（计算机应用技术专业论文）基于zigbee技术的场景指纹定位的研究.pdf

摘要 摘要 随着计算机技术的发展以及人们在日常生活及生产工作等方面的需要，对 于人员或物品的定位服务显得越来越重要。本文的主要研究内容就是研究设计 一种更高定位精度、更低成本及功耗的定位方法并将该定位方法应用于实际的 生产生活中去。 基于i e e e8 0 2 1 5 4 标准的z i g b e e 技术是一种新兴的低成本、低功耗、低速 率的短距离的无线通信技术。随着z i g b e e 技术的发展，其被广泛地应用于智能 家庭、工业自动化、无人医疗护理等领域。而基于z i g b e e 技术的无线网络的定 位应用方面正越来越受到各方面的关注。 本文主要研究基于z i g b e e 技术的无线定位方法。主要的研究工作及研究成 果分为以下几个方面：首先，分析研究z i g b e e 网络的一些关键技术问题，研究 z i g b e e 网络的工作原理及工作过程；其次研究现有的一些定位方法，总结现有 的一些实用定位方法的特点，重点分析研究了基于信号强度测距法( r s s i ) 及 场景指纹法，并提出了融合该两种定位方法的一种混合定位法一s s 场景指 纹定位法；接着，研究设计了一个定位系统，利用c c 2 4 3 0 2 4 3 1 芯片模块设计 并实现了该定位系统的硬件模块，同时设计了定位系统中各类节点的软件；最 后，利用学校的实验室环境对以本文提出的混合定位方法实现的定位系统进行 实验测试。 通过本文的实验测试表明，本文提出的定位方法的定位系统基本上满足低 成本、低功耗及易于实现等定位系统的基本条件。同时，对全文的工作进行总 结，给出了不足之处并对未来的研究方向进行了展望。 关键词：z i g b e e 技术；定位；r s s i ；场景指纹 a b s t r a c t a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya r i dt h en e e d si np e o p l e sd a i l yl i f e a n dw o r ka n dp r o d u c t i o n , t h el o c a t i o ns e r v i c eo fh u m a na n dt h i n g sb e c o m e sm o r e i m p o r t a n t t h i sa r t i c l e ，sm a i nw o r k i st or e s e a r c ha n dd e s i g nal o c a t i o nm e t h o d ，h i g h e r l o c a t i o na c c u r a c y , l o w e rc o s ta n dp o w e rc o n s u m p t i o n , w h i c hc a nb eu s e di nt h er e a l l i f ea n dp r o d u c i t o n t h ez i g b e et e c h n o l o g yb a s e do nt h es t a n d a r do fi e e e8 0 2 15 4i san e w s h o r t d i s t a n c ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yw i 也t h ef e a t u r e s o fl o wc o s t ，p o w e r c o n s u m t p t i o na n ds p e e d a st h ed e v e l o p m e n to fz i g b e et e c h o n o l o g y , i th a sb e e nu s e d w i d e l yi nt h e s e a r e a so fi n t e l l i g e n t i z eh o u s e ，i n d u s t r y r o b o t i z a t i o n ，m e d i c a ln u r s e w i t h o u th u m a na n ds oo n a n dt h el o c a t i o na p p l i c a t i o nb a s e do nt h ez i g b e e sw i r e l e s s n e t w o r ki sg e t t i n gm o r ea t t e n t i o nf r o mm o r ea s p e c t s t h i sa r t i c l e ，sm a i nr e s a r c hw o r ki so nt h ew i r e l e s sl o c a t i o nm e t h o db a s e do nt h e z i g b e et e c h n o l o g y t h em a i nr e s e a r c hw o r da n da c h i e v e m e n ti s 弱f o l l o w s f i r