! ! 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅 和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印 或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密 论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期：塑! ：! ：! ! 日期：型竺：主! ! ! 淦 一 勺 憩 全网全功能z i g b e e 无线抄表系统的设计与实现 摘要 随着信息化程度的提高，传统的人工抄表方式实时性差、准确 率低的缺点越来越突出，已经成为水电气等管理部门信息化的瓶颈。 无线抄表是指采用无线网络技术和通信技术自动读取和处理仪 表数据的一种手段，是提高自动化水平的需要，也是网络技术和通 信技术迅速发展的必然。它不仅可以缓解抄表人员的劳动强度，降 低人为因素造成的抄表差错，而且具有抄收速度快，抄表实时性好 等优点。 z i g b e e 是一种新兴的近距离、复杂度低、低功耗、低速率、低 成本的无线网络技术。其主要的技术特点包括：省电，成本低，网 络容量大，时延短，安全可靠，工作频段灵活等。这些优点正好可 以满足无线抄表系统的需求。 本文首先分析了课题的背景，比较了现有抄表方式的特点，并 阐述了基于z i g b e e 抄表的优势及国内外研究现状。其次从物理层、 m a c 层、网络层和应用层四个层次结构上剖析了z i g b e e 协议栈的 层次功能和数据传输模式等。接着重点阐述了z i g b e e 无线抄表系统 总体设计方案，包括系统的整体框架，各模块功能设计及设计方案 的优势等。接下来，从组网方式、路由协议、路由建立与组网过程 等方面详细研究了z i g b e e 网络，并设计出本文无线抄表系统的网络 传输机制和格式等。最后为z i g b e e 无线抄表系统的实现，通过硬件 节点及开发环境，对各模块进行了软件流程设计与开发，并给出测 试与验证结果，证明了本文z i g b e e 无线抄表系统设计方案的可行性。 作为实际应用系统的前期原理性实现，目前小范围实验网络运 行良好，完成了预期的目标，该系统为无线z i g b e e 网络研究提供了 一个新颖的系统开发平台。基于z i g b e e 的无线抄表系统具有很大的 应用空间，它不仅可以加强能量消费的管理和统计，而且能够提高 能量供应效率。这一技术能够有效改进电力部门的管理水平，全面 实施该抄表系统具有重大的社会和经济价值。 关键词：无线传感器网络，无线自动抄表系统，z i g b e e 技术， i e e e 8 0 2 15 4g a i n s j ， j 矗， 疋 令r ，适 ， a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fi n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y ( i t ) ，t h e t r a d i t i o n a lm a n u a lm e t e r r e a d i n gs y s t e m w i t h o u t d e v e l o p e d i t t e c h n o l o g yh a sm a n ys h o r t a g e s ，s u c ha st h ep o w e rc o n s u m p t i o nd a t a c a n n o tb eg o ti n s t a n t l ya n d e x a c t l y i ti sm o r ea n dm o r ep r o m i n e n ta n d h a sb e c o m et h eb o t t l e n e c ko ft h ep o w e rm a n a g e m e n tm o d e r n i z a t i o n w i r e l e s sm e t e rr e a d i n gi so n em e t h o dt or e a da n dp r o c e s sd a t a a u t o m a t i c a l l yb yu s i n gt h et e c h n o l o g yo fw i r e l e s sn e t w o r k i ta i m st o i n c r e a s et h ea u t o m a t i o nl e v e lo fm e t e rr e a d i n gs y s t e m ，a n dt om e e tt h e r a