（微电子学与固体电子学专业论文）用于污水处理的无线传感网络监测系统研制.pdf

杭州电子科技大学硕士学位论文 摘要 随着传感、无线通信、网络和嵌入式系统等技术的发展，由具有感知、计算和无线通信 能力的传感器构成的无线传感网络得到了人们的极大关注。无线传感网络是新一代的传感器 网络，在这种网络中，节点除了自己收集和处理相关的传感信息，还可以借助中间节点的转 发来实现通信。现今无线传感器网络正被用于医疗护理，工业控制，环境监测等领域，它的 发展和应用将会给人们的生活和生产的各个方面带来深远影响，具有很广阔的应用前景。 在污水处理的过程中，需要实时监测各处理池中的水质参数，以使各处理过程能够顺利 进行，把无线传感网络技术应用于污水处理，是很有意义的。论文介绍了一种用于污水处理 的无线传感网络监测系统，该系统建立在z i g b e e 无线技术之上，采用上位机和下位机结合的 形式。下位机对水质参数进行采集；而上位机负责对采集到的数据进行处理，包括显示，分 析，存储等。当有水质参数超过设定值时，上位机将进行报警。其中下位机由z i g b e e 节点组 成，各z i g b e e 节点构成一个星形网络：z i g b e e 协调器是星形网络的中心节点，负责组建网络， 增加各z i g b e e 终端节点进网络，并与上位机进行通信，把各z i g b e e 终端传过来的数据传给 上位机；z i g b e e 终端节点负责数据的采集，并把采集过来的数据传给z i g b e e 协调器。上位机 采用的是p c 机，通过串口与z i g b e e 协调器进行通信。z i g b e e 使用的协议是2 0 0 6 的协议， 采用的是t i 的z s t a c k 协议栈；上位机软件采用的是m c g s 组态软件。 论文在最后给出了系统测试的结果，并对测试的结果进行了分析处理，测试结果表明系 统基本上达到了设计的要求。 关键词：z i g b e e ，m c g s ，污水处理，传感网络； 杭州电子科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs e n s o rt e c h n o l o g y , w 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 y , n e t w o r k t e c h n o l o g ya n de m b e d d e ds y s t e m st e c h n o l o g y , w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kw h i c hi s c o n s i s t e do f s e n s o r sw i t hc a p a b i l i t i e so fp e r c e p t i o n ，c o m p u t i n ga n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sg o tp e o p l e sg r e a t a t t e n t i o n w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki san e wk i n do fs e n s o rn e t w o r k s ，i nt h i sn e t w o r k ，t h en o d e sc a n c o m m u n i c a t ew i t ho t h e r st h r o u g ht h eh e l po fi n t e r m e d i a t en o d e s ，i na d d i t i o nt ot h e i rc a p a b i l i t i e so f c o l l e c t i n ga n dp r o c e s s i n go f s e n s o ri n f o r m a t i o n t o d a y sw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki sb e i n gu s e df o r m e d i c a lc a r e ，i n d u s t r i a lc o n t r o l ，e n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g , e t c a n di tw i l lp l a ym o r ea n dm o r e i m p o r t a n tr o l ei np e o p l e sl i v e sa n dp r o d u c t i o na c t i v i t yw i t hi t sd e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n s o w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kh a sav e r yb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t