（信号与信息处理专业论文）基于zigbee的无线传感器网络在监测系统中的应用研究.pdf

河海大学硕士学位论文 摘要 摘要 自动监测系统帮助管理人员对设备和现场进行实时监控，预防故障发生或在故障发生 后提供及时资料。z i g b e e 作为低速率无线传感器网络的主要通信协议，被广泛地运用在各 类监测场合。研究基于z i g b e e 的无线传感器网络在监测系统中的应用其有重要意义。 针对现有线监测系统数据采集传输网络在扩展性、灵活性、维护方面的不足，本文提 出将z i g b e e 技术结合移动通信网络改进现有监测系统数据采集传输网络架构的思想。并以 水库大坝监测为应用实例，设计了基于z i g b e e 水库大坝监测数据采集传输网络架构：通过 集成化的传感器终端实时、协作地采集监测对象的信息，以多跳路由方式将信息处理结果 通过移动通信网络传送到公网，进而到达各级监控中心和用户。 根据z i g b e e 监测数据采集传输网络节点能量消耗不均匀和采用单一路由方式的缺点 提出一种z i g b e e 网络分段路由策略：在路由发现过程前期采用树状路由而后期优先采用 a o d v 路由。基于n s 2 仿真软件结合具体监测场景对提出的路由策略进行性能仿真验证， 仿真结果表明：本文路由策略在丢包率、平均跳数、平均时延、路由开销这几项参数上较 好地综合了树状路由和a o d v 路由的优点，从而改善了系统性能。 根据z i g b e e 监测数据采集传输网络呈簇树拓扑的特点，通过分析l e a c h 分层路由协 议选择簇首的思想，借助一阶无线能量模型建立簇首数目与系统能量消耗的关系，理论上 得出了z i g b e e 网络簇首优化方法。并结合具体实例分析得到了最优簇首数目的个数。 设计了基于z i g b e e 监测系统所涉及到的无线节点硬件方案，用a t m e g a l l 2 8 l 、c c 2 4 2 0 设计实现监测区域内传感器节点的功能；用s 3 c 4 4 b o 、c c 2 4 2 0 、m c 3 5 ig p r s 模块设计实 现协调器的功能。在z i g b e e 硬件平台上进行了组网实验。 关键词：无线传感器网络；8 0 2 1 5 4 z i g b e e ；监测系统：路由策略；n s 2 河海大学硕十学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t a u t o m a t i cm o n i t o r i n gs y s t e m sh e l ps u p e n t i s o rt om a s t e rm er e a l t i m es t a t u so fe q u i p m e n t a l l dl o c a l ei nm a l f h n c t i o nt a k i n gp l a c eo ra f t e rm a l m n c t i o no c c 州n g z i g b e ei su s e di n v a r i o l l sm o n i t o ro c c a s i o n sa st h em a i nc o r n m u n i c a t i o np m t o c o li nl o wr a t ew i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k ，r e s e a r c h i n g 州r e i e s s s e n s o rn e t w o r ko fz i g b e ei nm o n i t o rs y s t e mh a st l l e i m p o n a l l ts i g i l 俯c 锄c e n ep 印e rp u tf o r w a r da 1 1i d e ao fu s i n gz i g b e e 、) v i r e l e s st e c l l i l o l o g ya l l dm o b i l e c o m m l l i l i c a t i o nn e 觚o r ki nm o n i t o r i n gs y s t e i n ，b a s e do nt h ed i s a d v 锄t a g eo fe x p a j l s i b j l i 哦 a g i l i t y 明dm a i n t e n a n c e w eg i v ea 1 1e x 锄p l ei nr i v e rd 釉m o n i t o r i n gs y s t e mw h i c hi s i n t e 掣m e d s e n s o rt e n n i n a t o r c o l l e c t i n gi n f o 咖a t i o no fd i f r e r c mo b j e c t smd 锄a r e ai n r e a l - t i m ea i l ds y m b i o t i c a l l y ，a di tc a np a s st h er e s u l t so