（信息与通信工程专业论文）基于无线传感器网络的远程图像监控技术研究.pdf

摘要 随着传感器技术，嵌入式技术、分布式信息处理技术和无线通讯技术的发展，由人量具 有微处理能力的微型传感器节点组成的无线传感器网络逐渐成为研究热点。无线传感器网络 的自组织性、动态性、可靠性和以数据为中心等特点，使其可以广泛应圳于监控、医疗、军 事和消费电子等领域。本文研究了基于z i g a e e w a v 协议的无线网络化远程图像监控技术， 设计并实现了包括图像采集前端、幕帘式被动红外检测模块、射频传输模块、网关节点模块 的室内图像监控系统。论文完成的主要j f 作包括； 首先，在研究无线传感器网络的体系结构、特点以及应用领域基础上，系统分析了适于 无线传感器网络的i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b 的协议架构。主要包括i e e e 8 0 2 1 5 4p h y 层和m a c 层结构，以及z i g b e e 网络层，应用层基本结构、网络实体及其功能；并针对远程酗像监控 需求，系统分析了w a p 移动终端访问无线信息服务的重要协议。主要包括w a p 协议体系， 以及w t p 、w s p 、m m s e 等协议结构，功能。 其次，在上述研究基础上，提出了包括无线传感器网络监控节点和网关节点的远程幽像 监控系统的硬件解决方案。完成了监控节点的具体硬件设计，包括微控制器模块、图像采集 模块、射频传输模块和j t a g 调试模块等功能单元，实现了支持多节点、覆盖范嗣1 0 0 米( 室 外开阔环境) 、采集最高分辨率1 2 8 0 x 1 0 2 4 像素的j p e g 图像的监控网络。完成了网关节点 的硬件设计，包括微控制器模块、射频传输模块、g p r s 通信模块、以太网通信模块和u s b 通信模块等功能单元，实现了远程图像传输的多媒体信息服务( m m s ) 网关单元。 晟后，给出了基于无线传感器网络的监控节点和控制网关的软件设计方案。在嵌入式平 台上实现了图像监控终端的数据采集与短距离图像传输软件，以及基于g s m g p r s 网络实 现了网关单元与w a p 服务器之间的远程图像数据传输软件。与硬t i ：配合，实现了基于 z i g b e e w a p 协议的无线网络化远程图像监控系统。 关键词：无线传感器网络图像监控i e e e8 0 2 1 5 4 协议z i g b e e 协议w a p 协议多媒体信息 服务( m m s ) a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fs e l l s o rt e c h n o l o g y , e m b e d d e ds y s t e mt e c h n o l o g y , d i s t r i b u t i v e i n f o r m a t i o np r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n , w i r e l e s ss e n s o fn e t w o r kc o n s i s t s o fl a r g en u m b e r so fm i c r os c l l s o rn o d e sh a sb e c o m et h er e s e a r c hf o c u st h e s ey e a r s s e l f - o r g a n i z a b l e ，d y n a m i ca n dd a m c e n t e r e dt h e s ef e a t u r e sm a d ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sa p p l i e d i nt h ef i e l d so f m o n i t o r , m e d i c a l ，m i l i t a r ya n de n n s m c t e l e c t r o n i c s t h i sw o r kr e s e a r c h e do nl o n g d i s t a n c eg r a p h i cm o n i t o rt e c h n o l o g yb a s e de r lz i g b e e w a pp r o t o c o l s d e s i g n e da n di m p l e m e n t e d t h ei n - d o o rg r a p h i cm o n i t o rs y s t e mw h i c hc o n s i s t so fg r a p h i cc a p t u r ef r o n t i e r , i n f r a r e dd e t e c t m o d u l e r a d i ot r a n s f e rm o d u l e , n e t g a t em o d u l e 1 1 ”m a i nw o