（通信与信息系统专业论文）煤矿安全监控无线传感器网络协议与定位技术研究.pdf

中文摘要 煤矿的自然环境复杂，存在多种安全隐患。近年来我国煤矿事故频繁发生， 造成重大经济损失和人员伤亡，现有的煤矿安全监控系统已经无法满足安全生产 的需要。无线传感器网络是集无线通信、数据采集和信息处理功能于一体的新型 分布式自组织数据采集网络。将无线传感器网络应用于煤矿安全监测，将有效地 提高煤矿安全生产监控和管理水平。在此背景下，本文对煤矿监控无线传感器网 络通信协议及定位应用技术进行了研究。 z i g b e e 技术是一种新兴的具有统一技术标准的短距离无线通信技术，非常适 用于要求低成本、低功耗的无线传感器网络。但z i g b e e 自带路由协议效率低，无 法满足煤矿安全监控无线传感器网络的监测需求。针对所提出的煤矿安全监控无 线传感器网络的结构与具体监测需求，本文在a o d v 的基础上提出一种兼容于 z i g b e e 的路由协议c l u s t e r - t r e e a o d v ，仿真结果表明，协议既保持了a o d v 的 优点，又提高了网络的可扩展性能，特别是在网络的节点数较多时，性能明显优 于a o d v ，可很好地适用于煤矿监控无线传感器网络的监测需求。 为了确定煤矿内各种被监测事件的发生地点，需要了解传感器网络的节点位 置信息。针对煤矿井下的无线传输环境，本文利用无线信号强度来实现节点f 、日j 自 定位，提出了提高定位精度的改进方案，并分析了不同因素对定位精度的影响。 仿真结果表明所提出的算法可以有效提高无线传感器节点的定位精度。 关键词：煤矿安全；无线传感器网络；z i g b e e ；c l u s t e r - t r e e a o d v ；节点定位 分类号： i 1 3 6 5 + 5 ；t n 9 2 e 峦銮丝厶堂亟堂鱼诠塞旦s ! b 工 a b s t r a c t t h en a t u r ec o n d i t i o no fc o a lm i n ei sc o m p l i c a t e dt h a tp o t e n t i a ls e c u r i t yr i s ke x i s t r e c e n t l yi n0 1 1 1 c o b n t r y , c o a lm i n ed i s a s l 傩o g c b xf r e q u e n t l ya n db r i n gs e r i o u sl o s so f t r e a s u r e sa n dl i v e s ，p r e s e n tc o a lm i n es e c u r i t ym o n i t o r i n gs y s t e mi sn ol o n g e rs a t i s f yt h e n e e d so fc o a lm i n es a f e t yp r o d u c t i o n w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ( w s n ) ，w h i c hh a v e i n t e g r a t e d w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n ，d a t ac o l l e c t i o n a n di n f o r m a t i o n p r o c e s s i n g c a p a c i t i e s ，a l eb o o m m gt e c h n o l o g i e sf o rc o l l e c t i n gi n f o r m a t i o ni nd i s t r i b u t e da n d s e l f - o r g a n i z e dm a n n e la p p l y i n gs e n s o rn e t w o r k si nc o a lm i n es e c u r i t ym o n i t o r i n gw i l l u p g r a d et h em i n es a f e t yl e v e la n dr e d u c et h eh i d d e na c c i d e n ts i g n i f i c a n t l y w i t ht h i s r e s e a r c hb a c k g r o u n d ，t h i st h e s i sf o c u so nt h ep r o t o c o la n dl o c a l i z a t i o nt e c h n o l o g yo f w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s z i g b e ei san e ww 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 yw i t ht h ef e a m r eo fl o wc o s t a n dl o wp