f 协f o n l l a t i o np r o c e s s i n gt o ( h e i n t e m e tt 1 1 m u g l lm u l t i h o pc o m m u n i c a t i o nb ym o b i l ec o m m u n i c 砒i o nn e t 、v o r k ，e v e nt ot 1 1 e m o n i t o r i n gc e n t e ra n dt e m l i n a lu s e r s a sm er e a s o no fa s y m m e 倒ce n e 唱yc o s ta i l dd i s a d v a i l t a g eo fs i n g l em u t e rs t m t e g yi n z i g b e em o n i t o rd a t ac o l l e c t i o na i l d 协m s m i s s i o nn e t w o r k ，w 色p u tf o 九v a r dad i v i d e dr o u t e s t r a t e g yw h i c hi su s i n gc l u s t e r _ t r e er o u t e rs t r a t e g y 抽f o n e ra n du s i n ga o d vf i r s ti nt h e l a t e l w eg i v et h es i m u l a t i o nr e s u hi nn s 一2w i t hai d i o g r a p h i ce x a m p l em o n i t o r i n gs c e n e t h e r e s u l t sp m v et t l a tt h er o u t es t r a t e g yi n t e g r a t et h es t r o n g p o i mo f c l u s t e r - t r c ea i l da o d vo nl o s t 胁m ep r o p o r t i o n ， a v e m g eh o p s ，a v e r a g et i m ed e l a y趾dc o n lc o s t锄di m p r o v et h e p e r f b n n a n c eo f t h em o n i t 嘶n gs y s t e m a st h er e a s o no fz i g b e em o n i t o rd a t ac o l l e c t i o na i l dt r a n s m i s s i o nn e t w o r kt o p o i o g yi s c l u s t e r - t r e et o p o l o g y ，t h ep a p e re d u c e st h eb e s tn u m b e ro fc l u s t e r - h e a di nz i g b e ec l u s t e r - 拄e e n e t w o r kb yr e s e a r c h i n gn l el e a c hr o u t e rp r o t o c o la n de s t a b l i s h i n g q u a l l t i 印r e l a t i o n b e t w e e nt h en u m b e ro fc l u s t e r - h e a da l l dt h ee n 唱yc o n s u m p t i o no fs y s t e mo nt h eo n eo r d e r w i r e l e s se n e 唱ym o d e l 、v ca l s og i v ea l le x a m p i ea n dg a i nt h eb e s tn u m b e ro fc l u s t e r _ h e a di n m ee x a m p l e a tl a s t ，1 1 l ea u t h o rr e a l i z e s 也es e n s o rn o d co na t m e 耐1 2 8 la i l d c c 2 4 2 0 ，t h e c o o r d i n a t o rn o d eo na r ms 3 c 4 4 b o c c 2 4 2 0a n dm c 3 5 ig p r sm o d u l e w h i c hi su s e dm z i g b e em o n i t o r i n gs y s t e m w ea l s od ot h ee x p e 血n e mo nz j g b e eh a r d w a r en a t k e y w o r d s ：w s n ；8 0 2 1 5 “z i g b e e ；m o n “o r i n gs y s t e m ；m u t e rs t r a t e g y ；n s - 2 i i 学位论文独创性声明： 本人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。