r k sh a sb e e ne n u m e r a t e db u tn o t r c s t r i c t e di nt h ef o l l o w s ： f i r s to fa 1 1 a n a l y z e dp r o t o c o la r e k e t e c t u r eo fi e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e ew h i c hs u i t sf o rw i r e l e s s s e n s o r n e t w o r k s s u c ha s i e e e 8 0 2 1 5 4 p h y l a y e r a n d m a cs t r u c t u r e , a n d z i g b e e n e t w o r k l a y e r , a p p l i c a t i o nl a y e r , n e t w o r ke n t i t ya n df u n c t i o n a c c o r d i n gt ot h ed e m a n d so f l o n gd i s t a n c eg r a p h i c m o n i t o r , a n a l y z e dt h em a i np r o t o c o l sw h i c h 啪m o b i l et e r m i n a l su s e dt oa c c e s sw i r e l e s s i n f o r m a t i o ns e r v i c e s ，i n c l u d i n gw a p p r o t o c o l sa n dt h ef u n c t i o n sa n ds t r u c t u r e so f 眦w s p a n d m m s e s e c o n d l y , b a s e do nt h er e s e a r c ha b o v e , g a v eas c h m eo fl o n gd i s t a n c eg r a p h i cm o n i t o r s y s t e mw h i c hc o n c l u d eo fn o d e sa n ds e r v e r c o m p l e t e dt h ed e s i g no fm o n i t o rn o d e s ，c o n s i s t so f m c um o d u l e ，g r a p h i cc a p t u r em o d u l e ，r fm o d e la n dj t a gd e b u gm o d u l e , t h en o d e sc o n l d s u p p o r t1 2 8 0 * 1 0 2 4p i x e la n dc o v e rd i s t a n c e so f1 0 0 m c o m p l e t e dt h ed e s i g no f n e t g a t e ，i n c l u d i n g m c um o d u l e ，r fm o d u l e , g p r sm o d u l e ，e t h e n o tm o d u l ea n du s bm o d u l ea n di m p l e m e n t e dt h e m m s n e t g a t eu n i t sw h i c hs u s t a i nl o n gd i s t a n c eg r a p h i ct r a n s f e r a tl a s t , t h es o t t a v a r ed e s i g ns c h e m eo fm o n i t o rn o d ea n dc o n t r o ln e t g a t ew i l t 8g i v e n i m p l e m e n t e dg r a p h i cm o n i t o rt e r m i n a ls o f t w a r ea n ds h o rd i s t a n c eg r a p h i ct r a n s f e rs o f t w a r e i m p l e m e n t e dt h es o f t w a r e so fl o n gd i s t a n c ed a t at r a n s f e rb c t w c e i ln e t g a t ea n dw a p s e l v e rb a s e d o ng s m g p r sn e t w o r k s c c o p e a r t i o nw i t ht h eh a r d w a r e , i m p l e m e n t e dt h el o n gd i s t a n c eg r a p h i c m o n i t o rs