s t l y ， a n a l y s ea n dd or e a s e r c ho nt h ek e ya s p e c t so ft h ez i g b e en e t w o r ka n dt h ez i g b e e n e t ，sw o r kp r o c e s sa n dp r i n c i p l e a tt h eo t h e rh a n d ，r e a s e r c ho ns o m ee x i s t i n gl o c a t i o n m e t h o e l s 趾ds u m m a r i z et h e s e sm e t h o d s sm a i nf e a t u r e s f o c u s i n go nt h em e t h o d b a s e do nt h er e c e i v e ds i g n e ds t r e n g t h - i d e n t i f i c a t i o n ( r s s i ) a n dt h es c e n ef i n g e r p r i n t m e t h o d ，a n dam i x e dl o c a t i o nm e t h o dc o m p r o m i s e dt h e s et w ol o c a t i o nm e t h o d n a m e d r s ss c e n ef i n g e r p r i n tl o c a t i o nm e t h o d t h e n ，r e s e a c h a n dd e s i g nal o c a t i o n s y s t e m ，u s i n gt h ec c 2 4 3 0 2 4 3 1c m o sc h i pm o d u l et or e a l i z et h el o c a t i o ns y s t e m s h a r d w a r em o d u l e ，a n dd e s i g nt h es y s t e m sk i n d so fn o d e s s o f t w a r e l a s t l y , d os o m e e x p e r i m e n tt e s t so nt h el o c a t i o ns y s t e mu s e dl o c a t i o nm e t h o di n v e n t e db y t h i sa r t i c l e i ns c h o o l sl a b o r a t o r y b vt h et h i sa r t i c l e ，se x p e r i m e n tt e s t s ，i ti n d i c a t e st h a tt h i sl o c a t i o nm e t h o db a s i c l y m e e t st h el o c a t i o ns y s t e m sb a s i cd e m a n d so fl o wc o s t , p o w e rc o n s u m p t i o n , a n db e i n g e a s i l yr e a l i z e d a t t h es a m et i m e ，s u m m a r i z et h i sa r t i c l e sw o r ka n dt a k es o m e d e f i c i e n c i e sa n dd os o m ep l a n so nt h ef u t u r er e a s a r c hw o r k k e yw o r d s ：z i g b c ct e c h n o l o g y ；l o c a t i o n ；r s s l ；s c e n ef i n g e r p r i n t 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 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 为获得直昌太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已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：苏；队签字日期：洲口年，月7 e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、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，允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全 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、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 豸，扒 、 导师签名： 签字日期：功f9 年1 月7e t签字日期： 乏寺色 砂0 年月7e l 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 近年来，随着无线网络的发展，各种类型的无线网络应用在国民生产、经 济、生活等各方面发挥着越来越重要的作用。 