（交通信息工程及控制专业论文）ZigBee技术在智能公交调度系统上的应用研究.pdf

摘要 实施“公交优先是解决我国城市交通发展问题的有效途径。大力发展公交优先， 最重要的措施是提高公交服务质量和运营效率。目前我国大多数城市公交车辆管理存在 科技含量低、管理方式陈旧等问题，使得公交车辆运营效率低，服务质量差。因此，需 要采取技术手段或者管理手段来解决这些问题。2 0 0 4 年以来，z i g b e e 技术得到了迅猛 的发展，z i g b e e 的低成本，低复杂度，低延迟的特点使它非常适合应用于公交调度系 统。基于这些特点，本文提出了一种基于z i g b e e 技术的智能公交调度系统方案。 论文首先简要介绍了z i g b e e 技术，接着列举出几种可行的智能公交调度系统技术 方案，重点叙述了采用g p s 技术和g p r s 数据传输技术的智能公交调度系统方案和采 用z i g b e e 技术的智能公交调度系统方案，详细比较了这几种调度系统技术方案的优缺 点，最终确定采用基于z i g b e e 技术的系统方案。 在基于z i g b e e 技术的系统方案中，系统下位机部分分为四部分：网络协调器、电 子站牌节点、无线中继通讯节点和车载终端模块。这四个部分分布在整条公交线路上， 相互通讯连接，组成了网状型拓扑结构。针对系统传感器网络设备位置相对固定的特点， 论文提出了相对应的数据路由传输协议和车辆定位算法。同时，系统采用t p s n 算法定 时同步各个节点设备时钟。 论文分别详细叙述了系统网络内各个设备的功能。论文采用p r o t e l2 0 0 4 画出了各个 模块的硬件原理图，通过对c h i p c o n 公司z i g b e e 协议栈的分析、修改，对各个设备模 块进行软件设计，画出了各个设备模块软件流程图。最后，采用v b 6 0 开发出上位机测 试配置软件，实现上位机对整个传感器网络配置和数据通讯传输。 关键词：z i g b e e 、智能公交系统、路由协议、c c 2 4 3 0 、z s t a c k a b s t r a c t i t i sa l le f f e c t i v ew a yt oi m p l e m e n tb u sp r i o r i t yf o rs o l v i n gt h et r a f f i cp r o b l e mo fu r b a ni n c h i n a i m p r o v i n gt h eq o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) f o rb u sa n do p e r a t i n ge f f i c i e n c yi st h em o s ti m p o r t a n tm e a s u r ei n o r d e rt oi m p r o v et h eb u sp r i o r i t y s o m eq u e s t i o n ss u c ha sl o wt e c h n o l o g i c a lc o n t e n ta n do u t o 翻a t e a d m i n i s t r a t i o ne x i s ti nt h eb u sm a n a g e m e n to fm a n yc i t i e si nt h ec o n u t r ya tp r e s e n t ，w h i c hl l l a k e st h eb u s o p e r a t i n ge f f i c i e n c yi sl o wa n dt h eq o si sp o o r s ow en e e dt ot a k es o m et e c h n i c a lm e a n so rm a n a g e m e n t m e t h o d st os o l v et h ep r o b l e m t h ez i g b e et e c h n o l o g yh a sb e ed e v e l o p i n g r a p i d l ys i n c e2 0 0 4 t h e c h a r a c t e r i s t i c so fz i g b e e ，s u c h 勰l o wc o s t ，l o wc o m p l e x i t ya n dl o wd e l a y , m a k ei t s u i tt ob u sd i s p a t c h s y s t e m t h et h e s i sp r o p o s e si n t e l l i g e n tb u sd i s p a t c hs y s t e ms c h e m eb a s e do nz i g b e et e c h n o l o g y t h et h e