（电力电子与电力传动专业论文）基于sdr技术的综采供电系统控制.pdf

s u b j e c t ：c o n t r o lo fp o w e rs u p p l y s y s t e mo fs y n t h e t i cc o a l f a c eb a s e d o ns d r t e c h n o l o g y s p e c i a l i t y ：p o w e re l e c t r o n i c sa n de l e c t r i c a ld r i v e n a m e：l i uy u a n ( s i g n a t u r e ) 盘么狂l 乙墟 i n s t r u c t o r ：z h uh u a ( s i g n a t u r e ) 山目么么 a b s t r a c t t h r o u g has u m m a r yo fd e v e l o p m e n ta n da c t u a l i t yo fm o n i t o r i n ga n dc o n t r o lt e c h n o l o g y f o rc o a lm i n e ，t h ep a p e rp o i n t e do u tal i m i t a t i o no fl i n e a t ed a t am o d e ，a n dd e s i g n e dan e w c o n t r o l l i n gm e a n sf o rp o w e rs u p p l ys y s t e mo fs y n t h e t i c a lc o a l f a c eb a s e do ns d rt e c h n o l o g y t op o w e r - d o w nt h ew o r k i n ge q u i p m e n tw h e nt h eg a s t h i c k n e s so u to ft h ec r i t e r i o n 功ep a p e rp u t t e df o r w a r dac o n c r e t ec o n t r o l l i n gm e a n sb ya n a l y z i n gs t r u c t u r eo fp o w e r s u p p l ys y s t e mf o rc o a lm i n e i t sa c h i e v e m e n tn e e d e dt h r e ep a r t s ：c o n t r o le q u i p m e n tf o r m o n i t o r i n gt h eg a s t h i c k n e s sa n ds e n d i n go u tt h ec o n t r o ls i g n a l ；c o n t r o lc i r c u i tf o rr e c e i v i n g t h es i g n a la n dc u t t i n gt h ep o w e rs u p p l y ；w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kf o rs i g n a lt r a n s m i s s i o n 1 1 1 ep a p e rd e f i n e dt h ed e s i g np r o c e s so fc o n t r o le q u i p m e n ti n c l u d i n gh a r d w a r ed e s i g n a n ds o f t w a r ed e s i g n i nt h ef i r s tp a r t ，i tb r o a c h e dh a r d w a r ef r a m ea i ma tt h ef u n c t i o no f e q u i p m e n t ，a n dd e v i d e di ti n t of o u rp a r t s ：a r m 7c o r eb o a r d ，m o t h e r b o a r d ，d a t aa c q u i s i t i o n b o a r da n dw i r e l e s sm o d u l e i nt h es e c o n dp a r t ，i td e f i n e dt h ed e s i g np r o c e s so fs o r w a r eb a s e d o ni to fe m b e d d e ds y s t e ms o f t w a r e ，a n db r o a c h e dt h ef l o wc h a r to fs o r w a r e t h ep a p e rt e s t e dt h ef u n c t i o no fc