（电路与系统专业论文）基于ZigBee的远程抄表系统收发功能模块的研制[电路与系统专业优秀论文].pdf

凹川大学硕士学位论文 基于z i g b e e 的远程抄表系统收发功能模块的研制 电路与系统专业 研究生任少华指导教师王勇 摘要 本篇论文从基于z i g b e e 技术的无线抄表系统收发功能模块的研制入手，讨 论在此领域z i g b e e 无线接入技术的特点及应用，以及具体相关模块的设计与功 能实现。， z i g b e e 是一种低速率、低功耗、短距离无线接入技术，是专为低速率传感 器和控制网络设计的无线网络协议。与其他无线执议相比，z i 幽e e 无线协议实 现了低复杂性、减缩的资源要求，并且提供了一组标准的规范。它提供了三个 工作频带，以及一些网络配置和可选的安全功能，是为低速率控制网络设计的 标准无线网络协泌。 ， 本篇论文侧重于收发功能模块的设计与实现。其中协调嚣节点及p - - f d ( 简 化功能设备) 节点均由一块母板和一块r f ( 射频) 卡组成，母板驱动r f 卡实 现信号的收发功能。首先由协调器节点组建一个新的网络，然后r f d 节点申请 加入该网络，在完成节点绑定之后，此双节点网络能够实现信号的接收、发送。 为了验证设计方案的可行性和实用性，我们设计了两块相同的收发模块。 烧写到协调器和r f d 单片机中韵主应用程序及相关文件是不同的，僵是其硬件 结构完全一样。 其中，射频收发芯片采用c h i p i o n 公司的c c 2 4 2 0 ，它是一个与i e e e8 0 2 1 5 4 兼容的r f 收发器。c c 2 4 2 0 是首款符合z i g b e e 技术的高集成度工业用射频收发 器件，其m a c 层和p h y 层协议符合8 0 2 1 5 4 规范，1 二作于免授权的24 g h z 频 段。利用此芯片开发的短距离射频传输系统成本低、功耗小，适于电池长期供 基于z i g b e e 远程抄表系统收发功能模块的研制 电。 由于设计涉及高频电路，所以不但对板卡的实现工艺有很高要求，、而且要 求在设计阶段进行更加细致、充分的仿真。本次设计的仿真部分，包括信号完 整性仿真、电磁兼容性仿真和电磁干扰仿真。 针对p c b 仿真，采用的仿真软件是h y p e r l y n x7 0 。h y p e r l y n x 是高速仿真 工具，包括信号完整性( s i g n a l i n t e g r i t y ) 、交叉干扰( c r o s s t a l k ) 、电磁兼容仿 真( e m c ) 等。使用这个工具可以在p c b 设计的初期，将考虑到的方案进行仿 真，使得在实际布线的时候更加合理地将布线工具的约束条件设置好。 在完成收发功能模块的开发以后，可以进一步做基于z i 邸e e 的扩展应用， 比如远程抄表系统、烟雾检钡4 报警系统等。 、 关键词：z i g b e e 、协调器、r f d 、远程抄表、仿真 i i 列j i t 大学硕士学位论文 t h ed e s i g na b o u t r e c e i v i n ga n dt r a n s m i t t i n gm o d u l e s o fw i r e l e s sa u t o m a t i cm e t e r r e a d i n gs y s t e m b a s e do nz i g b e e m a j o r c i r c u i ta n ds y s t e m p o s t g r a d u a t e r e ns h a o h u at u t o r w a n gy o n g a b s t r a e t t h i sa r t i c l em a i n l yt a l k sa b o u tt h ed e s i 【g no fr e c e i v i n ga n dt r a n s m i t t i n gm o d u l e f o rw i r e l e s sa u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e mb a s e do nz i g b e ec o u p l e d 谢t ht h e c h a r a c t e r i s t i ca n da p p l i c a t i o no f t h i sn e ww i r e l e s sa c c e s st e c h n o l o g y z i g b e e z i g b e ei s as o r t o fw i r e l e s sa c c e s st e c h n o l o g yf o c u s i n go nl o wb i tr a t e 、 l o w - p o w e ra n ds h o r t d i s t a n c e i ti saw i r e l e s sn e t w o r kp r o t o c o ls p e c i f i c a l l yd e s i g n e d f o rl o wr a t es e n s o ra n dc o n t r o ln e t w o r k s c o m p a r e dt oo t h e rw i r e l e s sp r o t o c o l s ，t h e z i g b e ew i r e l e s sp r o t o c o lo f f e r sl o wc o m p l e x i t y ，r e d u c e dr e s o u r c er e q u i r e m e n t sa n d m o s t 。