s i si n t r o d u c e st h ez i g b e et e c h n o l o g yb r i e f l ya tf i r s t t h e ni tl i s t ss e v e r a lf e a s i b l ei n t e l l i g e n t b u sd i s p a t c hs y s t e ms c h e m e s t h et h e s i sd e s c r i b e ss y s t e mi m p l e m e n t a t i o nw i t hg p s a n dg p r st e c h n o l o g y a n dw i t hz i g b e et e c h n o l o g yi nd e t a i l a tl a s tt h et h e s i sd e t e r m i n e st ou s et h es y s t e ms c h e m ew i t hz i g b e e t e c h n o l o g y t h es y s t e mi sc o n s t i t u t e db yf o u rp a r t si nt h es c h e m eb a s e do nz i g b e et e c h n o l o g y t h e ya r en e t w o r k c o o m i d a t e ，e l e c t r o n i cb u ss t o pb o a r dn o d e ，w i r e l e s sr e l a yc o m m u n i c a t i o nn o d ea n dv e h i c l et e n n i n a l m o d u l e t h ef o u rp a r t sa r ep l a c e do nt h ew h o l eb u sl i n ea n dc o m m u n i c a t e dw i t he a c ho t h e r t h e ym a k e u p m e s hn e t w o r k t h et h e s i sp r o p o s e sp r o p e rd a t ar o u t et r a n s m i s s i n gp r o t o c o la n dv e h i c l el o c a t i o na l g o r i t h m , a c c o r d i n g t ot h e f i x i n g c h a r a c t e r i s t i co fs y s t e ms e n s o rn e t w o r kn o d e m e a n w h i l e ，t h e s y s t e m s y n c h r o n i z e st h ee v e r yn o d ee q u i p m e n t sc l o c kb yu s i n gt p s na r i t h m e t i c t h et h e s i sg o e si n t ot h ef u n c t i o n so ft h ee a c he q u i p m e n ti nt h es y s t e mn e t w o r ks e p a r a t e l y t h et h e s i s p r e s e n t st h eh a r d w a r es c h e m a t i cd i a g r a m sa n dt h e nd e s i g n st h es o f t w a r ew a r ef o re a c he q u i p m e n tm o d u l e b ya n a l y z i n ga n dm o d i f y i n gz i g b e ep r o t o c o ls t a c ko fc h i p c o nc o m p a n y i tl i s t st h es o f t w a r ef l o wc h a r to f e a c he q u i p m e n tm o d u l e f i n a l l y , t h ec o n f i g u r a t i o no ft h ew h o l es e n s o rn e t w o r ka n dt h eh ? a n s r i l i s s i o no fm e d a t af o rt h eh o s tc o m p u t e ra r er e a l i z e da f t e rt h et e s t i n ga n dc o n f i g u r a b l es o f t w a r ef o rh o s tc