y s t e m sb a s e do nz i g b 耐w a p p r o t o c o l s k e y w o r d s ：w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s , g r a p h i c m o n i t o r , i e e e8 0 2 1 5 4 p r o t o c o l ，z i g b e e p r o t o c o l ， w a p p r o t o c o l ，m u l t i m e d i am e s s a g es e r v i c e a p i c c a c s d c s 】u a c a f f d g p r s g s m h t t p i e e e l s m i p j p e g l l c o s i p h y r f d m a c m i i m m s e p d u t i d w s n 、e 、张p v 门) p 、】i ，l a n w p a n w s p w t p 主要术语注释 a p p l i c a t i o np r o g r a n n n i n gi n t e r f a c e c l e a rc h a n n e la s s e s s m e n t c i r c u i ts w i t c h e dd a t a c a r t i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t hc o u i s i o na v o i d a n c e f u l l f u n c t i o nd e v i c e g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o n u n u n i c a t i o n h y p e r t e x tt r a n s f e rp r o t o c o i i n s t i t u t i o no f e n g i n e e r si ne l e c t r o n i c sa n de l e c t r i c s i d u s t r i a l ，s c i e n t i f i c ，a n dm e d i c a l i n t e r n e tp r o t o c o l j o i n tp i c t u r ee x p e r tg r o u p l o g i c a ll i n kc o n t r o l o p e ns y s t e m si n t e r e n n a e c t i o n p h y s i c a ll a y e r r e d u c e d f u n c t i o nd e v i c e m e d i a a c c e s sc o n t r o l m e d i ai n d e p e n d e n ti n t e r f a c e m u l t i m e d i am e s s a g es e r v i c ee c a p s u l a t i o n p r o t o c o ld a t au n i t t r a n s a c t i o ni d e n t i f i e r w i f e l s e n s o rn e t w o r k s w i r e l e s sa p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n t w i r e l e s sa p p l i c a t i o np r o t o c o l s w i r e l e s sd a t a g r m np r o t o c o l s w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k w i r e l e s ss e s s i o np r o t o c o l s w i r e l e s s t r a n s a c t i o np r o t o c o i s 应_ j 程序接口 消除信道干扰 电路交换数据 载波监听多点接入冲突避免 全功能设备 通用无线分组业务 全球移动通信系统 超文本传输协议 电工电子工程师协会 工业科学医疗频道 最低位 联合图像专家组 逻辑链路控制 开放系统互联 物理层 精简功能型设备 媒体接入控制 媒体独立接口 m m s 封装标准 协议数据单元 会话标识符 无线传感器网络 无线应片j 环境 无线应用协议 无线数据报协议 无线局域网 无线个域网 无线会话协议 无线事务协议 东南大学学位论文独创性声明 本人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取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：j 象程l 导师签名：l 每扯日 期：2 ”矿 第一章绪论 第一章绪论 1 1 无线传感器网络的应用与研究现状 无线传感器网络融合了现代的先进微电子技术、微细加1 ：技术、系统s o c 芯片设计技术， 纳米材科与技术、现代信息通讯技术和计算机网络技术等，具有微型化、集成化、多功能化 及系统化、网络化等特点【l j o 无线传感器网络具有十分广阔的廊_ i i 前景，在军事国防、工 农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险i x 域远程控制等领域都 有重要的科研价值和巨大的实用价值【2 j 。