o w e rw h i c hi sp r o p e rf o rw s n i no r d e rt os a t i s f yt h ed e m a n do fc o a lm i n e s e c u r i t ym o n i t o r i n g ，an e wa o d vb a s e dr o n t i n gp r o t o c o lc l u s t e r - t r e e - a o d vw a s p r o p o s e d ，w h i c hw a sa l s oc o m p e t ew i t hz i g b e e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h en e w p r o t o c o lk e p tt h eg o o df e a t u r e so f a o d v a n dp e r f o r mb e t t e ri nl a g e rs c a l en e t w o r k s i nw s n a p p l i c a t i o n ，t h ei n f o r m a t i o no fn o d e sp o s i t i o ni sn e c e s s a r y i nt h i st h e s i s ， t h el o c a l i z a t i o na l g o r i t h mb a s e do nt h er e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t hi n d i c a t o r ( r s s i ) i s p r o p o s e da n do p t i m i z e d ，c o n s e q u e n t l ys e v e r a lf a c t o r s w h i c ha f f e c tt h el o c a l i z a t i o n p r e c i s i o ni sa n a l y z e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h eo p t i m i z e da l g o r i t h mb a s eo n r s s ii m p r o v et h el o c a l i z a t i o np r e c i s i o ne f f e c t i v e l y k e y w o r d s ：c o a lm i n es e c u r i t y ；w i r e l e s s s e n s o r n e t w o r k s ；z i g b e e ； c l u s t e r - t r e e a o d v ：n o d el o c a l i z a t i o n c l a s s n o ：t d 6 5 + 5 ：t n 9 2 致谢 本论文的工作是在我的导师杨维副教授的悉心指导下完成的，他严谨的治学 态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来杨老师对 我的关心和指导。 冯锡生教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，对于我的科研工作和论 文都提出了许多的宝贵意见，同时在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮 助，在此向冯老师表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期i 日j ，黄瀛、李欣、刘彬、王彬等同学对我论文中 的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。同时还要感谢实验 室中的其他同学及已毕业的师兄师姐们，大家在一起研究学术，共同构筑了实验 室良好的学习氛围，并结下了深厚的友谊。 另外也感谢我的家人和朋友，他们的关心是我取得进步动力和源泉，他们的 支持和帮助使我能够在学校专心完成学业。 最后衷心祝愿我的老师、朋友和家人们身体健康、万事如意! 祝愿母校的明 天更加辉煌! 1 绪论 1 1煤矿安全监控系统的现状及存在问题 我国煤炭资源丰富，煤炭占我国能源结构比例的绝大部分。因此，煤炭安全 经济丌采在我国国民经济中占有重要的地位。然而，我国煤矿与世界各主要产煤 国家比较，不仅地质构造比较复杂，以井工开采为主，而且自然灾害也较为严重。 煤矿下自然环境复杂，存在多种安全隐患。近年来，我国煤矿事故频繁发生，轻 则造成经济损失，重则人员伤亡，安全问题已经成为煤矿生产的瓶颈。 随着国家对煤矿安全生产工作的日益重视，煤矿现代化管理的需求，煤矿安 全监测系统越来越体现出其重要性。煤矿监控主要是对煤矿矿井下的有害、有毒、 易燃易爆气体和各种机电设备运行状态的监测和控制。我国最早从国外引进安全 监控系统是在2 0 世纪8 0 年代初，随后通过结合我国煤矿的实际情况，自行研制 出一系列监控系统，目前已经在煤矿内大量使用，为煤矿安全生产和管理起到了 十分重要的作用。 