与我一同工 作的同事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。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： ：垄；扛至 p 富年专月g 日 ( 注：手写亲笔签名) 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 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。论文全部或部分内容的公布f 包括刊登1 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： ( 注：手写亲笔签名) - 舢g 年6 月f ) ，日 l 海大学硕十学位论文第一章综述 1 1 研究背景和意义 第一章综述 监测系统帮助管理人员对设备和现场进行实时监控，预防故障发生或在故障发生后 提供及时资料。自动监测系统可以减少配备人员的数量并提高监测业务的效率。现有 自动监测系统大都采用分布式控制监测模式，相对于传统集中式控制系统，分布式控制 系统由集中操作管理单元、分布的测控单元和通信网络组成。将复杂系统分解为相对简 单的独立模块，系统层次清晰，可以很好地解决设备复杂度高、维护困难等一系列问题。 但现有自动监测系统的数据采集传输大多以工业总线为基础，构成有线通信传输网络， 有线网络存在覆盖率、扩展性、灵活性方面的不足【2 ”。为更好地解决这个问题，可引进 无线网络来架构整个自动监测系统。 自1 9 9 8 年g r e g o d ，j p o t t i e 从网络的角度阐述无线传感器网络【4 l ( w i r e l e s ss e n s o r n e t 、v o r k s ，w s n ) 的科学含义以来，w s n 作为一种独立的组网形式出现并得到广泛运 用，以其低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知和采集的一场变革嘲。无线传 感器网络监测技术在监测准确度和监测灵活性等方面都具有传统监控手段难以比拟的 优势，它不仅可以提供更大的灵活性、流动性、省去花在综合布线上的费用和精力，而 且通过自适应的组网和无线通信技术使得整个无线传感器节点之间通过分布式协作，实 现统计采样、数据融合、查询式监控和动态功能升级等先进的监捧措施【6 7 】。 z i g b e e 作为一种低功耗、短距离无线技术成为低速率传感器网络的主要通信协议， 节点在2 节5 号干电池供电情况下可工作6 2 4 个月，甚至更长，适合运用在数据业务 量较小、数据收发频率不大的场合【s j 。针对无线传感器网络组网特点，研究高效z 设b e e 组网技术、路由策略是当前研究的热点问题。 w s n 技术以其自组织等优势越来越广泛地运用在各类监测系统中，对于监测数据 的采集传输使用无线方式也是一个趋势。z i g b e e 作为w s n 的主流通信协议，研究适合 在监测系统中应用的基于z i g b e e 技术的高效组网、路由策略是z i g b e e 应用的关键技术。 课题结合自动监测系统原始数据采集与传输为背景展开，重点研究z i g b e e 技术在自动 监测系统中的应用方案，包括系统架构、路由策略、簇首优化、硬件设计和组网实验等。 因此，本文提出的“基于z i g b e e 的无线传感器网络在监测系统中的应用研究”课题， 具有一定的理论意义和重要的实用价值。 1 2 研究现状 1 2 1 监测系统现状 现阶段自动监测系统的结构大致采用集中式、分布式、混合式三种方式【9 ”1 。 l 河海大学硕士学位论文 第一章综述 集中式监测系统的典型布置如图1 1 所示，监控室内置采集装置，布设于监测区域 内的仪器通过电缆直接与采集装置相连，仪器信号通过采集装置转换为数字信号传到监 控室中心进行存储管理。集中式系统的特点是采集装置集中设置在监测现场，信号传输 距离不远。 监控室 ：现场 9 单兀； q 广一 一_ l f 盘、 图1 1 集中式监测系统结构示意图 分布式监测系统结构如图1 2 所示，它是由数字化、模块化的采集装置，一般称为 数据采集单元( d a u ) 或测量与控制单元( m c u ) ，完成所辖测点的控制测量、a d 转换、 数据暂存和数据传输等功能。由于数字量的远距离传输较之模拟量相对简单，因此m c u 可灵活地分散布置在靠近仪器的地方，从而缩短模拟量的传输距离，降低了系统数据丢 失的机率和防外界干扰的技术难度。 控计算机 现场 r 厂一一r 一 参信感器迷勿 图1 2 分布式监测系统结构示意图 混合式系统是介于集中式和分布式之间的一种结构方式。它是具有分布式布置的外 形、而采用集中方式进行数据采集的系统。布置在仪器附近的遥控转换箱汇集其周围的 仪器信号，但它不具备d a u 的a d 转换和数据暂存功能。混合式系统利用散布于仪器 附近的遥控转换箱将仪器的模拟信号汇集于一条总线之中，传输到监控站进行集中测量 和d 转换，然后将数字量送入计算机进行存储处理。 