（系统工程专业论文）基于ZigBee的无线远程监测技术研究.pdf

摘要 摘要 工业环境和工业设备的运行状态影响着工业生产的j 下常进行。实时的监测 并对其诊断不仅可以降低因设备故障所带来的巨大损失，而且可以提高企业对 危险事故的防范能力和对员工工作环境的优化程度。然而，往往在这些工业环 境要求严格或环境恶劣的工业现场，禁止使用电缆或很难使用电缆，使得有线 网络很难发挥优势。另外，随着监测系统规模的不断扩大，降低投资和使用成 本成为工业通信技术发展的迫切要求。 本文在研究设备远程监测与无线技术的的基础上，顺应工业远程监测系统 对无线传感器网络技术的需求，实现一个基于z i g b e e 嵌入式平台的无线远程监 测系统。在该系统中，大量的智能传感器节点分布在需要进行监测的工业环境 中，并对感兴趣的环境参数和设备状态进行采集，最终将各个传感器节点连接 成无线局域网并接入有线网络，实现和有线网络的互联。力求低成本、低能耗、 灵活、稳定、方便、快捷、安全的工业远程监测系统。 论文首先介绍了z i g b e e 无线技术的特点和网络拓扑结构，详细分析了底层 的i e e e 8 0 2 1 5 4 协议，并认真研究了网络层路由算法；接着，根据不同的工业 需求设计不同工作方式和休h 民唤醒模式；然后，根据j e n n i e 公司的j n 5 1 2 1 芯片 设计了相关z i g , b e e 无线模块和外部接口扩展电路，搭建了无线收发系统的硬件 平台；再次，根据z i g b e e 和i e e e 8 0 2 1 5 4 协议，设计了软件框架，搭建了软件 开发平台；最后根据工业无线远程监测系统的实际应用需要编写程序代码，以 实现无线远程监测网络的组网、信号采集、数据通信、路由转发、休眠唤醒等 功能。 关键词：z i g b e e ，i e e e 8 0 2 15 4 ，远程监测，工业 a b s t r a c t a b s t r a c t i n d u s t r i a lp r o d u c t i o ni sa f f e c t e db yi n d u s t r i a le n v i r o n m e n ta n di n d u s t r i a le q u i p m e r i t o p e r a t i n gs t a t u s r e a l t i m em o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i sc a nn o to n l ya v o i dt h et r e m e n d o u s l o s sc a u s e db ye q u i p m e n tf a i l u r e s ，b u ta l s or e d u c et h er i s ko fa c c i d e n ta n di m p r o v et h e w o r kc o n d i t i o nf o rs t a f f m o r e e v e r , i ns o m ed e m a n d i n gi n d u s t r i a ls i t e s ，c a b l e si sc a n tb e u s e d ，c a b l en e t w o r k sl o s et h e i ra d v a n t a g e i na d d i t i o n ，w i t ht h ee x p a n d i n go ft h es c a l eo f m o n i t o r i n gs y s t e mr e d u c i n gi n v e s t m e n ta n dr e s e a r c h i n gn e wc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y f o ri n d u s t r i a ld e v e l o p m e n ta r eu r g e n t l yr e q u i r e d a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fi n d u s t r i a lr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k si sa p p l i e dt oi n d u s t r i a lf i e l d t h i sp a p e rc o n s t r u c t saw i r e l e s sr e m o t em o n i t o r i n g s y s t e mb a s e do nz i g b e e i nt h i ss y s t e m ，al a r g en u m b e ro fi n t e l l i g e n ts e n s o rn o d e sa r e d i s t r i b