（检测技术与自动化装置专业论文）zigbee和gprs技术在无线水文监测系统中的应用研究.pdf

太原理j ：大学硕+ 研究生学位论文 z i g b e e 和g p r s 技术在无线水文监测系统中的应用研究 摘要 水文监测技术是水利水文信息化的重要基础，它为水利工程的安全运 行提供了保障，在防灾减灾、水资源科学调度等方面发挥着极其重要的作 用。为了满足水文监测自动化、网络化的需求，本课题结合z i g b e e 技术和 g p r s 技术的特点和优势，提出了一种新的设计方案，设计和实现了基于 z i g b e e 和g p r s 技术的无线水文监测系统。 本文根据无线传感器网络的基本理论和水文监测系统的实际需求，给 出了系统的整体设计方案，对系统的硬件和软件进行了详细的分析和设计。 系统的节点包括网络协调器节点和传感器终端节点。网络协调器节点采用 高性能的a r m 7 微控制器l p c 2 2 1 0 ，并移植了嵌入式g c o s i i 操作系统和 z i g b e e 协议栈s m a c ，搭建了软件开发平台。系统在该软件开发平台的基 础上，重点分析了操作系统下多任务应用程序的开发，根据软件设计流程 给出了关键程序流程图和部分源代码。系统在最后给出了z i g b e e 在水文监 测系统中的应用实例，选用感应式数字水位传感器构建传感器终端节点， 分析了终端节点的软件设计，并对该应用实例进行了实验分析。 系统将各个水文监测终端组成测量网络，实现z i g b e e 无线组网，通过 z i g b e e 网络协调节点以g p r s 方式与监控中心通信，从而构建一个基于 z i g b e e 和g p r s 的无线水文监控系统。本系统能够实现z i g b e e 和g p r s 的 优势互补，实现水文数据短距离采集与数据的远程传输相结合，大大节省 了系统的成本。经实验验证，本系统通讯距离满足大部分水文监测需求， 太淼理一| ：人学硕士研究生学 7 ：论文 具有高的可靠性，能方便的实现水文监测的网络化。将z i g b e e 和g p r s 相 结合，来实现水文的远程监测是一个非常理想的解决方案，对水文监测的 发展有着非常重要的意义。 关键i ：瓦- - i z i g b e e ，g p r s ，a r m ，水文监测，嵌入式系统 | l 太原理工大! 学硕十研究生学位论文 a p p l i e dr e s e a r c ho f q re l e ssh y d r o l o g i c a l m o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nt e c h n i q u eo f z i g b e ea n dg p r s a bs t r a c t t h eh y d r o l o g i c a lm o n i t o r i n gt e c h n o l o g yi st h ei m p o r t a n tb a s i so fh y d r o l o g i c a l i n f o r m a t i o n i z a t i o n ，i tp r o v i d e st h es a f e g u a r df o rh y d r a u l i ce n g i n e e r i n g ss a f eo p e r a t i o n ， a n dt a k e sa ni m p o r t a n tr o l ei nr e d u c i n gd i s a s t e ra n dd i s p a t c h i n gt h ew a t e rr e s o u r c e s i no r d e rt os a t i s f yt h ed e m a n do fh y d r o l o g i c a lm o n i t o r i n ga u t o m a t i o na n dc y b e r i z a t i o n ， t h i sa r t i c l eh a su n i f i e dt h ec h a r a c t e r i s t i ca n ds u p e r i o r i t yo fz i g b e et e c h n o l o g ya n d g p r st e c h n o l o g y , p r o p o s e dan e wk i n do fd e s i g np r o p o s a l ，d e s i g n e da n dr e a l i z e da w i r e l e s sh y d r o l o g i c a lm 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 dg p r st e c h n o l o g y a c c o r d i n gt ot h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k