目i ； 绝大多数煤矿安全监控系统都采用有线方式传输信号，即采用光缆、电 力线缆或信号线缆等。但是这些传统的有线佰设方式存在着明显的缺陷： 1 ) 御线繁琐，安装维护成本大 监测系统所需的大量光缆、电缆价格不菲，此外在复杂的地下环境布设线路 同样需要消耗大量的人力物力。 2 ) 覆盖范围有限 由于地形环境复杂多变，矿井中存在着大量难以粕线的区域，有线监控系统 很难遍布矿井的各个地区。无法实现对整个矿井的全方位监测，为安全生产留下 隐患。 3 ) 线路依赖性强 有线网络的自我修复性能较差，局部线路遭到破坏很可能造成整个监控系统 的瘫痪。特别是发生爆炸事件时，线缆往往会受至q 致命的破坏，不能为搜救工作 及事态检测提供信息。 此外，现代化的煤矿安全监控系统除了实现对环境的监控之外，还应包括对 设备和人员的监控，通过监控系统实现井下人员和设备的管理和调度，提高生产 效率和安全性。以上这些都是有线系统难以实现的，因此，使用无线通信技术， 建立以无线传感器网络基础的煤矿监控系统已经成为煤矿安全生产和现代化管理 i e塞窑蓬厶堂亟堂位 i 金 塞绮 纶 的迫切需求。 1 2煤矿用无线传感器网络的提出 随着传感器技术、嵌入式计算技术、通信技术和半导体与微电子系统制造技 术的飞速发展，具有感知、计算存储和通信能力的微型传感器开始出现在军事、 工业，农业和宇航各个领域。无线网络传感器是集传感器执行器、控制器和通信 装置于一体。集传感与驱动控制能力、计算能力、通信能力于一身的资源( 计算、 存储和能源) 受限的嵌入式设备。由这些微型传感器构成的无线传感器网络能够实 时监测、感知和采集网络分布区域内的各种监测对象信息，并对这些信息进行处 理，传送给需要这些信息的用户。 无线传感器网络最早用于军事侦察，近年来已经逐步应用到民用领域。由随 机分御的微小节点通过自组织的方式构成网络，借助于节点中内置的形式多样的 传感器，可以测量所在周边环境的温度，湿度、压力、气体成分等多种物理参数， 实现对所在环境的监测。此外，通过无线传感器网络，还可以实现一些简单的控 制功能，例如开关控制。从国外已成熟的应用来看，在环境、医疗、楼字监测、 交通和制造业等许多领域罩，无线传感器网络都有极大的应用价值。 把无线传感器网络应用到煤矿安全监控系统中，通过各种传感器实时采集矿 井的环境信息，由嵌入式系统对其进行处理，通过自组织无线网络以多跳中继方 式将信息传输到井外的监控终端，能够弥补有线设备的缺陷，具有价廉、便携、 可靠性高等优点。 图i - 1 煤矿无线传感器网络基本架构 f i g l ib a s i cs t r u c t u r eo f c o a lm i n ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s 如图1 1 所示，整个网络由传感器网络节点群、接收发送基站、互联网和监控 终端构成。多个传感器网络节点在矿井内形成自组网，某个节点的采集数据可以 2 通过多跳中继方式发送到井外接收发送基站，再通过串口发送到本地或远程p c 机 上，实现实时监控。传感器网络节点作为整个网络的基本组成部分，不仅能够进 行瓦斯浓度、温湿度等信号的采集处理，还能够在节点之j 日j 组网，进行节点定位 和无线收发。 将无线传感器网络技术引入煤矿井下，构建以无线传感器网络为核心的井下 全方位、实时环境监测系统，除了能够提高煤矿生产安全水平和管理水平之外， 更重要的是通过对井下多种物理参数的采集，研究煤矿事故发生的相关规律，提 出与之相适应的预测模型，从根本上减少或避免煤矿事故的发生，为煤矿安全生 产成做出实质性贡献。 1 3 无线传感器网络通信协议z i g b e e 对于多数无线网络，通信协议的设计旨在提高数据传输速率和传输距离，而 对于应用于环境检测、工业控制等领域的无线传感器网络来说，系统所传输的数 掘量小，传输速率低，通信终端设备通常为电池供电，因此要求传输设备必须具 有成本低、功耗小的特点。针对这些需求，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菲利普四家公司在2 0 0 2 年共同宣布组成z i g b e e 技术联盟。目| i 该联盟成员已经达到1 5 0 多家，而且还在不断发展壮大。 z i g b e e 技术的应用潜力和价值被普遍看好，2 0 0 3 年1 1 月，i e e e 正式发布了 该技术物理层和m a c 层的标准协议8 0 2 1 5 4 ，2 0 0 4 年1 2 月，z i g b e e 联盟萨式发 钿网络层与应用层协议规范。标准的j 下式发布，加速了z i g b e e 技术的研发工作， 许多公司已经陆续推出了自己的产品和丌发系统。能够为用户提供机动灵活的组 网方式和应用需要。用户可以根据自己的需求，对其进行开发利用。 1 4主要研究工作与论文组织结构 本文主要研究无线传感器网络通信协议z i g b e e ，并根掘煤矿应用环境提出网 络层路由方案和定位应用方案。全文共分五章，结构安排如下： 第一章为绪论，简要介绍煤矿安全监控系统的现状以及使用无线监控系统的 必要性。 