i m p o r t a n t l y ，as t a n d a r ds e to fs p e c i f i c a t i o n s i ta l s o o f f e r st h r e e ：f r e q u e n c y b a n d so fo p e r a t i o nn o n gw i t han u m b e ro fn e t w o r kc o n f i g u r a t i o n sa n do p t i o n a l s e c u r i t yc a p a b i l i t y t h i sa r t i c l ee m p h a s i z e sp a r t i c u l a r l yo dt h ed e s i g no f r e c e i v i n ga n dt r a n s m i t t i n g m o d u l e t h ec o o r d i n a t o ra n dr f d ( 、r e d u c e df u n c t i o nd e v i c e ) a r ec o m p o s e do fa p i e c eo fm o t h e r b o a r da n dr fc a r d i tc a r lr e c e i v ea n dt r a n s m i ts i g n a lt h r o u g ht h er f c a r dw h i c hi sd r o v eb yt h em o t h e r b o a r d ，t h ec o o r d i n a t o re s t a b l i s h e san e wn e t w o r k f i r s t l y ，t h er f da p p l i e s t oj o i nt h en e t w o r k s u c hn e t w o r kc o u l dr e c e i v ea n d t r a n s m i ts i g n a l sa f t e rt h eb i n d i n gb e t w e e nt h ec o o r d i n a t o ra n dr f d w ed e s i g n e dt w or e c e i v i n ga n dt r a n s m i t t i n gm o d u l e st ot e s tt h ef e a s i b i l i t ya n d l l i 基于z i 窑b e e 远程抄表系统收发功能模块的研铷 p r a c t i c a b i l i t yo fo u rp r o j e c t t h e i rh a r d w a r es t r u c t u r ei s t h es a m ea l t h o u g ht h e s o f t w a r ew r i t t e ni n t ot h es i n g l e c h i pi sq u i t ed i f f e r e n t t h er fc h i pi sc c 2 4 2 0f r o mc h i p c o n ，w h i c hi sat r a n s c e i v e rc o m p a t i b l ew i t h i e e e8 0 2 1 5 4 c c 2 4 2 0i st h ef i r s tt r a n s c e i v e rb a s e do nz i g b e ea p p l i e di ni n d u s t r y + i tw o r k sa tt h ef r e q u e n c yb a n d s o f2 4 g h z ，w h i c hi sf r e eo fc h a r g e t h e s h o r t d i s t a n c er ft r a n s m i s s i o n s y s t e m m a d ef r o mc c 2 4 2 0i sl o w - c o s ta n d l o w - p o w e rm a k i n gt h eb a t t e r yw o r kf o ral o n gt i m e i tr e q u i r e sl o f t yt e c h n i c si nf a b r i c a t i n gs u c hp c bc a r d sa sw e l la sm e t i c u l o u s 、 a b u n d a n te m u l a t i o ni nd e s i g n ，。