无线传感器网络己经引起了世界许多国家军事界、 学术界和工业界的高度重视，并成为进入2 0 0 0 年以来公认的新兴前沿热点研究领域，被认为 是将对二十一世纪产生巨大影响的重要技术之_ 1 3 1 。2 0 0 3 年2 月份的美国技术评论杂志 评出对世界产生深远影响的十久新兴技术中，无线传感器网络铍列为第一。未来科学家预言 无线传感器将引发新的信息革命，一些专家认为无线传感器网络、仿生人体器官等是全球未 来的四火高技术产业，它们将掀起新的产业浪潮，这预示着未来将剑处是以电池为电源的无 线传感器网络鸭 无线传感器网络是一种独立出现的网络，它的基本组成单位是无线传感器：常点，这些节 点集成了传感器、微处理器、无线接口和电源管理四个主要摸块【5 ) 。传感器、微机电系统 f m e m s ) 、集成电路、以及低功耗无线通信等技术的飞速发展，使得低成本、低功耗、多功 能的微型无线传感器网络的大规模应用成为可能，这些微? ! ! 无线传感器是集成的光机电一体 化系统，具有无线通信、数据收集和处理、协同： 作等功能，它们共同组成了无线传感器网 络，从而形成了一种全新的信息获取和处理模式，微型传感器：常点可以随机或者特定地布置 在工作环境中，通过无线通信实现自组织，获取周嗣环境的信息，形成分布自治系统，相互 协同完成特定的任务。 长期以来，业界一直想要建立一种低价、低传输率，短距离、低功率的无线通讯标准。 b l u e * o o t h 的出现，曾让工业控制、家硝自动控制、玩具制造商等业者雀跃不已，但是具有 b l u e t o o t h 功能的传输模块售价一直居高不下，严重影响了这些厂商的使埘热情及其技术的酱 及和推广。之后，压e e 8 0 2 1 5 4 i 作组制定了一种用于短距离、低数据速率的无线传输标准 的物理层和媒体介入控制层标准，也就是后来的i e e e 8 0 2 1 5 4 - 2 0 0 3 标准。i e e e s 0 2 1 5 ，4 规范 是一种经济、高效、低数据速率( 2 5 0 k b p s ) 、工作在2 4 g h z 幕f 8 6 8 9 2 8 m h z 的无线技术，用 l 东南人学硕i j 学位论史 予个人区域网和对等网状网络，它是z i g b c e 应崩层和网络层协议的基础。z i 9 8 e e * k - - 种新兴 的近距离、低复杂度、低功耗，低数据速率、低成本的无线网络技术，它是一种介于无线标 记技术雨i 监牙之间的技术提案，主要川丁近距离无线连接。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【6 】。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式 通过无线电波将数据从一个传感器传剑另一个传感器，所以它们的通信效率非常高 3 1 。 1 2 基于i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 的无线传感器网络简介 i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b e e 协议是g h l e e e8 0 2 1 5 4 - 2 0 0 7 标准的物理和媒体接入控制子层加上 z i g b e e 的网络和麻h j 支持层所组成的。在制定之初，该标准就定位于低成本、易实现、可靠 的数据传输、短距离操作、极低功耗、高安全性的无线网络系统，因此，基于 i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 的无线传感器网络具有如下特点： 多工作频段和低数据速率：在i e e e 8 0 2 1 5 4 - 2 0 0 7 中，总共分配了2 7 个具有三种速率的信 道：在2 4 g h z 频段有1 6 个速率为2 5 0 k b ( 或6 2 5 ks y m b o l l s ) 的信道，在9 1 5 m h z 频段有l o 个 4 0 k b ( 或4 0 ks y m b o l s ) 的信道，在8 6 8 m h z 频段有1 个2 0 k b ( 或2 0 ks y m b o l s ) 的信道。支持的最高 数据速率蔓2 5 0 k b ，因此，适合传送文本、图片等数据量低的信息 7 1 。 支持简单器件：在i e e e 8 0 2 1 5 4 - 2 0 0 7 规范中定义了1 4 个物理层基本参数和3 5 个媒体接入 控制层基本参数，总共为4 9 个，仅为蓝牙的三分之一。