u t e di ni n d u s t i a ls i t e sf o rg a t h e r i n ge n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e r sa n d e q u i p m e n ts t a t u s t h e s es e n s o rn o d e sw i l lb ee v e n t u a l l yc o n n e c t e di n t oaw i r e l e s sl a nt or e a l i z ea l o w c o s t ，l o w - p o w e r , f l e x i b l e ，s t a b l e ，c o n v e n i e n t ，f a s ta n ds a f ei n d u s t r i a lr e m o t e m o n i t o r i n gs y s t e m s t h i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fz i g b e ea n di t sn e t w o r kt o p o l o g y , a n dp r o v i d e sa n a l y s i so ft h ei e e e 8 0 2 15 4a n dr e s e a r c ho f r o u t i n ga l g o r i t h m s ；s e c o n d l y , a c c o r d i n gt oj e n n i c sj n 5 121 c h i pi td e s i g n sz i g b e ew i r e l e s sm o d u l e sa n de x t e r n a l e x p a n s i o ni n t e r f a c ec i r c u i tt ob u i l dt h eh a r d w a r ep l a t f o r mo fw i r e l e s sd a t at r a n s c e i v e r s y s t e m ；t h i r d l y , a c c o r d i n gt oz i g b e ep r o t o c o ls t a c ka n di e e e 8 0 2 15 4i td e s i g n s s o f t w a r ef r a m e w o r kt ob u i l ds o f t w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m ；f i n a l l y , a c c o r d i n gt o a p p l i c a t i o no ft h ei n d u s t r i a lw i r e l e s sr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mi tr e a l i z e st h ew i r e l e s s r e m o t e m o n i t o r i n gn e t w o r k f o r s i g n a la c q u i s i t i o n ，d a t ac o m m u n i c a t i o n ，r o u t i n g f o r w a r d i n g ，w a k e - u pm o d e s k e yw o r d s ：z i g b e e ，i e e e 8 0 2 15 4 ，r e m o t em o n i t o r i n g ，i n d u s t r i a ls i t e s i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：翎匆寄 扩夕年弓月堋 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其它个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 饧雹言 年乡月 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的背景和意义 1 1 1 课题的背景 随着电子技术、嵌入式计算机技术、网络信息技术的发展，各项技术在工业远 程监测系统中不断得到运用，使得工业远程监测系统的实现方法日新月异，其功能 和可靠性也不断提高。特别是近年来监测系统与信息网络技术的结合，使其应用范 围不断扩大。有线网络以其广泛的适用性和技术价格方面的优势，获得了成功并得 到了迅速发展。然而，在工业现场，一些工业环境禁止、限制使用电缆或很难使用 电缆，使得有线网络很难发挥优势，另外，随着监测系统规模的不断扩大，降低投 资和使用成本成为工业通信技术发展的迫切要求。