o n t r o le q u i p m e n ta n dc o n t r oc i r c u i tb yt w oe x p e r i m e n t s ， s i g n a lr e c e v i n ge x p e r i m e n to fw i r e l e s sm o d u l ea n dr e l a yl o n g - d i s t a n c ec o n t r o le x p e r i m e n t s ， a n ds h o w e dt h er e s u l t s f i n a l l y , t h ep a p e ra n a l y z e dt h en o d ed e p l o y m e n tm e t h o do fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k t h r o u g he m u l a t i o n a ls o f t w a r e ，c o n f i r m e dt h en u m b e ro ff l o a t i n ga n di m m o v a b l en o d e ，a n dp u t f o r w a r ds o m ea t t e n t i v e p r o b l e m s w h e nd e p l o y i n gn o d e sa c t u a l l yb ya n a l y z i n gt h e c h a r a c t e r i s t i co fw i r e l e s st r a n s m i s s i o ni nc o a lm i n e k e y w o r d s ：p o w e r s u p p l ys y s t e mf o rs y n t h e t i cc o a l f a c e z i g b e et e c h n o l o g y c o n t r o l t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 西娄料技夫学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：s t ll 趋日期：如耶f 厅 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期 间论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位 论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名： 函悯 指导教师签名令甾 螂年郇冉仃e t 1 绪论 1 绪论 1 1 研究背景及意义 我国是以煤炭为主要能源的国家，目前煤炭在我国的一次能源生产和消费结构中占 7 0 左右，预计到2 0 5 0 年还将占5 0 以上【lj 。但是，我国煤矿开采条件复杂，生产环境 恶劣，重大灾害事故时有发生，其中以瓦斯事故最为严重，占全国煤矿重大事故总数的 7 0 以上。煤矿特大及特别重大瓦斯灾害事故的频发，不但造成国家财产和公民生命的 巨大损失，而且严重地影响我国的国际声誉，其安全技术的研究开发一直受到党和国家 的高度重视。 瓦斯是煤的伴生物，进入采掘空间后，容易在条件具备时发生瓦斯爆炸，造成重大 的人员伤亡事故。如2 0 0 4 年1 0 月2 0 日发生在郑州大平煤矿的瓦斯突出引发爆炸事故， 死亡1 4 8 人：2 0 0 4 年1 1 月2 8 日发生在铜川陈家山煤矿的瓦斯爆炸事故，死亡1 6 6 人； 2 0 0 5 年2 月1 4 日发生在阜新孙家湾矿的瓦斯爆炸事故，死亡2 1 4 人。究其原因，主要 是因为我国煤矿安全监控技术局限于有线电缆的传输方式，并不能够对井下瓦斯大量聚 集的区域如采空区、综采工作面等挂行实时有效的监控，从而不能及时地在事 故发生的初期采取相应的安全措施来防治事故的发生。 本课题就是针对现有监控系统的这一缺陷，采用当前新兴的短距离无线通信技术代 替现有的有线电缆传输方式，从而实现对综采工作面瓦斯浓度真正的实时监测，并根据 煤矿安全规程的有关规定，当综采工作面瓦斯浓度达到或超过规定的断电浓度值时 及时切断采区工作设备的电源，以避免瓦斯爆炸事故的发生。本课题研究不但能够对综 采工作面的瓦斯浓度进行实时有效的监控，更能够在环境中瓦斯浓度超过断电值时及时 切断综采工作面的电源，既能缩短控制响应的时间，又能够避免人为操作带来的失误， 在瓦斯爆炸事故的预防和治理方面起到了十分重要的作用。 1 2 国内外发展现状 近年来，随着国家对煤矿企业安全生产要求的不断提高和企业自身发展的需要，我 国各大、中、小煤矿都陆续安装了矿井安全监控系纠2 1 。煤矿安全监控设备是煤矿企业 能够安全生产的核心，为生产的各级指挥者和业务部门提供了环境参数的动态信息，并 通过对被测参数的比较、分析和实时有效的控制来防治煤矿事故的发生和扩大，甚至在 发生事故时也能够为井下救援提供决策信息。 