这使它非常适用于存储能力和计算能 力有限的简单器件。 低功耗：低功耗是i e e e 8 0 2 1 5 4 - 2 0 0 7 最重要的特点。在i e e e 8 0 2 1 5 4 - 2 0 0 7 的数据传输过 程中引入了几种延长器件电池寿命或节省功率的机制。其主要原理是基于信标使能的方式， 通过限制器件或协调器的收发信机的开通时间，或在无数据传输时使它们处于休眠状态。 安全性：安全性是i e e e s 0 2 1 5 4 的另一个重要问题。为了提供灵活性和支持简单器件， i e e e 8 0 2 1 5 4 在数据传输中提供了三级安全性。第一级实际是无安全性方式，对于某种应脂， 如果安全性并不重要或者上层已经提供足够的安全保护，器件就可以选择这种方式来转移数 据；对于第二级安全性，器件可以使用接入控制清单( a c l ) 来防止非法器件获取数据，在这 级不采取加密措施；第二级安全性在数据转移中采用属于高级加密标准的a e s 对称加密算 法。a e s 可以f j 来保护数据净荷和防止攻击者冒充合法器件，但它不能防止攻击者在通信双 方交换密钥时通过窃听来截取对称密钥。为了防止这种攻击，可以采用公钥加密 7 1 。 自配置：i e e e 8 0 2 1 5 4 在媒体接入控制层中加入了关联和分离功能，以达到支持白配置 的目的。白配置不仅能白动建立起一个星状网，而且还允许创建自配置的对等网。在关联过 2 第一章绪论 程中可以实现各种配置，例如为个域网选择信道和识别符，为器件指配1 6 位短地址，设定电 池寿命延长选项等。 1 3 z i g b e e 技术的发展前景 z i 2 b 技术弥补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺，其成功的关键在于 丰富而便捷的应用，而不是技术其本身”。随着正式版本协议的公布，更多的注意力和研发 力量将转到应用的设计和实现、互联互通测试和市场推广等方面。我们有理由相信在不远 的将来，将有越来越多的内置z i g b 功能的设备进入生活，并将极大地改善我们地生活方 式利体验。 z i g b 技术可以应用于具有以下要求的场所：需要数据采集或监控的节点较多；要求 传输的数据量不大，而要求设备的成本低；要求数据传输可靠性高，安全性高；设备体积 很小，不便放置较大的充电电池或者电源模块；使用电池供电；地形复杂，监测点多，需 要较大的网络覆盖；现有移动网络的覆盖盲区；使用现有移动网络进行低数据量传输的遥 测、遥控系统；使用g p s 效果差，或成本不高的局部区域移动目标的定位例。 图1 - 1 z i g b e c 在各领域中的应用 z i g b 技术的应用前景被非常看好。z i g b 在未来的几年里将在工业控制、工业无线 定位、家庭网络、汽车自动化、楼宇自动化、消费电子、医用设备控制等多个领域具有广 泛的应用前景，特别是家庭自动化和工业控制，将成为今后z i g b 的主要应用领域。 在工业领域，利用传感器和z i g b 网络，使得数据的自动采集、分析和处理变得更加 容易，可以作为决策辅助系统的重要组成部分。在汽车领域，主要是传递信息的通用传感 3 东南人学预i ：学位论立 器。由于很多传感器只能内置住e 机的车轮或者发动机中，比如轮胎压力监测系统，这就 要求内置的无线通信设备使川的电池有较长的寿命( 长丁或等丁- 轮胎本身的寿命) ，同时应 该克服噌杂的环境和金属结构对电磁波的屏蔽效应【1 0 1 。在过去，农业主要使用孤立的、没 有通信能力的机械设备，依靠人力监测作物的生长状况；采用了传感器和z i g b e e 网络后， 农业将可以逐渐地转向以信息和软件为中心地生产模式，使用更多地自动化、网络化、智 能化和远程控制的设备米耕种。在家庭和楼字自动化领域，家庭自动化系统作为电子技术 的集成得以迅速扩展，易于进入、简单明了和廉价的安装成本等成了驱动自动化居家、建 筑开发和应_ 1 1 = i 无线技术的主要动因。在医学领域，将借助于各种传感器和z i g b e e 网络准确 而且实时地检测病人地血压，体温和心跳速度等信息，从而减轻医生查房地：f ：作负担，有 助于医生做出快速地反应，特别是对重病和病危患者的监护和治疗”。在消费和家用自动 化市场，可以联网的家用设备有电视、录像机、无线耳机，p c 外设( 键盘平鼠标等) 、运 动与体闲器械、儿童玩具、游戏机、窗户和窗帘、照明设备、空调系统和其他家刖电器等。 在国内，目前z i g b e e 网络的应用范围非常广泛，很多我们想象不到的地方也在使j j z i g b e e 技术。例如，在： 业领域，z i g a o 。技术不仅用来控制照明灯的开关，它还有一个 途是检查高速路上照明灯的工作情况。以前，工程师要开车到高速路上检夯哪些照明灯已 经坏掉了，需要维修，但因为车速较快，不能记下所有要检修灯的1 ：作情况，这是目前的 一个热点应用。再如，z i # e e 技术用于进出的控制，可以记录汽车的进出，也可以在人员 进出时用于传输相关指纹来识别数据，进行身份认证。此外，通过z i g b t * 网络的路由器功 能，它还可以用来实时监控煤矿内备点的安全状况，防止事故的发生。在加油站，一些客 户不希望布线，他们正在考虑采用z i g b 无线技术来传输相关数据。 