第二章介绍z i g b e e 协议的结构及特点 第三章首先介绍z i g b e e 协议网络层功能，并对协议规范不完善的地方作了修 改和补充。然后分析了无线传感器网络路由问题，并在a o d v 协议的基础上提出 了一种应用于煤矿的z i g b e e 网格形路由协议。仿真表明所提出的协议较a o d v 更 适合应用于大规模监控的无线传感器网络。 第四章介绍了无线传感器网络定位技术，在煤矿环境中，对r s s i 定位方法提 出改进方案，并分析不同因素对定位精度的影响。仿真结果表明所提出的算法可 有效提高无线传感器节点的定位精度。 第五章对全文进行了总结，并对今后的工作进行了展望。 4 j e 夏窑煎盔堂亟堂焦途塞圣ig 旦! 挂苤金绝 2z i g b e e 技术介绍 利用z i g b e e 技术组成的无线区域网是一种低速率的无线区域网，这种网络结 构简单、成本低廉，具有有限的功率和灵活的吞吐量。低速率无线区域网的主要 目标是实现安装容易、数掘传输可靠、短距离通信、低成本及低功耗，并拥有一 个简单而灵活的通信网络协议。 2 1 z i g b e e 协议的体系结构 在z i g b e e 技术中，其体系结构按层来量化它的各个简化标准。每一层负责完 成所规定的任务，并且向上层提供服务，各层之l b j 的接口通过所定义的逻辑链路 来提供服务。z i g b e e 协议的体系结构主要由物理层( p h y ) 、媒体接入控制层 ( m a c ) 、网络层( n w k ) 以及应用层( a p l ) 组成，如图2 1 所示。 血用层a p p l i c a t i o n a p l ) l a y e r 7 i c b e e 设备l 象 z i 9 b e ed e v i c eo b j e c t ( 7 d o 毅氍宴体 l 务遍闩接口 管理宴体雎务访闷接口 舻s d e s 妒 a p s 书a p a p p l i c a t i o ns u p p o r li a p s ls u b - l a y e r 鼗摇宴俸服务访闩接i 应用蔓菇居 管理宴体肌务诟闩接口 n e t w o r kc i j w k ) l a y e t 枣攫寞体 哆访闩接口 i i ! t t 层管理宴雄服务访妇难口 糟- 3 二i i l ls a p 图2 - 1z i g b e e 协议分层结构 f i 9 2 一ll a y e r e da r c h i t e c t u r eo f z i g b e cp r o t o c o l 从图2 1 可以看出，z i g b e e 协议层机构很简单，严格讲z i g b e e 协议只包含应 用层、网络层及各层的安全机制。物理层、m a c 层属于i e e e8 0 2 1 5 4 。但z i g b e e 联盟定义协议时采用了i e e e8 0 2 1 5 4 规范作其底层。因此，从广义上上讲，也可 称z i g b e e 协议包含了低两层。 从物理层到应用支持层，每层都包含两个实体：数据实体和管理实体；两个 实体各向上层提供了服务访问接口：数据实体访问接1 ：3 和管理实体访问接口：数 掘实体服务访问接口是为传送数据服务的；管理实体服务访问接口是为系统管理 服务的。协议各层的两个实体问也有一个接口，称为内部接口。安全措施可以加 在一层中，也可加在多层中，从而大大增加系统的安全性。 2 1 1 物理层( p h y ) 物理层是协议的最底层，由射频收发器及底层控制机制组成，承担着和外界 直接作用的任务。同时向m a c 层提供两组服务：物理层数掘服务和物理层管理服 务。物理层数掘服务的作用是从无线物理信道上收发数据；物理层管理服务的作 用是维护物理层相关数据组成的数掘库。物理层包括以下五方面的功能： 激活和休眠射频收发器； 信道能量检测( e n e r g yd e t e c t ) 检测接收数据包的链路质量指示( 1 i n kq u a l i t yi n d i c a t i o n ，l q i ) ； 空闲信道评估( c l e a rc h a n n e la s s e $ $ r n e 鸭c c a ) ； 收发数据。 在对信道能量进行检测时，只检测改信道接收信号的功率强度而不进行解码 操作，所以检测结果是有效信号功率和噪声信号功率之和。检测结果将报告给m a c 层的管理实体，为建网选择提供信道选择依据。 l q i 是对接收报文的质量和强度特性的度量，可以通过接收器信道能量检测、 信噪比无线评估或者这些方法的结合来实现。检测结果报告给m a c 层管理实体， 为路由选择提供依据。 空闲信道评估判断信道是否空闲，用来避免或减少网络中的通信冲突。i e e e 8 0 2 1 5 4 定义了三种空闲信道评估模式：第一种简单判断信道的信号能量，当信号 能量低于某- f l 限值就认为信道空闲；第二种是通过判断无线信号的特征，这个 特征主要包括两方面，即扩频信号特征和载波频率；第三种模式是前两种模式的 综合，同时检测信号强度和信号特征，给出信道空闲判断。 物理层定义了三个载波频段用于收发数据。在这三个频段上发送数据使用的 速率、信号处理过程以及调制方式等方面存在一些差异。