现在网络的影响力已经为所有人所认可，网络无处不在已经不仅成了人们的 希望，更成为一种必须。而无线网络凭着它的各方面的特点，越来越受到人们的关 注，越来越多的人开始接受并采用无线技术，不仅是在企业中，还包括家庭、公共 接入和嵌入式设备市场等。无线网络技术正在改变人们的种种观念，改变着人们 传统的工作学习和生活方式。不可否认，无线网络已经走上了迅速发展之路i lj 。 无线网络是一种特殊的a d h o e 网络【2 j ，与传统的网络相比，它是一种以数 据为中心的自组织无线网络。网络中的节点密集，数量巨大且部署在十分广泛 的区域；网络拓扑结构动态变化，网络具有自组织和自协调的特点。网络节点 具有成本低、体积小的特点，但是能量、计算能力、存储能力和通信能力都相 当有限。 目前无线通讯技术【3 , 4 , 5 】主要有无线局域网w i f i 、蓝牙b l u e t o o t h 、g p r s 等。 w i f i 也是一种无线通信协议，采用i e e e8 0 2 1 1 b 标准，主要目的是提供w l a n 接入，是目前w l a n 的主要技术标准，其工作频率是2 4 g h z 。1 9 9 8 年，爱立 信、诺基亚、i b m 等公司共同推出了蓝牙技术，主要用于通信和信息设备的无 线连接。它的工作频率为2 4 g h z ，有效范围大约在1 0 m 半径内。蓝牙技术列入 了i e e e8 0 2 1 5 1 ，规定了包括p h y , m a c ，网络和应用层等集成协议栈。为语音 和特定网络提供支持，需要协议栈提供2 5 0 k b 系统开销，从而增加了系统成本 和集成复杂性。另外，b l u e t o o t h 对每个”p i c o n e t ”( 微微网) 有只能配置7 个节点的 限制，制约了其在大型传感器网络开发中的应用。 随着各种应用的发展，各类型的无线网络也随着有了进一步的发展，而哪 一种类型的无线网络将成为主流的无线网络将是人们更为关注的问题之一。 而z i g b e e 技术【6 】作为一种专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速率的短 距离无线网络通信技术在消费性电子、家庭和建筑物自动化、工业控制、电脑 外设、医用传感器、玩具和游戏机等支持小范围的基于无线通信的控制和自动 第一章绪论 化等领域中有着其得天独厚的优势。 将z i g b e e 技术应用【7 8 】于定位方面是z i g b e e 技术应用的优势之一。定位应 用一直由于其定位环境的复杂性、成本高、难度大等原因而未有较多的相对应 用广泛的廉价的定位系统。 本文就z i g b e e 在无线定位这方面的优点进行研究，试图寻找一种基于 z i g b e e 技术的低成本、低复杂度的廉价的可以广泛应用的定位方法。 提供精确的定位服务可以在多方面改变人们的生产和生活活动，能够给社 会及世界带来更高的便捷性。在如机场、超市、矿井等各种环境中，人员或物 品的位置信息对管理员有着尤为重要的作用。将位置信息合理的组织并发送到 用户和位置信息处理中心，可以给用户提供各种信息，实现广泛的数字生活。 用户的位置信息和用户个人信息相结合，对于移动网络的规划、吞吐量平衡、 用户附近信息的寄存、无线电资源的控制和设计其他的附加功能都有着显著的 意义。精确的定位对于公共安全也有着重要的应用意义。 1 2 国内外研究现状 在室外定位方面，g p s l 9 】作为目前应用最为广泛的定位技术，其优势是卫星 有效覆盖范围大，且定位导航信号免费。缺点是定位信号到达地面时较弱，不 能穿透建筑物，而且定位器终端的成奉较高。 另一方面，室内定位技术上一些已有的定位系统上，都或多或少地存在着 一定的缺点。 m i c r o s o f t 公司开发的r a d 从室内定位系统提出了w a f 模型替代经验数据 来推断节点位置的方法并做了初步尝试，但其在节点的种类、大小和电源情况 等方面都受到制约。 作为最早的室内定位跟踪系统之一的a c t i v eb a d g e 系统因为使用了有线网 络，在一程度上限制了系统容量的扩充，同时由于红外信号的直线视距和传输 距离较短，房间中存在着一些死角，而红外接收机不能检测到，从而影响到了 系统定位的精度。 z i g b e e 技术作为无线定位【1 0 l 的一个重要定位技术之一国内外的研究机构 及公司都投入了重要的人力物力进行研究开发。值得一提的是z i g b e e 联盟的成 立，z i g b e e 联盟成立于2 0 0 1 年2 月到目前为止，除了l n v e n s y s 、三菱电子、摩 2 第一章绪论 托罗拉、三星和飞利浦等国际知名的大公司外，该联盟大约已经有百余家成员企 业，并在迅速发展壮大。