p i dd e v e l o p m e n to fn e t w o r ka n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y i tc a nn o t o n l ye a s et h em e t e r - r e a d i n gp e o p l e sl a b o ri n t e n s i t y , r e d u c et h ee r r o r s c a u s e db yh u m a nf a c t o r s ，b u ta l s oh a v eh i g hs p e e da n dg o o dr e a l t i m e z i g b e e i sa n e w l yd e v e l o p e dg l o b a l s t a n d a r df o rw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s ，谢mt h ec h a r a c t e r i s t i c so fl o wc o s t ，l o w p o w e r c o n s u m p t i o n ，l o wd a t at r a n s f e rr a t e i nr e c e n ty e a r s ，t h et e c h n o l o g y s p r e a d so u ti nt h ew o r l dv e r yq u i c k l y t h ea d v a n t a g e so ft h i st e c h n o l o g y s u c ha se n e r g y - s a v i n g ，l o wc o s t ，l a r g en e t w o r k c a p a c i t y , s h o r tt i m ed e l a y , r e l i a b l ea n df l e x i b l ew o r k i n gb a n dc o u l dj u s tm e e tt h en e e d s o ft h e w i r e l e s sm e t e r r e a d i n gs y s t e m i nt h i sp a p e r , w ef i r s tr e s e a r c h e dt h eb a c k g r o u n do ft h i ss u b j e c ta n d c o m p a r e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fe x i s t i n gm e t e r - r e a d i n gm e t h o d s t h e r e s e a r c ho ns i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n to ft h em e t e rr e a d i n gt e c h n o l o g y b a s e do nz i g b e ea r ea l s oe x p o u n d e d s e c o n d ，w ed i s s e c t e ds t a c kl e v e l f u n c t i o no ft h ez i g b e ep r o t o c o l ，d a t at r a n s f e rm o d ef r o mt h ep h y s i c a l l a y e r , m a cl a y e r , n e t w o r kl a y e ra n da p p l i c a t i o nl a y e r t h e nt h ed e s i g n p r o g r a mo fw i r e l e s sm e t e rr e a d i n gs y s t e mt h a ti n c l u d i n gt h eo v e r a l l f r a m e w o r ko ft h es y s t e m ，t h ef u n c t i o n sa n da d v a n t a g e so fe a c hm o d u l e i i w e r ed e s c r i b e d t h en e t w o r kt r a n s m i s s i o nm e c h a n i s ma n dd a t af o r m a t o ft h i sw i r e l e s sm e t e