o m p u t e ri s d e v e l o p e db yu s i n gt h ev b 6 0 k e yw o r d s ：z i g b e e ；i n t e l l i g e n tb u ss y s t e m ；r o u t i n gp r o t o c o l ：c c 2 4 3 0 ；z s t a c k i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：高 辉砂g 年岁月3 0 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：高辉 铷一荔蔼啦 夕产vu 2 0 6g 年5 月3 d 日 2 d p 6 年岁月3 0 日 长安人学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第一章绪论帚一早瑁 v 匕 目前，国民经济的快速发展、城市人1 2 1 的高度集中、汽车拥有量的急剧上升和道路 基础设施建设的相对滞后发展使得城市交通需求与供给之间的矛盾越来越突出。交通阻 塞呈现出点到线、由线到面的扩展趋势，交通拥挤、交通延误、交通阻塞以及由此引起 的噪音、废气污染严重影响着居民的正常生活以及社会经济的持续、健康发展。 近年来，我国城市交通的现状已引起了社会各界的广泛关注，有关专家学者和交通 工程师们在吸取各国城市交通发展经验的基础上，提出了优先发展城市公共交通战略， 具体为以公共交通为杠杆降低城市交通需求总量，实现道路交通基础设施发展与交通需 求增长的均衡。 实施“公交优先”是解决我国城市交通发展问题的有效途径，也是我国目前城市交 通发展的基本政策。然而，在公交运营管理上，我国很多城市的公交调度存在着很多问 题。具体表现为：公交调度管理科技含量低、管理方式陈旧、调度手段落后，仍沿用几 十年不变的经验管理方式，存在着两头调度、中间失控，从行车记录、行车时刻表编制 到数据汇总等全部需要手工操作，人力物力资源浪费严重。这就造成了车辆资源，乘客 出行时间的极大地浪费。 为了解决这一问题，优化公交车调度，首先需要这实现以下三个前提条件： ( 1 ) 定位跟踪：随时了解每一辆公交车辆处于什么位置，即非主动定位； ( 2 ) 监控调度：在定位基础上对公交线路或整个公交系统实现跟踪调度； ( 3 ) 信息查询：了解到每辆车辆速度，载人等信息。 1 2 国内外研究现状 在短途公交客运中首批采用车辆定位跟踪和客流信息实时传输的是德国斯图加特 有轨电车公司( s s b ) ，它在公交车站安装了动态乘客信息系统。s s b 的车辆定位和信息 传输系统是这样工作的：每个线路的客车除了车载计算机外还有一台无线电装置，它每 隔1 5 s 向接收站发送1 次车辆实际位置的无线电数据。为了精确定位，在市内的一些显 著位置还安装了红外标志器。接收站通过电缆与计算机支持的车辆运行调度中心的调度 系统相连，这样，客车的位置数据就可以进入中央计算机，那里存有所有预定的行车时 第一章绪论 刻表数据。通过比较预计的和实际的车辆运行情况，如根据行车计划车辆应该在哪里和 实际在哪里，乘客信息系统将自动计算出每个车站的发车时间，然后通过电缆传给车站 的计算机，再由计算机传给显示器【1 】。 2 0 0 2 年l o 月，北京公交一路日坛路车站首次安装了电子站牌。乘客能够在站牌 上看到一路公交车实际位置的显示，从而估算出自己的候车时间。公交电子站牌与普通 站牌的区别有两个：一是站名下有一长串小灯，绿灯亮起的地方就是公交车实际运行的 位置，误差不超过半个公交站距；二是站牌顶部有一个显示屏，可以为乘客提供文字信 息。电子站牌由通讯系统、公交调度平台和行车信息服务管理发布系统组成。电子站牌 的运行方式是通过装有g p s 卫星定位系统的车辆自动采集信息和司机根据实际运营状 况传回的信息，经无线通信网络传输到公交指挥调度中心，公交调度指挥中心将接收到 的车辆数据信息整理编辑，再经北京人民广播电台的数据平台编播调制，然后由中央电 视塔内的调频广播发射机发送给电子站牌接收机。通过站牌，乘客可以了解公交车的行 驶状态、所在位置，并且能估算出车辆的到达时间。此外，乘客还能在站牌的电子屏幕 上了解到天气预报、公交换乘信息、政府公告、商业信息、精神文明建设内容及商业广 告等【2 】o 国内还有一些车辆定位系统虽然具备预测公交车到站时间的功能，但并不是根据道 路上实时的交通流状况预测的，而是根据发车时刻表推测的。道路交通具有波动变化的 特性，如果道路交通状况出现较大变化，按照经验进行的推测并不准确。 2 0 0 4 年以来，随着z i g b e e 联盟的成立，z i g b e e 技术的迅速发展受到了很多专家学 者及工程人员的极大关注。z i g b e e 技术具有低成本、低功耗、低复杂度、低传输速率、 近距离传输的特点，其通讯可靠、自组织自愈能力强、网络容量大等特点使它在应用于 智能交通行业中有着广阔的前景。因此，有些学者提出将这项技术应用于公交车辆定位 及信息传输系统中，进一步地降低成本，减小信息传输延时。