se l e m e n t a r yt h e o r ya n dt h ea c t u a l d e m a n do fh y d r o l o g i c a lm o n i t o r i n gs y s t e m ，t h i sa r t i c l eh a sg i v e nt h eo v e r a l ld e s i g n p l a no ft h es y s t e m ，d e t a i l e d l ya n a l y z e da n dd e s i g n e dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f t h es y s t e m t h en o d eo ft h es y s t e mi n c l u d e dn e t w o r kc o o r d i n a t o ra n dt e r m i n a l s e n s o rn o d e t h en e t w o r kc o o r d i n a t o rh a sa d o p t e da r m 7h i g hp e r f o r m a n c e m i c r o p r o c e s s o rl p c 2 2 10 ，t r a n s p l a n t e dt h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mo fp c o s i i a n dt h ea g r e e m e n ts t a c ks m a co fz i g b e e ，w h i c hf o r m e dt h es o f t w a r ed e v e l o p m e n t p l a t f o r m b a s e do nt h i s s o f t w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，t h es y s t e mh a sm a i n l y a n a l y z e dt h em u l t i t a s k i n ga p p l i c a t i o nu n d e r t h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ，g i v e n t h ek e yf l o wc h a r ta n dp a r t i a ls o r u c ec o d e i nt h ee n d ，t h i ss y s t e mh a sg i v e naa p p l i e d e x a m p l eo fz i g b e ei nh y d r o l o g i c a lm o n i t o r i n gs y s t e m ，s e l e c t e di n d u c t i v ed i g i t a l w a t e r - l e v e ls e n s o rt oc o m p o s et e r m i n a ls e n s o rn o d e ，a n a l y z e dt h es o f e w a r ed e s i g n o ft e r m i n a ls e n s o rn o d e ，g i v e nt h ee x p e r i m e n t a la n l y s i so ft h i sa p p l i e de x a m p l e t h e s y s t e m h a sc o n s t i t u t e d m e a s u r i n gn e t w o r k w i t he a c ht e r m i n a lo f i i i h y dr o l o g i c a lm o n i t o r , r e a l i z e dt h ew i r e l e s sn e t w o r ko fz i g b e e ，n e t w o r kc o o r d i n a t e d n o d e so fz i g b e ec o m m u n i c a t e dw i t hm o n i t o r i n gc e n t e rb yg p r s ，w h i c hc o n s t i t u t e da w i r e l e s sh y d r o l o g i c a l m o n i t o r i n g s y s t e mb a s e do nz i g b e ea n dg p r st e c h n o l o gy t h i s s y s t e mh a sr e a l i z e dt h es u p p l e m e n to fz i g b e ea n dg