rr e a d i n gs y s t e mw e r ed e s i g n e df r o mb e l o wf a c t o r s ， s u c ha st h ev i e wo fn e t w o r k i n gm o d e ，r o u t i n gp r o t o c o l ，r o u t i n gp r o c e s s a n dt h ez i g b e en e t w o r ke s t a b l i s h m e n t f i n a l l y , w er e a l i z e dt h ez i g b e e w i r e l e s sm e t e rr e a d i n gs y s t e m ，b yu s i n gh a r d w a r ee q u i p m e n ta n dj e n n i e e n v i r o n m e n tt od e v e l o pv a r i o u sm o d u l e so ft h i ss y s t e m ，t h u sg a v et h e t e s ta n dv a l i d a t i o nr e s u l t s t h et e s t i n gr e s u l t sv e r i f i e dt h ef e a s i b l eo fz i g b e ew i r e l e s sm e t e r r e a d i n gs y s t e mt h a tw ed e s i g n e di n t h i st h e s i s o u re x p e r i m e n t ss h o w t h a to u rp r o p o s e ds o l u t i o na c h i e v e st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t w i t h s a t i s f y i n gf l e x i b i l i t ya n de x p a n s i b i l i t y a sap r a c t i c a la p p l i c a t i o nt op r e i m p l e m e n tt h ep r i n c i p l e ，c u r r e n t w e l l f u n c t i o n i n gn e t w o r ke x p e r i m e n t sw e r ec o m p l e t e da m o n gs m a l l s c a l e s t h es t u d yo fw i r e l e s sz i g b e en e t w o r kp r o v i d e sah o v e ls y s t e m d e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，a n dh a sg o o dm a r k e tp r o s p e c t s 1 1 1 ea u t o m a t i c w i r e l e s sm e t e rr e a d i n gs y s t e mw i l l1 e a dt h ew a yi nt h ef u t u r e ，n o to n l y b e c a u s ei ts t r e n g t h e nt h ea d m i n i s t r a t i o no ne n e r g yc o n s u m p t i o n ，b u ta l s o r a i s ee f f i c i e n c yo fe n e r g ys u p p l y , w h i c hi sm e a n i n g f u lt oi m p r o v et h e a d m i n i s t r a t i o ns t a n d a r da n de c o n o m i cb e n e f i t si nm u t i p l ef i e l d s k e yw o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，w i r e l e s sa u t o m a t i cm e t e r r e a d i n gs y s t e m ，z i g b e e ，i e e e 8 0 2 15 4 ，g a i n s j i i i 一 i r 走1 肘 v ， r 目录 第一章绪论l 1 1 研究背景。