西安科技大学硕士学位论文 1 2 1 国外煤矿安全监控系统发展现状 自2 0 世纪6 0 年代以来，随着信号传输技术的发展，国外的煤矿安全监控技术已经 经历了四个发展阶段【3 1 。从技术特性的角度来看，主要是从信息传输方式的发展进步来 划分监控系统的发展阶段的。 第一代煤矿安全监控系统主要采用空分制的信号传输方式，典型的有法国的 c t t 6 3 4 0 系统和波兰的c m m 2 0 、c m c 1 系统。 第二代煤矿安全监控系统主要采用频分制的信号传输方式，这种传输方式大大减少 了信号传输电缆的芯数，很快就取代了空分制。其最具代表性的系统是西德s i e m e n s 公 司的t s t 系统和f + h 公司的t f 2 0 0 系统。 随着集成电路的出现和发展，产生了以时分制信号传输方式为基础的第三代煤矿安 全监控系统，其通信规程比较严格、抗干扰能力强、传输电缆与测试点数无关、结构简 单、配置灵活，典型的是英国的m n o s 系统。 到了2 0 世纪8 0 年代，美国率先将计算机技术、通信技术和微电子技术应用于煤矿 安全监控系统，形成了以分布式微处理器技术为基础，以开发性、集成性和网络化为特 征的第四代煤矿安全监控系统，信号的传输方式还是属于时分制范畴，典型的是美国 m s a 公司的d a n 6 4 0 0 系统。 1 2 2 国内煤矿安全监控系统发展现状 我国的煤矿安全监控技术应用较晚，1 9 8 3 年1 9 8 5 年，我国煤矿先后从波兰、法 国、德国、英国和美国等国家引进了一批煤矿安全监控设备。经过多年的消化、吸收， 并结合我国煤矿生产的实际情况，先后研制出k j 4 、k j 6 6 、k j 7 0 、k j 7 5 、k j 8 0 、k j 9 0 、 k j 9 2 、k j 9 5 等不同型号的监控系统，目前己有多种型号的系统通过了技术鉴定，其中 有不少系统还具有世界先进水平并已经在煤矿中得到应用。同时，由于煤矿安全规程中 有关条款规定了我国各大、中、小煤矿的高瓦斯矿井或瓦斯突出矿井必须装备煤矿安全 监控系统，使得国内大大小小的生产厂家如雨后春笋般不断出现，为用户提供了更多的 选择机会，并促进了各生产厂家在市场竞争中不断提高自己的产品质量和服务意识。实 践证明，煤矿安全监控系统在煤矿的安全生产和管理方面起到了十分重要的作用。 然而，随着矿井开采深度的增加，现有监控系统的扩展性和通信网络的灵活性已经 不能满足安全监控的需要。由于开采计划必须随井下煤炭资源的分布情况而变化，使得 有线网络的扩展跟不上开采的实际要求，导致网络的数据可靠性和实时性得不到保证， 难以确保重要的安全数据、控制数据和井下仪表的检测数据的及时传输。因此，煤矿安 全无线网络的可行性和重要性就提到一个比较高的层面上来讨论。 短距离无线通信技术作为一个最近新出现的无线个人局域网通信技术，以其协议简 2 1 绪论 单、成本低、组网快速容易等特点，在家用系统控制、楼宇自动化、工业监控领域具有 广阔的市场空间。短距离无线通信技术的出现，为解决煤矿安全生产监控的实时有效性 提供了新的方向，相信在不久的将来，短距离无线通信技术将在煤矿生产和安全监控领 域得到更为广泛的应用。 1 3 本论文研究的主要内容 本论文主要是研究设计一种基于s d r 技术的煤矿综采供电系统的控制设备，用于 监测井下综采工作面的瓦斯浓度，并在瓦斯浓度超限时发出断电信号，切断采区的电源。 其主要工作包括以下几个方面： ( 1 ) 对课题研究的背景、意义以及国内外研究发展动态作了论述。 ( 2 ) 简要介绍了s d r 技术，并指出了选择z i g b e e 技术的原因。然后从介绍z i g b e e 技术的起源和技术特点入手，讨论了z i g b e e 技术的结构、各部分的功能、网络的设备类 型，及其支持的三种网络拓扑结构。 ( 3 ) 通过介绍煤矿供电系统的结构和采区供电的情况，提出了对综采供电系统进行 控制的方法。 ( 4 ) 详细介绍了综采供电系统控制装置硬件电路和软件程序的设计过程。 ( 5 ) 详细介绍了控制电路的设计过程和控制方法的实现过程，并对设计的控制装置 和控制电路进行了模拟环境的测试，给出了测试结果。 ( 6 ) 针对无线传感器网络的工作环境，设计了网络节点的布设方案，并通过仿真分 析确定了网络中移动节点和固定节点的数量。 ( 7 ) 通过对煤矿井下各种影响无线传输的因素进行分析，提出了网络节点在实际布 设时所需要注意的问题，并对本论文工作做了总结，指出了本论文的不足和将来的工作 方向。 3 西安科技大学硕士学位论文 l i i i i i ；宣i i i i 昌宣宣宣置宣j i i 暑i i i i i 宣暑宣i 暑i ；i i i i i i i i 宣宣i 宣置i 盲i i i i 暑i 暑i 昌葺暑置i i i i i i i ；暑罩暑暑；暑暑宣置 2 1s d r 技术概述 2s d r 技术 无线自组网( a dh o en e t w o r k ) 是一种不需要基础通信设施的移动网络，网络节点 动态且任意分布，节点之间通过无线方式互连，可以在没有现有的信息基础网络设施支 持的条件下，随时随地快速构建移动通信网络。