p r s ，r e a l i z e dt h e i n t e g r a t i o n o fs h o d d i s t a n c e h y d r o l o g i c a l d a t ac o l l e c t i o na n d l o n g d i s t a n c e t r a n s m i s s i o no ft h ed a t a ，w h i c hg r e a t l ys a v e dt h ec o s to ft h es y s t e m a c c o r d i n gt ot h e e x p e d m e n t a lv e r i f i c a t i o n ，t h i ss y s t e mh a ss a t i s f i e dt h ed i s t a n c ed e m a n do f h y d r o l o g i c a lm o n i t o r , h a dh i g h r e l i a b i l i t y , w h i c hc a nf a c i l i t a t et h er e a l i z a t i o no f h y d r o l o g i c a lm o n i t o r i n gn e t w o r k i ti sav e r yn i c es o l u t i o nt or e a l i z et h en e t w o r k m o n i t o rb yu n i f y i n gt h eg p r sa n dz i g b e et e c h n o l o g y ，w h i c hh a st h ev e r yv i t a l s i g n i f i c a n c et ot h ed e v e l o p m e n to ft h eh y d r o l o g i c a lm o n i t o r k e y w o r d s ：z i g b e e ，g p r s 。a r m ，h y d r o l o g i c a lm o n i t o r , e m b e d d e ds y s t e m i v 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：二丞立l 扯日期：二查监二止一 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 j 签 名l 担：垂逊 日期：逊s ：f 望 导师签名：日期：逊g ：主： 立 太原理丁大学硕十研究生学位论文 1 1 选题的背景和意义 第一章绪论弟一早珀t 匕 水文监测技术是水利水文信息化的重要基础，它是水文传感器技术与采集、存储、 传输和处理技术的集成【l 】。水文监测主要完成对江、河、湖泊、水库、地下水等的监测， 其监测内容包括水位、流量、流速、降雨量、冰凌、闸位等水文参数。水文自动化监测 采用现代科技，能有效地完成江河流域及水库的防洪预报、调度及水资源的合理利用等 任务。随着现代电子技术、传感器技术、通信技术和计算机技术的迅速发展，水文自动 化监测技术也得到了迅速的发展，改变了以往仅靠人工的落后状况，提高了工作效率， 为水利工程的安全运行提供了保障，在防灾减灾、水资源科学调度等方面发挥着极其重 要的作用l j 】。 目前，我国的水文监测技术依然处于比较落后的状态，在很多地区的河流、湖泊或 水库，还在使用比较落后的监测设备，有些地方还在通过人工采集水文数据，这显然不 能满足现代化水文监测的要求。 水文监测有它特定的应用背景，一般都在比较偏僻的区域，这使得很难通过架设有 线来完成数据传输，在这种情况下，使用无线通信是一种很好的选择。当前使用的g p r s 、 g s m 、微波和数传电台等都有一定范围的使用，但它们都有其适用的局限性。随着无 线传感器网络概念的提出，以及水文监控网络化的需求，z i g b e e 技术在水文监测领域 的应用成为了可能，并具有其它几种无线技术不可比拟的优势。本文结合z i g b e e 技术 和g p r s 技术的优势，提出了它们在水文监测系统中的应用方案。该方案的设计以及系 统的完成，能够满足水文监测网络化、信息化的要求，同时具有费用低、功耗低、使用 方便、可靠性高等特点，能实现较大范围内的水文监测需求。该系统的设计能够解决许 多的应用需求，对今后的水文监测技术的发展具有一定的借鉴作用。 1 2 国内外水文监测技术发展现状 2 0 世纪7 0 年代后期，随着微型计算机和单片机的出现和发展水文监测技术有了较 快的发展。1 9 7 6 年美国s m 公司与美国气象局合作研制的一套水文自动监测设备是这 太原理l ：人学硕十研究生学位论文 个时期的代表性产品。8 0 年代以来，由于遥控设备、数据传输方式和微机技术的进一 步发展，水文监测和防洪调度自动化技术在全世界得到广泛的应用。9 0 年代以后，国 际上多家公司退出了功能强、应用范围广的产品，在水利水电、气象等领域都适时得到 应用1 2 j 。 