l 1 2 现有抄表方式及特点1 1 3 基于z i g b e e 无线抄表的优势2 1 4 课题关键点和研究目标3 1 5 论文组织结构5 第二章z i g b e e 协议研究6 2 1z i g b e e 协议层次规范6 2 1 1 物理层7 2 1 2m a c 层1 0 2 1 3 网络层。l7 2 1 4j 立用层。1 9 2 2 本章小结2 0 第三章z i g b e e 无线抄表系统总体设计方案2 1 3 1 系统需求分析2 l 3 1 1 市场需求分析。2l 3 1 2 技术需求分析2l 3 2 系统方案设计2 2 3 2 1 系统架构设计。2 2 3 2 2 系统功能实现2 3 3 2 3 各功能模块设计2 4 3 2 4 系统设计创新点2 5 3 3 设计方案优势2 5 3 4 本章小结2 6 第四章z i g b e e 通信网络研究与实现2 7 4 1z i g b e e 组网技术2 7 4 1 1z i g b e e 组网方式2 7 4 1 2z i g b e e 组网过程2 8 4 2z i g b e e 网络路由技术3 5 4 2 1z i g b e e 路由协议3 5 4 2 2z i g b e e 路由建立过程3 9 4 2 3z i g b e e 路由选择和维护4 0 4 2 4 改进的路由协议及比较4 2 4 3 无线抄表系统网络层设计4 3 4 3 1z i g b e e 网络软件层次模型4 3 4 3 2z i g b e e 网络寻址4 4 4 3 3z i g b e e 网络传输帧格式4 5 4 3 4z i g b e e 网络数据结构组织4 6 4 3 5z i g b e e 网络信道选择5 0 4 4 本章小结5 0 第五章z i g b e e 无线抄表系统实现5 l 5 1 开发平台与开发环境5 l 5 1 1 硬件开发平台5 l 5 1 2 软件开发平台5 4 5 1 3 开发环境5 6 5 2 各节点软件流程设计5 8 5 2 1 数据采集器的设计5 8 5 2 2 楼栋集中器的设计5 9 5 2 3 区域集中器的设计6 0 5 2 4 中心集中器的设计6 0 5 3 测试与验证6 2 f 5 3 1 组网实验6 2 5 3 2 数据传送实验6 4 5 3 3 网络通信质量的测试及分析6 7 5 4 本章小结6 9 第六章总结与展望7 0 6 1 总结7 0 6 2 展望7 0 参考文献7 l 致谢7 3 攻读学位期间发表的学术论文目录7 4 i i 一 一 一 卜 北京邮电大学工学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 长期以来，水电气等管理部门都是采用人工抄表的方式来收集各种数据信息 的，即每月定期派入到各用户家中抄录各种仪表的使用数据作为费用收缴的依 据。但是，随着城市化进程的发展，城市的规模越来越大，水电气等生活资源的 使用量急剧增长，水电气等仪表管理企业更多的采用了直供到户等营销举措和一 户多表的方案，各种生活所需仪表的数量也随之增加，这种效率低下的数据采集 方式浪费了大量的人力、物力。人工抄表的方式由于不能实时地传递各表使用的 情况给管理企业，不利于实时管理。可见，传统的人工抄表方式已无法适应水电 气等管理的需要。 近年来随着信息技术的迅速发展，各行各业几乎都在向着自动化和智能化方 向发展，但在抄表系统中，传统的运行方法还占据着主导地位，大部分还采用比 较初级的人工抄表方式，自动化程度仍然不高。目前国内的自动抄表系统，按通 信方式分类大致有以下几种：电话线、电力线载波、光纤和无线通信等。但现存 的一些有线抄表系统有很多限制条件和弊端：如成本高，需要提前设计布线方案， 且线路比较复杂不利于系统的调试和维护；安全性不高，存在短路，断线的危险； 资源消耗高等。致使这些有线抄表系统不能大规模、稳定地可靠地应用在家用仪 表抄取上。另外，由于所需要抄取仪表的数据量十分大且数据点分布范围特别广， 水电气等公共事业管理企业迫切需要一些成本低、能耗低的自动抄表系统来解决 长期困扰他们的抄表难、维护难等问题。 综上可得，为了适应现代社会市场化、统一化发展的要求，设计一种能够长 期稳定可靠运行、安装维护方便、成本低廉、可实时监控仪表状态并传送数据的 抄表系统已成为业内亟待解决的问题。 1 2 现有抄表方式及特点 综合研究了国内外现有的抄表方式，通过类比发现：国内外现有的抄表方式 主要有人工抄表、i c 卡预付费抄表、有线抄表及无线抄表这几种【1 】【2 】。 1 ) 人工抄表方式，已使用了几十年，但存在诸多弊端。如入户难，抄表人 员劳动强度大，抄表效率难以提高：现行抄表收费结算方式复杂，管理部门负担 北京邮电大学工学硕士学位论文 重，管理费用开支过高；手工抄表、收费和结算，效率低、误差大；用户及收费 人员窃水、窃气、窃电、拒交费用的情况时有发生，这些都已不适应企业管理现 代化的要求。 