其中涵盖了半导体生产商、p 服务提供商、消费类电子 厂商及o e m 厂商等，例如h o n e y w e l l 、e a t o n 和i n v e n s y sm e t e n n gs y s t e m s 等工业 控制和家用自动化公司，甚至还有像m a r e l 之类的玩具公司。所有这些公司都参 加了负责开发z i g b e e 物理和媒体控制层技术标准的i e e e 8 0 2 1 5 4 工作组。 虽然我国国内从事z i g b e e 定位技术研究的机构主要集中在科研院所和高 校，如西安交通大学从事的基于无线局域网的用户定位等，但近几年来我国在 该领域的研究也有了一些突破，例如我国的华为等公司也已加入了z i g b e e 联盟， 共同进行着z i g b e e 无线技术的开发研究，带领我们的研究机构及公司追赶 z i g b e e 无线网络应用开发这一新技术潮流。 1 3 研究内容及章节安排 本文将首先大概介绍下z i g b e e 技术的一些主要基本知识，接着介绍一些现 有的定位方法，并在这些定位方法的基础上提出本文的定位方法，然后研究基 于本文的定位方法上的定位系统的硬件设计及软件设计，并进行实验对系统进 行测试及分析，目标是实现较高精度、较低的成本、较低的功耗等优点的基于 z i g b e e 技术的定位系统。 本论文的内容安排具体如下： 第一章，绪论：介绍课题的研究背景及意义、国内外研究现状、研究内容 及章节安排。 第二章，z i g b e e 技术简介：探讨z i g b e e 网络的基本构架、z i g b e e 网络的网 络拓扑及组网过程，并对i e e e8 0 2 1 5 4 协议上的z i g b e e 构架上的各层分别进行 简单介绍，分析各层的组成部分及各个接口，同时对各层上传输的数据帧进行 分析，并总结各层在整个网络架构上所承担的工作。 第三章，定位方法：介绍几大类现有的定位方法，并且分别介绍各类中的 几种重要定位方法，重点介绍基于信号强度测距法( r s s i ) 及场景指纹法，并 用定位方法的评价标准分析评价各种定位方法；在此基础上，提出r s s 场景指 纹定位方法，介绍该方法的一些具体内容：该方法的定位场景的无线网络形成 过程，r s s 场景指纹法的主要过程，分析研究该方法中一些关键问题。 第四章，定位系统设计：介绍本文提出的定位系统的目标及系统的开发环 3 第一章绪论 境，详细介绍系统的硬件设计及软件设计。介绍硬件总体设计、芯片选择、以 及m c u 模块、r f i d 射频通信模块、串口通信模块等硬件上各个功能模块，重 点介绍微控制器m c u 模块的结构及功能。介绍系统软件的总体设计，接着介绍 软件设计的各个功能模块，重点介绍应用层的软件设计上的各类节点的软件设 计、坐标察看过程以及网关节点处理事件及分析加工数据的部分程序。 第五章，实验及实验结果分析：设计实验测试环境，并利用该实验测试环 境对本文设计的定位系统进行测试，分析实验数据并进行总结。 第六章，全文总结：对全文的定位方法及定位系统设计和实验等工作进行 总结，同时对未来的进一步研究方向提出展望。 4 第二章z i g b e e 技术简介 第二章z i g b e e 技术简介 z i g b e e 是i e e e8 0 2 1 5 4 1 协议的代名词，i e e e 8 0 2 1 5 4 是i e e e 确定的低 速率无线个人局域网标准。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的 无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂( b e e ) 是靠飞翔和k 嗡 嗡”( z i g ) 地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依 靠这这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、低功 耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入 各种设备，同时支持地理定位功能。 2 0 0 2 年1 2 月，美国电子和电气工程协会i e e e 成立了i e e e 8 0 2 1 5 4 组，致 力开发一种可以应用到固定，便携的移动设备上的，低成本，低功耗的低速率 的无线连接技术。2 0 0 1 年8 月，美国h o n e y w e l l 等公司发起了成立了z i g b e e 联盟【12 1 ，他们提出的z i g b e e 技术被确认为i e e e s 0 2 1 5 4 标准。2 0 0 2 年，摩托 罗拉，飞利浦和三菱等企业加盟z i g b e e 联盟，2 0 0 6 年中国的华为公司也加入了 该联盟，现在联盟内部有1 8 0 多个成员企业，包括软件供应商系统集成商和终 端产品商。2 0 0 3 年，i e e e 8 0 2 1 5 4 标准获得通过，并且在2 0 0 4 年1 2 月推出了 z i g b e e 技术规范1 0 版本。 2 1i e e e8 0 2 1 5 4 协议标准上建立的z i g b e e 堆栈架构 z i g b e e 堆栈1 1 3 】是在i e e e8 0 2 1 5 4 标准基础上建立的，定义了协议的m a c 和p h y 层。