三个频段总共提供了2 7 个信道：8 6 8 m h z 频段1 个信道，9 1 5 m h z 频段1 0 个信道，2 4 5 0 m h z 频段1 6 个信 道。具体分配如图2 2 所示。 6 c h a n n e l0 8 6 8 m h z ，9 1 5 m h z p h y _ 9 一 c h a n n e l s1 - 1 0 l 一2 m h z 卜蛐0 伽i e l 2 4 g h z p h y c h a n n e l s11 - 2 6 - 1 。一5 m i z l - - - - - - - - - - - - - - - - i 24 5 3 5 g i - z 幽2 - 2i e e e8 0 2 1 5 4 通信频段承i 信道分配 f i 9 2 2 i e e e8 0 2 1 5 4 f r e q u e n c y a n dc h a n n e l s i g n m e m 在8 6 8 m h z 和9 1 5 m h z 这两个频段上，信号处理过程相同，首先将物理层协 议数掘单元( p h yp r o t o c o ld a t au n i t ，p p d u ) 的二制数掘进行差分编码，然后再将 差分编码后的每一个位转换为长度为1 5 的码片序列，最后用b p s k 调制到信道上。 两个频段的数据速率不同：8 6 8 m h z 频段为2 0 k b p s ，9 1 5 m h z 频段为4 0 k b p s 。 在2 4 g h z 频段的处理过程，首行将p p d u 的二进制数掘中每4 位转换为一个 符号，然后使用直接序列扩频的方式，将每个符号转换成长度为3 2 的码片序列。 扩频后，信号通过0 一q p s k 调制方式调制到载波上。2 4 g h z 频段的数掘速率可以 达到2 5 0 k b p s 。 2 1 2 媒体接入控制层( m a c ) m a c 层使用物理层提供的服务实现设备之间的数掘帧传输，m a c 层提供两 种服务：m a c 层数据服务和m a c 层管理服务。前者保证m a c 协议数掘单元在 物理层数掘服务中的正确收发，后者维护一个存储m a c 子层协议状念相关信息的 数掘库。 m a c 层主要功能包括下面六个方面： 协调器产生并发送信标帧，普通设备根据协调器的信标帧与协议器同步； 支持网络的关联( a s s o c i a t i o n ) 和取消关联( d i s a s s o c i a t i o n ) 操作； 支持无线信道通信安全； 使用c s m a c a 机制访问信道； 支持时隙保障( g u a r a n t e e dt i m es l o t ，g t s ) 机制； e 塞銮迪厶堂亟堂僮途塞圣ig 旦i 基苤金绥 支持不同设备的m a c 层问可靠传输。 关联操作是指一个设备在加入一个特定网络时，向协调器注册以及身份认证 的过程。当网络中的设备能从一个网络切换到另一个网络时，就需要进行关联和 取消关联操作。 时隙保障机制和时分复用( t d m a ) 机制相似，但它可以动态地为有收发请 求的设备分配时隙。使用时槽保障机制需要设备b j 的时日j 同步，i e e e8 0 2 1 5 4 中 的时间同步通过“超帧( s u p e r f r a m e ) ”机制实现。 2 1 2 1 超帧 在i e e e8 0 2 1 5 4 中，可以选用以超帧为周期组织网络内设备i 日j 的通信。每个 超帧都以网络协调器发出信标帧( b e a c o n ) 为始，在这个信杯帧中包含了超帧将持 续的时间以及对这段时间的分配等信息。网络中普通设备接收到超帧开始时的信 标帧后，就可以根据其中的内容安排自己的任务，例如进入休眠状态直到这个超 帧结束。 超帧将通信时间划分为活跃和不活跃两个部分。在不活跃期间，p a n 网络中 的设备不会相互通信，从而可以进入休眠状态以节省能量。超帧有活跃期间划分 为三个阶段：信标帧发送时段、竞争访问时段( c o n t e n t i o na c c e s sp e r i o d 。c a p ) 和 非竞争访问时段( c o n t e n t i o n f r e ep e r i o d ，c e p ) 。超帧的活跃部分被划分为1 6 个等 长的时隙，每个时隙的长度、竞争访问时段包含的时隙数等参数，都由协调器设 定，并通过超帧丌始时发出的信标帧广播到整个网络。超帧的结构如图2 3 所示。 但书砂 竞争访鲫时段非竞争访同时段j 一一 一一： r 信标帧 - g t sg t s 不活跃时段 - _ l2 3 4 5 6 7 8 91 0l l1 21 31 4 1 5 图2 - 3 超帧结构 f i 9 2 3s u p e f f r a m es t r u c t u r e 在超帧的竞争访问时段，i e e e8 0 2 1 5 4 网络设备使用带时隙的c s m a c a 访 问机制，并且任何通信都必须在竞争访问时段结束j i i 完成。在非竞争时段，协调 器根据上一个超帧p a n 网络中设备申请g t s 的情况，将非竞争时段划分成若干个 g t s 。每个g t s 由若干个时隙组成，时隙数目在设备申请g t s 时指定。如果申请 成功，申请设备就拥有了它指定的时隙数目。