（计算机应用技术专业论文）基于wpan的矿井移动目标监控系统通信协议的研究与应用.pdf

基于w p a n 的矿井移动目标监控系统通信协议的研究与应用 摘要 移动目标监控是煤矿安全监控系统的重要组成部分，具有实时性、离散性 等特点。矿井下的机电设备分为固定设备和移动设备两种，对于移动设备的安 全监控与管理需要借助无线通信的手段来实现。矿井移动通信系统为井下移动 目标的监控提供了一个可行的解决方案。井下移动通信系统采用动力载波、漏 泄通信、感应通信等方式解决井下流动人员和移动设备的监控问题，系统通信 方式和通信架构的选择与设计是实现监控功能的基础和关键。 文章研究了基于c a n + w p a n 技术实现井下移动目标监控功能的整体通信 架构，深入分析了井下移动通信系统的特征，对比其他移动通信系统，得出采 用现场总线与无线通信技术解决移动监控问题的特点与优势。 设计新型的网关式移动目标监控系统的应用模型，对比其他无线通信到有 线通信方式的优缺点，解决w p a n 到现场总线( c a n ) 的通信问题。并将 c a n + w p a n 的移动通信架构应用于井下机车监控系统，采用模块化设计方法， 对b s ( 无线基站) 与s d r ( s h o r td i s t a n c er a d i o 短距离无线通信设备) 进行设 计，确定嵌入式软件与硬件的设计思想。 对系统中存在的通信类型和信息类型进行分类：设计无线通信节点，移植 8 0 2 1 5 4 协议栈和c a n 协议栈，开发8 0 2 1 5 4 - c a n 协议转换应用层模块。设 计监控系统的定位和管理方式进行，确定系统内部信息的临时路由方式，设计 系统的优化方案，解决内部信息冗余、冲突问题。 通信体系结构的选取是实现井下移动目标监控的关键因素，采用现场总线 ( c a n ) 与w p a n8 0 2 1 5 4 相融合的通信架构具有实时、准确、安全等特点，目 前该模型已应用到实际工程项目中，取得了良好的应用效果。 关键词：无线通信，现场总线，监控系统，i e e e s 0 2 1 5 4 ，w p a n a p p l i c a t i o na n d r e s e a r c ho fc o m m u n i c a t i o n s p r o t o c o lo fm o t i v eo b j e c t - s u p e r v i s e ds y s t e mi nc o a l m i n eb a s e do nw p a n a b s t r a c t i ti si m p o r t a n tt os a f ea n de f f i c i e n ts u p e r v i s i o no fm o t i v e0 b j e c ti nc o a lm i n e s e c u r i t ys y s t e m ，i th a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fd i s c r e t ea n dr e a lt i m e t h e r ei s t w o t y p eo ff i x t u r ei nc o a lm i n ew h i c hi sf i x e d a n dm o t i v e ，w i t ht h em e a s u r eo f w i r e l e s st e c h n o l o g y ，w ec a na c h i e v et h em a n a g e m e n to ft h em o t i v ee q u i p m e n t ， m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mi nc o a lm i n ep r o v i d e saf e a s i b l ep r o g r a mf o r m o t i v e0 b j e c t - s u p e r v i s i o n t h em o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mc a d r e s o l v et h e m o t i v e0 b j e c t s u p e r v i s i o nw i t ht h el e a k ya n di n d u c t i v ec o m m u n i c a t i o n ，t h ef r a m e a n ds e l e c t i o no ff r a m e w o r ka n dm o d eo fc o m m u n i c a t i o ni sc r i t i c a lf o rs a f ea n d e f f i c i e n ts u p e r v i s i o n t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e