2 ) i c 卡预付费抄表，这种方式不需入室抄表，节省人力，且采用先付费后 使用的方式可以部分解决收费问题，对管理部门较为有利。但仍存在一些问题： i c 卡仪表在使用过程中易被人为破坏；管理部门不能实时监控仪表及用户的实 际使用情况。 3 ) 有线抄表，充分利用电话网络、电力线网络、r s 4 8 5 总线网等，节省人 力资源，抄表效率和准确性大大提高；可实时的抄表、监测和控制，并检测设备 状态；可实现预付费功能，避免用户直接操作仪表，提高了设备的使用寿命。但 是，有线系统也存在很多自身无法解决的问题，如需要房屋建造前需预先设计布 管、穿线问题；施工周期长、工程安装及维护成本高；系统的扩展升级性差，且 与其他网络不能很好兼容。还有由于长距离室内外的布线，存在着短路、断线隐 患，错综复杂的线路使系统调试维护困难很大，而且如遇停电时间超过备用电池 负担时间的情况，系统计数将出现误差。 4 ) 无线抄表是指采用近距离无线通信技术、g s m g p r s 及i n t e m e t 等技术 自动读取和处理仪表数据，并将每只表的状态及数据信息等以无线的形式传至室 外的数据采集器，再至远端的管理中心。采用无线自动抄表技术，可以给电力发 展带来诸多好处： a ) 无需铺设电缆，节省了人力物力资源，一次性投资，工期短，维护成本 低； b ) 提高了抄表的效率、准确性和实时性，便于管理部门实施管理； c ) 增加了对用户的控制监测手段，对违反操作的用户，实施有效的断电控 制，并可有效的记录监测，形成了完整的负控系统： d ) 出现故障时只需维护无线数据模块，便于快速找出原因，恢复系统正常 运行。 基于上述的这些优点，可以看出无线抄表系统必将成为未来抄表系统发展的 趋势。 1 3 基于z i g b e e 无线抄表的优势 无线抄表系统对数据的传输和存储有着很高的要求，即对数据可靠性要求 高。又由于用电池供电，因此对功耗的要求也很苛刻。基于以上原因，要求设计 的无线抄表系统应该具有计量准确、通信可靠、抄表方便、功耗低等优点，以实 现节省人力、远程监控和维护的功能。目前，无线抄表系统在国内外发达地区已 2 一 一 一 ， 一 卜 北京邮电大学工学硕士学位论文 有所尝试，如通过电力线载波通信的方式，通过r s 4 8 5 有线通信网i j j ，通过g p r s 无线通信网l 碍j ，以及新兴的z i g b e e 无线通信网等来实现传输通信部分p j 。 在众多无线通信技术中，近距离、低复杂度、低功耗、低成本的z i g b e e 无 线通信系统适合于承载数据流量较小的业务和各种自动控制、监测、跟踪及远传 控制领域，是远程采抄水、电、气、热表的首选。z i g b e e 无线抄表系统采集稳定、 可靠、方便、实用，安装费用低廉，维护简单，升级方便，不需要租用公网，也 无须巨额运行费用，是现代智能集抄系统的最优解决方案。 z i g b e e 技术具有网络自组织功能，无需人工干预，可以感知其它节点并自动 确定连接关系，组成多跳网络；具有网络自愈功能，添加或删除节点、节点位置 变动、节点死亡等，网络均能相应的调整拓扑结构并自我修复，保证了网络的正 常运行；功耗很低，节点成本不高，适合于大规模的应用；从协议的设计和硬件 设计上保证了节点通信的高可靠性和安全性。 国内外已经开发出一些基于z i g b e e 的无线抄表系统，但有些只是基于某种 单片机简单的实现了z i g b e e 的组网功能，并不完全符合z i g b e e 标准，离实际应 用还有很远的距离；有些是z i g b e e 与r s 2 3 2 、电力线、g p r s g s m 等方式结合 实现了部分的无线抄表功能一j 。通过对实际应用场景的考察和分析，并结合当前 无线技术的发展状况，本文创新性地提出了全网全功能z i g b e e 无线抄表系统的 设计，有很大的应用与研究前景。若研究并开发出一套全网全功能的z i g b e e 无 线抄表系统，对电力系统的发展将产生深远的影响，从根本上改变了传统的抄表 方式，并提高我国电力企业的经营效益和社会效益。 1 4 课题关键点和研究目标 从应用角度看，无线抄表系统具有以下显著特点h 儿引： 1 ) 无线通信干扰因素多：在无线抄表系统中，存在多种多样的无线收发设 备类型，带有不同种类的天线，其发送功率随着携带能量的变化而不断变化着。 另外，无线信道间干扰严重、各种衰落广泛存在，并且地理环境和天气等综合因 素都容易给无线通信带来很大的干扰； 2 ) 无线传输带宽受限：由于无线信道本身的物理特性，它所能提供的带宽 比有线信道要小得多。