据美国市场研究机构f r e e ( 1 0 n i a 集团统计，2 0 0 1 年全球工业用传感器的市场份额是11 0 亿美元，而安装和使用成本 ( 主要是布线成本) 超过1 0 0 0 亿美元，成为阻碍工业通信技术发展的丰要难题。在 这一背景下，具有低成本、灵活性、实用性等特点的无线网络技术以它的独特优势 引起了人们广泛的关注。 随着无线技术的推广，出现了很多新型无线技术，比如8 0 2 1 l b 、u w b 、 b l u e t o o t h 、r f i d 、i r d a 、z i g b e e 等。其中，z i g b e e 技术以其独特的性能在工业应 用中备受青睐【3 】。基于z i g b e e 技术的智能化传感器网络使得工业监测现场的数据能 够通过无线链路直接在网络上传输、发布和共享【2 】。z i g b e e 网络能够在工业环境下， 为各种智能现场设备、移动机器人以及各种自动化设备之间的通信提供高带宽的无 线数据链路和灵活的网络拓扑结构，在一些特殊环境下有效地弥补了有线网络的不 足，进一步完善了工业远程监测网络的通信性能。 1 1 2 课题的意义 基于z i g b e e 的工业远程监测系统，它综合了传感器技术、嵌入式计算机技术、 通信技术、分布式信息处理技术、微电子制造技术和软件编程技术等，可见，这是 一种具有学科带动性、技术密集度高、应用度广、并具有很强理论研究价值的系统。 同时，基于z i g b e e 的工业远程监测系统将为工业生产带来巨大的影响，具有很 高的实用价值。首先，通讯线路由有线变无线，不仅减少了安装费用，线路费用， 而且减少布线带来的线路安全问题；另外，z i g b e e 作为一种新兴的信息获取和管理 技术，通过状态监控【l j ，能够提高设备的能源使用效率，降低工业牛产过程中不必 第l 章绪论 要的资源浪费【4 1 。同时，还能进行故障诊断，减少设备停机或产生事故带来的损失。 可见该系统投入实用，将极大地提高企业对设备运行状态和工业环境的监视力度和 对设备的科学管理能力。最终，通过对工业全流程的“泛在感知”，实施优化控制， 来达到提高产品质量和节能降耗、安全、便于维护的目标。 1 2zig b o o 技术 z i g b e e 是一种短距离、低复杂度、低功耗、低成本的双向无线通信技术，主要 用于近距离无线通信，适合现场监测。它依据i e e e 8 0 2 1 5 4 标准，在数千个微小的 传感器之间相互协调实现通信【5 】。 1 2 1z ig b e e 技术的特点 表1 1 给出了z i g b e e 和其它几种无线技术的特点，相比之下，z i g b e e 技术显示 出它的许多独特优势。 表1 1 几种无线技术的比较 标准“ g p r s g s mw i f i m b l u e t o o t h z i g b e e m 。镌 l x r t t c d m a8 0 2 1 1 b8 0 2 1 5 18 0 2 1 5 4： 应用重点声音& 数据w 投b 湖、礅电缆替代品监测& 控制 系统资源 1 6 m b +l m b +2 5 0 k b +4 k b - 3 2 k b 电池寿命l 全70 5 全51 至71 0 0 至1 0 0 0 + ( 天) 网络大小 13 272 5 5 6 5 0 0 0 带宽( k b s ) 6 4 1 2 8 +1 1 0 0 0 +7 2 02 0 2 5 0 传输距离 1 0 0 0 + 1 1 0 0 +1 1 0 +1 1 0 0 + 成功尺度覆盖面犬速度、灵活价格便宜、方可靠、低功 便耗、低成本 ( 1 ) 低成本。通过大幅简化协议，降低了对通信控制器的要求，按预测分析， 以8 0 5 1 的8 位微控制器测算，全功能的主节点需要3 2 k b 代码，子功能节点少至 4 k b 代码，而且z i g b e e 免协议专利费。每块芯片的价格大约为2 美元； ( 2 ) 低速率。在2 4 g h z 的频段只有2 5 0 k b s ，而且只是链路上的速率，除掉 信道竞争应答和重传等消耗，真正能被应用所利用的速率可能不足1 0 0 k b s ，并且 余下的速率可能要被邻近多个节点和同一个节点的多个应用所瓜分。因此不适合做 视频之类事情，适合传感和监测： ( 3 ) 近距离。传输范围一般介于1 0 1 0 0m 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。如果通过路由节点间通信的接 力，传输距离将可以更远【s 】； 2 第1 章绪论 ( 4 ) 低能耗。能耗特性是z i g b e e 的一个技术优势。通常z i g b e e 节点所承载的 应用数据速率都比较低，在不需要通信时，节点可以进入很低功耗的休眠状态，此 时能耗可能只有正常工作状态下的千分之一。由于一般情况下，休眠时间占总运行 时间的大部分，有时正常工作的时间还不到百分之一，因此达到很高的节能效果； ( 5 ) 高容量。z i g b e e 可采用星型、树型和网状拓扑结构，由一个主节点管理 若干子节点，一个主节点最多可管理2 5 4 个子节点，主节点同时还可由上一层网络 节点管理，最多可组成6 5 0 0 0 多个节点的大型网络； ( 6 ) 可靠性。