st h ef r a m e w o r ko ft h es u p e r v i s i o no fm o t i v e0 b j e c ti n c o a lm i n ew i t hc a na n dw p a nw i r e l e s st e c h n o l o g y ，a n a l y z e st h ec h a r a c t e r i s t i c s o fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m i nc o a l m i n e ，c o m p a r i n g o t h e rm o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，e d u c et h ea d v a n t a g eo ft h em o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m u s i n gc a n a n dw p a nw i r e l e s st e c h n o l o g y w ep u tf o r w a r dan e wa p p l i c a t i o nm o d e lw h i c hu s ec a na n dw i r e l e s sn e t w o r k i nw h o l e ，c o m p a r i n gt h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo fo t h e rc o m m u n i c a t i o nm o d e ， r e s o l v et h ec o m m u n i c a t i o nm e t h o df r o mw p a nt oc a n ，p u tt h ec o m m u n i c a t i o n f r a m e w o r ko fc a na n dw p a ni n t op r a c t i c e ，m e a s u r i n gt h es y s t e mo f fs o m e f u n c t i o nm o d u l eb ym o d e l i n gd e s i g nm e t h o d ，c o n t r i v et h ew m s r sb sa n ds h o r t d i s t a n c er a d i o ，e m b e d d e ds o f t w a r ea n dh a r d w a r e s o r t i n gt h ei n f o r m a t i o na n dc o m m u n i c a t i o nt y p e i nt h es y s t e m ，d e v i s et h e w i r e l e s s n o d e ，t r a n s p l a n t t h e l e e e 8 0 2 1 5 4a n dc a np r o t o c o l ，e m p o l d e r a p p l i c a t i o nm o d u l eo fc o n v e r s i o nf r o mi e e e 8 0 2 1 5 4t oc a np r o t o c 0 1 d e v i s e t h el o c a t i o na n ds u p e r v i s em o d eo ft h i ss y s t e m ，r o u t i n gm e t h o do ft h ei n f o r m a t i o n i nt h es y s t e m ，r e s o l v er e d u n d a n c ya n dc o l l i s i o n i ti si m p o r t a n tt os e l e c tf r a m e w o r ko fc o m m u n i c a t i o nf o rs u p e r v i s i o no fm o t i v e o b j e c ti nc o a lm i n e ，t h ef r a m e w o r ko fc o m m u n i c a t i o nw h i c hu s ec a na n d w i r e l e s sn e t w o r ki nw h o l eh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g h e rs e c u r i t ya n d p r e c i s i o n ，t h em o d e li sa p p l i e di nt h ea c t u a lp r o j e c ta n d o b t a i n e dg o o de f f e c t k e yw o r d s ：w i r e l e s sn e t w o r k ，c a n ，w p a n ，i e e e 8 0 2 1 5 4 ，e n g i n e s u p e r v i s e d s y s t e m v i 插图清单 图2 1c a n 节点的分层结构7 图2 - 2 c a n 数据帧格式8 图2 3c a n 错误帧格式9 图2 - 4c a n 过载帧格式9 图2 5w p a n 技术的比较。