s d r ( s h o r td i s t a n c er a d i o ，短距离无 线通信) 是规范a dh o e 网络中信息交流的协议标准，可以通过临时组网的方式在恶劣 环境中支持移动节点之间的数据、语音、图像和图形等业务的无线传输，应用范围可以 覆盖工业、商业、医疗、家庭、办公环境、军事等各种场合。近十年来，随着半导体技 术和无线通信技术的不断发展，陆续出现了多种新的s d r 技术，目前应用最为广泛的 几种主要有b l u e t o o t h 、z i g b e e 、w i f i 和p h s 等。 b l u e t o o t h ( 蓝牙) 是一种基于w p a n ( w i r e l e s sp e r s o n a la r e a n e t w o r k ，无线个人局 域网) 的无线网络连接技术，由东芝、爱立信、i b m 、i n t e l 和诺基亚于1 9 9 8 年5 月共 同提出【4 1 。其工作频段为全球统一开放的2 4 g h zi s m 频段，传输范围为1 0 , - 、，1 0 0 米， 可以同时实现8 台设备互相联通。蓝牙系统的主要特点【5 l 是：全球范围适用；同时 可传输语音和数据；可以建立临时性的对等连接；采用跳频技术，数据包短，抗信 号衰减能力强，具有很好的抗干扰能力；体积小，便于集成；低功耗；开放的接 口标准，全世界范围内的任何单位和个人都可以进行蓝牙产品的开发，只要最终通过 s i g 的蓝牙产品兼容性测试，就可以推向市场；成本低。 w i f i 【6 】【7 】( w i r e l e s sf i d e l i t y ，无线高保真) 属于无线局域网的一种，通常是指 i e e e 8 0 2 1 1 b 产品。其同样工作于2 4 g h zi s m 频段，传输速率可随工作环境( 如距离、 干扰、噪声等) 变化，在1 1 m b p s 、5 5 m b p s 、2 m b p s 、1 m b p s 之间动态调整。无需直线 传播传输范围为室外最大3 0 0 米，室内有障碍的情况下最大1 0 0 米。w i f i 的主要特点 是传输速率高、可靠性高、建网快速、便捷、可移动性好、网络结构弹性化、组网灵活、 组网价格较低等，有效距离是蓝牙的十多倍，因此它具有良好的发展前景。但是其功耗 比较高，且不提供面向连接的服务，因而可靠性不高。 p h s 8 】【9 】【l o l ( p e r s o n a lh a n d yp h o n es y s t e m ，无线市话) 俗称小灵通，是一种将固定 电话的传输和交换与无线接入技术有机结合在一起，并充分利用固定电话网资源，以无 线方式提供的在一定范围内具有移动漫游功能的个人通信终端。1 9 9 0 年它起源于日本， 1 9 9 7 年进入我国，并经由中国电信和中国网通的大力推动而得到很大的发展空间。p h s 系统的主要技术参数为：频段：1 9 0 0 - - 一1 9 2 0 m h z ；空中接口：r c r 2 8 v 2 ；射频信道间隔： 3 0 0 k h z ：双工方式：t d d ；多址方式：t d m a ；语音编码技术：3 2 k b p s a d p c m ；信道 4 2s d r 技术 分配方式：d c a ；调制方式：n 4 d q s k 。其特点【l l 】是：采用动态信道分配，无需频 率规划，大大提高了频率资源的利用率；单位面积内支持高话务密度；采用微蜂窝 技术，基站设备小，便于网络优化及话务调整；话音编码采用3 2 k b p sa d p c m 方式， 话音质量高；支持3 2 k b p s 数据通信业务，两个3 2 k b p s 信道同时使用可使速率达到 6 4 k b p s ；采用自适应阵列天线，将优质信号集中于目标用户位置；基站功率低、覆 盖范围小，可开发定位、跟踪、报警等增值业务；低功率手机，延长了电池使用时间， 降低了辐射；兼有有线系统的低价位和蜂窝系统的可移动性。 考虑到本课题研究的控制系统是应用于煤矿井下的，所选择的s d r 技术应该具备 如下几个特征：体积小、功耗低；组网简单、快速；抗干扰能力强；网络容量 大，传输速率低；开发成本低。综合上述特征，系统最适合使用的是z i g b e e 技术。 2 2 z i g b e e 技术概述 z i g b e e i l 2 】技术又称“紫蜂技术”，是一种新的短距离无线通信技术，其命名来源于蜂 群所使用的赖以生存和发展的通信方式。蜜蜂自身体积小，所需的能量少，在采蜜过程 中通过跳z i g z a g 形状的舞蹈来和同伴分享新发现的食物源的位置、距离和方向等信息。 因此，人们用z i g b e e 技术来代表具有成本低、体积小、能量消耗小和传输速率低的短距 离无线通信技术。 z i g b e e 技术【1 9 】是一种近距离、低复杂度、低功耗、低传输速率、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。