在消费电子方面，z i g b e c 技术可以代替现在的红外遥控，而它与红外遥控相比有两个 优势：一是消费者可以不用站在家电前边就能进行遥控操作；二是消费者每一个操作都会 有反馈信息，告诉他们是否实现了相关的操作。再如，z i g b 可以用丁家庭保安，消费者 在家e o t 拘fj 和窗上都安装了z i g b e e 网络，当有人闯入时，z i g b 可以控制开启室内摄像装 置，这些数据再通过i n t e r n e t 或w l a n 网络反馈给主人，从而实现报警。此外，目前一些 家电生产大企业正在为不同家电产品如空调、热水器等安装z i g b 模块，用户可以通过 z i g b e e 无线网络来控制这些产品的开启。由于手机与p d a 可以作为未来的便携遥控装置， 当家电、灯光和门禁都已陆续具各z i g b o e 功能后，手机与p d a 上也会装上z i g b e e 模块， 对这些装置进行遥控。目前人的手机企业已经推出了带有z i g b o e 技术的样机，一日市场上 各种电子设备安装上z i g b e e 模块，手机企业就可以推广带z i g b e e 的手机了。 4 第一章绪论 在建筑智能化领域，各种灯光的控制、气体的感应与监测，如煤气泄漏的感应和报警 都可以应用z i g a e e 技术。再如，三表( 电表、气表和水表) 上采用z i g a e e 技术，相关管理 部门不但可以实现自动抄表功能，还可以监控仪表如电表的状态，防止偷电事件的发生。 在数字家庭方面，除了上述家电遥控、灯光开启及安防应有外，还有一些智能化的高 端应用。例如，在电冰箱中放入一个z i g a e e 模块和相应的传感器，当我们去超市购买食品， 不确定是否还要再购买一些鸡蛋时，可以发一个信息回家，查看冰箱中的鸡蛋存储情况， 再来决定是否需要购买。 在数字家庭领域，z i g b e e 技术能承担比较重要应用的前提是大多数家电、灯光、门禁 等设施都要具备z i g a e e 功能，它们可以在家中建起一个z i g b 网络；其次，手机和p d a 也要具备z i g b e e 功能，实现对这些设备的遥控，才能逐步实现数字家庭的目标嘲。 综上所述，基于i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b e e 的无线传感器网络以其突出的特点和应用前景， 必将成为今后无线网络发展的一大方向。 1 4 本文所做的工作 本论文课题来源于国家8 6 3 计划项目“城市常规公共交通智能化运营调度关键技术研 究”、江苏省高技术研究项目”卜一代口融合通信系统( u c ) 中的主动统一威胁管亚( u t m ) 技术研究”、苏州工业园建设项目“苏州独墅湖高教区i p 融合通信示范网络”、以及企业委 托项目“无线网络关键技术研究与产品研发”。本文主要开展基丁二z i g b e e w a p 协议的无线 网络化远程图像监控技术，研究目标是为企业和家庭用户提供低成本、高性能的室内无线网 络化远程图像监控整体解决方案。本项目的部分成果将应用于苏州市独墅湖高教区公交总站 车辆智能化运营调度系统。本文完成的主要工作包括： 第一章，研究无线传感器网络的体系结构、特点以及应用领域。 第二章，系统分析了适于无线传感器网络的i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b c c 的协议架构。主要包 括i e e e 8 0 2 1 5 4p h y 层和m a c 层结构，以及z i g b e e 网络层、应用层基本结构、网络实体 及其功能；并针对远程图像监控需求，系统分析了w a p 移动终端访问无线信息服务的重要 协议。主要包括w a p 协议体系，以及、m 限、w s p 、m m s e 等协议结构、功能。 第三章，在上述研究基础上，提出了包括无线传感器网络监控节点和网关节点的远程图 像监控系统的硬件解决方案。完成了监控节点的具体硬件设计，包括微控制器模块、图像采 集模块、射频传输模块和j t a g 调试模块等功能单元，实现了支持多节点、覆盖范围1 0 0 米 ( 室外开阔环境) 、采集最高分辨率1 2 8 0 x 1 0 2 4 像素的j p e g 图像的监控网络。完成了网关 5 东南人学硕l ：学位论文 前点的硬什设计，包括微控制器模块、射频传输模块、g p r s 通信模块，以太网通信模块和 u s b 通信模块等功能单元，实现了远程幽像传输的多媒体信息服务( m m s ) 网关单元。 第四章，给出了基于无线传感器网络的监控节点和控制网关的软件设计方案。在嵌入式 平台上实现了图像监控终端的数据采集与短距离图像传输软件，以及基于g s m g p r s 网络 实现了网关单元与w a p 服务器之间的远程图像数据传输软件。与硬件配合，实现了基于 z i g b e e w a p 协议的无线网络化远程图像监控系统。 最后一章对l ! 作进行了总结与展望。 