从对现有监测系架构分析可以看出，目前监测现场的数据采集到传输还是采用有线 l； 一 一 一 口口 自一 河海大学硕士学位论文 第一章综述 的方式传输到监控中心，这种以现场工业总线为基础的采集传输系统在系统扩展性、布 线复杂度、维护方便性上都有不足之处。 1 2 2w s n 研究现状 无线传感器网络是为了实现某一特定应用需求而设计的，是基于特定应用的一种无 线网络。无线传感器网络是一种特殊的a d - h o c 网络，它除了具有动态拓扑、无中心组 织、多跳路由、带宽受限等a d - h o c 网络的一般特性。还有如下一些特点：通信能力有 限、电源能量有限、计算能力有限、以数据为中心的网络、应用相关的网络l 。 无线传感器网络最早运用在军事领域，近年来逐步向民用领域发展。学术领域对 无线传感器网络的研究大致从2 0 世纪末期开始，主要集中在传感器网络技术、传低功 耗节点的设计和传感器网络通信协议这几个方面【1 2 ”_ 1 4 1 。 其中，对于传感器网络技术的研究，加州大学伯克力分校、洛杉矶分校、南加州 大学、斯坦福大学以及哈佛大学在这方面花费的精力比较多，也取得了一些进展。2 0 0 3 年i n t e l 公司在b e r k e l e y 大学的研究中心启动了关于w s n 方面的研究计划，主要研 究异构传感器网络，测量各种异构传感器网络的性能，研究嵌入式处理在异构网络中 的应用；2 0 0 4 年在美国国家自然科学基金、国家健康协会的资助下，哈佛大学启动了 c o d e b u l e 平台研究计划，主要为了把无线传感器网络技术应用于医疗事业领域，包括 医疗救急、灾害事故的快速反应、病人康复护理等方面。欧洲的e y e s 研究计划，目 的是研发新的基于w s n 的体系结构和技术，使得新一代的传感器节点能有效的进行组 网，以泛在平台的形式支持各种w s n 的应用。 在低功耗节点的设计上，国外研究机构开发的典型节点有m i c a 2 、m i c a z 、t e l o s 、 i m o t e 等1 4 j 。这些节点通过选用新的微处理器，减小了休眠工作电流和系统唤醒时间， 能耗显著减低，其中t e l e o s 系列节点的功耗在性能上有较大优势，通过实验证明t e l o s 节点在2 节5 号干电池供电的情况下，工作时间达到9 4 5 天。 通信协议的研究主要是康乃尔大学、南加州大学的研究方向；康乃尔大学在感知 数据查询处理技术方面开展的研究工作较多，加州大学伯克力分校研究了传感器网络 的数据查询技术。如：2 0 0 2 年b e r k e l e y 大学启动了n e s t 计划，目的在于开发出n e t w o r k e m b c d d e ds y s t c m st e c h n o l o g y ( n e s t ) 开放式的软、硬件实验平台，以加速发展面向应 用多样化的算法、服务和体系构架。2 0 0 3 年l o 月i e e e 8 0 2 1 5 4 标准颁布，为w s n 提 供了一种新的无线通信方案，研究者普遍认为它应该是w s n 理想的无线通信技术。 虽然我国从2 0 0 3 年才开始有部分学校和研究机构开始对此项技术进行研究，但是 无线传感器网络技术已经在我国中长期科技发展规划( 2 0 0 6 2 0 2 0 ) 中被列为重要发展 方向之一。可以预见，w s n 将会给人类生活相关各个领域带来深远的影响。在国家“信 息获取与处理技术”2 0 0 4 年年会上，与会专家普遍认为传感器网络已成为信息获取领域 的发展重点。哈尔滨工业大学、清华大学、中科院计算所、软件所、合肥智能所、上海 河海大学硕士学位论文 第一章综述 微系统所、沈阳自动化所等不少单位也广泛开展了这方面的研究。国内清华大学、哈尔 滨工业大学、中国科学院等院校的研究小组已先后开发出了类似于m i c a 2 的节点。 1 2 3z i g b e e 技术研究现状 z i g b e e 是推动i e e e 8 0 2 1 5 4 在业界广泛使用的产业联盟。z i g b e e 作为一种低功耗、 短距离的无线接入技术成为低速率传感器网络的主要通信协议，广泛运用在数据业务量 小、数据收发频率不大且监测范围较广的场合。目前已有1 4 个z i g b e e 促进组织成员， 即e a t o n 、e m b e r 、f r e e s c a l e 、h o n e y w e l l 、h u a w e i 等。2 0 0 6 年1 1 月，z i g b e e 联盟公布 了首批z i g b e e 认证产品，有四家公司的产品入选：m a x s 廿e 锄d e 的x b e e ，、n e c e n g i n e e r i n g 的z b 2 4 f m z 、s 3 c 的g c 6 3 、s o f c w a r et e c h n o l o g i e sg r o u p 的s e n s o rn e t w o r k i n f h s t m c t u r e ( s n i ) 。此举作为一个开放的全球无线传感器与控制网络方案的一个重要 里程碑。