z i g b e e 设备应该包括i e e e 8 0 2 1 5 4 ( 该标准定义了i 讧射频以及与相 邻设备之间的通信) 的p h y 和m a c 层，以及z i g b e e 堆栈层：网络层( n w k ) 、 应用层和安全服务提供层，物理层及m a c 层之上的堆栈结构是z i g b e e 在i e e e 8 0 2 1 5 4 标准上根据实际应用需要定义的，并对其进行了标准化。图2 1 给出了 z i g b e e 堆栈的概况引。 第二章z i g b e e 技术简介 d a t a s 设备对象1设备对象2设备对象n o小旺川层u p l i c 砒1 。nl a y p e i d a t a 应川支持子层( a p p l i c a t i o ns u p p o r tl a y e r ) 0 n l d e - s a p 网络层( n w kn e t w o r kl a y e r ) 仆 go 管理s a p 8 0 2 1 5 4 标准上定义的物理层( p h y ) 及m a c 层( m a c l y p e r ) 图2 1z i g b e e 堆栈架构 z i g b e e 具有如下特点【| 5 1 ： ( 1 ) 数据传输速率低：只有1 0 k 字节秒到2 5 0 k 字节秒，专注于低传输应用。 ( 2 ) 功耗低：工作模式情况下，z i g b e e 技术传输速率低，传输数据量很小，因此信 号的收发时间很短，其次在非工作模式时，z i g b e e 节点处于休眠模式。由于工作 时间较短、收发信息功耗较低且采用了休眠模式，使得z i g b e e 节点非常省电。 ( 3 ) 成本低：z 追b e e 数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本，且免收专 利费。 ( 4 ) 网络容量大：z i g b e e 低速率、低功耗和短距离传输的特点使它非常适宜 支持简单器件。一个z i g b e e 的网络最多包括2 5 5 个z i g b e e 网路节点，其中一个 是主控( m a s t e r ) 设备，其余则是从属( s l a v e ) 设备。若是通过网络协调器( n e t w o r k c o o r d i n a t o r ) ，整个网络最多可以支持超过6 4 0 0 0 个z i g b e e 网路节点，再加上各个 n e t w o r kc o o r d i n a t o r 可互相连接，整个z i g b e e 网络节点的数目将十分可观。 ( 5 ) 时延短：通常时延都在1 5 毫秒至3 0 毫秒之间。 ( 6 ) 安全：z i g b e e 提供了数据完整性检查和鉴权功能，在数据传输中提供了三 级安全性。在数据转移中采用属于高级加密标准( a e s 1 2 8 ) 的对称密码。a e s 可 以用来保护数据净荷和防止攻击者冒充合法器件。 6 第二章z i g b e e 技术简介 ( 7 ) 有效范围小：有效覆盖范围为1 0 - - 7 5 米之间，具体依据实际发射功率的大小 和各种不同的应用。 2 2z i g b e e 胃络 2 2 1z i g e 霸瘩拓朴螭栩聂坦啊过程 z i 面技术具有强大的组网能力，可以形成星型、树型和m e s h 网状网， 可以根据实际项目需要来选择合适的网络结构。其中m e s h 网状网络拓扑结构 的网络具有强大的功能，网络可以通过“多级跳”的方式来通信；该拓扑结构还可 以组成极为复杂的网络；网络还具备自组织、自愈功能。奉文提出构建的z i g , b e e 无线网络就是基于m e s h 网状网络结构的。 图2 2 为z i e , b e e 的三种主要嘲络类型。 吊形网 树彤网 肋州n 点( )踏由，点( ) 终端点 蚓2 2 z i g b e e 二种网络类型 z i g b e e 所采用的是是自组织网通信方式。自组织网络中各个节点只要他们 彼此间在网络模块的通信范围内，通过彼此间的自动寻找，很快就能形成一个 互联互通的z i g b e e 无线网络。另一方面，由于在z i g b e e 无线网络里，节点经常 移动，各节点间的联络就会经常发生变化这时，采用自组织网通信方式，各 节点间就可以通过重新寻找通信对象，确定彼此间的联络，对原有网络进行刷 新，达到网络自组织的目的。因此，z i e , b e e 无线网络采用自组织网络通信方式 是根据其网络奉身的特点而制定的。其网络形成过程可分以下几个步骤： q 第二章z i g b e e 技术简介 协调节点建市网络，并设置参数进行网络初始化； 路由节点与协调节点或存在路由信息的路由节点通信，加入网络； 终端节点可以和协调节点，路由节点进行通信，并加入网络： 通信流量在默认情况下遵循树形结构选择路由； 如果路由节点有能力可以计算通向特定地址的最优路径，则将该路由信 息存储在路由表中进行备用。 2 2 2z i g b e e 主要网络设备 图2 2 中三种节点分别是：协调节点，每个z i g b e e 网络中必须有一个，用 于初始化网络信息；路由节点，具有路由功能，用于存储转发网络中的路由信 息；终端节点，普通节点，根据实用网络需要，携带各种不同信息。 