在国外，美国和日本是较早开始水文自动化技术研究的国家。美国既是工业先进、 通讯、交通网非常发达的国家，又是幅员广大、人口密度不均的国家。因此各种制式、 各种通信方式的测报系统均比较发达。其中自报式超短波系统、卫星平台获得广泛的应 用，而且美国是大面积使用流星余迹通信进行水文遥测的唯一国家。使用卫星的系统如 极轨卫星环境数据( 包括水文数据) 收集系统a r g o s 系统，及大量气象同步卫星平台， 均可进行水文数据传输。近年美国的s u t r o n 公司被美国海洋和大气局( n o a a ) 授权 研制下一代水位测量系统( n g w l m s ) 。该系统将会集成目前的海平面及大流域测量网 络，用最先进的传感器，卫星传输手段，集中数据处理及接收。 日本在3 7 万k m 上的国土面积上，建有2 6 个雷达雨量站，2 5 0 0 个地面雨量站和2 1 0 0 个水位站，观测范围覆盖整个同本。这些测站采用先进的监测设备，数据通过遥测系统 传输到工事事务所，收集全国的水文信息仅用1 0 分钟，且每小时更换一次信息，事务 所也可以通过监视器察看测站的运行情况。所有测站均实现无人值守，其监测系统集成 化和综合程度比较高。 对于水文监测系统的丌发和研制，国外发达国家始终处于领先地位，其特点是：系 统发展比较完善，传感器测报设备先进可靠：通信方式多样化且十分先进；分析预报技 术成熟并积极采用各种先进的技术。在监测设备方面，国外的数据采集终端除了具有数 据的自动采集、存储、处理和传输这些基本功能外，在传感器集成、多参数采集、监测 设备智能化方面技术也比较成熟【3 】。 我国水文监测系统的建设包括三个阶段：初级阶段、发展阶段和网络化阶段。二十 世纪七十年代中期开始到八十年代中期为初级阶段。水文信息化从1 9 8 0 年开始，起步 于信息源的处理。八十年代中后期开始的十余年为发展期。九十年代后期，为适应防汛 和水利调度现代化、信息化的要求，以及近代通信、计算机和网络技术高速发展的时代 特点，水文监测系统的建设进入了网络化阶段。 2 0 0 1 年，水利部印发了全国水利信息化规划纲要，提出了全国水利信息化的发 2 太原理 ：大学硕十研究生学位论文 展思路。在水利系统的信息化工作中，防汛信息系统建设起到了先锋带头作用。目前， 从水利部机关到各流域、各省市实现了水情、雨情信息的网络化传输，实现了信息的自 动化接收、处理和分析。在国家防汛指挥系统工程项目的总体设计中，提出了在全国将 建立2 2 4 个水情分中心、2 2 8 个雨情分中心。在水情、雨情信息的采集方面，一些流域 和省市建立了一定规模的水情、雨情信息自动测报系统l l 】。 我国的水文监测系统建设经过近三十年的发展经验积累，虽然已经取得了巨大的进 步，但总体来说，大部分地区的水文监测系统的建设还不够合理和完善，整体水平仍相 对落后，与西方发达国家还存在着很大的差距，信息采集、传输手段和技术比较落后， 信息时效性差，不能满足当今对水文数据实时、快速、准确监测的要求。 1 3 水文监测系统中几种常用无线组网技术 1 3 1g p r s 技术 g p r s 是一种基于g s m 全球移动通信系统的无线分组交换技术，提供端到端的、 广域无线i p 连接。g p r s 可提供高达1 5 0 k b i t s 的传输速率，其分组交换接入时间短， 能够提供快速即时的i n t e m e t 连接【4 】。 g p r s 网络建设方便简单，使用g p r s 模块及相应配件，直接与带有r s 2 3 2 串行口 的监测设备连接，与中心数据服务器构建透明的数据传输通道。它运行可靠，数据采集 实时性强，运行费用低，漏码误码极少。在保证数据传输及时、准确的前提下，将系统 运行费用也降低到了极低。同时，通信链路由专业的运营商来维护，避免了用户在使用 监测系统的同时，还需要耗费很大精力去维护通信线路的问题。但是，如果对每个采集 点都配置一套g p r s 模块，使用起来成本还是比较高的。 作为现有g s m 网络向第三代移动通信演变的过渡技术( 2 5 g ) ，g p r s 在许多方 面都具有显著的优势5 】： 1 、g p r s 通讯方式依赖移动通讯公司庞大的g p r s 网络，建设成本与运行维护成 本都很低，远小于自行建设独立运行的专用通讯网络( 如电台、微波等) ； 2 、接入时间短，g p r s 接入等待时问短，可快速建立连接，平均为两秒； 3 、提供实时在线功能“a l w a y s o n l i n e ”，用户将始终处于连线和在线状态，这将使 访问服务变得非常简单、快速； 太原理i ：人学硕十研究生学位论文 4 、按流量计费，g p r s 用户只有在发送或接收数据期间才占用资源，用户可以一 直在线，按照用户接收和发送数据包的数量来收取费用，没有数据流量的传递时，用户 即使挂在网上也是不收费的。 1 3 2g s m 技术 g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ) 即为全球移动通信系统，是目前 发展较成熟的一种数字移动通信系统。 