成都西谷曙光有限公司和 深圳旭昂开始做这方面的研究和应用，并已经初步开发出适用于煤矿定位和信息传输的 产品。作为一种新兴的技术，z i g b e e 技术还在不断的完善中，有很多关键性的课题还 需要人们去进一步突破。尽管它与其它技术相比有着很明显的优势，但是由于受到人们 的认可和接纳还需要一段时间，因此，目前国内所出现的公交车定位及信息无线传输大 部分采用的是g p s 定位和g p r s 传输数据。 2 长安火学硕士学位论文 1 3 课题研究的目的、意义 本论文设计的目的是提出一种基于z i g b e e 技术的智能公交调度系统，采用z i g b e e 无线传感器网络技术，及时、准确地将公交车辆的具体位置反映到公交调度站计算机系 统，使公交调度人员能够随时掌握公交线路上公交车辆的分布状况、车辆行驶状况和客 流情况。这样，公交调度人员就可以根据所获得的实时数据对公交车辆进行更加合理的 调度和管理。当公交车辆在公交线路上的分布不合理或者某一路段发生堵塞时，调度中 心可以根据公交车辆定位系统所提供的数据、图形，做出更加科学、合理的调度，提高 车辆的运营效率。通过调控中心对每一辆车辆的实时监控，完全避免车辆在规定的收车 时间前早退的现象。公交车辆运行时，根据车辆的位置信息和当时的平均速度，可以估 算出到达下一个公交车站的时间。通过z i g b e e 网络节点将公交车辆即将到达时间信息 和客流信息实时无线传送至下一公交车站电子站牌，使旅客能够随时了解所要等待的公 交车辆的到达时间和车辆的拥挤状况，从而为出行做出更加合理舒适的选择。 公交车辆定位跟踪和客流数据的实时无线传输，能够有效地解决目前公交车辆运营 现状，实现公交智能化，提高管理水平，进而建立实时的公交请求、应答及调度一体化 系统。同时，实时地跟踪车辆和跟踪客流，及时准确地分析和处理车辆和客流信息，可 以了解掌握线路上客流在各时段、各方向、各段面上的分布规律，为行车时刻表的编制、 行车计划的执行和一体化系统的实施建立提供可靠的依据。 1 4 课题研究的主要内容 本课题主要采用z i g b e e 技术，设计智能公交调控系统，实现公交调度智能化，提 高公交管理和运营水平。论文的结构安排如下： 第一章为绪论部分，主要介绍我国交通背景、公交车辆调度现状和国内外车辆定位 及信息传输技术的发展，论述该课题的研究目的和意义。 第二章简要叙述了z i g b e e 技术的特点及体系结构，并比较了常用的z i g b e e 芯片。 第三章对常用的智能公交调度技术方案进行比较，确定采用基于z i g b e e 的无线传 感器网络技术方案作为本系统的技术方案。 第四章对基于z i g b e e 的无线传感器网络技术方案在具体实施过程中所出现的关键 问题进行了分析，并提出了解决办法。 第五章论述了智能调度系统的硬件设计，包括车载终端模块、无线中继路由节、电 3 第一章绪论 子站牌节点和网络协调器。根据系统的要求，选择合适的芩片和器件，并着重分析系统 的设计思路及实现方法。 第六章叙述了各个功能模块的软件设计，对各个功能模块的软件流程和功能设计作 详细的说明。 第七章叙述了上位机软件的设计，说明了主要串口帧的数据格式，设计出上位机配 置测试软件。 第八章为总结与展望。总结已经取得的成果，展望在以后的工作中还需要改进和完 善的地方。 4 长安大学硕： ：学位论文 第二章z i g b e e 技术研究 2 1 几种无线组网技术分析比较 目前，主要的无线网络技术有：g s m c d m a ，g p r s 3 gu w b ，b l u e t o o t h ，w i f i ，i r d a ， z i g b e e 等。 g s m c d m a ，g p r s 3 g 技术适合于远程连接，所需成本和维护费用较高。 i r d a ( 幺工夕j - 线) 主要优点是成本低廉、体积小、功耗低、连接方便、简单易用、数据 传输率高、安全性高等。但它的不足在于它是一种视距传输，两个通信设备之间必须对 准，并且只能用于两台设备之间的连接。 超宽带技术( u w b ) 是新发展起来的一种无线通信技术。它通过基带脉冲作用于天线 的方式发送数据，工作在3 1 1 0 6 g h z 的波段内。主要应用在小范围、高分辨率、能够 穿透墙壁、地面和身体的雷达和图像系统中。除此之外，这种新技术适用于对速率要求 非常高( 大于1 0 0 m b p s ) 的l a n 或者p a n 。 b l u e t o o t h ( 蓝牙) 是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，其实质内容是为固 定设备或移动设备之间的通信环境建立通用的无线电空中接口，将通信技术与计算机技 术进一步结合起来，使各种设备在没有电线或电缆相互连接的情况下，能在近距离范围 内实现相互通信或操作，是一种低成本、低功率的无线“线缆替代 技术。其传输频段 为全球通用的2 4 g h zi s m 频段，提供1 m b p s 的传输速率和1 0 m 1 0 0 m 的传输距离，但 其兼容性较差。 