z i g b e e 网络中涉及的设备主要有： 全功能设备f f d ( f u l lf u n c t i o nd e v i c e ) ，可以担任如图2 2 中所示的网络 中的协调节点，形成网络，让其他f f d 或精简设备r f d 连接成网络，f f d 具有 控制器的功能，可提供信息的双向传输。它附带了由标准所指定的所有8 0 2 1 5 4 协议的所有功能和特征，更多的存储器、计算能力可以使其在空闲的时候起到 网络路由的功能，可以用作路由节点，当然更能作为终端设备： 精简功能设备r f d ：只能从f f d 接收信息或给f f d 发送信息，附带有限 的功能来控制成本和复杂性，在网络中通常作为终端设备。 z i g b e e 相对简单的实现自然节省了费用，r f d 由于省掉了内存和其他电路， 降低了整个z i g b e e 网络的部件成本。 2 2 3z i g b e e 网络与其他无线网络的比较 目前无线通讯技术只要有无线局域网w i f i 、蓝牙b l u e t o o t h 、g p r s 等。w i f i 也是一种无线通信协议，采用i e e e8 0 2 1 l b 标准，主要目的是提供w l a n 接入， 是目前w l a n 的主要技术标准，其工作频率是2 4 0 h z 。1 9 9 8 年，爱立信、诺 基亚、i b m 等公司共同推出了蓝牙技术，主要用于通信和信息设备的无线连接。 它的工作频率为2 4 g h z ，有效范围大约在1 0 m 半径内。蓝牙技术列入了i e e e 8 0 2 1 5 1 ，规定了包括p h y , m a c ，网络和应用层等集成协议栈。为语音和特定网 络提供支持，需要协议栈提供2 5 0 l c b 系统开销，从而增加了系统成本和集成复 杂性。另外，b l u e t o o t h 对每个”p i c o n c t ”( 微微网) 有只能配置7 个节点的限制，制 s 第一二章z i g b e e 技术简介 约了其在大型传感器网络开发中的应用。 而z i g b e e 是采用数据帧的概念，每个无线帧包括了大量无线数据包，包含 了大量时间地址、命令、同步等信息，真正的数据信息只占很少部分，而这正 是z i g b e e 可以实现网络组织管理，实现高可靠传输的关键。同时，z i g b e e 采用 了m a c 技术和d s s s ( 直扩序列调制) 技术，能够实现高可靠，大规模网络传 输。 表2 1 从几方面列出了z i g b e e 网络与w i f i 及b l u e t o o t h 的主要区别【1 7 】 表2 1 三种无线网络的比较 网络名称 z i g b e ew i f ib l u e t o o t h 协议标准 8 0 2 1 5 48 0 2 11 a , b ，g8 0 2 1 5 1 应用监洲，控制w e b ，e - m a i l短距离少量信息传输 速率 5 0 到6 0 k b y t e s 1 m b y t e 2 5 0 k b y t e s 电池寿命1 0 0 至1 0 0 0 天1 至5 天一至7 大 网络人小 6 5 5 3 63 27 带宽( k b s ) 2 0 2 5 0 1 1 0 0 07 2 0 最人传输范同( m ) 1 0 0 +1 0 01 0 可靠性，低功耗，低成 优势高速率，高适应性低功耗，使片j 方便 本等 下面将重点介绍z i g b e e 网络各层的主要结构及工作过程。 2 3 应用层 如图2 1 所示，应用剧8 】主要包括两个部分：应用支持子层( a p s ) 及制造 商定义的应用设备对象，同时，更详细的分层还应该包括z i g b e e 设备管理平台 ( z d o ) 。 2 3 1 设备应用支持子层( a p s ) 应用支持子层给网络层和应用层通过z i g b e e 设备对象和制造商定义的应用 对象使用的一组服务提供了接口，该接口提供了z i g b e e 设备对象和制造商定义 的应用对象使用的一组服务。通过两个实体提供这些服务：数据服务和管理服 务。a p s 数据实体( a p s d e ) 通过与之连接的s a p ，即a p s d e s a p 提供数据传输 9 第二章z i g b e e 技术简介 服务。a p s 管理实体( a p s m e ) 通过与之连接的s a p ，即a p s m e s a p 提供管理 服务，并且维护一个管理实体数据库，即a p s 信息库( n i b ) 。 应用支持子层为上层实体( n h l e ) 与网络层提供了一个接口。a p s 层理论 上包含一个管理实体称为a p s 层，管理实体( a p s m e ) 。这个实体通过调用子 层的管理函数来提供服务接口。a p s m e 还负责维护一个关于a p s 子层管理实体 的数据库。这是一个关于a p s 子层信息库( m b ) 的数据库图2 3 描述了a p s 子层的构成和接口。 图2 0 戍川子层的构成及接口 a p s 子层通过两个服务指针( s a p s ) 提供两种服务。