g s m 系统作为一种开放式结构和面向未来设计的系统，具有抗干扰能力强，覆盖 区域内的通信质量高的特点；其加密和鉴权功能，能确保用户保密和网络安全；g s m 系统具有灵活和方便的组网结构，在数据通信方面能满足用户对大容量、高密度业务的 要求。g s m 技术的出现使得传统无线控制技术发生了迅速而深刻的变化，使得蜂窝通 信容量得到很大扩充，数据通信变得容易、可靠。基于g s m 通信技术的无线测控系统 具有通用性好、地理覆盖面广、免调试维护、运营费用低和控制方式灵活等特点【5 1 。 1 3 3 数传电台 数传电台是数字式无线数据传输电台的简称，即采用数字信号处理、数字调制解调， 具有前向纠错、均衡软判决等功能的无线数据传输电台。对于地理位置偏僻、布局分散、 难以进行有线通信的监控设备，利用无线电波进行数据通信是一种较好的选择。其特点 是传输频带较宽，通信容量较大，通信距离一般为几十公里，还可通过中继站延伸到更 远。但是，其产品硬件部分成本较高，使得它的使用场合有一定的限制，多用于大用户 的无线电监测；如果频点选择不合理，相邻的两个信道会产生相互干扰；它的可靠性低， 一般商业电台都工作在固定单一频点，电磁环境恶劣，同时数传协议本身的缺陷也是导 致其低可靠性的重要原因；维护困难，商业电台工作功率大，其故障率高，人工维修费 用较高。 1 3 4z i g b e e 技术 z i g b e e 技术是随着工业自动化对于无线通信和数据传输的需求而产生，是一种新 兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合 于自动控制和远程控制领域，可以嵌入到各种设备中，同时支持地理定位功能。未来几 年，z i g b e e 技术将处于飞速发展时期l 6 】。 z i g b e e 技术自诞生之日起就被冠为世界发展最快、拥有广阔市场前景的十大最新 技术之一。其网络具备省电、可靠、成本低、容量大、安全等诸多优势，为同后广泛应 4 太原理一r ：火! 学硕十研究生学位论文 用于各种自动控制领域奠定了良好的基础。相对于现有的各种无线通信技术，z i g b e e 技术将是功耗和成本最低的技术；但是z i g b e e 技术的数据速率低和通信范围较小的特 点，又决定了z i g b e e 技术适合于承载数据流量较小的业务。 z i g b e e 技术的主要优点有【6 - 7 】： 1 ) 省电。由于工作周期很短、收发信息功耗较低，并且采用了休眠模式，因此 z i g b e e 技术可以确保2 节五号电池支持长达6 个月到2 年左右的使用时间。 2 ) 高可靠性。采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用 时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。m a c 层采用了完全确认的数据传输 机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。 3 ) 成本低。模块价格低廉，且z i g b e e 协议是免专利费的，通信频段免费，是同 类产品的几分之一甚至十分之一。 4 ) 时延短。针对时延敏感的应用作了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都 非常短。设备搜索时延典型值为3 0m s ，休眠激活时延典型值是1 5m s ，活动 设备信道接入时延为1 5m s 。 ：5 ) 网络容量大。z i g b e e 可以采用星形、网状、串状结构组网，而且可以通过任一 ”j 节点连接组成更大的网络结构。从理论上讲，其可连接的节点多达6 5 0 0 0 个。 ：6 ) 安全。z i g l 3 e e 提供了数据完整性检查功能，加密算法采用a e s l 2 8 ，同时各个 应用可以灵活确定其安全属性。 z i g b e e 非常适合于低功耗、低数据速率的监视、传感网络。通常符合以下条件之 的应用，就可以考虑采用z i g b e e 技术【7 】： 1 ) 设备成本很低，传输的数据量很小； 2 ) 设备体积很小，不便放置较大的充电电池或者电源模块； 3 ) 没有充足的电力支持，只能使用电池供电； 4 ) 频繁地更换电池或者反复地充电无法做到或者很困难； 5 ) 需要大范围的通信覆盖，网络中设备非常多，但仅用于监测或控制。 1 4 系统的可行性分析 本论文提出了水文监测系统的一种新的设计思路，将z i g b e e j ； i i g p r s 技术结合起来， 实现水文传感器网络化和水文数据的远程传输。该系统设计的可行性分析如下： 太原理1 ：人学硕士研究生学位论文 1 、我国对江河水文的监测非常重视，这使得水文监测工作得到了快速的发展。为 了适应防汛和水利调度的现代化、信息化要求，水文监测系统的建设进入了网络化阶段， 实现水文监测的网络化和信息化，是今后防汛要求的一种必然趋势。这就为该系统的设 计提供了应用前景。 2 、在许多重点的水域( 重点的河流、湖泊、水库、水利工程等) ，往往需要监测多 个水文数据才能满足实际需求，包括流速、水位、水质、流量、含沙量、降水量等。