如图2 3 中第一个g t s 由时隙1 1 1 3 构成，第二个g t s 由时隙1 4 、1 5 构成。每个g t s 中的时隙都指定分配给了时 隙申请设备，因而不需要竞争信道。i e e e8 0 2 1 5 4 标准要求任何通信都必须在自 8 j e 丞塞适厶堂亟坐位j 金塞圣ig 旦! 这苤盒型i 己分配的g t s 内完成。 超帧中规定非竞争时段必须跟在竞争时段后面。竞争时段的功能包括网络设 备可以自由收发数据，域内设备向协调者申请g t s 时段，新设备加入当前p a n 网 络等。非竞争阶段由协调者指定的设备发送或者接收数掘包。如果某个设备在非 竞争时段一直处在接收状态，那么拥有g t s 使用权的设备就可以在g t s 阶段直接 向该设备发送信息。 2 1 2 2 数据通信模式 i e e e8 0 2 1 5 4 网络中，有两种通信模式可供选择：信标使能通信和非信标使 能通信。 在信标使能的网络中，由网络协调器定时广播标帧。信标帧表示超帧的开始。 设备之间通信使用基于时隙的c s m a c a 信道访问机制，网络中的设备都通过协 调器发送的信标帧进行同步。在时隙c s m a c a 机制下，每当设备需要发送数据 帧或命令帧时，它首先定位下一个时隙的边界，然后等待随机数目个时隙。等待 完毕后，设备开始检测信道状态：如果信道忙，设备需要重新等待随机数目个时 隙，再检查信道状态，重复这个过程直到有空闲信道出现。在这种机制下，确认 帧的发送不需要使用c s m a c a 机制，而是紧跟着接收帧发送回源设备。 在非信标使能的通信网络中，网络协调器不发送信标帧，各个设备使用非时 隙的c s m a c a 机制访问信道。该机制的通信过程如下：每当设备需要发送数据 或者发送m a c 命令时，它首先等候一段随机长的时i 日j ，然后丌始检测信道状态： 如果信通空闲，该设备立即开始发送数据；如果信道忙，设备需要重复上面的等 待一段随机时阃和检测信道状态的过程，直到能够发送数据。在设备接收到数据 帧或命令帧而需要回应确认帧的时候，确认帧应紧跟着接收帧发送，而不使用 c s m a c a 机制竞争信道。 2 1 2 3 设各地址 在m a c 层中规定设备地址有两种格式：1 6 位( 2 字节) 的短地址和6 4 位( 8 字节) 的扩展地址。1 6 位短地址是设备与p a n 网络协调器关联时，由协调器分配 的网内局部地址：6 4 位扩展地址是全球惟一地址，在设备进入网络之f j i 就分配好 了。1 6 位短地址只能保证在p a n 网络内部是惟一的，所以在使用1 6 位短地址通 信时还需要结合1 6 位的p a n 网络标识符才有意义。 2 1 3 网络层( n w k ) 网络层规范由z i g b e e 联盟制定，网络层由数据实体和管理实体组成，分别提 9 j g 丞銮道盔堂亟堂熊i 金塞丕ig 曼埴丕盒绝 供数掘传输服务和管理服务。此外，网络层还负责维护信息数据库n i b 。 网络层主要功能包括： 建立新的网络 处理节点的加入和离开网络 根据网络类型设置节点的协议堆栈 使网络协调器对节点分配地址 保证节点之间的同步 提供网络的路出 保证数据的完整性 2 i 4 应用层( a p l ) 应用层a p l 作为z i g b e e 协议的最上层，直接作用于用户需求，因此主要根据 具体应用由用户开发。应用层又包括应用支持层a p s 和z i g b e e 设备应用对象 z d o 。应用支持层同样由数据实体和管理实体组成，分别提供数掘传输服务和管 理服务。应用支持层主要功能包括：维持器件的功能属性、发现该器件工作空间 中其他器件的工作、掘服务和需求使多个器件之| 日j 进行通信。 z i g b e e 设备应用对象z d o 终端设备和a p s 之问的接口。能满足协议栈里的 所有应用操作的共同需求。主要功能为集成来自终端应用的配置信息和初始化应 用支持层a p s 、网络层n w k 、安全服务规范等。 有关z i g b e e 网络层和具体应用方案将在后面的章节中作为重点介绍 2 2 z i g b e e 网络设备类型 i e e e8 0 2 1 5 4 中规定两种类型的物理设备：全功能设备( f u l lf u n c t i o n a ld e v i c e ， f f d ) 和精简功能设备( r e d u c e df u n c t i o nd e v i c e ，r f d ) 。 1 ) 全功能设备f f d 可以担任网络协调者，形成网络，让其它的f f d 或是精简功能r f d 连结，f f d 具备控制器的功能，可提供信息双向传输。附带由标准指定的全部8 0 2 1 5 4 功能 和所有特征，更多的存储器、计算能力可使其在空闲时起网络路由器作用。同时 也能用作终端设备。运行一个f f d 需要约3 0 k b 系统资源。 2 ) 精简功能设备r f d r f d 只能传送信息给f f d 或从f f d 接收信息。通过附带有限的功能来控制成 本和复杂性，在网络中通常用作终端设备。r f d 省掉了内存和一些电路，较低级 o e 峦窑堑厶堂亟堂焦i 金毫兰ig 垒燕苤佥绁 的处理器和小协议栈有效地降低了r f d 的成本，同时也降低了能量的消耗。