1 1 图2 - 6w p a n 和w l a n 的网络示意l l 图2 7i e e e 8 0 2 1 5 4 的分层参考模型1 3 图2 8m a c 帧结构1 6 图3 一l 各种无线通信技术的比较2 3 图3 28 0 2 1 5 4 与蓝牙的比较2 3 图3 - 3 部分现场总线比较2 5 图4 - 1 系统框架结构3 0 图4 2 上位机界面3 l 图4 3 车载信号机结构3 2 图4 - 4 固定信号机结构。3 3 图4 5 系统原理固3 3 图4 - 6 系统硬件结构3 5 图4 7 车载信号机硬件设计3 6 图4 - 8 射频模块接口3 7 图4 - 9 系统软件设计思想3 9 图4 1 0 主程序流程4 0 图4 1 l 系统软件设计4 2 图4 1 2 无线通信软件流程。4 3 图4 1 3 系统软件流程图4 4 图5 1 帧类型与帧格式4 8 图5 2m a c 帧格式4 9 图5 3c a n 数据帧结构。4 9 图5 - 4 协议转换示意图：5 0 图5 5 系统逻辑通道图5 l - x 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得金胆王业塞堂 或其他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己在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签字：累堤签字日期：2 1 年6 月f 矿日 - i l l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金醒工些态堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 金胆王些太堂可以将学位论文的全部或部分论文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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： 拿眨 导师签名： 签字日期： j 1 年6 月i r 1 3 签字日期：年月 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： - i v 电话： 邮编： 致谢 岁月如歌，光阴似箭，三年的研究生生活即将结束经历了找工作的喧嚣 与坎坷，我深深体会到了写作论文时的那份宁静与思考。回首三年的求学历程， 对那些引导我、帮助我、激励我的人，我心中充满了感激。 我首先要感谢的是我的导师韩江洪教授。论文定题到写作定稿，倾注了韩 老师大量的心血。在我攻读研究生期间，深深受益于韩老师的关心、爱护和谆 谆教导。他作为老师，点拨迷津，让人如沐春风；作为长辈，关怀备至，让人 感念至深。能师从韩老师，我为自己感到庆幸。韩老师作为学者的严谨、作为 长者的宽厚对我产生了很大的影响。我清楚地记得，入学之初见韩老师，他就 把做人做事做学问的态度告诉我们；自己在论文写作过程中遇到不少问题，正 是在韩老师的指导下，突破了这些难关，在此谨向韩老师表示我最诚挚的敬 意和感谢! 我还要感谢张利老师这三年来对我的督促和教诲，自己在研究生期间经历 过彷徨和困惑，张老师在百忙之中抽出时间对我进行教育，她的谆谆教导让我 迷途知返，投身于项目中去，如果没有张老师的苦口婆心，也就不会有我现在 的成绩，在此要向张老师深情地说一声：张老师，您辛苦了! 衷心的感谢三年来支持和培养我的分布式控制实验室的张维勇老师、张建 军老师、史久根老师、刘国田老师、魏振春老师、王跃飞老师、毕翔老师，他 们三年来无论在生活上还是在学习上都给了我很大的支持和鼓励，使我得以顺 利完成硕士研究生阶段的学习。感谢分布式控制实验室所有的同学在我工作和 学习期间给我很大的指导和帮助。 此外，在整个论文的写作过程中，我还受到了穆远祥、李正荣、张亚琼、 王超等同学的帮助，在此，一并对他们表示感谢。 作者：宋颂 2 0 0 7 年5 月 i 1 课题研究背景 第一章绪论 随着我国煤炭事业的发展，利用信息技术改造传统的煤炭工业，已 受到煤炭企业各级组织的高度重视。高产高效煤矿对生产过程监控、 全矿井生产安全环境监测、生产过程信息综合利用等方面的网络化、 自动化和智能化提出了更高的要求，利用电子信息技术改造传统的煤 炭行业，实现矿井生产数字化、网络化、管控一体化是必然的趋势【1 】。 