6 第二章i e e e 8 0 21 5 4 z i g b o e 与w a p 协议体系研究 第二章i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 标准与w a p 协议体系研究 2 1i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 标准 i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 标准堆栈架构是在i s o o s i 七层模型的基础上根据市场和应心的实 际需要定义的，如图2 1 所示【1 2 】l 。其中，i e e e 8 0 2 1 5 4 标准定义了物理层( p h y s i c a ll a y e r ，p h y ) 和媒体访问控制层( m e d i u ma c c e s sc o n t r o ls u b - l a y e r , m a c ) 层的标准。z i g s e e 联盟在此基础 上定义了网络层0 q e t w o r kl a y e r , n w k ) 。应用层( a p p l i c a t i o nl a y e r , a p l ) 架构。其中应用层包 括应用支持= ：f i 层( a p p l i c a t i o ns u p p o r ts u b - l a y e r , a p s ) ，应用架构( a p p l i c a t i o nf r a m e w o r k , a f ) , z i g b e e 设备对象( z i g b e e d e v i c e o b j e c t s z d o ) 以及用户定义应用对象 ( m a n u f a c m r 日- d e f m e da p p l i c a t i o no 巧e c t s ) 。以下备节将首先讨论i e e e 8 0 2 1 5 4 定义的标准部 分，然后讨论z i g l k 定义的标准部分。 图2 - l8 0 2 1 5 4 z i g b e e 标准体系结构 2 1 1 物理( p h y ) 层 z i g b e e 的通信频率由物理层来规范。z i g a e e 根据不同的国家和地区为其提供不同的工 7 东南人学硕十学位论文 作频率范围，所使川的频率范围分别为2 4 g h z 和8 6 8 9 1 5 m h z 。两个频段都基丁直接序列 扩频( 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 ) 技术，使用相同的物理层数据包格式，其区 别在于工作频率、调制技术，扩频码片长度和传输速率的不同【”1 。 2 4 g h z 波段为全球统一的免费工业、医疗和科研频段。使埘该频段有助于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1 6 相位调制技术，能够提供最人 2 5 0 k b p s 的传输速率，从而提高了数据的吞吐率，缩短了通信时延和数据收发的时间，并且 更加省电。 8 6 8 m h z 是欧洲附加的i s m 频段，9 1 5 m h z 是美国附加的i s m 频段，1 ：作在这两个频 段上的z i g b e e 设备避开了来自2 4 g h z 频段中其他无线通信设备和家用电器的无线电干扰。 8 6 8 m h z 上的传输速率为2 0 k b p s ，9 1 5 m h z 上的传输速率则是4 0 k b p s 。由于这两个频段上无 线信号的传播损耗和所受到的无线电干扰均较小，所以可以降低对接收机灵敏度的要求， 获得较人的有效通信距离，从而使_ 【 j 较少的设备即可覆盖整个区域。z i g b e e 使圳的无线信 道如表2 1 所示，从中可以看出，z i g b e e 使用的3 个频段定义了2 7 个物理信道。其中8 6 8 m h z 频段定义了一个信道；9 1 5 m h z 频段附近定义了l o 个信道，信道间隔为2 m h z ：2 4 g h z 频 段定义了1 6 个信道，信道间隔为5 m h z 。之所以设计较人的信道间隔是为了简化收发滤波 器的设计。 表2 1z i g s e e 无线信道的组成【1 4 】 信道编码中心频率m h z信道问隔m x z频率上限m h z频率下限m h z 脚8 6 8 3 ( 只有一个信道) 8 6 8 68 6 8 0 k - 1 2 。3 1 0 9 c 叶2 ( k - i ) 29 2 8 09 0 2 0 k = 1 1 , 1 2 1 3 2 62 4 0 5 + 5 ( k - 1 1 1 52 4 8 3 52 4 0 0 0 表2 2 给出了物理层数据包的格式。z i g b e e 物理层数据包由同步包头、物理层包头和物 理层净荷3 部分组成。同步包头由前同步码( 前导码) 和数据包( 帧) 定界符组成，用于 获取符号同步、扩频码同步和帧同步，也有助于粗略的频率调整；物理层包头指示净荷部 分的长度；物理层净荷部分含有m a c 层数据包，净荷部分的晟大欧度是1 2 7 字节。如果数 据包的长度类型为5 字节或大于8 字节，那么物理层服务数据单元( p s d u ) 携带m a c 层 的帧信息，即m a c 层协议数据单元。 