例 如，在水库的大坝f ；i ，需要测量水位、坝体压力、坝体防渗、坝体位移等参数。这种情 况下仅仅测量水位是不能满足防汛安全要求的。这就为利用z i g b e e 将多个测点组成测量 网络提供了可行性。 3 、另外，多数据的测量往往会集中在一定距离范围内，如大坝上下、河流交汇处、 汛情多发地段、引水隧洞等，多数的水文监测点之间的距离在一百米左右。这就为组建 z i g b e e 网络在通讯距离上提供了可行性，具有一定的使用空间。 4 、z i g b e e 是面向短距离通信的，其网络组建简单，无通信费用，节点价格便宜， 具有低功耗的特点。利用z i g b e e 网络实现小区域范围内的水文数据采集后，再利用g p r s 实现数据的远距离传输，能够实现大区域范围的水文监测。这使系统的应用区域范围较 大，能实现流域的监控。同时，系统只有网络协调器节点与g p r s 连接，可以节省g p r s 模块硬件费用，具有价格优势。， o i 、 基于上述的可行性分析，本文利用z i g b e e 并f l g p r s 技术的各自的特点和优势，针对 数据采集节点数目多的特点，提出了一种新的水文监测系统。该系统将各个水文测量设 备构成测量网络，实现z i g b e e 无线组网，利用z i g b e e 无线传感器网络将某一区域内所有 节点的运行数据集中到网络协调器节点，通过z i g b e e 网络协调节点以g p r s 方式与监控 中心通信，从而构建一个基- 于z i g b e e 和g p r s 的无线水文监控系统。这样，不但很方便 地实现了数据的远程传输，而且大大节省了数据传输的成本。将z i g b e e 和g p r s f l 结合， 来实现水文的远程监测是一个非常理想的解决方案，对水文监测的发展有着非常重要的 意义。 1 5 论文的结构安排 本文分七章对基于z i g b e e 和g p r s 的无线水文监控系统进行了分析和设计，主要 章节内容安排如下： 6 太原理- i ：大学硕+ 研究生学位论文 第一章，首先论述了本课题的背景背景和意义，然后介绍了国内外水文监测技术的 发展现状，接着分析了水文监测系统中常用的几种无线组网技术，提出了z i g b e e 和 g p r s 的无线水文监控系统中的应用方案，最后对论文的结构安排进行了说明。 第二章，对i e e e8 0 2 1 5 4 网络协议标准的p h y 和m a c 层进行了分析，然后介绍 了z i g b e e 协议栈的结构，为以后的设计打好基础。 第三章，从系统的功能和性能需求分析出发，提出了系统的总体设计方案，对系统 的组成、工作原理和系统特点等方面进行了详细的分析。 第四章，对网络协调器节点的硬件进行了分析和设计，分为最小系统设计和外围接 口电路设计两部分，对各个电路的芯片选型、特点、电路设计原理等进行分析和介绍， 并给出了各个电路的电路原理图或示意图。 第五章，对网络协调器节点的软件进行了分析和设计，首先提出了软件的整体结构， 然后依次介绍了软件开发坏境的建立、p c o s i i 嵌入式操作系统在l p c 2 2 1 0 上的移植、 s m a c 协议栈的移植、系统应用程序的设计等。其中，系统应用程序设计中，对系统任 务进行了划分，分析了任务间的通信方式，然后对各个任务进行了详细的分析和设计， 并给出了软件的流程图。 第六章，给出了z i g b e e 在水文监测系统中的应用实例，首先分析了传感器终端节 点的设计，对水文传感器进行了选型，然后分析了终端节点的软件设计，最后，从通信 距离数据传输丢包率两个方面对该应用实例进行了实验和性能分析。 第七章，对本论文研究工作进行了总结，并对系统今后进一步的工作进行了展望。 7 太原理 二大学硕十研究生学位论文 第二章z ig b e e 协议研究 z i g b e e 技术是最近发展起来的一种近距离无线通信技术，它功耗低、成本低、易 应用，以2 4 g h z 为主要频段，采用扩频技术。z i g b e e 被业界认为四最有可能应用在工 业监控、传感器网络、安全系统等领域的无线技术【8 1 。 z i g b e e 技术是建立在i e e e8 0 2 1 5 4 标准之上的，采用其p h y 和m a c 规范，并 在其基础上加入网络功能形成的。为此，本章先介绍i e e e8 0 2 1 5 4 标准及其p h y 和 m a c 规范，然后分析z i g b e e 协议规范。 2 1i e e e8 0 2 1 5 4 标准 i e e e8 0 2 1 5 4 网络协议栈基于开放系统互连模型( o s i ) ，每一层都实现一部分通 信功能，并向高层提供服务。i e e e8 0 2 1 5 4 标准只定义了p h y 层和数据链路层的m a c 子层。p h y 层由射频收发器以及底层的控制模块构成。m a c 子层为高层访问物理信道 提供点到点通信的服务接口。 2 1 1p h y 层规范 i e e e8 0 2 1 5 4 物理层定义了8 6 8 m h z 、9 1 5 m h z 和2 4 g h z 三个频段，其中，2 4 g h z 频段上的1 6 个信道采用o q p s k 调制方式，每个通信信道的带宽为5 m h z 。