与此同时，作为煤矿安全生产的薄弱环节一一矿井移动通信近年 来受到专家的普遍关注，目前现有的矿井移动通信系统主要有语音通 信和数据通信两种，语音通信主要通过载波电话、p i i s ( 无线公话系统) 实时上报移动目标的各种信息，但由于其音质、音量较差，缺乏智能 化，难以大量使用；数据通信主要有透地通信系统、感应通信系统和 漏泄通信系统等。透地通信系统适用于调度和救灾辅助通信系统；感 应通信系统成本低，设备简单，但信号传输的距离较近；漏泄通信只 能利用中继站实现远距离通信现有的漏泄通信系统为频分多路复用 模拟通信，复用路数少，仅能作为有线调度通信系统的补充，可靠性 低，不能作为全矿井移动通信系统【2 】 上述几种井下移动通信系统存在的问题较多，抗干扰性能不好， 背景噪声大，且系统对使用环境的适应性较差。因此，为了保障系统 安全运行和良好的通信性能保障，全新的井下移动通信系统有待于进 一步改善和提高，实现价格低、结构合理、功能完善、实际使用效果 好且方便的矿井移动通信形式还需不断探索【3 】。 1 2 矿井移动通信系统的发展与现状 矿井移动通信系统是解决井下流动人员和移动设备监控的基础， 为煤矿运输系统的生产和安全提供了可靠的保证作用。它可提高生产 调度科学管理水平，增强矿井安全生产因素，减少运输系统故障处理 时间。 矿井移动通信系统是指对煤矿井下移动目标( 人员、电机车等) 的 运行状态进行检测，用计算机对采集的数据进行分析处理，对移动目 标的行为进行控制的一种系统。实现矿井移动目标监控，能加快移动 目标的周转，减少岗位人员，对于提高现代矿井自动化程度，提高劳 动生产率，加强安全防护等有着非常重要的意义，同时可为矿井带来 显著的经济效益和社会效益【4 】。 国外的矿井移动通信系统主要有：比利时国立采矿研究院的德洛 涅通信系统，该系统中有两种模式，一种为单线模式，另一种为同轴 模式，这两种模式同时运用相互转换。在同轴电缆线上加入模式转换 器，控制电磁波的辐射方向，使其能量覆盖巷道空间，实现无线电通 信。这个系统技术要求高，维护、使用较为复杂，且一次性装备费用 大、电缆投资高；澳大利亚开发的p e d ( p e r s o n a le m e r g e n c yd e v i c e ) 个人寻呼系统和加拿大c a n a r y 系统属于透地通信系统，系统的信息输 入装置、发射机和发射天线都置于地面，当井下发生灾变时，不会影 响系统正常工作，系统可靠性高，但存在信道容量小、单向通信、电 磁干扰大、应用范围受限制、施工难度大等问题；匈牙利机车监控系统 及加拿大森透里昂机车监控系统，两系统主要特点是主站带多个分站 控制结构以及采用微波和红外传感方式，尽管技术较为先进，但在国内 应用不理想，主要原因是现场环境恶劣，传感器受电干扰影响及机械 损坏较高，造成一点故障而影响局部甚至系统正常运行【5 】。 国内的矿井移动通信系统主要有；1 ) 语音通信系统：k t g h p 型 感应通信系统可覆盖煤矿井下，能解决流动人员或移动设备的通信问 题，但通信杂音大，通信质量差，推广应用不多；2 ) 数据通信系统：煤 炭科学研究总院k t 6 型漏泄通信系统、k d l t l 、k t 6 一a 等多种漏泄通 信系统，可实现信息的综合化传输，监测监控系统的数据、移动通信 的视频图像可在同一个漏泄信道中传输；k t l 4 型矿井蜂窝状全双工移 动通信系统，是将地面蜂窝移动通信技术移植到煤矿井下，用微小区 的概念来将井下巷道进行划分，每个微小区设一无线收发信机，各收 发信机由地面一个专用交换机控制。 上述几种系统都存在如下问题： ( 1 ) 系统频带效率较低，通信距离受限，抗干扰性较差，信息基本上是 单向流动，开放性差，各种移动通信系统功能过于单一，兼容性较差。 【6 】。 ( 2 ) 所采集的各种生产、安全、设备等信息多数只用于记录、显示。并 未得到充分的利用和增值，不能提供决策支持。 ( 3 ) 系统中的设备成本高、维护困难、抗干扰能力差，实时性、准确性 方面有待改善。 i 3 课题概述 本课题来源是安徽省十五二期科技攻关项目矿井安全生产数字 化控制平台。矿井安全生产数字化平台是针对目前煤矿生产安全的严 峻形势，在分析煤矿企业安全系统的现状以及存在的问题后，提出的 新一代的安全数字矿井控制系统。它是结合自动化控制、计算机和网 络通信等新理论、新技术，将煤矿井下生产环境安全、生产设备安全、 生产过程安全，以及数字视频监测一体化的监控系统，并通过监控信 息管理来实现安全及生产信息的深度融合和利用，从而实现矿井生产 管控一体化【7 】。 为了更合理的实现井上井下实时信息沟通、安全预防和安全检查 监督，在分析了煤矿井下移动通信系统管控一体化的现状以及存在的 问题的基础上，提出了一种以c a n + w p a n 为总体架构的矿井移动通信 系统的应用模型，并将该模型实例化，研究开发了一种基于无线技术 ( w p a n ) 和现场总线( c a n ) 技术的网关式机车运输监控系统，本系统是 在原有的合肥工大k j l 5 a 矿井机车运输监控系统的基础上改进而成， 是将煤矿井下无线技术与现场总线技术一体化的监控系统，可实现井 下机车信息管理、机车实时监控、机车自动预警提示、岔道信号灯管 理等功能，改进后的系统在信息层更具安全性、实时性、准确性，各 模块的功耗较低，本安、防爆，更适用于井下电磁干扰太的环境。 