w a t e rq u a l i t yp a r a m e t e r so ft r e a t m e n tp o n da r en e e d e dt ob em o n i t o r e dd u r i n gt h ep r o c e s so f w a s t e w a t e r , s ot h a tt h ep r o c e s sc a nb ep r o c e e ds m o o t h l y i ti sm e a n i n g f u lt oa d o p tw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r kt e c h n o l o g yi nw a s t e w a t e rt r e a t m e n t t h i sp a p e ri n t r o d u c e sak i n do fw i r e l e s ss e n o r n e t w o r km o n i t o r i n gs y s t e mf o rw a s t e w a t e rt r e a t m e n t t h es y s t e mi sb a s e do nz i g b e ew i r e l e s s t e c h n o l o g y , w i t hh o s tc o m p u t e ra n dl o w e rc o m p u t e r l o w e rc o m p u t e rc o l l e c t s w a t e rq u a l i t y p a r a m e t e r s ，a n dt h eh o s tc o m p u t e ri sr e s p o n s i b l ef o rt h ep r o c e s so f c o l l e c t e dd a t a , a sd i s p l a y , a n a l y s i s ，s t o r a g e ，e t c w h e n e v e rt h ew a t e rq u a l i t yp a r a m e t e r se x c e e da s e tv a l u e ，t h eh o s tc o m p u t e r w i l lg i v ea na l a r m l o w e rc o m p u t e ri sc o n s i s t e do fz i g b e en o d e ，a n dz i g b e en o d e sf o r mas t a r n e t w o r k z i g b e ec o o r d i n a t o r i st h ec e n t e ro ft h es t a rn e t w o r ka n di sr e s p o n s i b l ef o r t h ef o r m a t i o no f t h en e t w o r k ，a d d i n gz i g b e ee n dn o d e si n t ot h en e t w o r ka n dc o m m u n i c a t i n gw i t ht h eh o s tc o m p u t e r , p a s s i n gt h ed a t af r o mz i g b e ee n dn o d e st ot h eh o s tc o m p u t e r z i g b e ee n dn o d ei sr e s p o n s i b l ef o r d a t ac o l l e c t i o n ，p a s s i n gt h ec o l l e c t e dd a t at ot h ez i g b e ec o o r d i n a t o r t h eh o s tc o m p u t e ri sp c ，a n d c o m m u n i c a t e sw i t hz i g b e ec o o r d i n a t o rt h r o u g ht h es e r i a lp o r t z i g b e ep r o t o c o li s t h e2 0 0 6 a g r e e m e n t ，a n dt iz s t a c ki su s e d m c g sc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ei su s e da sp c s o f t w a r e t h ef i n a ls y s t e mt e s tr e s u l t sw e r eg i v e na n da n a l y z e db yp a p e r , a n di ts h o w e dt h a tt h es y s t e m b a s i c a l l ym e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：z i g b e e , m c g s ，w a s t e w a t e rt r e a t m e n t ，s e n s o rn e t w o r k s ； u 杭州电子科技人学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题产生的背景 全球水的总储量为1 3 9x1 0 9 k m 3 ，其中海水的体积分数为9 6 5 ，淡水量为3 5x1 0 7 k i n 3 ， 仅占2 5 ，而真正易于开发利用的河水、湖泊水、地下水等淡水资源约为3 0 0x1 0 6 k i n 3 ，不 足地球水总储量的0 3 t 。