z i g b e e 技术具有统一的技术标准，其 物理层和m a c 层协议为i e e e 8 0 2 1 5 4 协议标准，网络层由z i g b e e 联盟制定，应用层由 用户根据自己的应用需要对其进行开发利用。在组网性能上，z i g b e e 设备可以组建星型 网络或点对点网络，每个网络中可容纳的最大设备个数分别为2 1 6 个和2 6 4 个，具有较大 的网络容量。同时，z i g b e e 技术还采用了免冲突多载波信道接入( c s m a c a ) 方式和 密钥长度为1 2 8 位的加密算法，保证了数据传输的可靠性和安全保密性。 2 2 1z i g b e e 技术的起源 z i g b e e 技术1 1 3 】是由英国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 荷兰飞利浦公司等在2 0 0 2 年1 0 月共同提出设计研究开发的。在该项新技术推出的同时， 上述几家公司还宣布组成了z i g b e e 联盟。到目前为止，该联盟已发展到1 0 0 多家公司和 标准化组织，涵盖了芯片制造商、软件开发商、系统集成商等，并在迅速发展壮大。 z i g b e e 技术【1 4 】的物理层和m a c 层为i e e e 工作组制定的i e e e 8 0 2 1 5 4 协议标准。 2 0 0 2 年，i e e e 8 0 2 1 5 工作组成立，专门从事w p a n 标准化工作，它的任务是开发一套 适用于短程无线通信的标准。2 0 0 3 年1 1 月，i e e e s 0 2 1 5 4 协议标准正式发布，并被z i g b e e 联盟采用，成为z i g b e e 技术的物理层和m a c 层的标准协议。 5 西安科技大学硕士学位论文 然而，i e e e 仅处理了低级的物理层和m a c 层协议，z i g b e e 联盟对z i g b e e 技术的 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2 5 5 个节点，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。2 0 0 4 年1 2 月，z i g b e e 联盟正式发布了z i g b e e 技术标准，该标准的正式发布进一步 推进和加速了z i g b e e 技术的实际应用。现在，很多公司和生产商都陆续推出了自己的芯 片产品和开发系统，如飞思卡尔公司的m c l 3 1 9 2 、c h i p c o n 公司的c c 2 4 3 0 、a t m e l 公司 的a t 8 6 r f 2 1 0 等。该项技术发展之迅速，是人们当初难以想象的。 2 2 2z i g b e e 技术的特点 z i g b e e 技术主要是针对工业控制、环境监测、商业监控、汽车电子、家庭数字控制 网络等传输数据量小，传输速率低的系统，系统所使用的终端设备通常为采用电池供电 的嵌入式系统，因此，本技术主要具有如下特点【l5 】： ( 1 ) 低功耗：由于z i g b e e 技术的采用了休眠模式，而且传输速率低，最大功耗仅为 1 - ，3 m w ，因此z i g b e e 设备非常省电。在低耗电待机模式下，两节普通5 号干电池可使 用6 个月以上，这也是z i g b e e 支持者所一直引以为豪的优势 ( 2 ) 工作频段灵活：使用的频段分别为2 4 g h z ，8 6 8 m h z ( 欧洲) 及9 1 5 m h z ( 美国) i s m 频段，均为免执照频段。 ( 3 ) 成本低：z i g b e e 模块的初始成本低，协议简单，而且z i g b e e 协议是免专利费的， 大大降低了成本。 ( 4 ) 时延短：z i g b e e 技术的通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜 索设备时延为3 0 m s ，休眠激活的时延是1 5 m s ，活动设备信道接入的时延为1 5 m s 。因此， 本技术适用于对时延要求苛刻的无线控制( 如工业控制场合等) 应用领域。 ( 5 ) 网络容量大：一个星型结构的z i g b e e 网络最多可以容纳2 5 4 个从设备和1 个主 设备，而且组网灵活。 ( 6 ) 数据传输率低：z i g b e e 的传输速率只有1 0 k b p s - 2 5 0 k b p s ，专注于低传输速率应 用。 ( 7 ) 可靠性好：z i g b e e 技术采取了免冲突多载波信道接入( c s m a c a ) 方式，同时 为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。同时， z i g b e e 建立了完整的应答通信协议，良好的保证了数据传输的可靠性。 ( 8 ) 安全保密性好：z i g b e e 提供了基于循环冗余校验( c r c ) 的数据包完整性检查 功能，支持鉴权和认证。同时采用了a e s 1 2 8 的加密算法，很好的保证了z i g b e e 设备 之间通信数据的安全保密性。 