表2 2 物理层数据包格式 4 字节1 字节1 字节变量 i 前同步码帧定界符帧长度( 7 位)预留位( 1 位) p s d u 同步包头物理层包头物理层净荷 8 第二章i e e e 8 0 21 5 4 z i g b e e 与w a p 协议体系研究 2 1 2 媒体接入控制( m a c ) 层 i e e e8 0 2 系列标准把数据链路层分成逻辑链路控制( l l c l o g i c a ll i n l 【c o n t r 0 1 ) 和m a c 两个子层。l l c 子层在i e e e8 0 2 6 标准中定义，为8 0 2 标准系列所共用；而m a c 子层协 议则依赖于各自的物理层。i e e e8 0 2 1 5 4 的m a c 子层能支持多种l l c 标准，通过业务相 关汇聚子层( s s c s ，s e r v i c e s p e c i f i cc o n v e r g e n c es u b l a y e r ) 协议承载i e e e8 0 2 2 协议中第1 种类型的l l c 标准，同时也允许其他l l c 标准直接使用i e e e8 0 2 1 5 4m a c 子层的服务“5 1 。 l l c 子层的土要功能是进行数据包的分段与重组，以及确保数据包按顺序传输。 i e e e8 0 2 1 5 a m a c 子层的结构如图2 - 2 所示。实现包括设备间无线链路的建立、维护 和断开，确认模式的帧传送与接收，信道接入与控制，帧校验与快速自动请求重发( a r q ) ， 预留时隙管理以及广播信息的管理等功能。m a c 子层处理所有物理层无线信道的接入，主 要功能有：网络协调器产生网络信标；信标同步；支持个域网( p a n ) 链路的建立和断开； 为设备的安全提供支持；信道接入方式采刚载波监听多址接入肿突避免( c s m a c a ) 机制； 处理和维护保护时隙( g t s ) 机制；在两个对等的m a c 实体之间提供一个可靠的通信链路。 m a c 子层与l l c 子层的接口中h j 于管理目的的原语仅有2 6 条，相对于蓝牙技术的1 3 1 条原语和3 2 个事件而言，i e e e8 0 2 1 5 4m a c 子层的复杂度很低，不需要高速处理器，由 此降低了其设备的功耗和成本。 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一个接口。m a c 层包括一个 管理实体，该实体通过一个服务接口可调用m a c 层管理功能，该实体还负责维护m a c 层 固有的管理对象的数据库。从图2 - 2 可以看到，在m a c 层两个不同服务的接入点想上层提 供了两个不同的m a c 层服务：m a c 层通过它的公共部分子层服务接入点为它提供数据服 务；m a c 层通过它的管理实体服务接入点m l m e s a p 为它提供管理服务。 m a c 公共部分子层一 服务接入点 m a c 公共部分予层 r l l _ b 物理层数据服务接 入点( p d - s a p ) m a c 层管理实体一服务 接入点( m l m e - s a p ) m a c 层管理实体 广 赢歪厂 i ! 塑竖堕璺堕i 物理层管理实体一服务 接入点( p l m e - s a p ) 图2 - 2m a c 层参考模型1 q 9 东南大学硕士学位论史 表2 3 给出了m a c 子层的数据包格式。m a c 子层数据包由m a c 子层帧头( m h r m a c h e a d e r ) 、m a c 子层载荷和m a c 子层帧尾( m f i l m a cf o o t e r ) 组成。m a c 子层帧头由2 字节的帧控制域、一字节的帧序号域和最多2 0 字节的地址域组成。帧控制域指明了m a c 帧的类硝、地址域的格式以及是否需要接收方确认等控制信息 帧序号域包含了发送方对 帧的顺序编号，用于匹配确认帧，实现m a c 子层的可靠传输；地址域采朋的寻址方式可以 对6 4 位的i e e e m a c 地址或者8 位的z i g b e e 网络地址。 表2 3m a c 层数据格式1 7 1 2 字节1 字节0 2 字节0 2 8 字节0 2 字节 0 2 81 节可变2 字节 帧控制序列号目的p a n 标识目的地址 源p a n 标识符源地址帧载1 岢f c s 符 m h r ( m a c 层帧头) m a c 载荷m f r m a c 子层载荷，其长度可变，不同的帧类型包含不同的信息，如m a c 子层业务数据 单元( m s d u ，m a cs e r v i c a ：d a t au n i t ) ；但整个m a c 帧盼欧度应该小于1 2 7 字节，其内容 取决于帧类型。i e e e8 0 2 1 5 4 的m a c 子层定义了4 种帧类型：广播( 信标) 帧、数据帧、 确认帧和m a c 命令帧。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z i g s e n 设备间与m a c 子层功能实体间控制信息的收发。 m a c 子层帧尾含