水资源具有有限性、时空不均性和不可替代性等特点，由于人类 对水资源的不合理的开采利用，产生了一系列水及水资源相关的环境、生态和地质灾害问题。 我国水资源的人均占有量低于世界的平均水平。随着我国工业化进程和城市化进程的推进， 水体污染使得水资源的短缺问题雪上加霜。如何进行水体污染的防治和处理已成为我们必须 重点关注的问题。而在水体污染的防治和处理过程中，对水质进行监测又是必不可少的。为 了能够对水质能够有更好，更迅速的了解，各种在线水质监测仪器正在不断发展，同时对于 在线监测仪器的数据处理方式也在不断的更新，数据可以通过有线传输方式传到控制中心， 也有采用无线传输方式把数据传输到控制中心的，根据实际的需要，数据还可以借助于 i n t e m e t 或g p r s 等技术进行远程的传输。为了使水体污染的防治和处理效果不断提高，各种 方法正在不断的被尝试。 1 2 研究的现实意义 本课题研究的目的是设计用于污水处理的无线传感网络监测系统，通过实时监测污水处 理过程中处理池的水质状况，如流量，水温，p h ，氨氮等参数，为污水处理的整个过程的优 化控制提供数据依据，保障污水处理的效率。 随着全球经济的增长和人民生活水平的提高，城市生活污水和工业污水的排放量的加大， 有限的水资源受到不同程度的污染。保护水资源的一个重要方面就是要提高污水处理的技术 水平，而在污水处理过程中需要对污水水质参数进行监测，因而设计一个有效的污水监测系 统显得尤为重要。监测系统需要具有数据及时有效传输，监测点灵活布置和灵活增加等特点。 有线连接可靠性好，但不易改动，而无线技术的进步使得获取数据的方式更加简便，更加灵 活。本设计采用z i g b e e 技术来建立无线传感网络。z i g b e e 是一种短距离，低速率，低功耗的 新兴无线网络技术。它具有抗干扰能力强，组网灵活，相对于常见无线通信标准，协议栈紧 凑简单，具体实现要求低等优势。用z i g b e e 技术来组建无线传感网络可以灵活增减网络节点， 可以对数据进行及时有效的传输。监测系统使用无线网络可以避免繁杂的线路的铺设，管理 人员只需坐在计算机前，就可以了解整个污水处理过程中的水质状况，节约人工维护费用。 1 3 国内外发展现状和趋势 在水质监测方面，传统的水质监测工作主要以人工现场采样、实验室仪器分析为主。虽 然在实验室中分析手段完备，但实验室监测存在监测频次低、采样误差大、监测数据分散等 杭州电子科技大学硕士学位论文 缺陷。水质自动监测系统是2 0 世纪7 0 年代发展起来的，早在1 9 7 0 年美国和日本等发达国家 对河流、湖泊等地表水开展了自动在线监测，同时对城市和企业的污水处理厂排水也实行自 动在线监测。国内水质自动监测系统建设起步较晚，我国水质自动监测技术处在发展阶段， 大部分仪器以监测水质的综合指标为主，监测仪器以进口为主，价格昂贵，运行维护成本高 口】。水质的在线自动监测已经成为及时获得连续性的监测数据的有效手段，同时随着监测技 术和仪器仪表工业的发展，水质监测工作开始向自动化、智能化和网络化为主的监测方向发 展。国内对水质监控系统的研究很多： 1 ) 多点在线水质监测系统：该系统可同时在线监测多个不同监测点的水质情况【3 1 。 2 ) 计算机监测技术在水产养殖中的应用：利用8 9 c 5 1 单片机和数据采集从机进行数据的 采集及传输。 3 ) 基于b p 神经网络的水产养殖水质监控系统：利用神经网络自学习的p d 控制算法来 对系统进行控制【4 j 。 4 ) 基于c a n 总线的水质参数在线监测系统：利用c a n 总线可挂接多个设备的特点，可 使网络的大小在理论上不受限制【5 】。 5 ) 耿玉环，樊立萍提出的基于i n t e r n m 的水质监测系统的研究与设计。系统采用b s 模 式，融合网络通讯技术和数据库技术，利用a c t i v c x 控件完成实时监测水质信息，经采集后 通过w e b 服务器发送1 6 j 。 6 ) 刘伟玲，张思祥等提出的g s m 无线数据传输在环境监控系统的应用。数据控制器把 在线设备和污染处理设备的数据经过g s m 短消息的方式发射出去，g s m 通信采用移动或联 通的短消息服务中心来传输，监控中心的通信模块将收到的数据记入数据库【7 1 。 7 ) 章树烽，周炯如等提出的基于g p r s 的水质监控系统的设计。系统通过终端把监测数 据通过g p r s 网络传输到监测中心的服务器上，随后将现场监测数据在w e b 网页上动态显示， 供外部用户通过i n t c r n e t 访问m j 。 