为了对z i g b e c 技术的特点有更加深入的了解，表2 1 对几种无线传输技术的优势、 6 2s d r 技术 劣势进行了比较。 表2 1 常用无线传输技术的特点比较f 1 2 j 2 3 z i g b e e 技术架构 图2 1 所示的是一个完整的z i g b e e 协议栈架构【1 6 1 ，由物理层、m a c 层、网络层和 应用层组成。图中，各层之间通过服务接入点( s a p ) 来实现层与层之间的数据通信与 协议栈管理，一般来说，层与层之间有两个服务接入点，一个提供数据传输服务，另一 个实现管理。 s e c u r i t y s e r v i c e p r o v i d e r 螓蠹一； 厂i 蒜忑忑= 订澎爹；厂 ： ； a p p l i c a t i o ns u p p o r ts u b l a y e r 一、一。 一 n l d e - s a p 亡= = = = = = = = = = = = = - n e t w o r kl a y e r m c p s s a p1【m l m e s a p m e d i u ma c c e s sc o n t r o ll a y e r p d s a p1【p l m e s a p b 巨囤 图2 1z i g b e e 协议栈架构 7 _骨。眦磊叠霄-1 0 盆n 、，、j dv互dv 函至l尹凶=一至 西安科技大学硕士学位论文 2 3 1 物理层 z i g b e e 的物理层协议采用了i e e e 8 0 2 15 4 协议标准，分别工作在8 6 8 m h z ( 欧洲) 9 1 5 m h z ( 美国) 和2 4 g h zi s m 频段，其主要作用是通过射频硬件和射频固件为从m a c 层到物理层的无线信道提供接口。图2 2 描述的是物理层结构模型，由图可知，在物理 层中包含一个物理层管理实体( p l m e ) ，该实体通过调用物理层的管理功能函数，为物 理层管理服务提供其接口，同时还负责维护物理层的个域网信息数据库( p h yp i b ) ，该 数据库包含有物理层个域网络的基本信息。物理层还提供了两个服务接入点，一个是物 理层数据服务接入点( p d s a p ) ，为物理层数据提供服务；另一个是物理层管理实体 ( p l m e ) 服务的接入点( p l m e s a p ) ，为物理层管理提供服务。 图2 2 物理层结构模型1 刀 物理层负责完成如下六方面的任务【1 7 】： 激活和休眠射频收发器。 当前信道的能量检测( e n e r g yd e t e c t ，e d ) 。信道能量检测为网络层提供信道选 择依据。它主要测量目标信道中接收信号的功率强度，由于这个检测本身不进行解码操 作，所以检测结果是有效信号功率和噪声信号功率之和。 接收到的信息包的数据链路质量指示( l i n kq u a l i t yi n d i c a t i o n ，l q i ) 。链路质量 指示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的信息，与信道能量 检测不同的是，它要对信号解码，生成一个信噪比指标。 免冲突多载波信道接入( c s m a c a ) 的清除信道评估( c l e a rc h a n n e la s s e s s m e n t ， c c a ) 。清除信道评估是用来判断信道是否空闲的。i e e e 8 0 2 1 5 4 定义了三种清除信道 评估模式：第一种模式只是简单判断信道的信号能量，当信号能量低于某一个门限值时 就认为信道空闲；第二种模式是判断无线信号的特征，这个特征主要包括两个方面，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。 选择信道的频率。 数据的发送和接收。 8 2s d r 技术 2 3 2m a c 层 图2 3 所示的是i e e e 8 0 2 1 5 4 标准规定的m a c 层的结构模型。与物理层一样，m a c 层也包括一个管理实体( m a cs u b l a y e rm a n a g e m e n te n t i t y ，m l m e ) ，该实体为调用m a c 层管理功能提供了一个服务接口，同时还负责维护m a c 层的个域网信息数据库( m a c p i b ) 信息。i e e e s 0 2 1 5 4 标准规定的m a c 子层提供两种服务【6 j ：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。与上述两种服务相对应，m a c 子层提供了两个接入点： 一m a c 层数据服务：通过m a c 通用部分子层( m c p s ) 数据服务接入点( s a p ) 访问。 一m a c 层管理服务：通过m a c 层管理实体服务的接入点( m l m e s a p ) 访问。 