在可靠性方面，z i g b e e 有很多方面进行保证。物理层采用了扩 频技术，能够在一定程度上抵抗干扰。m a c 层有应答重传功能。m a c 层的c s m a 机制使节点发送前先监听信道，可以起到避开干扰的作用。当z i g b e e 网络受到外界 干扰，无法正常工作时，整个网络可以动态的切换到另一个工作信道上； ( 7 ) 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 5m s ， 节点接入网络只需3 0m s ，进一步节省了电能； ( 8 ) 高安全。z i g b e e 提供了三级安全模式，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 s l 2 8 ) 的对称密码，以 灵活确定其安全属性； ( 9 ) 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) 。 1 2 2z ig b e 8 设备类型 z i g b e e 节点按照功能的不同可分为全功能设备( f u l l f u n c t i o nd e v i c e ，f f d ) 与精简功能设备( r e d u c e d f u n c t i o nd e v i c e ，r f d ) ；按照网络角色的不同可以分为 中心节点( 协调器) 、路由节点( 中继器) 和终端节点。在网络中，f f d 通常有3 种工作状态：( 1 ) 做为个域网( p a n ) 的主协调器；( 2 ) 做为从协调器或路由器； ( 3 ) 做为终端设备。一个f f d 可以同时和多个r f d 或多个f f d 通信。而对于一 个r f d 来说，它只能和一个f f d 进行通信，因此，r f d 仅需要使用较小的资源和 存储空间。 1 2 3z i g b e e 网络的拓扑结构 z i g b e e 网络层支持两种类型的网络拓扑结构：星型拓扑结构和对等拓扑结构【9 】， 其中，对等网络又分为树型网络和网状网络，如图1 1 所示。 3 第1 审绪论 、j 。0 父 ，一、弋， 囊) 丽 爱羚 囊 ! ! ! ! j 等套 # m b 】 图1l z i g , b e e 列络拓扑结构 星型网络以网络协调器为中心，所有其它节点设备只能与网络协调器进行通信， 星型网络中的两个设备如果需要通信，都必须先把各自的数据包发送给网络协调器 然后由网络协调器转发给对方。这样的网络拓扑结构不太适合大范围的多跳网络， 因此星型网络通常被应用在家庭自动化、外围设备、游戏玩具以及个人健康检查设 备等方而。 在对等的拓扑网络结构中同样也存在一个p a n 主协调器，它又分为树型拓扑 结构和网状拓扑结构。在树型嘲络拓扑结构中，每一个节点都只能和它的父节点和 予节点之间通讯。而在网状拓扑结构中，路由节点之间可以直接通讯。网状网络的 拓扑结构能够组成多跳的复杂性网络，因此，该拓扑网络结构在工业监测和控制、 无线传感嚣网络、供应物资跟踪、农业智能化，以及安全监控等方面都有广泛的应 用。 1 2 4z i g b e e 协议栈 z i g b e e 协议标准以i e e e 8 0 21 54 标准定义的物理层及m a c 层为基础【6 l ，井对 其进行了扩展，对网络层协议和a p i 进行了标准化，定义了一个灵活、安全的嗍络 层，支持多种拓扑结构在动态的射频环境中提供高可靠性的无线传输。此外，z i g b e e 联盟还开发了应用层、安全管理、应用接口等规范唧。 z i g b e e 协议栈的体系结构如图12 所示。i e e e 8 0 2 1 54 小组定义了最下两层： 物理层和m a c 层。z i g b c c 联盟提供了网络层和应用层框架设计，其中应用层框架 包括应用支持予层和z i g b e e 设备对象和由制造商制定的设备对象。 4 第1 章绪论 图1 2z i g b e e 协议栈的体系结构 1 物理层 物理层丰要功能有：启动和关闭无线收发器，能量检测，链路质量，信道选择， 清除信道评估，以及通过物理媒体对数据包进行发送和接收，并负责及物理层数据 比特与链路层数据帧的相互转化。 2 m a c 层 m a c 层的功能包括：物理信道访问，建立并维持p a n 网络，允许设备加入或 退出p a n 网络，让设备获得并保持与p a n 协调设备的同步，数据帧的发送、接受 和确认，对g t s 的分配和处理等。 3 网络层 z i g b e e 网络层主要包括的功能机制有：对网络设备进行组网管理，对数据帧和 路由帧的目的地应用安全机制，发现并保存转移到网络层设备之间的路由信息，还 有就是发现单跳邻结点和存储相关邻结点的信息。 4 应用层 z i g b e e 应用层丰要包括应用支持予层( a p s ) 、z i g b e e 设备对象( z d o ) 和生 产商开发的应用对象。