a p s 数据服务通过 a p s 子层数据实体服务指针s a p ( a p s d e s a p ) ，a p s 管理服务通过a p s 子层 管理实体服务指针s a p ( a p s m e s a p ) 这两个服务通过n l d e s a p 和 n l m e - s a p 接口( 见3 2 小节) 提供了n h l e 和网络层之间的接口。网络层和 a p s 子层之间的n l m e s a p 接口只支持n l m e g e t 和n l m e s e t 原语，其 他的n l m e s a p 原语只可以通过z d o 实现。 a p s d e 原语的语法如下： a p s d e d a t a _ r e q u e s t d s t a d d r m o d e d s t a d d r e s s d s t e n d p o i n t p r o f i l e d c l u s t e r i d s r c e n d p o i n t a s d u l e n g t h a s d u t x o p i o n t s r a d i u s c o u n t e r i 0 第一二章z i g b e e 技术简介 2 3 2 设备对象 z i g b e e 设备对象，描述了一个基本的功能函数，这个功能在应用对象、设 备p r o f i l e 和a p s 之间提供了一个接1 2 1 。它满足所有在z i g b e e 协议栈中应用操作 的一般需要。此外设备对象还有以下作用： 初始化应用支持子层( a p s ) ，网络层( n w k ) ，安全服务规范( s s s ) 。 从终端应用集合中配置的信息来确定和执行安全管理、发现、网络管理、 以及绑定管理。 设备对象描述了应用框架层中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。 2 4 网络层 z i g b e e 网络层【2 0 j 的主要功能就是提供一些必要的函数，确保z i g b e e 的m a c 层正常工作，并且为应用层提供合适的服务接口。为了向应用层提供其接口， 网络层提供了两个必须的功能服务实体，它们分别为数据服务实体和管理服务 实体。网络层数据实体( n l d e ) 通过网络层数据服务实体服务接入点 ( 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 ) 通过网络层管理 实体服务接入点( n l m e s a p ) 提供网络管理服务。网络层管理实体利用网络 层数据实体完成一些网络的管理工作，并且，网络层管理实体完成对网络信息 库( n i b ) 的维护和管理。网络层各部分组成及接口 2 1 】如图2 4 所示： 图2 4 网络层各部分组成及接口 如图2 4 所示，网络层通过两种服务接入点提供响应的两种服务。它们分别 是网络层数据服务和网络层管理服务。网络层数据服务通过网络层数据实体服 务接入点接入，网络层管理服务通过网络层管理实体服务接入点接入。这两种 第二章z i g b e e 技术简介 服务通过m c p s s a p 和m l m e s p a 接口为m a c 层提供接口。除此之外，在 n l m e 和n l d e 问还有一个接口使得n l m e 可以使用网络层数据服务。 n l d e 原语语法如下： n l d e d a t ar e q u e s t d s t a d d r m o d e d s t a d d r n s d u l e n g t h n s d u n s d u h a n d l e r a d l i u s n o n m e m b e r r a c l i u s d i s c o v e r r o u t s e c u r i t y e n a b i e ) 2 5m a c 层 m a c 层位于网络层及物理层之间，主要处理及转发来自上下这两层的数 据。m a c 子层提供两种服务：m a c 层数据服务和m a c 层管理服务，前者保证 m a c 层数据单元在物理层中的正确收发，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。m a c 层管理实体的服务接入点( m l m e s a p ) 允许上层 与m a c 层管理实体( m l m e ) 之间传输管理指令。m a c 层各部分组成及接口 如图2 5 图2 5m a c 层各部分组成及接口 m a c 层主要功能如下。 信道访问控制：主要分析信标模式下信道访问需解决的问题； 个人局域网( p a n ) 启动与维护：解决来自网络层的网络启动与维护相 关请求； 1 2 第二苹z i g b e e 技术简介 关联取消关联：获取邻接节点信息，为网络层提供服务； 同步与收发重传：保证传输的正确性，解决偶然丢包事件引起的传输失 败。 2 5 1m a c 层帧结构 每个m a c 层的帧都由帧头、帧净荷和帧尾三部分组成，其中帧头由帧控制 信息、帧序列号、地址信息和辅助安全标头( a u x i l i a r y s e c u r i t y h e a d e r ，2 0 0 6 版 本新增) 组成；m a c 子层帧净荷具有可变长度，具体内容由帧类型决定：帧尾是 帧头和净荷数据的1 6 位c r c 校验序列。