又考虑到竞争共享无线信道产生的冲突、信号衰减衰落、 噪声和信道干扰等多种因素，终端可以使用的实际带宽远远小于理论上的最大带 宽； 3 ) 终端能力有限：一般无线抄表系统中的移动终端都很轻便小巧、很容易 与其它仪表进行连接，携带放置方便，但是这也带来了限制，如电池供电能量有 限、内存小、c p u 性能低等，从而给应用程序的设计开发带来了难度和挑战； 北京邮电大学工学硕士学位论文 4 ) 传输数据特点：每家每户都有至少水电气3 个表，要抄收全部的数据， 其数据总量是十分庞大的，又由于这些数据直接关系到每户的经济利益，与缴费 金额挂钩，因此对数据的准确性、可靠性、安全性要求非常高。 正是基于以上的特点，在课题的设计上要充分考虑到以下技术关键问题： 1 ) 减少能量开销：无线抄表系统中的节点会长期工作在无人看管的状态下， 对其平均能耗提出了很高的要求。因此在节点的硬件、软件设计及采用协议的设 计过程中，都应使每个节点的能量消耗最小化，以获得更长的工作时间，尽量减 少不必要的能量消耗。 2 ) 降低运行维护成本：无线抄表系统由成百上千的节点构成，单个节点的 价格将极大地景：响系统的成本，需要使用对计算、存储要求较低的简单的网络结 构和通信协议。另外，降低成本的另一个重要因素是减少系统管理与维护的开销， 做到一次性投资，后期运维成本低。因此，如何布置节点以达到最优的成本控制 也是需要考虑的重要方面。 3 ) 保证可靠性、安全性、数据的准确性：首先，在无线抄表系统中，通信 的可靠性是系统正常运行的关键，采用怎样的策略来解决和避免通信中数据的碰 撞和冲突是十分必要的。其次，要提高系统的安全防御能力，由于采用无线信道 通信，它很容易被窃听、入侵、受到拒绝服务、剥夺“睡眠”等攻击。因此，信道 加密、抗干扰、用户数字认证和其他一些安全措施都是需要特别考虑的。 只有充分考虑到上述技术关键点，才能够设计出计量准确、通信可靠、抄表 方便、功耗低的无线抄表系统，以及节省人力、完成远程监控、远程维护等功能。 基于以上的研究，课题的研究目标如下： 1 ) 深入开展对z i g b e e 标准网络层、应用层的研究，并结合实际应用的需求， 设计出可行性高的z i g b e e 无线抄表系统方案； 2 ) 结合整个系统框架，重点研究并设计采集器与各表之间数据采集、转化 的方式，集中器与采集器之间通信、管理模式，下位机与上位机数据交换、管理 模式； 3 ) 结合课题采用的j n 5 1 3 9 芯片及z i g b e e 协议栈，实现该方案的下位机通 信传输功能，并对其进行测试和分析，论证方案的可行性； 4 ) 结合用户使用的需求，采用c 或v b 语言设计并实现上位机的管理、控 制功能； 5 ) 实现上何机、下位机结合后的全部系统功能，并实地测试分析，最终应 用到实际生活中，测试验证并进一步完善系统设计。 4 一 一 ，一s 小 北京邮电大学工学硕士学位论文 1 5 论文组织结构 第l 章为绪论，介绍了课题的背景，分析比较了现有抄表方式的特点，阐述 了基于z i g b e e 抄表的优势及国内外研究现状，分析了课题的关键点并明确了研 究目标。 第2 章为z i g b e e 协议研究，分别从物理层、m a c 层、网络层和应用层四个 层次结构上剖析z i g b e e 协议栈的层次功能和数据传输模式等。 第3 章为z i g b e e 无线抄表系统总体设计方案，主要阐述了系统的整体框架， 设计了各模块的功能，论证了设计方案的优势。 第4 章为z i g b e e 通信网络研究与实现，从组网方式、路由协议、路由建立 与组网过程等方面详细论述了z i g b e e 网络，并设计了本论文无线抄表系统的网 络传输机制和格式。 第5 章为z i g b e e 无线抄表系统实现，首先介绍了硬件设备及开发环境，接 着对各模块进行了软件流程的设计，最后给出测试与验证结果，以证明本文 z i g b e e 无线抄表系统设计方案的可行性。 第6 章为总结与展望，总结本文的工作、创新点及进一步的工作方向和内容。 最后是参考文献和致谢。 北京邮电大学工学硕士学位论文 第二章z i g b e e 协议研究 2 1z i g b e e 协议层次规范 完整的z i g b e e 协议由高层应用规范、应用会聚层、网络层、数据链路层和 物理层组成。i e e e 8 0 2 1 5 4 工作组负责物理层和链路层标准，z i g b e e 联盟制定网 络层以上的协议标准，如图2 1 所示【9 】【1 们。 应用层接口 安全 3 2 删1 2 8 位加密 网络层 媒介接入控制 m a c 物理层( p h y ) 8 6 8 m h z | 9 1 5 n 任l z | 2 4 g h z 十 i e e e 8 0 2 1 5 4 士 图2 - 1z i g b e e 协议体系结构 包含各层次接口的z i g b e e 协议栈结构图如图2 - 2 所示【1 。 