运行 一个r f d 仅需要4 k b 左右的系统资源。 在z i g b e e 联盟制定的协议规范中将设备类型则进一步分为：z i g b e e 协调器 ( z i g b e ec o o r d i n a t o r , z c ) 、z i g b e e 路由器( z i g b e er o u t e r , z r ) 和z i g b e e 端设备 ( z i g b e ee n dd e v i c e ，z e d ) 。前面两种设备均为f f d ，z e d 则对应r f d 。 z i g b e e 协调器是一种特殊的f f d ，它包含所有的网络消息，功能包括发送网 络信标、建立一个网络、管理网络节点、存储网络节点信息、寻找节点问的路由 消息。一个z i g b e e 网络只需要一个协调器，最多可支持6 5 5 3 5 个从属设备。协调 器需要不断地收发信息，数据处理量和计算量最大。在z i g a e e 网络中，协调器是 最主要的耗能设备，而且又是网络中最必不可少的，因此z i g b e e 协调器往往采用 持续供电装置，而其他z i g b e e 设备均采用电池供电。 2 3 z i g b e e 网络拓扑结构 z i g b e e 网络支持三种网络拓扑结构：星形结构、树形结构和网格形结构。这 三种结构如图2 - 4 所示。 豳2 - 4 星形、树形、网格形拓扑结构 f i 9 2 4s t a r , t r e ea n dm e s ht o p o l o g ym o d e l s 星形拓扑网络结构由网络协调器和多个端设备组成，所有端节点都只能同协 调器通信，端端通信必须通过协调器进行转发。星形拓扑网络通常可以满足家庭 自动化等简单需求。 与星型网络相比，树形网络中增加了一个角色一路由器，路由器由全功能设 备担当，它的功能是扩大网络的物理覆盖范围和增加网络节点数量。端设备可以 j e 巫銮适厶堂殛堂僮论塞圣ig 垒基苤企型 加入路由器，成为路出器的子设备，也可以直接成为协调器的子设备。需要注意 的是，在树形网络中，没有网络连接关系的节点是不能直接通信的，即使是全功 能的端节点也不行。 如果规定在树形网络中，只要在通信范围之内，所有的全功能节点相互问都 能通信，那么就构成了网格形网络。在网格形网络中，信息传递有更多的路由选 择，算法也更加复杂。网格形网络可以采用多跳的传输方式增大网络的覆盖范围， 适用于大规模的工业监控网络。 可以看出。z i g b e e 协议所支持的三种网络，实际上是逐级在前者的基础上扩 展功能和增大网络规模。目前z i g b e e 协议星形及树形结构已经有了完整的支持， 而网格形网络的组网路由协议，在z i g b e e 的网络层中并没有给出，这样也为用户 留下更大的空间，以便根掘自己需求灵活采取自己的组网方式。 2 4 z i g b e e 网络的功耗 出于无线传感器网络设备大部分都使用电池供电，因此低功耗是z i g b e e 的一 个重要特征。在一个典型的z i g b e e 传感网络中，一块普通碱性电池可以供z i g b e e 设备工作六个月到两年。 z i g b e e 的m a c 信道接入机制有两种：无信标模式和有信标模式。无信标模 式就是标准的c s m a c a 的信道接入机制，终端节点只在有数据要收发的时候j 。 和网络会话，其余时间都处于休眠模式，这样低平均功耗非常低。有信标模式下， 终端设备可以只在信标被广播时醒来，并侦听地址，如果没有侦听到自己的地址， 则又转入休眠状态。信标对树形网络和网格形网络的节点同步尤为重要，节点不 用长时间侦听信道而消耗能量。 网络拓扑结构对功率节省也有很重要的关系。大量的r f d 降低了整个网络的 总能量消耗，对于f f d ，由于要担当网络协调器或路由器的角色，因此可根据其 在网络中的地位选用持续供电方式或在路由协议中增加轮换机制来保证网络的可 靠运行。 2 5 小结 通过前面的介绍，可以看出z i g b e e 具有以下一些特点： 低速率：有2 0 k b p s 、4 0 k b p s 、2 5 0 k b p s 三种标准，专注于低数据业务应用。 低功耗：在低功耗模式下，使用普通电池供电可达数月之久。 低成本：由于协议简单，因此z i g b e e 协议免专利费，大大降低了产品成本。 1 2 网络容量大：网络可容纳6 5 0 0 0 个设备。 传输可靠：采用c s m a - c a 机制，帧确认机制保证数掘传送的可靠性：网 格形网络拓扑结构具有很强的自组织和自愈能力。 工作频段灵活：使用频段为2 4 g l - l z 、8 6 8 m h z 和9 1 5 m h z ，且均为免费的 i s m 频段。 由于z i g b e e 具有以上一些特点，使它非常适合有大量终端设备的网络。可以 应用到以下领域：楼宇自动化、工业监视及控制、计算机外设、互动玩具、医疗 设备、消费性电子产品、家庭自动化。 对于要求低成本、低功耗的煤矿监控无线传感器网络，使用z i g b e e 是非常合 适的。在后面的章节中，我们将对z i 9 8 e e 的网络层做进一步介绍，并且根据矿井 内的应用需求提出一些具体的解决方案。 