为了减小 干扰的影响，i e e e 8 0 2 1 5 4 采用直接序列扩频技术d s s s ( d i r e c ts e q u e n c es p r e a d s p e c t r u m ) 。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，从而更加省电【8 - 9 】。 物理层通过射频固件和硬件提供m a c 层与物理无线信道之间的接口，提供物理层 数据服务和管理服务，主要任务是在物理媒介上透明的传输比特流。物理层的数据服务 包括数据的接收和发送，管理服务包括激活和休眠射频收发器、信道能量检测( e d ) 、 检测接收数据包的链路质量指示( l q i ) 和空闲信道评估( c c a ) 等1 9 】。 i e e e8 0 2 1 5 4 物理层的参考模型如图2 1 所示。其中，r f s a p 是由驱动程序提供 的接口，而p d s a p 是p h y 层提供给m a c 层的数据服务接口，p l m e s a p 是p h y 层 给m a c 层提供的管理服务接口。 9 太原理i ：人学硕+ 研究生学何论文 ? 一。 厂 p d s a p 一 一一一， r _ 一一? 一- p l m e - s a p 卜 图2 - 1i e e e8 0 2 1 5 4 物理层参考模型 f i g u r e2 一lt h er e f e r e n c em o d e lo f l e e e8 0 2 1 5 4p h y s i c a ll a y e r p d s a p 支持在两个对等的m a c 层实体之间传输m a c 协议数据单元( m p d u ) 。 p d s a p 支持的通信原语有：p d d a t a r e q u e s t 、p d d a t a c o n f i r m和 p d d a t a i n d i c a t i o n 。p d d a t a r e q u e s t 由m a c 层发送给本地物理层，请求发送m p d u ； p d d a t a c o n f i r m 由物理层实体发送给m a c 层实体，作为对p s d a t a r e q u e s t 原语的 响应；p d d a t a i n d i c a t i o n 指示一个m p d u 从物理层传送到本地m a c 层实体【6 】i s 】。 信道能量检测e d 为网络层提供信道选择依据，主要测量目标信道中接收信号的功 率强度，该检测本身不进行解码操作，检测结果为有效信号功率和噪声信号功率之和。 链路质量指示l q i 为网络层或者应用层提供接收数据帧时无线信号的强度和质量 信息，它要对信号进行解码，生成一个信噪比指标，这个信噪比指标和物理层数据单元 一起提交给上层处理。 空闲信道评估c c a 判断信道是否空闲。i e e e8 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 - j 限值就认为信道空闲：第 二种通过判断无线信号的特征，该特征包含两个方面，即扩频信号特征和载波频率；第 三种是前两种模式的综合，同时检测信号强度和信号特征，给出信道是否空闲的判断。 2 1 2m a c 层规范 m a c 层在i s o 七层参考模型中主要的职责是规范信道访问的方式，通过一定的共 享机制使网络中的节点能有序平等的访问物理信道。i e e e8 0 2 1 5 4 的m a c 层提供两种 信道访问方式：c s m a c a 基于竞争的信道访问机制和g t s 时隙保障机制。c s m a c a 属于随机访问信道方式，具有较小的数据延迟，适用于数据传输频率较低但实时性要求 高的应用场合。g t s 机制适用于需要频繁传输数据，但实时性要求较低的场合。除了 1 0 太原理t 大学硕士研究生学位论文 信道访问方式之外，m a c 还提供m a c 帧的封装和解封装、m a c 帧之问的同步、节点 之间的关联的建立、无线通信信道的安全等服务。 m a c 层使用物理层提供的服务实现设备之间的数据帧传输，m a c 层同样提供两种 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 协议数据单元在物理层数 据服务中的正确收发，后者维护一个存储m a c 子层协议状态相关信息的数据库。m a c 层的参考模型如图2 2 所示。m a c 通过m c p s s a p 提供m a c 的数据服务，通过 m l m e s a p 提供m a c 管理服务，这两种服务通过物理层p s s a p 和p l m e s a p 提供 了与p h y 层之间的接h 6 】【8 】。 