国外采用z i g b e e 技术的无线网络应用领域有智能交通、环境监测、数字家庭、 结构监测等。如科学家成功利用2 0 0 多个m i c a z 节点组成的w s n 成功地监测和评估了 旧金山金门大桥在各种自然环境下的健康状况【1 5 】；基于z i g b e e 技术的系统还成功运用 在不同街道根据交通流量动态调节红绿灯，追踪超速的汽车或被盗的汽车等。 在国内，华为于2 0 0 6 年6 月以“促进者”身份加入了z i g b e e 联盟理事会，国内已 开始关注z i g b e e 这门技术，有不少单位从事z i g b e e 技术的开发工作。成都西谷曙光数 字技术有限公司，将z 远b e e 技术开发成产品，并成功地用于解决几个领域的实际生产 问题；e m b e r 与中国自动仪表读取( a m r ) 系统方案供应商华立仪表的合作则可看作 z i g b e e 在中i 雪推广和应用的里程碑事件，华立仪表推出了一系列基于e m b e r 平台的电 表和z i g b e e 模块，并于2 0 0 6 年开发了基于z i g b e e 的燃气表及水表。目前主要几个z i g b e e 协议栈有： 1 f r e e s c a l eb e ek i t ( 3 个月免费，报价2 5 0 0 美元) 2 m i c m c h i pz i g b e e2 0 0 4 ( 免费，m j 2 4 4 0 r f ) 3 j e l l l l i cl t d z i g b e e 2 0 0 4 ( 内嵌，外加m c u ) 4 e m b e rz i g b e e 2 0 0 6 e m 2 5 0 ( 协议栈报价2 5 0 0 1 0 0 0 0 美元) 5 t ic c 2 4 3 0 3 1z i g b e e2 0 0 6 免费全功能协议栈 随着w s n 领域内低功耗节点和高效组网技术的不断发展，z i g b e e 作为当前w s n 领域的主流通信协议得到广泛使用，基于z i g b e e 的w s n 将被越来越多地运用在各类场 合。针对z i g b e e 网络的高效组网技术、路由策略，以及支持z i g b e e 协议的微型智能节 点的设计是当前z 逸b e e 技术的重点研究方向。 1 3 本文研究内容及组织结构 本文以监测系统为应用背景，研究基于z i g b e e 的无线传感器网络在监测系统数据 4 河海大学硕士学位论文 第一章综述 采集传输网络中的应用，围绕系统架构、网络优化、硬件设计展开，具体研究内容包括： 1 基于z 嘻b e e 监测系统数据采集传输网络设计，包括系统的网络架构、网络接入 方法、网络层协议设计等。 3 基于z i g b e e 监测系统数据采集传输网络路由策略研究，根据基于z i g b e e 监测 数据采集传输网络运行特点结合z 迦b e e 协议栈现有路由协议研究适合运用在系统中的 路由策略。 4 路由性能仿真验证，通过选择合适的仿真平台和监测场景，研究本文所提出的 路由策略与z i g b e e 现有路由算法的性能对比。 5 系统簇首优化研究，结合基于z i g b e e 监测数据采集传输网络组网特点和无线能 量模型，研究系统网络拓扑最优簇首优化方法。 6 系统节点硬件设计，根据系统的功能要求选定相应的硬件设备，包括微处理器、 r f 芯片、电源模块、移动通信接入模块等，给出节点的硬件设计方案，并做组网实验。 结合论文研究期间的具体工作，论文内容划分为六章撰写： 第一章综述：介绍本论文的研究背景、现状、研究工作及文章的组织结构。 第二章基于z i g b e e 监测系统数据采集传输网络设计：结合现有监测系统数据采集 传输网络架构提出基于z i g b e e 监测系统数据采集传输网络应用方案。然后 以水库大坝监测为应用背景，设计基于z i g b e e 技术的无线水库大坝监测系 统数据采集传输网络架构。包括系统架构、网络接入方法以及信号采集层 准z i g b e e 网络层协议设计。 第三章z i g b e e 监测系统数据采集传输网络的分段路由策略及仿真分析：详细分析 z 追b e e 路由算法原理，并结合本文设计的监测系统数据采集传输网络拓扑 结构特点提出一种z i g b e e 分段路由策略。在n e t 、v o r ks i m u l a t o r 9 司络仿真平 台上结合具体的监测场景对所提出的路由策略进行性能仿真并分析和现 有z i g b e e 协议栈路由协议的比较结果。 第四章z i g b e e 监测系统数据采集传输网络簇首优化：结合系统特点和无线能量模 型，理论上得到簇首优化的方法。并结合具体的应用实例得到最优簇首的 个数。 第五章基于z i g b e e 的网络节点设计及组网实验：给出基于z i g b e e 监测系统数据采 集传输网络系统的节点硬件设计方案。包括传感器节点、协调器节点。在 z i g b e e 硬件平台上做组网实验。 第六章总结与展望：总结前文的工作，并展望今后的进一步工作。 河海大学硕士学位论文 第二章基于z j g b e e 监测系统数据采集伟输刚络设计 第二章基于z i g b e e 监测系统数据采集传输网络设计 本章首先对8 0 2 1 5 4 z i g b e e 协议做分析研究，然后提出基于z i g b e e 技术结合移动 通信网络的监测系统数据采集传输网络设计思想。