1 4 论文安排 第一章绪论。介绍本课题的来源与研究的背景，矿井移动通信系 统的现状以及课题概述。 第二章介绍现场总线控制系统，重点阐述了c a n 总线协议和 i e e e 8 0 2 1 5 4 协议。 第三章对系统通信架构进行阐述，介绍了系统采用的各种通信 协议，提出了本课题所采用的c a n + w p a n 的架构，分析了这种架构与 其它系统的区别与优势，最后给出c a n 总线和w p a n 集成的技术。 第四章描述了机车运输监控系统的框架结构，分析了监控系统 的功能；阐述了系统中各模块的硬件与软件的设计；给出了监控系统 的整体解决方案，以及软件编译和测试的环境与结果。 第五章阐述了系统网络应用层的详细设计，给出系统应用层数据的 具体设计方案，同时介绍了系统内部协议间的转换，以及系统路由通 道的设计方法。 第六章总结全文的工作，并提出进一步的研究内容。 1 5 本章小结 本章在对课题所研究的背景、矿井移动通信系统进行介绍的基础 上，对课题研究内容进行概述，并罗列出论文的章节安排。 第二章现场总线控制系统与w p a n 技术 2 1 现场总线控制系统 现场总线控制是工业设备自动化控制的一种计算机局域网络【8 】。 它是依靠具有检测、控制、通信能力的微处理芯片，数字化仪表( 设 备) 在现场实现彻底分散控制，并以这些现场分散的测量，控制设备 单个点作为网络节点，将这些点以总线形式连接起来，形成一个现场 总线控制系统。它是属于最底层的网络系统，是网络集成式全分布控 制系统，它将原来集散型的d c s 系统现场控制机的功能，全部分散在 各个网络节点处。为此，可以将原来封闭、专用的系统变成开放、标 准的系统。使得不同制造商的产品可以互连，是d c s 系统的更新换代， 大大简化系统结构，降低成本，更好满足了实事性要求，提高了系统 运行的可靠性。不同通信协议的现场总线控制系统一般通过工业p c 机 内总线插槽的p c 接口板与现场总线网段连接。 现场总线控制系统具有如下特点【9 】： i ) 实时性：具有较高的数据传输速率，合理分配总线资源，每个节 点均能够及时收发信息。 2 ) 互操作性实现互联设备间、设备间的信息传送与沟通。 3 ) 开放性：现场总线的初衷是建立统一的底层网络的开放系统。 4 ) 智能化：现场设备的智能化与功能自治性。 5 ) 安全性：现场总线需要具有本质安全性。 6 ) 可靠性：现场总线需要解决适应工业现场的网络生存性。 2 2c a n 总线技术 2 2 ic a n 总线技术概述 控制器局域网( c a n - c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 是b o s c h 公司推出 的一种多主机局部网，属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式 控制或实时控制的串行通信网络，c a n 的应用范围遍及高速网络到低 成本的多线路网络【1 0 】。由于c a n 总线本身的特点，其应用范围目 前己不再局限于汽车行业，而扩展到了机械工业、纺织机械、农用机 械、机器人、医疗器械等领域发展。c a n 己经形成国际标准，并已被公 认为几种最有前途的现场总线之一。以下为c a n 总线的发展历程【l l 】： ( 1 ) 1 9 8 6 年，b o s c h 公司在汽车工程协会大会上介绍了c a n 控制器 局域网。 ( 2 ) 1 9 8 7 年，i n t e l 公司推出了首枚c a n 控制器芯片。 ( 3 ) 1 9 9 2 年，c i a ( 自动控制中的c a n ) 用户组织正式成立。 ( 4 ) 1 9 9 3 年，c a n 的i s o1 1 8 9 8 标准出台。 ( 5 ) 1 9 9 5 年，c a n 的i s o1 l5 1 9 标准定义了数据传输过程中的错误处 理方式。 2 2 2c a n 总线的技术特点 由于采用了许多新技术及独特的设计，c a n 总线与一般的通信总线 相比，它的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。其特点可 概括如下【1 2 】： 1 c a n 是到目前为止唯一有国际标准的现场总线。 2 c a n 为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向 网络上其他节点发送信息，而不分主从。 3 报文标识符上，c a n 上的节点分成不同的优先级，可满足不同的实 时要求，优先级高的数据最多可在1 3 4 p s 内得到传输。 4 c a n 采用非破坏总线仲裁技术。当多个节点同时向总线发送信息出 现冲突时，优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节 点可不受影响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。 