安 全 服 务 提 供 者 应i 用i 对 i 象 i 2 4 0i 端点2 4 0 a p s 数据实体 服务访问点 窭全筻堡i w k 数据实体 服务访问点 | 囤1 2 1 压煳象 用f1 ，： 6 对 z d o 公共接 r 5 鼍：j 0 4 警 ” 端点1 a p s 数据实体 服务访问点 应用支持子层( a p s ) 匝圆 端点0 a p s 数据实体 服务访问点 a p s 管理 实体服务 访问点 安全管理 m a c 数据实体 服务访问点 网络层( n w k ) 匝圈匝囹 介质访问控制层( m a c ) 物理层数据、 服务访问点 物理层管理实 体服务访问点 2 4 g h z 射频 物理层( p h y ) 图2 - 2z i g b e e 协议钱结构图 6 n w k 管理 实体服务 访问点 z d o 管 理 f 面 一 l ；2 十l班艘it黼上 暴 、_ 北京邮电大学工学硕士学位论文 其中，i e e e8 0 2 1 5 4 标准的主要技术特征如表2 1 所示【1 2 1 3 】。 表2 - 1i e e e8 0 2 1 5 4 标准的主要技术特征 复杂程度比现有标准低通信时延 1 5 m s 目的只支持数据通信功耗约4 5 衅 频段、数据率 8 6 8 m h z ：2 0 k b p s1 m a c 的控星型网络 及信道数 9 1 5 m h z ：4 0 k b p s1 0 制方式 对等网络 2 4 g m h z ：2 5 0 k b p s1 6 每个网络支 6 5 5 3 6 寻址方式 6 4 b i t i e e e 地址 持的节点数8 b i t 网络地址 连接层结构开放式温度 4 0 8 5 传输范围 室内：1 0 m ，速率2 5 0 k b p s ；+ 0 d b mt x 应用 传感器、玩具、控 室外：3 0 m - 7 5 m ，速率4 0 k b p s ：3 0 0 m ， 制的等领域 速率2 0 k b p s 2 i 1 物理层 i e e e 8 0 2 15 4 的物理层提供物理层数据服务和物理层管理服务，还提供了媒 体访问控制层与无线物理通道之间的接口，主要完成的功能有i t 4 j ： a ) 激活休眠无线收发设备； b ) 对当前频道进行能量检测； c ) 接收数据时链路质量指示； d ) 为载波检测多址与碰撞避免( c s m a c a ) 进行空闲频道评估、频道选择； e ) 数据的发送及接收等。 2 1 1 1 工作频段和数据传输速率 i e e e 8 0 2 1 5 4 定义了两个物理层标准，分别是2 4 g h z 物理层和8 6 8 9 1 5 m h z 物理层。两个物理层都基于直接序列扩频( d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ， d s s s ) ，都使用相同的物理层数据包格式，两者的区别在于工作频率、调制技术、 扩频码片长度和传输速率方面【1 4 儿15 j 。 2 4 g h z 波段为全球统一的无需申请的i s m 频段，有助于z i g b e e 设备的推广 和生产成本的降低。2 4 g h z 的物理层通过采用高阶调制技术能够提供2 5 0 k b s 的传输速率，有助于获得更高的吞吐量、更小的通信时延和更短的工作周期，从 而更加省科1 6 】【1 7 】。 8 6 8 m h z 是欧洲的i s m 频段，9 1 5 m h z 是美国的i s m 频段，这两个频段的 引入避免了2 4 g h z 附近各种无线通信设备的相互干扰。8 6 8 m h z 的传输速率为 2 0 k b s ，9 1 5 m h z 是4 0 k b s 。由于这两个频段上无线信号传播损耗较小，因此可以 7 北京邮电大学工学硕士学位论文 降低对接收机灵敏度的要求，获得较远的有效通信距离，从而可以用较少的设备 覆盖给定的区域。i e e e8 0 2 15 4 的3 个工作频段和数据传输速率特性如表2 2 所示【18 】【捌。 表2 - 2i e e e8 0 2 15 4 工作频段和数据传输速率 工作频率频道 扩频参数传输数据参数 物理层码片率传输率 ( m h z ) 数调制方式数据符号 ( k c h i p s ) ( k b s ) 8 6 8 n 毗z二相的相移键 8 6 8 8 6 8 6l3 0 02 0二进制 物理层控调制0 3 p s 硒 9 1 5 m h z二相的相移键 9 0 2 9 2 81 06 0 04 0二进制 物理层 控调铝t j ( b p s k ) 2 4 g h z 物 偏移四相移相 1 6 状态 2 4 0 0 2 4 8 3 51 62 0 0 0键控调制 2 5 0 理层组 ( b p s k ) 通常z i g b e e 不能兼容这3 个工作频段，在选择z i g b e e 设备时，应根据当地 无线管理委员会的规定，购买符合当地所允许使用频段条件的设备，我国规定 z i g b e e 的使用频段为2 4 g h z 。 