以水库大坝监测为具体应用实例，设 计基于z 追b e e 技术结合移动通信网络的水库大坝监测系统数据采集传输网络架构，包 括系统网络架构、接入方法、工作流程以及信号采集层网络层协议设计。 2 18 0 2 1 5 4 z i g b e e 协议研究 i e e e 8 0 2 1 5 4 工作小组于2 0 0 6 年推出i e e e 8 0 2 1 5 4 2 0 0 6 和z i g b e e 2 0 0 6 ”1 ，i e e e 无线个人区域网( w p a n ) 工作组的i e e e8 0 2 1 5 4 技术标准是z i g b e e 技术的基础”1 。 将传感器与i e e e 8 0 2 1 5 4 设备组合，进行数据收集处理和分析，就可以构成无线传感器 模块。i e e e 8 0 2 1 5 4 网络可以极大地降低传感器网络的安装成本，简化网络的架构。 2 1 18 0 2 1 5 4 z i g b e e 标准分层架构 i e e e 8 0 2 1 5 4 ，z i g b e e 采用分层结构。每一层为上层提供一系列特殊的服务：数据实 体提供数据传输服务；管理实体则提供所有其他的服务。所有的服务实体都通过服务接 入点( s a p ) 为上层提供一个接口，每个s a p 都支持一定数量的服务原语来实现所需的功 能| 2 02 ”。 i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 协议栈架构如图2 1 所示，其中8 0 2 1 5 4 标准定义了底层：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 仃o is u b l a y e r ， m a c ) 层。z i g b e e 联盟在此基础上定义了网络层( n e t 、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 ) 【卫】。 麻用层( a p l ) 应用框架 应用对【 应l 对 z 瑭b e 泼蔷对象 象jr ”i 象2 4 0 z i g b e e 联盟 麻用支持子层( a p s ) z d o 管理 网络层( n w k )板 媒体访问控制层( m a c ) l e e e 8 0 2 1 墨回物理层i8 黜5 t 图2 18 0 2 1 5 4 z i g b e e 协议栈结构图 6 河海大学硕士学位论文 第二章基于z j g b e e1 监测系统数据采集传输网络设计 、- p a n 中有三种网络角色：p a n 网络协调器、协调器和设备f l “。这三种角色在 i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 规范中分别对应z i g b e e 协调器、z i g b e e 路由器和设备。p a n 网络 协调器可以看作是一个p a n 的网关节点( 也即s i n k 节点) 。它是网络建立的起点，负责 p a n 网络的初始化，确定p a n 的i d 号和p a n 操作的物理信道并统筹短地址分配。协 调器在加入网络之后获得一定的短地址空间。这个空问内，他有能力允许其他节点加入 网络，并分配短地址，协调器还具备路由和数据转发的功能。p a n 协调器和协调器必须 是全功能设备( f f d ) 。设备是整个网络的叶结点，它只能与它的父节点通信，也没有加 入其他任何节点的能力。设备可以是全功能设备( f f d ) 或精减功能设备( f f d ) 。 i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b e e 协议中明确定义了三种拓扑结构：星型结构( s t 神、簇树结构 ( c l u s t e r - t r e e ) 和网状结构( m e s h ) ，如图2 2 所示。 c 幽m f f d ，r o u l e o r f d ，e n dd e v m 【c ) s h 图2 2 几种基本网络拓扑结构图 在星状拓扑中，网络由一个z i g b e e 协调器控制。z i g b e e 协调器要负责初始化并维 护网络以及网络中的所有其他设备，这些设备均作为终端设备直接与z i g b e e 协调器通 信。在m e s h 或簇树网络中，z i g b e e 协调器负责启动网络并设置某些关键参数，网络可 以通过z i g b e e 路由器进行扩展。树状网络通常使用基于信标的通信模式，m e s h 网络允 许完全的点对点通信。 2 1 28 0 2 1 5 4 z i g b e e 超帧机制 信标方式和超帧结构是i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 的特点，在i e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 中，以 超帧为周期组织l r - w p a n 网络内设备的通信，每个超帧以网络协调器发出信标帧 ( b e a c o n ) 为始，在这个信标帧中包含了超帧持续的时间以及对这段时问的分配等信息。 