a p s 子层主要功能包括保持绑定表以及在关联设备之间发送 信息，保持绑定表的目的是根据两个设备的服务和需要对它们进行匹配。z d o 丰要 是负责定义网络内设备的角色( z i g b e e 协调设备、路由设备或终端设备) ，对绑定 请求进行初始化和响应，在网络设备之间建立安全的连接。另外，z d o 还负责发现 网络中的设备并决定设备提供哪些应用服务。 5 第1 章绪论 1 3 课题的研究内容和论文结构安排 1 3 1 研究内容及研究思路 本课题是顺应工业远程监测系统对无线传感器网络技术的需求，对z i g b e e 技术 的特点、网络拓扑结构和协议栈架构进行了分析，并对i e e e 8 0 2 1 5 4 协议和网络层 路由算法进行了仔细研究。并在此基础上，设计和实现基于z i g b e e 的无线远程监测 系统。 本文利用z i g b e e 技术的特点设计了无线远程监测系统总体结构、网络拓扑结 构、工作方式以及休眠和唤醒模式，并构建了该嵌入式系统开发的硬件平台和软件 平台。在硬件方面，根据系统的功能要求设计了z i g b e e 节点模块的硬件结构，并给 出了其外部接口的扩展设计。在软件方面，基于z i g b e e 协议将各节点按照需求组网， 形成无线局域网。并在此基础上对网络节点进行应用层的软件开发，实现数据通信 和休眠唤醒等功能。最终，本文所设计的系统能够在各种不同的工作方式和休眠唤 醒模式下采集工业现场底层的数据，并能通过z i g b e e 网络进行无线传输。 1 3 2 论文结构安排 第一章：介绍了课题的背景和意义，并且对z i g b e e 技术的特点、设备类型、网 络拓扑结构和协议栈架构进行了分析。 第二章：分别研究了i e e e 8 0 2 1 5 4 协议的物理层和m a c 层定义，并基于 o m n e t + + 软件对8 0 2 1 5 4 协议进行建模，为网络层仿真提供底层架构。 第三章：顺应无线监测网络需求，对网络层路由协议进行了研究，提出一种改 进的树型路由算法并对其进行了仿真分析。 第四章：根据z i g b e e 技术的特点设计基于z i g b e e 的无线远程监测系统，并搭 建了系统的硬件平台和软件平台。 第五章：根据系统的需求，通过应用层软件设计实现了无线远程监测网络的组 网、信号采集、数据通信、路由转发、休眠唤醒等功能。 第六章：总结课题的研究情况，并指出研究中有待改进的地方。 1 4 本章小结 本章首先介绍了课题的背景和研究意义，然后详细介绍了z i g b e e 技术的主要特 点、网络拓扑结构、协议栈架构等。接着，说明了全文的主要研究内容和章节安排。 6 第2 章i e e e 8 0 2 1 5 4 协议的研究与建模 第2 章le e e 8 0 2 15 4 协议的研究与建模 i e e e 8 0 2 1 5 4 协议【l o 】满足国际标准组织( i s o ) 开放系统互连( o s i ) 参考模式。 i e e e 8 0 2 1 5 4 包括用于低速无线个域网的物理层和媒体接入控制层两层规范。它支 持两种网络拓扑，即单跳星状或当通信线路超过1 0 m 时的多跳对等拓扑。其中，对 等拓扑的逻辑结构由网络层定义。 2 1zig b e e 的物理层 z i g b e e 物理层通过射频固件和射频硬件提供了一个从m a c 层到物理层无线信 道的接口。z i g b e e 物理层的结构及接口如图2 1 所示。从图2 1 可以看出，在物理 层存在数据服务接入点和物理层实体服务接入点，通过这两个服务接入点提供如下 两种服务：( 1 ) 通过物理层数据服务接人点( p d s a p ) 为物理层提供数据服务；( 2 ) 通过物理层管理实体( p l m e ) 服务的接人点( p l m e s a p ) 为物理层提供管理服务。 图2 1z i g b e e 物理层的结构及接口 2 1 1z i g b e e 的工作频率和信道分配 由于各个国家和地区所采用的z i g b e e 工作频率范围不同，为提高数据传输速 率，i e e e 8 0 2 1 5 4 规范对于不同的频率范围，规定了不同的调制方式，因而在不同 的频率段上，其数据传输速率也不同，具体调制和传输速率如表2 1 所示。 每一频段宽度不同，其分配信道的个数也不相同，在i e e e 8 0 2 1 5 4 规范标推定 义了2 7 个物理信道信道编号从0 到2 6 ，在不同的频段其带宽不同。其中，2 4 5 0 m h z 频段定义了1 6 个信道，9 1 5 m h z 频段定义了1 0 个信道，8 6 8 m h z 频段定义了1 个 信道【i l 】。通常z i g b e e 不能同时兼容这3 个工作频段，在选择z i g b e e 设备时，应根 7 第2 章i e e e 8 0 2 1 5 4 协议的研究与建模 据当地无线管理委员会的规定，购买符合当地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 。 