尤其是在网络负载很重的情况下，也不会出现网络瘫痪情况( 以太网则 可能) 。 5 c a n 节点只需通过对报文的标识符滤波即可实现点对点、一点对多 点及全局广播等几种方式传送接收数据 6 c a n 的直接通信距离最远可达1 0 k i n ( 速率5 k b p s 以下) ：通信速率最 高可达l m b p s ( 此时通信距离最长为4 0 m ) 7 c a n 上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达1 1 0 个。在 标准帧报文标识符有1 1 位，而在扩展帧的报文标识符( 2 9 位) 的个数几 乎不受限制。 8 报文采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，保证了数据出错 率极低。 9 c a n 的每帧信息都有c r c 校验及其他检错措施，具有极好的检错 效果。 1 0 c a n 的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。 1 1 c a n 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上 其他节点的操作不受影响。 2 2 3c a n 的分层结构 c a n 节点的分层结构( l a y e r e ds t r u c t u r eo dac a nn o d e ) ，如图2 1 所示 应用层 对象层 一报文滤波 一报文和状态的处理 传输层 一故障届定 一错误检测和标定 一报文校验 一应答 一仲裁 - 报文分帧 一传输速率和定时 物理层 信号电平和位表示 一传输媒体 图2 - 1c a n 节点的分层结构 物理层定义实际信号的传输方法，定义了位定时、位编解码、同步 等通信规则，但未定义驱动器和接收器特性，以便允许根据具体应用， 对发送媒体和信号电乎进行优化。 传输层是c a n 协议的核心。它把接收到的报文提供给对象层，以 及接收来自对象层的报文。传输层负责位定时及同步、报文分帧、仲 裁、应答、错误检测和标定、故障界定【1 3 】。 对象层的功能是报文滤波以及状态和报文的处理，作用范围包括： 查找被发送的报文，确定由实际要使用的传输层接收哪一个报文，为应 用层相关硬件提供接口。 2 2 4c a n 帧结构 报文传输由以下4 个不同的帧类型所表示和控制【1 3 】： 一数据帧：数据帧携带数据从发送器至接收器。 一远程帧：总线单元发出远程帧，请求发送具有同一识别符的数据帧。 一错误帧：任何单元检测到一总线错误就发出错误帧。 一过载帧：过载帧用以在先行的和后续的数据帧( 或远程帧) 之间提 供一附加的延时。 数据帧( 或远程帧) 通过帧间空间与前述的各帧分开。 ( 1 ) 数据帧 数据帧由7 个不同的位场组成：帧起始、仲裁场、控制场、数据 场、c r c 场、应答场、帧结尾。数据场的长度可以为0 ，如图2 - 2 所示。 数据帧 il 仲裁域l 控制域l 数据域 lc r c 域i1 或过载帧 图2 - 2c a n 数据帧格式 1 ) 帧起始：它标志数据帧和远程帧的起始，由一个单独的“显性”位 组成。只在总线空闲时，才允许站开始发送( 信号) 。所有的站必须 同步于首先开始发送信息的站的帧起始前沿。 2 ) 仲裁场：仲裁场包括识别符和远程发送请求位( r t r ) 。识别符的长 度为1 1 位。这些位的发送顺序是从i d 1 0 到i d 0 。最低位是i d 0 。 最高的7 位( i d 1 0 到i d 4 ) 必须不能全是“隐性”。r t r 位在数据 帧里必须为“显性”，而在远程帧里必须为“隐性”。 3 ) 控制场：控制场由6 个位组成，包括数据长度代码和两个将来作为 扩展用的保留位。所发送的保留位必须为“显性”。接收器接收所有由 “显性”和“隐性”组合在一起的位。数据长度代码指示了数据场中 字节数量。数据长度代码为4 个位，在控制场里被发送。 4 ) 数据场：数据场由数据帧中的发送数据组成。它可以为0 r 8 个字 节，每字节包含了8 个位，首先发送i i s b 。 c r c 场：c r c 场包括c r c 序列( c r cs e q u e n c e ) ，其后是c r c 界 定符( c r cd e l i m i t e r ) 。 ( 2 ) 远程帧 通过发送远程帧，作为某数据接收器的站通过其资源节点对不同 的数据传送进行初始化设置。远程帧由6 个不同的位场组成：帧起始、 仲裁场、控制场、c r c 场、应答场、帧末尾。与数据帧相反，远程帧 的r t r 位是“隐性”的。它没有数据场，数据长度代码的数值是不受 制约的。此数值是相应于数据帧的数据长度代码。r t r 位的极性表示 了所发送的帧是一数据帧( r t r 位“显性”) 还是一远程帧( r t r “隐 性”) 。 ( 3 ) 错误帧 任何节点检测到总线错误就于下一位开始发送错误帧，通知发送端 停止发送。错误帧格式如图2 3 所示，由错误标志和错误定界符组成。 图2 - 3c a n 错误帧格式 ( 4 ) 过载帧 当接收器内部原因要求发下一个数据帧或远程帧时，向总线发出过 载帧。