m c p s - s a p m a cc o m m o n p a r ts u b l a y e r p d s a p m l m e s a p m l m e im a cl i p i b i i _ j p l m e s a p 图2 3m a c 层结构模型【l 刀 m a c 子层主要功能包括以下七个方面： 协调器设备产生网络信标帧。 普通设备与协调器信标帧同步。 支持p a n 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。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。l r - w p a n ( l o wr a t e w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ，低速率无线个人局域网) 中的设备有可能从 一个网络切换到另一个网络，这时就需要进行关联和取消关联操作。 支持无线信道通信安全。 使用免冲突多载波接入( c s m a c a ) 机制访问信道。 处理和维护时隙保障( g u a r a n t e e dt i m es l o t ，g t s ) 机制。时隙保障机制与时分 复用( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，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。 在两个对等的m a c 实体之间提供一个可靠的链路。 9 西安科技大学硕士学位论文 2 3 3 网络层 z i g b e e 协议的网络层【1 8 】是由z i g b e e 规范规定的，其主要功能是提供一些必要的函 数，以确保m a c 层的正常工作，并为应用层提供一个适当的服务接口。为了向应用层 提供其接口，网络层提供了两个必要的功能服务实体，分别是数据服务实体和管理服务 实体。网络层的结构模型如图2 4 所示。网络层数据实体( n l d e ) 通过与其关联的服 务接入点( s a p ) 网络层数据服务接入点( n l d e s a p ) 提供数据传输服务， 网络层管理实体( n l m e ) 通过与其关联的服务接入点( s a p ) 网络层管理服务接 入点( n l m e s a p ) 提供管理服务。网络层管理实体通过网络层数据实体来完成一 些管理任务和维护管理对象的数据库，通常称作网络信息库( n e t w o r ki n f o r m a t i o nb a s e ， n i b ) 。 n e x th i g h e rl a y e re n t i t y ，o 。o o o o o o o o o o j ，。一 n l d e s a p 卜_ 。1n l m l n l m e 陌丽习 i i b i i _ j m c p s - s a p iim l - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ ，- _ _ _ _ _ 一 m a cs u b - l a y e re n t i t y 图2 4 网络层结构模型i l 8 】 ( 1 ) 网络层数据实体( n l d e ) 网络层数据实体会提供数据服务以允许一个应用在两个或多个设备之间传输应用 协议数据( a p p l i c a t i o np r o t o c o ld a t au n i t s ，a p d u ) 。这些设备必须在同一个网络中。网 络层数据实体会提供以下服务类型： 一通用的网络层协议数据单元( n p d u ) 。n l d e 可以通过一个附加的适当的协议 头从应用支持子层p d u 中产生n p d u 。 一特定的拓扑路由。n l d e 能够传输n p d u 给一个适当的设备，这个设备可以是 最终的传输目的地，也可以是交流链中通往最终目的地的下一个设备。 ( 2 ) 网络层管理实体( n l m e ) 网络层管理实体提供一个管理服务来允许一个应用和堆栈相连接，它会提供以下服 务类型： 一配置一个新设备。为保证设备正常工作的需要，设备应具有足够堆栈，以满足 配置的需要。配置选项包括对一个z i g b e e 协调器和连接一个现有网络设备的初 1 0 2s d r 技术 始化操作。 一初始化一个网络，使之具有建立一个新网络的能力。 一连接和断开一个网络。具有连接或断开一个网络的能力，以及为建立一个 z i g b e e 协调器或z i g b e e 路由器，具有要求设备同网络断开的能力。 一寻址。z i g b e e 协调器和z i g b e e 路由器具有为新加入网络的设备分配地址的能 力。 一邻居设备发现。具有发现、记录和汇报有关一跳邻居设备信息的能力。 一路由发现。具有发现和记录有效地传送信息的网络路由的能力。 一接收控制。具有控制设备接收机接收状态的能力，即控制接收机什么时间接收、 接收时间的长短，以保证m a c 层的同步或者正常接收等。 2 3 4 应用层 应用层的结构模型如图2 5 所示。 _ - 。