3z i g b e e 网络层与路由协议 网络层是z i g b e e 协议的重要部分，本章首先介绍z i g b e e 网络层的基本功能， 并对协议规范不完善的地方作了修改和补充；要满足煤矿安全监控z i g b e e 无线传 感器网络的需求，需要设计合适的网络层路由协议。a o d v 路由协议是当前自组 网中应用广泛的一个路由协议，也是最好的路由协议之一。根掘煤矿安全监控和 z i g b e e 网络的特点，本章在a o d v 的基础上提出了一种分簇路由协议，既协议既 保持了a o d v 的优点，又提高了网络的可扩展性能，特别是在网络的节点数较多 时，性能明显优于a o d v 。 3 1网络层概述 z i g b e e 协议栈的核心部分在网络层。网络层包括两个功能服务实体：网络层 数掘实体( n l d e ) 通过网络层数掘实体服务接口( n l d e s a p ) 提供数掘传输服 务；网络层管理实体( n l m e ) 通过网络层管理实体服务接口( n l m e s a p ) 提供 网络管理服务。网络层数据实体利用网络层管理实体完成一些网络管理服务，并 且，网络层管理实体完成对网络信息库( n i b ) 的维护和管理，下面分别对它们的 功能进行介绍。 1 ) 网络层数据实体 网络层数据实体网络层数据实体( n l d e ) 为应用层提供数据传输服务，以满 足同一个网络上的不同设备之间传输应用层数据实体( a p d u ) 的需要。具体功能 如下： 由应用层协议数据单元附加必要的头尾信息，生成网络层协议数掘单元 ( n p d u ) 。 提供信息中转服务，指定传输路由，在传输过程中按照一定的算法规则更 新n p d u ，确保后续的转发成功进行 2 ) 网络层管理实体 网络层管理实体提供网络管理服务，具有以下功能： 建立新网络。 配置新设备。包括在建网仞期配置协调器和新加入网络设备的初始化操 作。 加入和离丌网络。包括端设备自主加入或离丌网络，或协调器或路出器舍 弃一个网络子设备。 1 4 e 塞童塑厶堂亟堂僮论塞丕ig 旦圜鳌层当蹬由垃邀 分配地址。由协调器或路由器为新加入网络的设备指定地址。 邻居设备发现。发现、记录并携带临近一跳距离内邻居设备的信息。 路由发现。发现并记录网络路由的信息。 接受控制。控制设备接受活动的时段、接收时隙长短、以保证m a c 层的 同步诈常接受。 网路层的组成和接口如图3 1 所示： 图3 - 1z i g b e , e 协议网络层结构 f i 9 3 - 1z i g b e en w kl a y e rr e f e r e n c em o d e l 3 2网络和设备维护 z i g b e e 网络层设计目标是构建低成本、低功耗、嵌入式的无线网状网络。在 上一章已经介绍过，为了提供低成本和低能量消耗的节点，i e e e8 0 2 1 5 4 中规定 两种类型的物理设备：全功能设备( f f d ) 和精简功能设备( r f d ) 。r f d 不能作 为网络协调器，只能与f f d 通信，因此无法成为网络的路出节点；f f d 可以作为 网络协调者，可以和f f d 或r f d 通信，f f d 具有更大的存贮容量和计算能力，但 同时也会消耗更多的能量，成本也比较高。 在z i g b e e 协议中设备类型则进一步分为：z i g b e e 协调器( z c ) 、z i g b e e 路由器 ( z r ) 和z i g b e e 端设备( z e d ) 。就网络层而言，三种设备类型的基本功能区别如表 3 1 所示。 1 ) z i g b e e 协调器( z c ) z i g b e e 网络层协议规定，每个z i g b e e 网络必须具备并且只有唯一的协调器， 由第一个建立网络的节点扮演此角色，z i g b e e 协调器对应i e e e8 0 2 1 5 4 中的个人 域网协调器，属于全功能设备( f f d ) 。其主要作用就是建立新的网络并设定相关基 i e 巫窑适盔堂亟堂鱼途塞圣ig 旦囤终屋皇蹬由协这 本参数( 建立时问、网络位置、网络i d ，使用信道等) 。也可以在已有的网络中用 作路由器，同样可以在应用层连接多种逻辑设备，满足多种应用的需求。 2 ) z i g b e e 路由器( z r ) z i g b e e 路由器为可供选择的网络节点类型，对应i e e e8 0 2 1 5 4 中的协调器， 属于全功能设备( f f d ) ，其主要作用包括：发现并且为z c 或z e d 提供路由服务( 扩 展网络覆盖面积) ；管理局部的地址并配和数据路由；参与多跳转网络的数据信息 转发；i 临时托管面向其子节点的广播和转发信息包。 3 ) z i g b e e 端设备( z e d ) z i g b e e 端设备为可供选择的网络节点类型，其功能是加入已经存在的网络， 并且与z c 和z r 协同工作。由于端设备主要设计为低功耗的终端应用，所以一般 对应i e e e8 0 2 1 5 4 中的精简功能设备( r f d ) ，但是有时为了增强网络效率和鲁棒 性，也会使用全功能设备( f f d ) 作为端设备。r f d 端设备不可以继续发展自己 的子节点，也不参与路由，遵守其父节点为其分配的工作和休眠时段。 表