过载帧格式如图2 - 4 所示，由过载标志和过载界定符组成。 图2 - 4c a n 过载帧格式 2 3w p a n 技术 2 3 1w p a n 技术概述 继无线局域网( w l a n ) 和无线城域网( w m a n ) 之后，便携式技术产 品的发展和应用需求的迅速增长，促进了新的无线个域网( w p a n ) 的诞 生，无线个人局域网( w p a n ) 是一种采用无线连接的个人局域网。它 被用在诸如电话、计算机、附属设备以及小范围( 个人局域网的工作 范围一般是在l o 米以内) 内的数字助理设备之间的通讯。支持无线个 人局域网的技术包括：蓝牙、z i g b e e 、超频波段( u w b ) 、i r d a 、h o m e r f 等，其中蓝牙技术在无线个人局域网中使用的最广泛。每一项技术只 有被用于特定的用途、应用程序或领域才能发挥最佳的作用。此外， 虽然在某些方面，有些技术被认为是在无线个人局域网空间中相互竞 争的，但是他们常常相互之间又是互补的【1 5 】。 美国电子与电器工程师协会( i e e e ) 8 0 2 15 工作组是对无线个人 局域网做出定义说明的机构。除了基于蓝牙技术的8 0 2 1 5 之外，i e e e 还推荐了其他两个类型：低频率的8 0 2 1 5 4 ( t g 4 ，也被称为z i g b e e ) 和高频率的8 0 2 1 5 3 ( t g 3 ，也被称为超波段或u w b ) 。t g 4z i g b e e 针 对低电压和低成本家庭控制方案提供2 0k b p s 或2 5 0k b p s 的数据传输 速度，而t g 3u w b 则支持用于多媒体的介于2 0m b p s 和1 g b p s 之间的 数据传输速度【1 4 】。 在下列表格中，在i e e e8 0 2 15 中被详细列明的w p a n 技术特征被 做了比较，如图2 5 所示： 参b l u c t o o t h ( i e eu w b z i g b e e 数 e 8 0 2 1 5 4 ) o e e e 8 0 2 1 5 3 )( i e e e s 0 2 1 5 4 ) 。多媒体内吞传 计算机和服输 输家庭内部控制 应 设备高清晰度雷达建筑物自动化 有计算功能和 地面穿透雷达i 业自动化 用 配备其他设备无线传感嚣网家庭安全 的计算机络 医疗监控 无线定位系统 频8 6 8 m h z 蛊 2 4 2 4 8 g h z3 1 一l o 6 g h z+ 9 0 2 - 9 2 8 m h z 段 2 4 2 4 8 g h z 上 作 1 0 米内l o 米内i o o 米内 范 用 最大数 2 0 k b p s 据传输3 m b p s 1 g b p s4 0 k b p s 速度 2 5 0 k b p s 图2 - 5w p a n 技术的比较 在网络构成上，w p a n 位于8 0 2 1 1 的末端( 如图2 - 6 所示) ，它是 基于计算机通信的专用网【1 6 】，但有别于w l a n ，因为它工作在个人 操作环境，需要相互通信的装置构成一个网络，而无需任何中央管理 装置。这种专用网最重要的特性是，固定拓扑以适应网络节点的移动 性。其优点是：按需建网、容错、连接不受限制：一种装置用做主控， 其他装置作为从属装置：系统适合运行图像、m p 3 和视频剪辑等多种 类型的文件。 图2 - 6 w p a n 和w l a n 的网络示意 任何w p a n 系统都由下列4 个层面构成： 1 ) 应用软件和程序。该层面由驻留在主机上的软件模块组成， 控制w p a n 模块的运行。 2 ) 固件和软件栈。这个层面管理链接的建立，并规定和执行 q o s 要求。这个层面的功能常常在固件和软件中实现。 3 ) 基带装置。它负责数据传送所需的数字数据处理，其中包 括编码、封包、检错和纠错。基带还定义装置运行的状态，并与 主控制器接口( h c i ) 交互作用。 4 ) 无线电。无线电链接经d a ( 数一模) 和a d ( 模一数) 变换处 理的所有输入输出数据。它接收来自和到达基带的数据，并接收 来自和到达天线的模拟信号 w p a n 标准称为i e e e8 0 2 1 5 ，其中包括8 0 2 1 5 4 低速w p a n ， 8 0 2 15 3 高速w p a n ，8 0 2 1 5 3 a 超高速w p a n ，本课题使用的是8 0 2 15 4 低速w p a n 标准。 低速w p a n ( l r w p a n ) 是按照i e e e8 0 2 1 5 4 标准【1 7 】，为近距 离联网设计的。8 0 2 1 5 4 标准包括工业监控和组网、办公和家庭自动化 与控制、库存管理、人机接口装置以及无线传感器网络等。适用于工 业监测、办公和家庭自动化以及农作物监测等。在工业应用方面，主 要用于建立传感器网络、紧急状况监测、机器检测；在办公和家庭自 动化方面，用于提供无线办公解决方案，建立类似传感器的疲劳程度 监测系统，用无线替代有线连接v c r ( 盒式磁带像机) 、p c 外设、游 戏机、安全系统、照明和空调系统。 