表2 1z i g b e e 在小同工作频率的技术参数 雕作频率毽家扩展参数”? “数据参数 ：”一7 ”一“一7 一磺 棚h z 和地 码片速率 调制 比特率符号速率符号 区 胝h j p ，s 1k b p s k b a n d s 8 6 8 8 6 8 6 欧洲 3 0 0b p s k2 02 0 二进制 9 0 2 9 2 8 北美 6 0 0b p s k4 04 0 二进制 2 4 0 0 一2 4 8 3 5 全球 2 0 0 0 o - q p s k2 5 0 6 2 5 1 6 相正交 2 1 2 物理层数据服务 1 物理层协议数据单元结构 物理层协议数据单元( p p d u ) 数据包的格式如表2 2 所示，在p p d u 数据包结 构中，最左边的字段优先发送和接收。在多个字节的字段中，优先发送或接收最低 有效字节，而在每一个字节中优先发送最低有效位。同样在物理层与m a c 层之间 数据字段的传送也遵循这一规则。 表2 2 物理层协议数据单元( p p d u ) 的格式 4 字节1 字节1 字节变晕 前同步码帧定界符帧长度预留位 p s d u ( 7 b i t )( 1 b i t ) 匕同步包头 。 。物理层包头二。，。， 物理层净荷： 每个p p d u 数据包都由以下几个基本的部分组成：同步包头、物理层包头、物 理层净荷。在同步包头中，收发机根据前同步码引入的消息，可获得码同步和符号 同步的信息。其中，帧定界符由一个字节组成，用来说明前同步码的结束和数据包 数据的开始。在物理层包头中，帧长度占7 个比特，它的值是物理层服务数据单元 ( p s d u ) 包含的字节数( 即净荷数) ，该值在0 到a m a x p h y p a c k e t s i z e 之间。物 理层服务数据单元p s d u 的长度是可以变化的，并且该字段能够携带物理层数据包 的数据。如果数据包的长度类型为5 个字节或大于8 个字节，那么物理层服务数据 单元携带m a c 层协议数据单元( m p d u ) 。 2 物理层的数据传输 物理层数据服务接入点支持在对等连接m a c 层的实体之间传输m a c 层协议 数据单元( m p d u ) 。物理层数据服务接入点所支持的原语有请求原语、确认原语和 指示原语。下面将会对它们各自的功能进行详细地描述。 m a c 层通过p d d a t a r e q u e s t 原语请求向本地的物理层实体发送一个数据单元 8 第2 章i e e e s 0 2 1 5 4 协议的研究与建模 ( m p d u ) ，当物理层实体收到p d d a t a r e q u e s t 原语后，如果发射机正处于激活状 态( 即t x o n 状态) ，物理层将构造一个物理层协议数据单元( p p d u ) ，该单元包 含有要发送的物理层服务数据单元( p s d u ) ，在物理层实体完成发送之后，就会向 m a c 层返回一个s u c c e s s 状态的p d d a t a c o n f i r m 原语。当物理层收到 p d d a t a r e q u e s t 原语时，设备的收发机如果正处于接收状态( 即r x - o n 状态) 或 者收发机处于关闭状态( 即t r x o f f 状态) ，那么物理层实体将返回一个带有 r x - o n 或t r x o f f 状态的p d d a t a c o n f i r m 原语，表示设备的发射机未激活，必 须将发射机激活后，才能正确地执行p d d a t a r e q u e s t 原语。当物理层接收到来自 远方发送来的数据后利用p d d 觚a i n d i c a t i o n 原语向本地m a c 层实体报告，将接 收到的数据包发送给m a c 层。 2 1 3 物理层管理服务 1 清除信道评估( c c a ) 在z i g b e e 物理层标准协议中，通过如下所述的3 种方法中的一种方法，进行清 除信道评估( c c a ) ： ( 1 ) c c a 模式1 ：超出阈值的能量，当c c a 检测到一个超出能量检测的阈值 能量时，给出一个忙的信息； ( 2 ) c c a 模式2 ：载波判断当c c a 检测到一个具有i e e e 8 0 2 1 5 4 标准特性 的扩展调制信号时，给出一个忙的信息； ( 3 ) c c a 模式3 ：带有超出阈值能量的载波判断，当c c a 检测到一个具有 i e e e 8 0 2 1 5 4 标准特性并超出阈值能量的扩展调制信号时，给出一个忙的信息。 对于上述任何一种模式，如果物理层正在接收一个物理层协议数据单元时收到 p l m e c c a r e q u e s t 原语，那么c c a 也会报告一个忙的信息。当检测到信道忙时， 物理层用具有状态b u s y 的p l m e c c a c o n f i r m 原语向m a c 层管理实体报告。同 样，当检测到信道空闲时，用具有状态i d l e 的p l m e c c a c o n f i r m 原语向心 层报告。 