w i f i ( w i r e l e s sf i d e l i t y ，无线局域网) 也是一种无线通信协议，即i e e e 8 0 2 1 l b ，与 蓝牙同属于短距离无线通信技术。w i f i 的速率最高可达l l m b p s 。虽然在数据安全性方 面比蓝牙技术差一些，但在电波的覆盖范围方面却略胜一筹，可达1 0 0 m 左右。但其价 格昂贵，并在安全性方面受到一些国家的质疑。 z i g b e e 是一种极低耗电、极低成本的短距离无线网络技术，传输速度为2 0 k b p s 2 5 0 k b p s 。z i g b e e 采用d s s s ( 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 ，直接序列扩频) 技术， 与蓝牙相比，它的功耗极低，在待机模式下，两节普通5 号电池可以使用六个月以上。 由于z i g b e e 数据传输率低，协议简单，从而大大降低成本。z i g b e e 使用的工作频段灵 活，为2 4 g h z 、8 6 8 m h z ( 欧洲) 及9 1 5 m h z ( 美国) ，均为免执照频段。 i e e e 8 0 2 1l b 、b l u e t o o t h 以及z i g b e e 三种无线连接技术的比较如表2 1 所示： 5 第二章z i g b e e 技术研究 表2 1 三种短距离无线通信技术比较 特征i e e e 8 0 2 1 l bb l u e t o o t h z i g b e e 电池功耗 一小时一周 一年。 复杂性复杂非常复杂简单 节点数3 276 4 0 0 0 反应时间典型值3 s典型值1 0 s典型值3 0 m s 作用范围1 0 0 m1 0 m7 0 m 5 0 0 0 m 可扩展性可漫游不可扩展可以 数据传输率 1 1 m b p s 1 m b p s2 5 0 k b p s 安全性 确认服务设定i d6 4 b i t ，12 8 b i t1 2 8 b i 妣s 和应用层用户自定义 从表2 1 可以看出，如果仅仅为了连接的需要而使用8 0 2 1 1 技术是大材小用了，蓝 牙本来是用来代替电缆的，但现在的蓝牙设备正在变得越来越复杂，己经不能满足低功 耗的需求。8 0 2 1 l b 和蓝牙设备都要求定期更换电池或者充电，而频繁地更换电池将给 用户带来很大的不便【7 1 。而z i g b e e 设备的体积小、功耗低、可连接的设备数量多、响 应速度快，使z i g b e e 技术成为工业监控领域最适合的技术标准。 2 2z i g b e e 技术概述 z i g b e e 是一组基于8 0 2 15 4 无线标准的有关组网、安全和应用软件方面的技术标 准。8 0 2 1 5 4 仅定义了m a c 层和物理层协议，z i g b e e 联盟对网络层协议和a p i 进行了 标准化。每个协调器可连接多达个2 5 5 节点，而几个协调器则可形成一个网络，对路由 传输的数目则没有限制。z i g b e e 联盟还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外 泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其它节点获得。 z i g b e e 技术填补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空白，它适用于短距 离小范围的基于无线通信的控制领域，将在家居控制、楼宇自动化和工业自动化等领域 得到广泛的应用。这是由其主要技术优势决定的： ( 1 ) 数据传输速率低：只有1 0 k 字节秒到2 5 0 k 字节秒，专注于低传输应用。 ( 2 ) 功耗低：在低耗电待机模式下，两节普通5 号干电池可使用六个月到两年，免 去了充电或者频繁更换电池的麻烦。 ( 3 ) 成本低：数据传输速率低，协议简单且免收专利费，这样大大降低了成本。 ( 4 ) 网络容量大：一个z i g b e e 网络最多可包括2 5 5 个z i g b e e 网络节点，其中一个 是主控设备，其余则是从属设备。若是通过网络协调器，整个网络最多可以支持超过 6 4 0 0 0 个z i g b e e 网络节点。 ( 5 ) 时延短：通常时延都在1 5 毫秒至3 0 毫秒之间。 6 长安大学硕士学位论文 ( 6 ) 安全：提供数据完整性检查和鉴别功能，采用a e s 一1 2 8 加密算法。 ( 7 ) 覆盖范围小：有效覆盖范围1 0 7 5 米之间，具体依据实际发射功率的大小和各 种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。如果在节点电路上 增加功放和天线，可将覆盖范围提高至1 0 0 5 0 0 0 m ，不过这样会大大地增加节点电路的 功耗。 ( 8 ) i 作频段灵活。 2 3z 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，各层之间的接口通过所定义的逻辑链路来提供服务。 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【3 】【3 4 】。如图2 1 所示。 应用层行规 z i g b e e ； 应用架构 网络安全层 z i g 群明 ， m a c 子层 8 0 ：，1 5 4 物理层 图2 1z i g b e e 协议分层结构 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 e 8 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 e 8 0 2 1 5 4 规范作为其底层，因此，从广义上上讲，也可认为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：数据实体访问接口和管理实体访问接口。数据实体服务访 问接口是为传送数据服务的，而管理实体服务访问接口是为系统管理服务的。协议各层 的两个实体间也有一个接口，称为内部接口。安全措施可以加在一层中，也可加在多层 7 第二章z i g b e e 技术研究 中，从而大大增加系统的安全性。 2 3 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：物理层数据服务和物理层管理服务。物理层 数据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 关数据组成的数据库。物理层包括以下五方面的功能： ( 1 ) 激活和休眠射频收发器； ( 2 ) 信道能量检测( e n e r g yd e t e c t ) ； ( 3 ) 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 ) ； ( 4 ) 空闲信道评估( c l e a rc h a n n e la s s e s s m e n t ，c c a ) ； ( 5 ) 收发数据。 对信道能量进行检测时，只检测该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：一种简单判断信道的信号能量，当信号能量低于某- - f 3 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。 2 3 1 1 物理层载波调制 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。 8 长安大学硕士学位论文 c h a n n e l0 8 6 8 m h z ，9 1 5 m h z p h y 。 i 2 。4g h z p h y c h a n n e l 81 - o _ 卜2 m h z 卜1 l l i ii 龇一 8 铭；3 豺n z 9 0 2 酗 9 2 8 m h z p i - - 卜5 敞 一i i - 一卅 2 4 g 撇 2 4 8 3 5 g 溆 图2 2i e e e 8 0 2 1 5 4 通讯频段及信道分配 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据 单元( p h yp r o t o c o ld a t au n i tp p d u ) 的二进制数据进行差分编码，然后再将差分编码后的 每一位转换为长度为1 5 的码片序列，最后用b p s k ( 双相移相键控) 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 的二进制数据中每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o q p s k ( 偏移四相相移键控) 调制方式调制到载波上。2 4 g h z 频段的数据速率可 以达到2 5 0 k b p s 。 2 3 1 2 物理层的帧结构 物理层帧结构如表2 2 所示： 表2 2 物理层帧结构 4 字节l 字节1 字节 长度可变 前导码帧定界符帧长度( 7 比特)保留位( 1 比特) p s d u 同步头物理层帧头物理层负载 每个数据包均由以下几个基本的部分组成： ( 1 ) 同步头s h r ：允许接受设备锁定在比特流上，并且与该比特流保持同步。 ( 2 ) 物理层帧头：包含帧长度的信息。 ( 3 ) 物理层负载即物理层服务数据单元p s d u 长度变化的负载，携带m a c 层的 帧信息。 前导码有四个字节即3 2 个二进制数组成，收发机根据前导码可获得码同步和符号 同步的信息。帧定界符( s t a r t o f - f r a m ed e l i m i t e r , s f d ) 字段长度为一个字节，其值固定为 o 第- 二章z i g b e e 技术研究 0 x e 7 ，标识一个物理层帧的开始；通过搜索帧定界符字段的值0 x e 7 ，接受器才能同步 到字节上。