图2 - 2 m a c 层参考模型 f i g u r e2 - 2t h er e f e r e n c em o d e lo fm a cl a y e r 发送者m a c 接收者m a c 信道接入数据帧 数据请求 ：发数据指示 送 确认( 应答请求) 者 数据确认 图2 - 3m a c 层数据传送的过程 f i g u r e2 - 3t h ed a t at r a n s m i s s i o np r o c e s so fm a cl a y e r i e e e8 0 2 1 5 4m a c 层定义了广播帧、数据帧、确认帧和m a c 命令帧等4 种帧类 型只有广播帧和数据帧包含了高层控制命令或者数据，确认帧和m a c 命令帧则用于设 ：if；i!ljlll 一 接收者 太原理r ：人导：硕十研究生学位论文 备间m a c 层功能实体间控制信息的收发，广播帧和确认帧不需要接收方的确认，而数 据帧和m a c 命令帧的帧头包含帧控制域，指示收到的帧是否需要确认，如果需要确认， 并且已经通过了c r c 校验，接收方将立即发送确认帧，若发送方在一定时间内收不到 确认帧，将自动重传该帧。这就是m a c 子层可靠传输的基本过程。m a c 层数据传送 的过程如图2 3 所示。 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，在设备进入网络之前就分配好了。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【9 1 。 2 2z i g b e e 协议标准 z i g b e e 协议架构师建立在i e e e8 0 2 1 5 4 标准基础上的。i e e e8 0 2 1 5 4 标准定义了 p h y 和m a c ；z i g b e e 联盟定义了网络层、应用层和安全服务层。2 0 0 4 年推出的z i ；b e e v 1 o 协议规范详细的描述了z i g b e e 协议的标准，遵照协议标准，任何生产厂家的设备 和平台将具有互操作性、低成本和高可用性。 2 2 1z i g b e e 协议栈架构 z i g b e e 协议栈具有多层结构，每一层都为其上层提供一组特定的服务：数据实体 提供数据传输服务，管理实体提供其他的控制服务。每个服务实体通过一个服务访问点 s a p 与上层接口，每个s a p 支持一组服务原语来实现所需的功能。z i g b e e 协议栈是基 于o s i 七层参考模型的，但仅定义了与未来市场应用相关的几层。完整的z i g b e e 协议 栈由物理层、数据链路层、网络层以及应用层组成。其中应用层包括应用支持子层 a p s ( a p p l i c a t i o ns u p p o r ts u b 一1 a y e r ) 、应用框架a f ( a p p l i c a t i o nf r a m e w o r k ) 、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 s ) 以及用户定义的应用对象( a p p l i c a t i o no b j e c t s ) 。另外还 有安全服务提供s s p ( s e c u r i t ys e r v i c ep r o v i d e r ) 来保证通信数据的安全性【1 0 】。完整的 z i g b e e 协议栈架构如图2 4 所示。 z i g b e e 协议栈中，p h y 和m a c 处于最底层，n w k 、a p s 等层是建立在p h y 和 m a c 层之上，最上面的是a p p l i c a t i o n 层。p h y 和m a c 层与底层硬件相关，而n w k ， a p l ，a p s 则脱离了硬件的影响。 太原理：【：大学硕七研究生学位论文 z i g b e e 网络层提供设备d i i a i 推, - p , 网络的机制、帧安全机制、路由发现已经维护机 制。z i g b e e 网络协调器的网络层还负责新网络并为新关联的设备分配地址。a p s 层负 责维护绑定列表，根据设备的服务和需求对设备进行匹配，并在绑定的设备之问传送消 息。z d o 负责发现网络中的设备并明确其提供的应用服务【il - 1 3 l 。 i v l i , d e - s a p )：m l m e - s a pj 厂一、- 一、一。一； 卜 m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ( m a c ) l a y e r l 7 一、_ 一一_ = = 7 一_ j ( 、p d _ s a p，)p l m e s a p ，j 厂1 一一一一- 一一一 l ： ，p h y s i c a l ( p h y ) l a y e r 2 4 g h zr a d i o 匝8 6 8 1 9 15 m h 王zr a d , o 图2 _ 4z i g b e e 协议栈架构 f i g u r e2 - 4t h es t r u c t u r eo fz i g b e ep r o t o c o ls t a c k 2 2 2z i g b e e 中的设备 对