2 能量检测( e d ) m a c 层用p l m e e d r e q u e s t 原语来请求物理层管理实体执行能量检测，当物理 层管理实体收到p l m e e d r e q u e t 原语时，如果接收机正处于激活状态，则它会执 行能量检测。当物理层完成能量检测后，物理层实体就会向m a c 层返回一个带有 s u c c e s s 状态的p l m e e d c o n f i r m 原语。如果收发机处于关闭状态( 即t r x o f f 状态) 或者正处于发射状态( 即t x o n 状态) ，则物理层管理实体将返回带有 9 第2 章i e e e 8 0 2 1 5 4 协议的研究与建模 t r x o f f 或t x o n 状态的p l m e e d c o n f i r m 原语。 3 收发机状态设置 当需要改变接收机的状态时，m a c 层发送p l m e s e t - t r x s t a t e r e q u e s t 原语 要求物理层管理实体转换收发机的工作状态，当物理层管理实体收到该原语后，根 据原语请求的设置状态，将收发机的状态转换到所请求的状态。如果状态转换成功， 则物理层将向m a c 层发回个带s u c e s s 状态的p l m e s e t t r x - s t a t e c o n f i r m 原语；如果当前收发机的状态已经为原语所请求的工作状态，则物理层将返回一个 表明当前工作状态( 收发机有三种可能的工作状态：t r x o f f t x o n r x o n ) 的 p l m e s e t - t r x s t a t e c o n f u m 原语；如果该原语所请求的工作状态是r x o n 或 t r x o f f ，但是，此时物理层正在发送一个物理层协议数据单元，则物理层将向 m a c 层返回一个带有b u s y - t x 状态的p l m e s e t - t r x s t a t e c o n f i r m 原语，并且 只有在完成物理层协议数据单元发送后才能设置改变收发机的工作状态。如果该原 语所请求的工作状态为t x o n 或t r x o f f ，但是，物理层正处于i o n 状态并 且已经接收到一个有效的帧定界符，则物理层将向m a c 层返回一个带有b u s y - r x 状态的p l m e s e t - t r x ，s t a t e c o n f i r m 原语，并在接收完成物理层协议数据单元后， 才能设置改变收发机的工作状态；如该原语所请求的工作状态为f o r c e t r x - o f f ， 则物理层管理实体不论当前收发机工作在什么状态，都将其状态转变为t r x o f f 状态即关闭收发机工作状态。 2 2zig b e e 的m a c 层 m a c 层在服务协议汇聚层( s s c s ) 和物理层之间提供了接口。如图2 2 所示， m a c 层包括一个m a c 层管理实体( m u 肥) ，该实体提供一个服务接口，通过此 m a c 公共部分子层 服务接入点( m c p s s a p ) m a c 公共部分子层 物理层数据服务接入点 ( p d s a p ) m a c 层管理实体服务接 入点( m l m e s a p ) m a c 层管理实体 物理层管理实体服务接入点 ( p l m e s a p ) 图2 2z i g b e e 的m a c 层结构及接口 1 0 第2 章i e e e 8 0 2 1 5 4 协议的研究与建模 接口可调用m a c 层管理功能。同时，该管理实体还负责维护m a c 层固有的管理 对象数据库。另外，m a c 层通过它的两个不同的服务接入点提供两种不同的m a c 层服务，即m a c 层通过它的公共部分子层服务接入点提供数据服务和通过它的管 理实体服务接入点提供管理服务。 2 2 1 信道访问机制 在m a c 层当中还规定了两种信道接入模式，一种是信标模式，另一种是非信 标模式。信标模式当中规定了一种超帧格式，显然，在信标模式要求协调器周期性 的发送信标，在超帧的开始发送信标帧，紧接着是竞争接入时期，在这段时间内各 节点以c s m a c a 竞争方式接入信道，再后面是非竞争接入时期，节点采用保护时 隙( g t s ) 的方式接入信道，然后是非活跃时期，节点进入休眠状态并等待下一个 超帧周期的开始又发送信标帧。而非信标模式则比较灵活，节点均以c s m a c a 竞 争方式接入信道，不需要周期性的发送信标帧。 2 2 2 超帧结构 p a n 的协调器能够利用超帧结构随意限定它的信道时间。通过发送信标帧实现 对超帧的限定，通常超帧分为激活部分和非激活部分。激活部分又由3 部分组成： 即信标、竞争期( c a p ) 和非竞争期( c f p ) 。协调器只在超帧的激活部分与其p a n 进行交互作用，因此在非激活部分时，协调器进入低功率( 休眠) 状态。 ! 青i 杯懒 d i 一一一l iiil il 竺o i 缀嬲笏绷缈”臻缀缨雾缆缀嬲缀嬲缀臻缈7 毛 w g 丁sg t s；二 非激活部分 芳 缓貔缓么荔彩彩施缀巍磁缓锄磊颤麓施彩缢昭施溉。 