z i g b e e 的发射功率也有严格的限制，其最大发射功率应该遵守不同国家所制 定的规范。通常，z i g b e e 的发射功率范围为0 至l j + 1 0 d b m ，通信距离范围通常为 1 0 m ，可扩大到约3 0 0 m ，其发射功率也可根据需要，利用设置相关服务原语进 行控制。接收灵敏度是在给定接收误码率的条件下，接收设备的最低接收门槛， 通常用d b m 表示；z i g b e e 的接收灵敏度通常是在无干扰的测量条件下得到的， z i g b e e 具有很好的接收灵敏度：传递长度为2 0 个字节的物理层数据包，其误码 率小于l 。 2 1 1 2 调制及扩频技术 图2 - 3 描述了2 4 g 物理层调制及扩频功能模块 2 0 】【2 1 】。 r l ，u u 偏移四相移 巴啁利阴 二进制数据 二进制- 数据符号- 信号。 数据符号 相键控调制 数据码片 ( o - q p s k ) 图2 - 32 4 g 物理层调制及扩频功能 2 4 g 物理层将物理层协议数据单元( p p d u ，p h yp r o t o c o ld a t au n i t ) 每字 节的低四位与高四位分别映射组成数据符号( s y m b 0 1 ) ，每种数据符又被映射成 3 2 位伪随机噪声数据码片( c h i p ) ，如表2 3 所示弘川。接着，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( 0 q p s k ) 调制，其中对偶数序列码 片进行同相调制，而对奇数序列码片进行正交调制。 一 北京邮电大学工学硕士学位论文 表2 3 数据符号蜀疆鸸片映射表 数据符号( 十进制)数据符号( 二进制) 数据码片 0 a ) 0 1 0 1 1 0 1 1 0 0 l l l o 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 l 0 0 0 1 0 1 l l o ll o o o1 1 1 0 1 1 0 1 l o o l l l o 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 l o 20 1 0 00 0 1 0 1l1 0 1 1 0 11 0 0 1 ll 0 0 0 0 l1 0 1 0 1 0 0 l o 31 1 0 0o o l o o o l o l l1 0 1 1 0 11 0 0 l l1 0 0 0 0 l1 0 1 0 1 40 0 l o 0 1 0 1 0 0 l o o o l o l l l 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 l l 51 0 1 00 0 1 1 0 l o l 0 0 l 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 6o l l o11 0 0 0 0 11 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 l1 0 11 0 11 0 0 l 71 l l o1 0 0 11 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 ll1 0 1 1 0 1 80 0 0 11 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 l 91 0 0 l1 0 1 “0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 l l o0 1 0 lo ll l1 0 11 1 0 0 0 11 0 0 1 0 0 1 0 11 0 0 0 0 0 0 1l l l l1 1 0 1o “1 0 11 11 0 11 1 0 0 0 l 1 0 0 1 0 0 1 0 11 0 0 0 0 0 1 2o o l l0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 l o 1 3 1 0 1 l 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1l1 0 11 11 0 11 1 0 0 0 l1 0 0 1 0 0 1 1 4o l l l1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 l l1 0 1l l