在城市污水处理厂的生产控制方面，早期主要是由技术人员现场检测和调试。但是由于 需要进行多个项目指标的实时监测，例如进出水的p h 值，曝气池溶解氧量，处理池中的温 度等等。如果对这些指标逐一实时监测，这样消耗的人力和物力将是巨大的，而且效率跟实 时性也会不高。发达国家在二级处理普及以后投入大量资金和科研力量，来改变污水处理全 部由人工或简单的电器控制的方式，加强对污水处理设施的监测、运行和管理，实现了计算 机控制、报警、计算和瞬时记录。将自动控制引入污水处理过程，对整个处理过程的工作效 率的提高具有重大的意义，借助先进设备及先进工艺处理过程，可以减轻操作人员的工作负 担，并且安排最佳运行方式、节约能源【9 】。我国污水处理厂的自控系统距离发达国家虽然还 有一定的差距，但是随着计算机技术的发展，软件、硬件产品为其提供可靠的自动化控制系 统成为现实。 2 杭州电子科技人学硕士学位论文 1 4 本课题研究的主要内容 研究的主要目的是在污水处理过程中，对污水水质实施在线监测，使数据及时有效的传 输。通过在线监测了解污水处理过程中污水的水质状况，以及处理的效果，对突发情况进行 报警，并能做一些简单的处理。主要工作内容如下： 1 ) 系统整体方案的设计。根据z i g b e e 协议，以及系统的特点，采用上位机和下位机相 结合，组建系统框架。 2 ) 系统硬件电路的设计。包括z i g b e e 协调器，z i g b e e 终端，信号隔离电路等的设计。 3 ) 系统软件程序的设计。包括上位机软件和下位机软件。下位机软件设计包括z i g b e e 协调器，z i g b e e 终端程序的设计；上位机软件设计是对采集的数据进行可视化的显示，以实 时报表，实时曲线的方式进行显现，并对采集的数据进行存盘。 4 ) 系统网络的分析以及测试数据的分析。对z i g b e e 节点组建网络过程的分析，以及对 采集到的数据进行分析，验证系统的稳定性。 杭州电子科技大学硕士学位论文 第2 章污水处理的无线传感网络监测系统基本原理 2 1 污水处理基本原理 2 1 1 水资源 水是环境中能量和物质自然循环的载体和条件，是地球生命的基础。海洋约占地球总表面 积的7 0 以上，因此海洋是一个巨大的水库，地球上的水约9 7 3 贮存，其余3 的水量则分 别存在于大气、地球表面和地表以下的地壳中。地球上的水量虽很大，但分布不均匀，人类 生活所必需的淡水是很有限的。 水污染是指水体由于污染物的侵入和积累超过了它的自净能力后，导致水体的化学、物 理、生物等方面的性质产生了变化，而影响水的使用，对人体健康和生态环境产生危害，造 成水质恶化。而水污染的产生有自然产生的，也有人为产生的。自然产生如特殊的地质使某 地区大量存在某种化学元素，天然植物的腐烂过程中产生某种有害物质，降雨淋洗大气和地 面后夹带各种物质进入水体等；人为产生是由于人类生活和生产活动中产生的废物对水的污 染，包括生活污水、工业废水、农业排水、矿山排水，此外还包括废渣、废气经降水淋洗进 入水体而带来的污染。表2 1 从性质和来源方面对水污染进行分类： 表2 1 水污染分类 无机污染物：酸、碱、盐 化学性污染 无机有毒物：h g 、c d 、p b 、a s 有极有毒物：农药、酚、多环芳烃 水污染按性质分 耗氧物质：碳水化合物、脂肪、蛋白质 物理性污染悬浮物、热污染、放射性污染 生物性污染病原微生物 工业废水 成分复杂、不易降解、难处理 生活污水含n 、p 较多，造成水质富营养化 水污染按来源分 农业污水和灌农药、营养成分 溉排水 2 1 2 污水处理工艺 城市污水处理工艺选择的原则：技术合理，经济节能，易于管理，重视环蜊1 0 i 。选择合 适的污水处理工艺，可以降低工程投资，便于污水处理厂的运行管理，减少污水处理厂的常 年运行费用并保证出水水质。污水处理工艺选择时要充分考虑污水的水量和水质以及经济条 件和管理水平，优先考虑技术先进、可靠性高、能耗低、投入低、占地少和操作管理方便的 成熟处理工艺。目前国内大中型城市污水处理厂经常采用的处理技术有传统活性污泥法、 a 2 o 、s b r 、氧化沟等。 活性污泥法是在人工充氧条件下，对污水和各种微生物群体进行连续混合培养，形成活 4 杭州电子科技人学硕士学位论文 性污泥。利用活性污泥的生物凝聚、吸附和氧化作用，以分解去除污水中的有机污染物。然 后使污泥与水分离，大部分污泥再回流到曝气池，多余部分则排出活性污泥系统。活性污泥 法是一种有效的生物处理法，特别是对城市污水及有机工业废水。它的研究及应用已有9 0 多 年的历史，随着对活性污泥法的生物反应和净化机理的广泛研究，活性污泥法不断的发展， 已成为有机废水生物处理的主要方法，为了适应不同的场合，并针对不同的处理目标和运行 方式，演变为多种工艺流程的活性污泥法i l l j 。 a 2 o 法又称a a o 法是a n a e r o x i c - a n o x i c o x i c ( 厌氧一缺氧一好氧法) 的简称，可用于二 级污水处理或三级污水处理，以及中水回用，具有良好的脱氮除磷效果，因此在有除磷脱氮 要求的城市污水处理厂中广为应用。该工艺在厌氧、缺氧和好氧三种不同的环境和不同微生 物群落的组合下，达到去除有机物，脱磷脱氮的效果： 1 ) 厌氧段，原污水与从沉淀池排出的含磷回流污泥同步进入，聚磷菌释放磷，并吸收低 级脂肪酸等易降解的有机物。 