帧长度( f r a m el e n g t h ) l 扫- - 个字节的低7 位表示，它的值就是物理层帧负载的 长度，因此，物理层帧负载的最大长度为1 2 7 个字节。 2 3 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据帧传输，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 协议数据单元在物理层数据 服务中的正确接收，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 层主要功能包括下面六个方面： ( 1 ) 协调器产生并发送信标帧，普通设备通过协调器的信标帧与协调器同步； ( 2 ) 支持网络的关联( a s s o c i a t i o n ) 和取消关联操作； ( 3 ) 支持无线信道通信安全； ( 4 ) 使用c s m a c a 机制访问信道； ( 5 ) 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； ( 6 ) 支持不同设备的m a c 层间可靠传输。 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。当网络中的终端设备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。 2 3 2 1 数据通信模式 i e e e 8 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信标帧。信标帧为超帧的开始。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n 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 紧跟着接收帧发送至源设备。 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间，然后开始检测信道状态。如果信道空闲， l o 长安人学硕士学位论文 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间和检测 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 3 2 2m a c 层帧结构 m a c 层帧结构3 6 1 的设计目标是用最低的复杂度来实现在多噪声无线信道环境下的 可靠数据传输。每个m a c 层的帧均由帧头、负载和帧尾三部分组成。帧头由帧控制信 息、帧序列号和地址信息组成。m a c 层负载具有可变长度，具体内容由帧类型决定。 帧尾是帧头和负载数据的1 6 位c r c 校验序列。 m a c 帧结构如表2 3 所示。 表2 3m a c 帧结构 字节数：2 10 2o 2 80 2o 2 憾 可变 2 帧控制信息帧序目的设备目的地源设备源设备帧数据单f c s 校验 列号标识符址 标识符 地址元码 帧头m h r m a c 负载 m f r 帧尾 在m a c 层中设备地址有两种格式：1 6 位( 两个字节) 的短地址和6 4 位( 8 个字节) 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 位扩展地址是全球唯一地址，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 位短地址通信时需要结合1 6 位的网 络标识符才有意义。两种地址类型的地址信息的长度是不同的，从而导致m a c 帧头的 长度也是可变的。一个数据帧使用哪种地址类型由帧控制字段的内容指示。在帧结构中 没有表示帧长度的字段，这是因为在物理层的帧里面有表示m a c 帧长度的字段，m a c 负载长度可以通过物理层帧头和m a c 帧头的长度计算出来。 z i g b e e 网络共定义了四种类型的帧信标帧，数据帧，确认帧和命令帧。 ( 1 ) 信标帧 信标帧的负载数据单元由四部分组成：超帧描述字段、g t s 分配字段、待转发数据 目标地址字段和信标帧负载数据。信标帧结构如表2 4 所示。 第5 - 2 章z i g b e e 技术研究 表2 4 信标帧结构 字节数：2 l 4 1 0 2kmn2 待转发数 帧控制字 序列地址信息超帧描述g t s 分配 信标帧负 据目标地f c s 段号字段字段字段载 址 帧头m h rm a c 服务数据单元m f r 帧尾 超帧描述字段：规定了超帧的持续时间，活跃部分持续时间以及竞争访问时段持续 时间等信息。 g t s 分配字段：将无竞争时段划分为若干个g t s ( g u a r a n t e e dt i m es l o t s ，保证时隙) ， 并把每个g t s 具体分配给了某个设备。 