f o ri ti sa b o u th i 曲f r e q u e n c yc i r c u i t s t h ee m u l a t i o n f o r t h i sd e s i g ni n c l u d e ss i g n a li n t e g r a l i t y 、e l e c t r om a g n e t i cc o m p a t i b i l i t ya n d e l e c t r om a g n e t i ci n t e r f e r e n c e t h ee m u l a t i o ns o f t w a r eu s e df o rt h i sd e s i g ni sh y p e r l y n x7 0 ，w h i c hi sas o r to f 1 1 i g he m u l a t i o nt o o lf o rs i g n a li n t e g r a l i t y 、e l e c t r om a g n e t i cc o m p a t i b i l i t ya n dc r o s s t a l k ni sv e r yh e l p f u lf o rp c bd e s i g nb yu t i l i z i n gt h ee m u l a t i o nr e s u l t sa n dt h e r e c o m m e n d a t o r yp a r a m e t e r sp r o v i d e db yt h i ss o f t w a r e m o r ea p p l i c a t i o nc a nb ed o n e ，s u c ha sw i r e l e s sa u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e m a n ds m o g c h e c k i n gs y s t e mu p o nt h i sz i g b e er e c e i v i n ga n dt r a n s m i t t i n gm o d u l e k e y w o r d s ：z i g b e e ，c o o r d i n a t o r 、r f d 、w i r e l e s sa u t o m a t i cm e t e rr e a d i n g 、 e m u l a t i o n 四川大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 科技的发展动力及重要目标之一就是给人们的生活带来便利。随着电子、 电气等科技产品的广泛应用，人们在享受这些产品提供的服务同时，往往也局 限于与之结伴而来的各种电缆、数据线的束缚。这些肩负不同功能的线、缆， 一方面制约了操作者的手脚，另一方面也是对电气耗材的一种浪费，且废旧线、 缆还会对环境造成污染，此外由于老化和布局不当，还会为安全埋下不小的隐 患。另外，大规模有线网络的铺设，容易受地形、地貌的限制，前期投入巨大、 后期系统维护、升级复杂，且极易造成浪费和重复建设等问题。 鉴于以上种种考虑和对未来科技发展方向的设想，越来越多的电气产品采 用最新的无线接入技术逐步替换、淘汰现有的各种家用电器、工业设备的电线、 电缆，让用户真正享受无线操作、无所束缚的便捷服务。无线接入技术也正成 为信息技术的一个发展趋势。 本篇论文从基于z i g b e e 技术的无线抄表系统收发功能模块的研制入手，讨 论在此领域z i g b e e 无线接入技术的特点及应用，以及具体相关模块的设计与功 、 能实现。 1 2 现有抄表方式及其比较m 随着信息技术的飞速发展，家居设施、工业控制的智能化、自动化水平越 来越高，将室内家用计量仪表、工业自动化控制仪表中的数据自动抄收已逐渐 成为人们追求的目标。水、电、气、热等公共事业管理部门也希望新技术的应 用能解决长期困扰他们的抄表难、收费难等问题，从而实现节省人力、减少企 业流动资金占用、方便用户及提高管理水平的目的。 一现有国内外抄表方式主要有人工抄表、i c 卡预付费抄表、有线抄表系统及 无线抄表系统。以下将介绍各种抄表方式并简单比较各种抄表方式的优劣。 1 2 1 人工抄表方式 随着“一户一表”工程的发展，用户数量迅速增加，随之需要的抄表人员 1 基于z i g b e e 远程抄表系统收发功能模块的研制 也大大增加。已使用了几十年的人工抄表方式有很多弊端。 入户难：由于居民生活水平的提高、家庭财产价值越来越高、越来越重视 隐私权等原因，用户不希望被人打扰； 管理部门负担重：现行抄表收费结算方式给水、电、气部门经营带来困难。 管理费用开支过高，严重制约了相关企事业单位的发展。 抄表劳动强度加大：由于楼层越来越高、各住户逐步装修，抄表收费人员 劳动强度加大； 现行抄表收费大多是人工抄表、人工收费、手工结算，效率低、误差大， 已不适应企业管理现代化的要求。用户、收费人员窃气、窃水、窃电、作弊、 拒交费用时有发生，造成各类费用不能及时准确的收缴。 