2 ) 缺氧段，反硝化细菌将内回流带入的硝酸盐通过生物反硝化作用，转化成氮气逸入到 大气中，从而达到脱氮的目的。 3 ) 好氧段，硝化和吸收磷等均在此处进行，硝化细菌将入流中的氨氮及有机氮氨化成的 氨氮，通过生物硝化作用，转化成硝酸盐，此外，聚磷菌超量吸收磷，并通过剩余污泥的排 放将磷除去l i 引。 s b r 工艺( 序批式活性污泥法) 是一种将初沉、反应和二沉各工序放在同一反应器中交替 进行的间歇性的活性污泥法工艺。曝气池的运行操作分进水、反应、沉淀、排水、闲置5 个 工序。污染物的降解主要发生在进水期和反应期，特别适合于小水量、分散污染源的治理。 s b r 工艺中省略了初沉、二沉池，节约了空间。污染物随时间顺序经历好氧、厌氧( 缺氧) 阶 段，可强化脱氮除磷反应。由于间歇运行，对水质水量有较强的抗冲击负荷性f 1 3 1 。s b r 工艺 具有操作简单灵活，处理效果好，占地面积下，易于实现自动化等特点。 氧化沟是由荷兰卫生工程研究所在上世纪5 0 年代研制开发的废水生物处理技术，是活性 污泥法的一种改型，属延时曝气的一种特殊形式。其基本特征特征是曝气池呈封闭、环状跑 道式，池体狭长，池深较浅，在沟槽中设有表面曝气装置。废水和活性污泥以及各种微生物 混合在沟渠中作不停地循环流动，完成对废水的硝化与反硝化处理。 在线水质仪表应用于污水处理厂，能够对水质进行连续检测，为优化控制提供了有效且 可靠的测量值，使系统的自动优化控制能够稳定运行，从而提高处理效率，实现节能降耗。 在线检测仪器技术的不断进步，会使水质分析变得更加方便、快捷、可靠，这为污水处理厂 优化控制策略的实现提供了可靠的基础。例如在除磷过程中，通过在线监测可以知道磷酸盐 浓度和流量，根据需要自动控制加药量，从而减少絮凝污泥和加药成本。当磷酸盐浓度和流 量整体偏高时，适当增加药剂的投放；当磷酸盐浓度和流量整体偏低时，适当减少药剂的投 放。又如在污泥脱水控制中，通过监测悬浮固体的浓度，来控制加药量，稳定排泥质量，减少 加药成本【1 4 】。经过污水处理厂处理后的污水可进行回用。一方面由于水资源的缺乏，工业产 杭州电子科技大学硕士学位论文 值每年损失达2 0 0 0 多亿元，另一方面随着用水量的增加，我国城镇污水排放量也迅猛增加， 会对社会环境、生态环境造成严重污染。若将这些城市污水收集起来处理，7 0 可作为再生 水用于农业灌溉、冲厕用水、冲洗车辆、绿化浇灌和景观用水等【l 引。污水处理回用开辟了第 二水资源，起到节约水源，减少新鲜水用量的作用，缓解了供需矛盾。污水处理是现代社会 可持续发展的一个重要组成部分，对防治、减少或根除水污染发挥了积极的作用f 1 6 1 。 2 2 无线传感网络理论 2 2 1 无线传感网络简介 无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通 信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区 域中感知对象的信息，并发送给观察者【1 7 】。传感网络的特点： 1 ) 电源容量有限：靠电池供电，为了延长网络的寿命，要使网络的功耗尽可能的小，要 节省电源的消耗。 2 ) 硬件资源有限：传感器节点数据计算能力和处理能力有限，要合理考虑节点的数据处 理。 3 ) 传感器节点数量巨大：传感器节点数量巨大，分布密度高。 自组织网络：传感器节点能够以自组织方式形成网络，不需要预设别的网络设施，网 络具有自愈能力，不会因为个别节点的脱离而受到损害。 5 ) 动态网络：传感器节点会随时因为能源耗尽而离开网络，也可能因为某种需要而随时 加入网络。网络中的节点是处于不断变化的环境中，它的状态也在相应地发生变化，加之无 线通信信道的不稳定性，网络拓扑因此也在不断地调整变化。 6 ) 多跳路由：传感器节点覆盖范围一般在一百米以内，如果需要与通信范围外的节点进 行通信的话，需要经过中间的路由节点进行中转。 7 ) 以数据为中心：传感器没有全局唯一的i p ，用户对数据的收集，以数据为中心，不依 节点标号。 无线传感网络作为当今信息领域新的研究热点，涉及多学科交叉的研究领域，有非常多 得关键技术有待发现和研究，它的关键技术有时间同步技术，定位技术，路由协议，网络安 全等。 在无线传感器网络中，由于所处环境的影响，不同的节点的时间会慢慢出现偏差，而分 布式系统的协调工作，如环境监测、目标追踪、同步休眠等需要不同的传感器节点之间时间 的同步。对于时间的同步，人们提出了许多的算法。如j e l s o n 等人提出了r b s 时间同步机 制1 引，s g a n e r i w f l 等人提出了t p s n 算法【1 9 1 ，j v a ng r e u n e n 等人提出了l t s 同步机制等。 不同的同步算法侧重点不同，使用的方法也不同，衡量同步机制的好坏主要从同步开销、复 杂度和同步精度来讨论。 在无线传感器网络中，往往需要知道传感器节点在监测区域内的位置。定位的基本原理 6 杭州电子科技大学硕士学位论文 是在知道少数节点的位置的情况下，通过一定的定位算法确定其他节点的位置。各定位方式 采用的算法不同，对于不同的场合，考虑到节点的能量和数据处理能力的有限性，要合理选 择。