转发数据目标地址：列出了与协调者保存的数据相对应的设备地址。一个设备如果 发现自己的地址出现在待转发数据目标地址字段里，则意味着协调器存有属于它的 数据，所以它就会向协调器发出请求传送数据的命令帧。 信标帧负载数据：为上层协议提供数据传输接口。例如在使用安全机制的时候，这 个负载域将根据被通信设备设定的安全通信协议填入相应的信息。通常情况下，这 个字段可以忽略。在信标不使能网络里，协调器在其他设备的请求下也会发送信标 帧，此时信标帧的功能是辅助协调器向设备传输数据，整个帧只有待转发数据目标 地址字段有意义。 ( 2 ) 数据帧 数据帧用来传输上层发到m a c 子层的数据，它的负载字段包含了上层需要传送的 数据。数据负载传送至m a c 子层时，被称为m a c 服务数据单元。它的首尾被分别附 加了m h r 头信息和m f r 尾信息后，就构成了m a c 帧。数据帧结构如表2 5 所示： 表2 5 数据帧结构 字节数：2 14 2 0n2 帧控制字段序列号地址信息字段数据帧负载 f c s 帧头m h rm a c 服务数据单元m f r 帧尾 m a c 帧传送至物理层后，就成为了物理层帧的负载p s d u 。在物理层被“包装”， 其首部增加了同步信息s h r 和帧长度字段p h r 字段。同步信息s h r 包括用于同步的 前导码和s f d 字段，它们都是固定值。p h r 的帧长度字段标识了m a c 帧的长度，为 一个字节长而且只有其中的低位有效位，所以帧的度不会超过1 2 7 个字节。 ( 3 ) 确认帧 1 2 长安大学硕士学位论文 如果设备收到目的地址为其自身的数据帧或m a c 命令帧，并且帧的控制信息字段 的确认请求位被置1 ，设备需要回应一个确认帧。确认帧的序列号应该与被确认帧的序 列号相同，并且负载长度应该为零。确认帧紧接着被确认帧发送，不需要使用c s m a c a 机制竞争信道。 确认帧结构如表2 6 所示： 表2 6 确认帧结构 字节数：2 l 2 帧控制字段序列号f c s 帧头 m f r 帧尾 ( 4 ) 命令帧 m a c 命令帧用于组建w p a n 网络，传输同步数据等。目前定义好的命令帧主要完 成三方面的功能：把设备关联到w p a n 网络，与协调器交换数据，分配g t s 。命令帧 在格式上和其他类型的帧没有太多的区别，只是帧控制字段的帧类型位有所不同。帧头 的帧控制字段的帧类型为0 1 1 b ( b 标识二进制数据) 表示一个命令帧。命令帧的具体 功能由帧的负载数据表示。负载数据是一个变长结构，所有命令帧负载的第一个字节是 命令类型字节，后面的数据针对不同的命令类型有不同的含义。 命令帧结构如表2 7 所示。 表2 7 命令帧结构 字节数：2 14 1 01n2 帧控制字段序列号地址信息字段命令类型数据帧负载 f c s 帧头m a c 服务数据单元m f r 帧尾 2 3 3 网络层洲w k ) 网络层规范由联盟制定，网络层由数据实体和管理实体组成，分别提供数据传输服 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： ( 1 ) 建立新的网络； ( 2 ) 处理节点的加入和离开网络； ( 3 ) 根据网络类型设嚣节点的协议堆栈； ( 4 ) 使网络协调器对节点分配地址： ( 5 ) 保证节点之间的同步； ( 6 ) 提供网络的路由； 1 3 第二章z i g b e e 技术研究 ( 7 ) 保证数据的完整性。 2 3 - 3 1 网络层帧格式 网络层帧格式由网络层帧头娜h e a d e r ) 和络层负载娜p a y l o a d ) 组成。尽管 不是所有的帧都包含地址和序列域，但网络层帧头域，还是按照固定的顺序出现。通用 的网络层格式如表2 8 所示 表2 8 网络层帧结构 字节数：22211可变 目的地址 源地址半径序列号 帧控制字段帧负载 路由域 网络层帧头网络负载 其中，网络层帧头中的半径定义网络负载中数据允许传输的范围，当z i g b e c 组件 接到一个n p d u ，它将半径值减1 ，若半径值减至0 ，则到达传输的最大范围，该帧被 丢弃，不再传输。 帧控制字段由1 6 位组成，包含所定义的帧类型，地址和序列域以及其他控制标记。 如表2 9 所示。 表2 9 帧控制字段 i 位：o 一1 2 - 56 - 7891 0 1 5 l 帧类型协议版本发现路由保留安全保留 帧类型值如表2 1 0 所示。 表2 1 0 帧类型值 帧类型值帧类型名称 0 0 数据 0 1 网络命令 1 0 1 1 保留 2 3 4 应用层( a p l ) i z i g b e e 的应用层由应用子层( a p ss u b - l a y e r ) 、设备对象( z d o ) ( 包括管理平台) 以及制 造商定义的应用设备对象组成【引。a p s 子层的作用包括维护绑定表( 绑定表作用是基于 两个设备的服务和需要把它们绑定在一起) 和在绑定的设备之间来传输信息