网络中的普通设备接收到超帧开始时的信标帧后，就可以根据其中的内容安排自己的任 务，例如进入休眠状态直到这个超帧结束田l 。 7 河海大学硕i ：学位论文 第二章纂于z i g b j i ；【澳i 系统数据采集传输网络设计 超帧将通信时间划分为活跃和不活跃两个部分。超帧的竞争访问时段i e e e 8 0 2 1 5 4 网络设备使用带时槽的c s m a c a 访问机制，并且任何通信都必须在竞争访问时段结束 前完成。在非竞争时段，协调器根据上一个超帧期间p a n 网络中设备申请g t s 的情况， 将非竞争时段划分成若二f 二个g t s 。每个g t s 若干个时槽组成，时槽数目在设备申请g t s 时指定。若果申请成功，申请设备就有拥有了它指定的时槽数目。如图2 - 3 中第一个g t s 由时槽1 1 1 3 构成，第：个g t s 由时槽1 4 1 5 构成。每个g t s 中的时槽都指定分配给 了时槽申请设备，因而不需要竞争信道。i e e e 8 0 2 1 5 4 标准要求任何通信都必须在自己 分配的g t s 内完成。 信标帧 1 ：；5 = 9 访m i 时段 图2 - 3 超帧结构 2 2 基于z i g b e e 监测系统数据采集传输网络设计 2 2 1 技术方案选型 监测现场数据的采集传输按无线通信需求可以归结到无线个域网范围内实现，目前 w 二p a n 领域内的无线通信技术主要包括：蓝牙、w i - f i 、z i g b e e 等口钔。各种无线标准的 关系以及信噪比对比图如图2 4 、2 5 所示。 麟： 麟! 麓i 蕤褫黼 黧缓瓣鬟 鬻蓊誊囊 隧i ； 鬃貔囊缓 l 弦巍驻瓤，；嚣孑曩 蘩 。喝r 9 p 碍咎零较 ￥燃芝翔 气 ) 学一飞、 一i惫弋 、 ； 1 隧参j 争 、秽 、?舻v ? 飞if i歹 1 、 、 j 图2 4z i g b e e 与其它无线标准关系图 图2 5z i g b 和蓝牙等标准信噪对比图 它们的技术特点如表2 1 所示。蓝牙技术基本上只是设计作为有线的替代品，它可 以在不充电的情况下工作几周，但无法工作几个月，更不用说几年了；而w i f i 也有类 似的问题。虽然它是将笔记本和桌面电脑接入有线网络的很好的解决方案，但它的功耗 受 河海大学硕士学位论文 第二章基于z g b e c 监测系统数据采集传输网络设计 却非常高。z i g b e e 技术定位在低成本、低功耗和低速率无线通信场合8 5 捌。因此，z 培b e e 更适合做为监测现场数据采集传输的技术手段。 表2 1 典型 队n 无线通信技术的特点 监测现场数据传输到远程监控中心以及上级管理部门按无线通信需求可以归结到 无线广域网接入技术实现。g p r s ( 通用无线分组业务) 是在现有g s m 系统上发展起 来的一种新的承载业务，目的是为g s m 用户提供分组形式的数据业务。g p r s 允许用 户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源， 从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务。特别适用于间断的、突发性的和少 量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。g p r s 支持i p 协议和x 2 5 协议，理论 带宽可达1 7 1 2k b s ，实际应用带宽大约在1 0 7 0 k b ，s ，在此信道上提供t c m p 连接， 可以用于i n t e r n e t 连接、数据传输等应用【2 7 j 。g p r s 用户可同时占用多个无线信道， 同一无线信道又可以由多个用户共享，资源被有效的利用。使用g p r s 技术实现数据分 组发送和接收，用户永远在线且按流量计费，降低了服务成本。g p r s 移动数据传输系 统应用范围很广，低速率的数据传输业务都可以应用，如城市配电网络自动化、自来水、 煤气管道自动化、商业p o s 机、i n t e r n e t 接入、个人信息、股票信息、金融、交通 等。综上所述，g p r s 无线接入方式适合作为监测现场数据传输到远程监控中心以及上 级管理部门的无线接入技术手段。 2 2 2 设计思想 通过前文对监测系统的通信技术需求分析，结合z i g b e e 技术特点和技术优势，提出 采用z i g b e e 技术和移动通信网络结合来实现监测数据的采集传输是一个理想的解决方 案。在实际应用选择将z i g b e e 技术与g p r s 结合起来，根据监测区域监测设备的分布， 构建自动监测系统数据无线采集传输网络。具体思想如下： 1 z i g b e e 无线监测网络，这一无线网络主要由分布在监测区域的各种监测设备组 成，各测量单位都配备z i 2 b e e 无线全功能节点用于上传数据。每个传感器节点具有采 集、收发和处理数据的功能，同时还兼顾路由的功能。