0l234567891 01 11 21 31 41 5 第2 章i e e e 8 0 2 1 5 4 协议的研究与建模 争存取周期( c a p ) 采用c s m a c a 算法去对频道做竞争。超帧结构还包含了另一 部份叫做无竞争周期( c f p ) ，在这部份我们采用保证时隙( g t s ) 预先请求的方式， 让在c f p 中配置到g t s 的设备可以不用竞争就直接传送【1 2 1 。图2 3 为一个典型的 超帧结构。 2 2 3 免冲突载波检测多路接入( c s m a _ c a ) 算法 在竞争期内发送数据或m a c 命令帧之前，将使用c s m a c a 算法，除非紧接 着数据请求命令确认之后，立即发送数据帧。在非竞争期内，信标帧、确认帧或发 送的数据帧都不需要使用c s m a c a 算法。 图2 4c s m a - c a 算法的流程图 1 2 第2 章i e e e 8 0 2 1 5 4 协议的研究与建模 如果p a n 中使用信标，m a c 层在超帧的竞争期中传送信息时，将使用时隙的 c s m a c a 算法。相反，如果p a n 不使用信标或者在支持信标的p a n 中不能定位 信标，m a c 层将使用非时隙的c s m a c a 算法来发送信息。在这两种情况下，都 将使用被称作退避周期的时间段来实现c s m a c a 算法。每一个设备为发送任务保 持3 个变量：n b 、c w 和b e 。n b 是在执行当前发送任务时，执行c s m a c a 算法 所需要进行退避的次数；在每次执行新的发送之前，这个值初始化为0 。c w 是竞 争窗口长度，在传送开始之前确定实现信道活动空闲之前退避的次数。在每次传送 开始之前，这个值初始化为2 ，并且在每次信道访问为忙的时候，复位为2 ，c w 变 量只用于时隙c s m a c a 。b e 是退避指数，与设备在试图访问信道之前，需要等待 的退避周期有关；在非时隙系统中，或者m a c b a t t l i f e e x t 设置为f a u l s e 的时隙系 统中，b e 初始化为m a c m i n b e 值；在m a c b a t t l i f e e x t 设置为t r u e 的时隙系统中， 这个值应该始化为2 和m a c m i n b e 中的较小值，注意，如果m a c m i n b e 设为0 ，在 第一次执行本算法时不能实现冲突避免。图2 4 给出c s m a c a 算法的流程图。 m a c 层随机地延时几个完整的退避周期，其范围为2 雎一l ，然后，请求物理 层执行清除信道评估c c a 。在有时隙的c s m a c a 系统中，清除信道评估在退避周 期的边界开始。在无时隙的c s m a c a 系统中，清除信道评估立即开始。如果信道 访问结果为忙，m a c 层将n b 和b e 都增加l ，确保b e 不大于m a c m i n b e 。在有时 隙的c s m a c a 系统中m a c 层将c w 复位为2 。如果n b 的值小于或等于 m a c m a x c s m a b a c k o f f , c s m a c a 算法将返回随机延时之前。如果n b 的值大于 m a c m a x c s m a b a c k o f f ，c s m a c a 算法以信道访问失败状态结束。如果信道访问结 果为空闲，在有时隙的c s m a c a 系统中，m a c 层应确保在开始传输之前竞争窗 口终止。为了实现此功能，m a c 层应该首先将c w 减1 ，然后判断它是否为0 。如 果不等于0 。c s m a c a 算法返回c c a 之前：如果等于0 ，m a c 层在下一个退避周 期的边界上开始传送帧。在无时隙的c s m a c a 系统中，如果信道访问结果为空闲， 则m a c 层立即开始帧的传输。 2 2 4m a c 层数据服务 1 m a c 层协议数据单元结构 m a c 层协议数据单元即m a c 层帧，其结构由m a c 层帧头、m a c 载荷和帧 尾组成。m a c 层帧头的子域顺序是固定的，然而，在所有的帧中，可以不包含地 址予域。m a c 层数据帧结构如表2 3 所示。 1 3 第2 章i e e e 8 0 2 1 5 4 协议的研究与建模 表2 3m a c 层协议数据单元格式 2 字节1 字节0 2 字节 0 2 8 字o 2 字节 0 2 8 字 可变2 字节 节节 帧控制序列号目的目的地源p ：a n源地址帧载荷 f c s p a n 标址标识符 识符 地址域 jm a c 鼹帧头 ” m a cm f r 麓 p l a y j 镜：i 。j ? 。j j 一一。， j 7 j ，一二矗。 l o a d 。j t j ，。锄 2 m a c 层数据传输 两个z i g b e e 设备必须进行的数据服务消息顺序如图2 5 所示，通过该图可以清 楚地看到m a c 层服务数据单元传输的过程。当个服务协议数据单元的数据信息 (