j ，| 一，一77 ， 4 ，t - - , ，| j ：+ 彤i ：= j ! ，二。形：i 。| a p p l i c a t i o nl a y e rj 。- _ i ：j ：孑 a p p l i c a t i o nf r a m e w o r k卜i 形t 1r 眵i j ；爿 z i g b e ed e v i c e a p p l i c a t i o ni 一ia p p l i c a t i o nik 彩1 0 b j e c t ；：；：。；五i 、一一，三：；剐。二：j ，+ ，l ，i ：i ：i 、广 广一 a p s d e s a p a p s d e - s a pl ：。：ia p s d e - s a p 一，弋 a p p l i c a t i o ns u p p o ms u b l a y e r n e t w o r kl a y e r 鸯舅 图2 5 应用层结构模型 由图可知，应用层【1 8 】由应用支持子层( a p s ) ，z i g b e e 设备对象( z d o ) 及用户定 义的应用对象组成，主要负责把不同的应用映射到z i g b e e 网络上，具体而言包括：安全 与鉴权、多个业务数据流的会聚、设备发现、业务发现。 ( 1 ) 应用支持子层( a p s )， 应用支持子层( a p s ) 的作用是维护设备绑定表，它具有根据服务及需求匹配两设 备的能力，且通过边界的设备转发信息。应用支持子层( a p s ) 的另一作用是设备发现， 它能发现在工作范围内操作的其它设备。 应用支持子层在网络层和应用层之间提供了一个接口。这个接口的提供是提供z d o 和制造商定义的应用设备共同使用的一套通用的服务机制，此服务机制由两个实体提 供：应用支持子层数据实体( a p s d e ) 通过应用支持子层数据服务接入点( a p s d e - s a p ) 和应用支持子层管理实体( a p s m e ) 通过应用支持子层管理服务接入点( a p s m e - s a p ) 。 西安科技大学硕士学位论文 a p s d e 为位于同一网络上的两个或更多设备之间的应用p d u 的传输提供数据传输服 务。a p s m e 为设备的发现和绑定提供服务，并且维护被管理的对象的数据库，这个数 据库称为a p s 信息库( a i b ) 。 ( 2 ) z i g b e e 设备对象( z d o ) z i g b e e 设备对象的职责是定义网络内其它设备的角色( 如z i g b e e 协调器或终端设 备) 、发起或回应绑定请求、在网络设备间建立安全机制( 如选择公共密钥、对称密钥等) 等。用户定义的应用对象根据z i g b e e 定义的应用描述执行具体的应用。 z i g b e e 设备对象( z d o ) 描述了一个基本的功能函数类，在应用对象、设备配置文 件和应用支持子层之间提供了一个接口。z i g b e e 设备对象位于用户应用框架和应用支持 子层之间，它满足了z i g b e e 协议栈所有应用操作的一般要求，还有以下作用： 初始化应用支持子层( a p s ) 、网络层( n w k ) 、安全服务文档( s s s ) 。 从终端应用中集合配置信息来确定和执行发现、安全管理、网络管理、以及绑 定管理。 z i g b e e 设备对象描述了应用框架层的应用对象的公用接口以及控制设备和应用对 象的网络功能。在终端节点0 ，z d o 提供了与协议栈中低一层相接的接口，如果是数据 则通过a p s d e s a p ，如果是控制信息则通过a p s m e s a p 。在z i g b e e 协议栈的应用框 架中，z d o 公用接口提供设备发现、绑定、以及安全等功能的管理。 2 4z i g b e e 网络设备类型 在一个低速率的个人无线局域网中可以同时存在两种不同类型的设备，一种是全功 能设备( f u l lf u n c t i o n a ld e v i c e ，f f d ) ，一种是精简功能设备( r e d u c e df u n c t i o n a ld e v i c e ， l 强d ) 。在网络中，f f d 通常有3 种工作状态：作为个人区域网络的主协调器；作 为一个协调器；作为一个终端设备。一个f f d 可以同时和多个r f d 或其他的f f d 通 信，而对于一个r f d 来说，只能和一个f f d 进行通信。r f d 只能作为网络中的终端设 备，传送信息给f f d 或从f f d 接收信息，不需要发送大量的数据，因此只需要使用较 小的资源和存储空间。 z i g b e e 规范还进一步将z i g b e e 设备类型分为：z i g b e e 协调器( z i g b e e c o r 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 终端设备( z i g b e ee n dd e v i c e ，z e d ) 。 前面两种设备为f f d ，z e d 为r f d 。 z i g