定位算法有： 1 ) 基于测距r a n d b a s e d 的定位和非测距的定位； 2 ) 符号定位与物理定位； 3 ) 绝对定位与相对定位； 4 ) 紧密耦合定位与松散耦合定位； 5 ) 集中式计算定位与分布式计算定位； 6 ) 粗粒度定位与细粒度定位； 7 ) 递增式的定位算法和并发式定位算法。 为了解决传感器网络中的路由问题，研究者提出了很多方案，大致可分为4 类：洪泛式 路由协议、以数据为中心的路由协议、层次式路由协议、基于位置信息的路由协谢2 0 1 。为了 达到延长网络寿命，减少数据传输的延时，达到最佳的信息传输效率，不同的路由算法被不 断的被提出【2 。 为了无线传感网络的安全，防止攻击者的恶意侵入，对网络的正常传输产生影响，或是 窃取网络的数据信息，研究者对这一方面进行了许多的尝试，提出了许多的理论。干扰控制、 安全路由、密钥管理、密钥算法、数据融合、入侵检测和信任模型这几方面都是为了网络安 全而采取的措施。 人们对无线传感网络的关注度越来越高，相关的研究也在逐步展开。在不久的将来，这 种网络技术将被更多的人所熟悉，在人们的生活生产中发挥越来越重要的作用。 2 2 2z i g b e e 理论 2 2 2 1 z i g b e e 的特点 低速率无线个人区域网( l r w p a n ) f 2 2 1 是一种简单的、低成本的通信网络，它应用于一些 功率有限和对网络吞吐量无严格要求的设备之间的无线连接。l r w p a n 的目标是建立一个 易于安装、有可靠的数据传输、通信距离短、成本低、极好的电池寿命这样的一个网络，并 且它能保持简单的和灵活的网络协议。l r - w p a n 有两种拓扑结构：星形拓扑结构和对等拓 扑结构。在星形拓扑结构中，通信是在设备和一个中心协调器之间进行的。设备可以是发起 设备，也可以是终端设备。p a n 协调器是一个特殊的应用设备，但是它可以作为发起设备、 终端设备或作为路由设备，p a n 协调器是p a n 中的控制设备。星形拓扑网络结构主要用于家 庭自动化、p c 外围、玩具、游戏设备和个人卫生保健设备。端到端的对等拓扑结构同样需要 一个p a n 协调器，然后，它同星形拓扑网络结构的不同地方是：网络中的任何设备只要在其 他设备的通信范围内，它们之间就可以直接进行通信，而不必通过协调器中转。对等网络拓 扑结构可以用很复杂的组网形式实现，例如，网状网拓扑。对等网络拓扑结构主要应用于： 工业控制与监测、无线传感器网络、智能农业等。一个对等网络是一个自组织、自愈合的网 7 杭州电子科技大学硕士学位论文 络，在网络中任何设备发送的消息经过多跳路由以后可以到达任何其他设备。运行在任何一 种拓扑结构中的设备都应当有其独一无二的6 4 b i t 扩展地址，这个地址在p a n 中用于直接通 信，或者当设备同协调器连接以后，用它与p a n 协调器分配给它的短地址进行交换。 z i g b e e 网络【2 3 】就是一种l r - w p a n ，它具有如下的一些特征 2 4 1 ： 1 ) 传输速率有2 5 0 k b s ，4 0 k b s 和2 0 k b s 三种； 2 ) 星形或对等网络拓扑结构； 3 ) 设备有16 b i t 的短地址和6 4 b i t 的扩展地址； 钔保证时隙( g t s ) 的分配； 5 ) c s m a c a 的信道接入； 回为保证可靠性传输的完全应答机制； 7 ) 低功率； 8 1 能量检测： 9 ) 链路质量标识。 z i g b e e 有以下优势： 1 ) 低功耗2 5 彩】。在低耗电待机模式下，2 节5 号干电池可支持1 个节点工作6 - - - , 2 4 个月， 甚至更长。这是z i g b e e 的突出优势，相比较蓝牙能工作数周，w i f i 可工作数小时。 2 ) 低成本。通过大幅简化协议( 不到蓝牙的1 l o ) ，降低了对通信控制器的要求。 3 ) 低速率。z i g b e e 工作在2 0 - - 2 5 0 k b p s 的较低速率，分别提供2 5 0 k b p s ( 2 4 g h z ) 、4 0 k b p s ( 9 1 5 m h z ) 和2 0 k b p s ( 8 6 8 m h z ) 的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。 4 ) 近距离。传输范围一般介于1 0 - - l o o m 之间，在增加r f 发射功率后，亦可增加到l 3k m ，这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点问通信的接力，传输距离将可以更 远。 5 ) 短时延。z i g b e e 的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需1 5 m s ，节点连接进 入网络只需3 0 m s ，迸一步节省了电能。相比较，蓝牙需要3 一- 1 0 s 、w i f i 需要3 s 。 d 高容量。z i g b e e 可采用星状、片状和网状网络结构，由个主节点管理若干子节点， 最多一个主节点可管理2 5 4 个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成 6 5 0 0 0 个节点的大网。 7 ) 高安全【3 0 - 3 2 1 。