依托基于z i g b e e 技术的无线传 感器网络，利用其低功耗、低成本、以及强大的物理数据获取、分析能力和网络的抗毁 9 河海大学硕f ：学位论文 第二章基于z i g b e ej l 测系统数据采囊传输刚络设计 坏能力，保障将监测系统在底层物理信号获取的高准确性和高可靠性，以适应监测现场 复杂的工作环境。监测区域内无线节点按照功能分布有：传感器节点、协调器节点，组 成无线z i 2 b e e 网络，所有监测数据都最终通过协调器上传到监控中心。 2 以移动通信g p r s 技术为廉价、可靠的技术将底层( 基于z 噜b e e 技术搭建的无线 传感器网络) 的数据采集结果通过协调器转发到远程监控中心以及有授权的移动终端用 户。 3 通过在远程监控中心机房以及上级管理部门有效地对收集到数据进行分析、决策 以达监测现场实时状况的准确把握，以便随时得出应对措施。对于远程监控中心与上级 管理部门的信息交换，实际上是p c 与p c 之间之间的信息交换，本文不做详细说明。 2 3 应用实例 2 3 1 应用背景 随着水利设施的进一步完善，加强水利设施的运行管理显得愈来愈重要，尤其是对 水库枢纽区大坝的渗流、渗压、水位、位移等数据的监测直接关系到大坝的安全运行。 1 9 9 0 年水利部编写了土石坝安全监测技术要点，促使我国的大坝安全监测工作逐步 走上了正规的道路。但在大坝监测原始数据采集方面，有的还是靠人工现场量测，随着 自动监测技术的不断发展，目前大坝监测原始数据的获得可通过传感器采集后通过有线 方式传输到相应的测控单元，测控单元通过工业总线的方式传输到监控中心。水库大坝 一般监测范围较广、监测点众多，如何采用较低的成本、高效、准确地获得原始监测数 据，减少现场采集数据的人工干预是目前研究的主要课题。 图2 6 大坝监测分级结构示意图 依据我国大坝工程安全监测系统设计方案，大坝监测一般分三个层次布设监测仪器 和设备，除了选用可靠稳定的各种传感器及二次仪表外，对数据采集传输系统进行研究， 1 0 河海大学硕十学位论文 第二章基于z i g b e c 监测系统数据采集传输网络设计 建立先进可靠稳定的数据采集传输系统也是一个研究课题【2 8 ”。为了使数据采集传输高 可靠性，应对数据传输的硬件( 物理层) 及软件( 通讯协议) 进行选择和研究。同时还 必须考虑采用一种以上的采集传输手段互为冗余1 3 0 l ，确保数据传输的畅通。现有的大坝 监测系统一般采用分级的管理模式，分为三级管理，如图2 6 所示。各级管理之间的数 据采集传输需研究解决的问题如下： 1 从传感器( s e n s o r ) 到外围测量单元( p e 血l h e r a lm e a s u r e l n e n tu n i t ) 之间的信号 传输，距离一般小于1 0 0 m ，这些信号有模拟量，频率量或开关量，有选用不同的传感 器所决定，应在传感器选型中进行研究。 2 从外围测量单元( p m u ) 到现场工程安全监控主站( a e a lc o n t m ls t a t i o n ) 之间的 数据传输，距离一般不超过1 0 0 0 m ，他们之间的数据传输主要决定于p m u 模型。如美 国s i n o 公司采用i d ab u s ，g e o m a t i o n 公司多采用多站有线通讯( m a l t i d r o pw i r e l i n e ) 与c c i t l v 2 3 兼容的调制解调器( m o d e m ) ，其他公司大都采用e i ar s 一2 3 2 c ，r s 一4 2 2 ， r s - 4 8 5 等多种类型的通讯接口和实时多任务操作系统软件。 3 从现场工程安全监控主站( a c s ) 到枢纽运行管理中心( l o c a ls a f e t yc o m r l ) 之间的数据传输，距离一般不超过5 0 0 0 m ，它们之间实质上是微机与微机之间的网络通 讯，一般采用微机网络通讯电缆或光纤进行数据传输。 4 枢纽运行管理控制中心( l s c c ) 与技术支持中心之间( t e c h n i c a ls u p p o n j n g c e n t e r ) ，直线距离一般在5 0 0 k m 之间，现有的方式以卫星数据传输系统为主，并以其 他数据通讯系统为辅的互为冗余的方案，确保数据传输的可靠与畅通。 从上文的分析可知，现有的大坝监测系统数据采集传输网络从传感器到外国测量单 元、外围测量单元到监控中心、现场工程安全监控主站( a c s ) 到枢纽运行管理中心都 是采用有线的方式传输，系统的扩展性、维护性有不足之处。另外，对于监测现场与远 距离监控中心之间的卫星通信方式在成本和使用的便捷性上也有不足。因此，本文从大 坝监测数据采集与传输的角度提出建立基于z i g b e e 的w s n 结合g p r s 的水库大坝监测 数据采集传输系统。可考虑做为现有大坝监测系统监测数据采集传输网络的改进或冗余 方案。 2 3 2w s n 基本组网模式 图2 7 给出了一种典型的传感器网络的结构。这个网络由传感器节点、接收发送器 ( s i n k ) 、i n t e m e c 或通信卫星、任务管理节点等部分构成传感器节点散布在指定的感知区 域内，每个节点都可以收集数据，并通过“多跳”路由方式把数据传送到s i n k ，s i n k 也可 以用同样的方式将信息发送给各节点。 河海大学硕士学位