2 3 2i e e e 8 0 2 15 4 协议 2 3 2 1 概述 随着通信技术的迅速发展，人们提出了在自身附近几米范围之内通 信的需求，这样就出现了个人区域网络( p e r s o n a la r e an e t w o r k ，p a n ) 和无线个人区域网络( 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 p a n ) 的概念。 w p a n 网络为近距离范围内的设备建立无线连接，把几米到十几米范 围内的多个设备通过无线方式连接在一起，使它们可以相互通信甚至 接入l a n 或者i n t e r n e t 。 2 0 0 1 年8 月成立的z i g b e e 联盟就是一个帧对w p a n 网络而成立的 产业联盟【1 8 】。该联盟致力于近距离、低复杂度、低功耗、低数据 速率、低成本的无线网络技术的。他们开发出来的技术被称为z i g b e e 技术。这是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。主要用于 近距离无线连接。它采用了i e e e s 0 2 1 5 4 2 0 0 3 作为其底层的物理层和 数据链路层标准，并定义了z i g b e e 网络层、应用支持子层和应用层规 范。z i g b e e 联盟于2 0 0 5 年6 月2 7 公布了z i g b e es p e c i f i c a i t o nv e r s i o n 1 o 2 3 2 2i s o 分层结构 i e e e 8 0 2 1 5 4 作为z i g b e e 雕j 底层标准包括两个部分：物理层 ( p h y s i c a ll a y e r ，p h y ) 规范和媒体访问控制子层( m e d i u ma c c e s s c o n t r o ls u b l a y e r 。m a c 子层) 规范【1 9 】。如图2 - 7 所示为i e e e s 0 2 1 5 4 的分层参考模型 图2 7i e e e s 0 2 1 5 4 的分层参考模型 m a cc o m m o np a r ts u b l a y e r ：m a c 公共部分子层( m o p s ) ；m l m e ：m a c 层管t v 实体 p d ：p h y 数据；p l m e ：p h y 层管t 里实体；p i b ：p a n 信息数据库s a p ： 服务访问点 在图中，层与层之间通过服务访问点( s e r v i c ea c c e s sp o i n t 。s a p ) 连接。每一层都可以通过本层与其下层相连的s a p ，调用下层为其服 务提供的服务，同时通过其与上层相连的s a p 为上层提供服务。在调 用下层服务时，只需要遵循统一的原语规范，并不需要去了解下层如 何处理原语。这样就做到了数据层与层之间的透明传输。原语的定义 遵循。s a p 名称一原语功能原语类型”的规则，物理层和m a c 层向上 的接口都分为两类：数据s a p 和管理信息s a p 。由于数据与管理信息相 比带宽需求要大得多，专门为数据的处理提供一条独立的通道，有助 于提高网络传输的数据吞吐量。 ( 1 ) 物理层 i e e e 8 0 2 15 4 的物理层定义了物理信道和m a c 子层之间的接口， 提供物理层数据服务和物理层管理服务【2 0 】。物理层数据服务从无 线物理信道上收发数据，物理层管理服务维护一个物理层相关数据组 成的数据库。物理层各功能实体和s a p 的具体描述如下： p l m e ：p h y 层管理实体，处理与物理层管理相关的原语。 p h yp i b ：p h y 层p a n 信息数据库，存储物理层p a n 相关属性。 p d s a p ：p h y 数据服务访问点，物理层与m a c 层的数据接口。 接收将要发送的m a c 帧、向m a c 层报告收到的m a c 帧，为 m a c 层提供p h y 数据服务。 p l m e s a p ：p l m e 服务访问点，物理层与m a c 层的管理接口。 接收m a c 的管理请求原语，向m a c 层报告管理指示原语和确认 原语，为上层m a c 层提供p h y 管理服务。 r f s a p ：射频服务访问点，为p h y 层提供射频收发服务。 根据标准的定义，物理层实现了如下功能：激活关闭射频收发单元、 对当前信道进行能量检测( e n e r g yd e t e c t ，e d ) 、对收到的包进行链路质 量指示( l i n k q u a l i t yi n d i c a t i o n ，l q i ) 、接收发送数据、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 ) 等。 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