z i g b e e 提供t - - 级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单( a c l ) 防止非法获取数据以及采用高级加密标准( a e s1 2 8 ) 的对称密码，以灵活确定其安全属性。 8 ) 免执照频段。采用直接序列扩频在工业科学医疗( i s m ) 频段，2 4 g h z ( 全球) 、9 1 5 m h z ( 美 国) 和8 6 8 m h z ( 欧洲) 。 z i g b e e 中含有两种不同类型的设备：全功能设备( f f d ) 和简单功能设备( r f d ) 。f f d 在三 种网络模式中可作为整个p a n 的网络协调器、路由器或网络中的应用设备。f f d 可以和r f d 或者f f d 通信，而简单功能设备( r f d ) 只能和f f d 通信。r f d 设备在网络中主要是一个应用 设备，它们相当简单，比如它们可以作为灯的开关或者红外线传感器，但不能传输大规模的 8 杭州电子科技人学硕士学位论文 数据，且在某一时刻只能和一个f f d 相联系。因而，r f d 的存储容量是有限的。 z i g b e e 是一种新型的网络，它的优势正不断的出现在人们的面前，因而对于z i g b o e 的应 用也是层出不穷，当前z i g b e e 在很多领域被尝试，包括智能家居，工业控制，智能交通【3 3 1 ， 环境监测【3 4 】，医疗卫生【3 5 - 3 7 】等。 2 2 2 2z i g b e e 物理层 z i g b e e 栈体系结构由一组称为层的块儿组成。每个层为上层执行指定一套服务：数据实 体提供数据传输服务，管理实体提供所有其他服务。每个服务实体通过一个服务接入点( s a p ) 为上层提供一个接口，每个s a p 支持一些服务原语来完成必须的功能。z i g b e e 栈体系结构， 是基于标准开放网络互联( o s l ) 七层协议模型，但是仅仅定义这些层在市场空间里完成相应的 功能。i e e e 8 0 2 1 5 4 2 0 0 3 标准定义了较低的两层：物理( p h y ) 层和媒体接入控制( m a c ) 子层。 z i g b e e 联盟通过提供网络层州w k ) 和应用层结构，构造这个基础。它包括应用支持子层( a p s ) ， z i g b e e 设备对象( z d o ) 和制造商定义的应用对象。z i g b e e 协议栈结构如图1 。 i e e e 8 0 2 1 5 4 2 0 0 3 有两个p h y 层，它操作于两个分离的频率范围：8 6 8 9 1 5 m h z 和 2 4 g h z 。低频率p h y 层包括8 6 8 m h z 欧洲频段和在美国、澳大利亚等国家使用的9 15 m h z 频段。高频段p h y 层实际上是供全世界使用。这三个频段总共有2 7 个信道，即从o 2 6 。而 2 4 g h z 频段拥有1 6 个信道，9 1 5 m h z 频段有l o 个信道，8 6 8 m h z 频段则有1 个信道。这几 个信道的中心频率如下： f c = 8 6 8 3 m h z ，k = o ； f c = 9 0 6 + 2 ( k - 1 ) m h z ，k = l ，2 ，1 0 ； f c = 2 4 0 5 + 5 ( k - 1 1 ) m h z ，k = 1 1 ，1 2 ，2 6 ； 其中k 表示信道号码。 图2 1z i g b e e 协议栈架构 物理层是和硬件关系最近的一层，它直接控制射频收发机进行工作，控制射频收发机进 行数据包的接收和发送，同时对于信道的选择也是由物理层完成的。它提供了两种服务：物 9 杭州电子科技大学硕士学位论文 理层数据服务和物理层管理服务。它的主要任务如下【3 s ： 1 ) 无线发射机的激活和关闭； 2 1 ) 在已有信道上的能量检测； 3 ) 接收分组的链路质量指示； 钟基于c s m a c a 的空闲信道评估； 5 ) 信道频率选择； 6 ) 数据传输和接收。 能量检测是检测信道中信号在8 个符号周期中的平均值，但它不检测信号的类型，只检 测信号的强度，用来作为建立网络，加入网络等的依据。 空闲信道评估( c c a ) 用来检测信道的当前状态，即是否有其他设备在使用该信道发送数 据。在z i g b e e 协议中，有3 种空闲信道评估方法： 1 ) c c a 模式1 ：能量检测，当接收机检测到有超出阈值的电磁能量时，给出信道忙的信 息。 2 】c c a 模式2 ：载波判断，当接收机检测到一个具有i e e e 8 0 2 1 5 4 特性的扩频调制信号 时，给出信道忙的信息。 3 1c c a 模式3 ：上述两种模式的综合，即带有超出能量阈值的载波判断。当接收机检测 到一个具有i e e e 8 0 2 1 5 4 特性的扩频调制信号，且其能量超出阈值时，给出信道忙的信息。 在实际进行空闲信道评估时使用哪一种模式，由物理层信息库p i b 里的属性 p h y c c a m o d e 所确定。需要注意的是，当物理层接收到m a c 层的请求空闲信道评估服务原 语时，如果它正在接收一个物理层协议数据单元，则物理层也会给出信道忙的信息。物理层 完成信道评估后，向m a c 层管理实体报告信道状态“忙( b u s y ) 或“空闲( i d l e ) 。