通用帧格式如表2 2 所示 表2 2 通用帧格式 0 2 8o 2 憾0 5 6 10 14 2 字节1 字节o 2 字+ 缸0 2 字二1 了 可变2 字节 字1 3 字1 ，字：肖 目标网 目标地址 源端网 帧控制 帧序列 络标识络标识 源地址 信息号 辅助安全标头帧净荷帧校验 地址信息 帧头帧净荷帧尾 i e e 8 0 2 1 5 4 的m a c 层定义了4 种基本帧结构： 信标帧：供协调者使用。 数据帧：承载所有的数据。 应答帧：确认帧的顺利传送。 m a c 命令帧：用来处理m a c 对等实体之间的控制传送。 在m a c 子层中设备地址有两种格式：1 6 位( 两个字节) 的短地址和6 4 位( 8 个字节) 的扩展地址。1 6 位短地址是设备与p a n 网络协调设备关联时，由协调 器设备分配的网内局部地址；6 4 位的扩展地址是全球惟一地址，在设备进入网络 之前就分配好了。1 6 位短地址只能保证在p a n 网络内部是惟一的，所以在使用 1 6 位短地址通信时需要结合1 6 位的p a n 网络标识符才有意义。两种地址类型 的地址：信息的长度是不同的，从而导致m a c 帧头的长度也是可变的。一个数 据帧使用哪种地址类型由帧控制字段的内容指示。在帧结构中没有表示帧长度 的字段，这是因为在物理层的帧里面有表示m a c 帧长度的字段，m a c 帧净荷 长度可以通过物理层帧长和m a c 帧头的长度计算出来。 第二章z i g b e e 技术简介 2 5 2m a c 层数据服务过程 图2 6 为两个设备之间进行数据传输时m a c 层提供服务的流程图： 图2 6m a c 数据服务流程 为了传输m a c 层数据，m a c 层需要通过调用物理层函数 p l m es e t t r x s t a t e r e q u e 来激活设备的发射机。当发射机被成功激活后，m a c 层将通过调用物理层函数p d 将数据发送到物理层，最后由物理层datarequest 发送出去。m a c 层激活发射机时，等待应答帧信息，在等待最大等待时间 m a c a c k w a i t d u r a t i n 后，如果仍未收到相应的应答帧，将重传该数据单元一定次 数，在重传后，如果仍未收到应答帧，m a c 层将丢弃这个数据单元，并且通过 m c p s - d a t a e o n i i r m 返回确认信息。该过程的函数实现如下： v o i dm c p s p u r g e r e q u e s t ( b y t em s d u h a n d l e ) b y t ei ； f o r ( i 。0 ；i m s d u h a n d l e ) = t = m s d u h a n d l e ) o s a l m e m _ f r e e ( m a c l n d i r e c t b u f f e r s i 一 t r a n s a c t i o n ) ； o s a l m e m f r e e ( m a c l n d i r e c t b u f f e r s i ) ； m a c l n d i r e c t b u f f e r s i 】= n u l l ； m c p s - p u r g e c o n f i r m ( m s d u h a n d l e ，m a c _ s u c c e s s ) ； r e t u r n ； m c p s _ p u r g e c o n f i r m ( m s d u h a n d l e ，m a c i n v a l i d _ h a n d l e ) ； r e t u r n ； 1 4 第一二章z i g b e e 技术简介 2 6 物理层 物理层在m a c 子层和物理射频信道之间提供接口。它通过物理层数据服 务访问点和物理层管理服务访问点提供这服务。物理层的各部分组成及接口如 图2 7 所示： 图2 7 物理层各部分组成及接口 2 6 1 物理层主要功能 物理层| 2 2 , 2 3 】主要负责如下工作： 激活或休眠射频发射器； 在当前信道进行能量检测( 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。本文提出的定位方法 就是基于信息强度及信号的功率强度的基础上的。 为接收到的信息包提供链路质量指示( l q i ) ：链路质量指示为网络层或 应用层提供接收数据帧时无线信号的强度和质量信息，与信道能量检测不同的 是，它要对信号进行解码，生成的是一个信噪比指标。这个信噪比指标和物理层 数据单元共同提交给上层处理。 使用c s m a c a 算法进行空闲信道评估( c c a ) ：i e e e8 0 2 1 5 4 定义了 三种空闲信道评估模式：第一种简单判断信道的信号能量，当信号能量低于某一 门限值就认为信道空闲；第二种是通过判断无线信号的特征，这个特征主要包括 两方面，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