通常空闲 信道评估按以下标准进行：能量检测阈值最多超出协议标准规定的接收机灵敏度1 0 d b ；通常 空闲信道的检测时间为8 个符号周期。下面是对z i g b e e 中用到的各种扫描的简介： 1 ) e d 扫描使设备能获取每个请求信道的峰值能量。在每个信道上执行e d 扫描是通过 m l m e重复地发出p l m e e d r e q u e s t原语到物理层，直到达到 【a b a s e s u p e r f r a m e d u r a t i o n * ( 2 n + 1 ) 个符号为止( n 是s c a n d u r a t i o n 参数) 。m l m e 记录测量信道 的最大峰值能量，接着它扫描信道列表中的下一个信道。一个设备能够存储信道能量信息的 数目介于1 到指定执行e d 测量的最大信道数目之间。当扫描的信道数目达到指定的最大信 道数目时，或者信道列表中的所有信道已被扫描时，e d 扫描终止。 2 ) 在p o s 范围内，f f i ) 用主动扫描定位所有在它的p o s 里传输信标帧的协调器。在每 个信道上执行主动扫描的过程是：首先，m l m e 发送一个信标请求命令；接着，m l m e 激活 接收机，并记录包含在接收到的每个信标中的p a n 描述符中的信息。一个设备能存储信道能 量信息介于1 到指定执行的p a n 描述符的最大数目之间。当存储的p a n 描述符的数目等于 指定执行的最大数目时，或者当达到【a b a s e s u p e r f r a m e d u r a t i o n * ( 2 n + 1 ) 】符号时间时( n 是 s c a n d u r a t i o n 参数值1 ，将终止在一个特定的信道上进行的主动扫描。如果满足后者的情况下， l o 杭州电子科技大学硕士学位论文 则认为此信道已被扫描。这里有一种可能性：当存储的p a n 描述符等于指定执行的最大值， 或者当可扫描信道中的每个信道已被扫描时，每个信道上的主动扫描将重复扫描和终止扫描。 3 ) 如同主动扫描，在扫描设备的p o s 范围内，被动扫描被用于定位所有传输信标帧的 协调器。它们之间的区别在于被动扫描只能接收而不能传输信标请求命令。在每个信道上执 行被动扫描是通过m l m e 来激活它的接收机，并记录包含在接收到的信标中的p a n 描述符 中的信息。一个设备能存储的p a n 描述符介于1 到指定执行的p a n 描述符的最大数目之间。 当存储的p a n 描述符的数目等于指定执行的最大值，或者当达到 【a b a s e s u p e r f r a m e d u r a t i o n * ( 2 n + 1 ) 符号时间时( n 是s c a n d u r a t i o n 参数值) ，如果满足后者的情 况，则信道被认为已被扫描。这里有一种可能性：当存储的p a n 描述符等于指定执行的最大 值，或者当可扫描信道中的每个信道已被扫描时，每个信道上的主动扫描将重复和终止。 4 ) 孤立扫描用于定位扫描设备先前连接过的协调器。在每个信道上执行孤立扫描是 m l m e 首先发送一条孤立通知命令。接着，m l m e 激活接收机( 最多a r e s p o n s e w a i t t i m e 符号 时间) ，如果设备在这段时间内接收到协调器的重连接命令，则m l m e 将关闭接收机；否则， 将重复扫描在信道列表中的下一个信道。当设备接收到一条协调器重连接命令，或者当信道 列表中的每个信道都被扫描时，孤立扫描终止。 e d 扫描即能量扫描，扫描的结果是获得被扫描的信道中能量的峰值，供上层选择信道用， 显然信道中的能量是由其他的设备辐射的。在扫描期间，m a c 层丢弃物理层上传的所有帧信 息。主动扫描的目的是发现并锁定一个协调器。在启动一个新的p a n 或希望接入一个p a n 之前，均可以开始主动扫描，并根据扫描结果选择p a n 标识符。在主动扫描期间，m a c 层 将丢弃所有的非信标信息。( 开始扫描之前，m a c 层须先保存m a c p a n i d 的值，然后将其设 置为0 x f f f f , 其目的是使接收滤波器工作，接收所有的信标，而不是仅仅只接收当前p a n 的 信标。扫描完成后，m a c 层将保存的m a c p a n i d 恢复。在扫描期间，设备将丢弃所有的非信 标帧，如果所接收到的信标的p a n 标识符和源地址在扫描之前不存在，则m a c 层管理实体 将记录p a n 描述符中有关信标的信息。设备应能够存储一定数目的信标帧信息) 。被动扫描 与主动扫描类似，其目的也是锁定在其个域内发送信标的协调器。然而，它不需发送信标请 求命令。在被动扫描期间，m a c 层将丢弃所有接收到的非信标帧。通常，设备在与p a n 建 立连接之前使用这种扫描。所谓孤点是指以前同协调器建立了连接，但现在与网络协调器失 去同步的设备。孤立信道扫描的目的是重新锁定协调器。 除了以上这些，物理层还有一些常量和属性。如：物理层允许的数据包的长度，射频收 发机的状态转换时间，设备工作的信道，射频收发机的发射功率等。 2 2 2 3z i gb e em a c 层 z i g b e em a c 子层控制使用c s m a c a 机制接入到无线信道。m a c 位于物理层