1 2 2 i c 卡预付费抄表 随着电子技术的发展，i c 卡预付费表在9 0 年代初出现了。它采用先付费 后使用的方式对管理部门较为有利，同时不需要现场抄表，解决了部分人工抄 表的问题。它可以实现不入室抄表，节省大量人力，解决了收费问题，可先付 费后使用。 但实际操作过程中也存在一些问题：i c 卡表具直接与用户接触，极易造成 人为破坏；不能及时监控，未能完全解决盗用及表具损坏、故障问题：管理部 门不能准确知道用户的实际使用情况。 1 2 3 有线抄表系统 有线抄表控制系统不但可以完全具备i c 卡表的优点，同时还可以实现i c 卡表无法实现的功能，这种技术充分利用电话网络，电力线网络、闭路电视网、 r s 一4 8 5 总线网。其主要有下列优点：可实现实时抄表、实时监测、实时控制， 可检测出设备破坏、非法使用等情况。抄表速度快、人员少：抄表率、准确性 也大大提高。可实现预付费功能，用户充值后，数据通过网络远程下载，可避 免用户直接触表具，提高设备使用寿命。 但是，有线系统也存在很多自身无法解决的问题，涉及布管问题、穿线问 题，需要预先设计；施工周期长、工程安装成本及维护成本高：系统的扩展升 级和与其他网络的兼容等问题。 各类有线远程抄表系统由于长距离室内外的布线，存在着短路、断线隐患， 四川大学硕士学位论文 错综复杂的线路使系统调试维护困难重重，而且停电时间超过备用电池负担时 间情况下，系统计数不可避免地与机械表头读数出现误差。 1 2 4 无线抄表系统 - 无线抄表是指采用近距离无线通信技术和计算机网络等技术自动读取和处 理表计数据。即每只表将状态及使用信息以无线的形式传至室外的数据采集器。 采用无线自动抄表技术，不仅能节约人力资源，更重要的是可提高抄表的准确 性、实时性，使管理部门能及时准确地获得数据信息。无需架设电缆，节省了 人力物力，节约了投资：无线的方式可迅速建立起通信链路，工程周期大大缩 短。另外，相比有线系统有更好的扩展性，出现故障时只需维护无线数据模块， 能快速找出原因，恢复系统正常运行。 由于不同部门的管理方式以及用户不同情况，必然将导致抄表及收费方式 的多样性。但是，可以预测，随着无线通信技术的发展、芯片价格的降低以及 管理要求的提高，无线抄表系统以其技术先进、易于实现、传输速率高、可靠 性高、成本造价低、易于普及等优点，将成为未来发展的必然趋势。 1 3 研究目的 无线抄表在发达国家和地区已有所尝试，抄表接收终端在用户计量仪表附 近行走一遍，各种数据便可抄入接收终端的电脑中。2 0 0 4 年实施的建设行业标 准户用计量仪表数据传输条件( c j t1 8 8 2 0 0 4 ) q u 规定了户用计量仪表数据传 输的基本原理、接口形式( 可以是m b u s 、r s 4 8 5 、无线方式及光电式) 及物理 性能、数据链路、数据标识、数据安全性和数据表达格式的要求。 虽然目前已有许多开发成功的无线抄表系统，但是z i g b e e 以其超低的价位、 优良的性能、极低的功耗、高集成度，具有非常强大的市场竞争能力。 z i g b e e 是最近提出的一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成 本的双向无线通信技术，主要适用于自动控制和远程控制领域，是为了满足小 型廉价设备的无线联网和控制而制定的标准。z i g b e e 是i e e e8 0 2 1 5 4 技术的 商业名称，该技术的核心由2 0 0 0 年1 2 月成立的i e e e8 0 2 1 5 4 工作组制定， 高层应用、互联互通测试和市场推广由2 0 0 2 年组建的z i g b e e 联盟负责。 z i g b e e 技术在国外已有所应用，如楼宇自动化控制、家用电器的无线控制 基于z i g b e e 远程抄表系统收发功能模块的研制 以及工业领域的自动控制、远程监控等；在国内，华立仪表公司将要推出基于 e m b e r 公司z i g b e e 技术的无线仪表自动读取系统( a m r ) ，但是相关领域的 自主研发尚处于空白，因此对z i g b e e 技术的学习、研究，显得尤为迫切。 目前，相关产品的应用、开发都是在国外企业( 如m i c r o c h i p ) 提供的z i g b e e 开发平台上做应用性的研发。而购买此类开发平台会增加研发费用、延缓研发 进度，且不利于核心技术的掌握及自主研发能力的提升。基于z i g b e e 技术的远 程抄表系统，其核心是z i g b e e 母板及r f ( 射频) 卡，本篇论文将详细阐述z i g b e e 母板及r f 卡的设计与实现，并为后续工作打下基础。 0 。p o 四川大学硕士学位论文 一第二章z i g b e e 无线接入技术及其应用的介绍 2 1 z i 。g b e e 技术介绍 2 0 0 0 年1 2 月i e e e ( 美国电气与电子工程师学会) 成立了8 0 2 1 5 4 工作组， 致力于定义一种适于固定、便携或移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的 低速率无线连接技术z i g b e e 技术。z i g b e e 联盟成立于2 0 0 2 年8 月，由英 国i v e n s y s 公司、日本三菱电气司、美国摩托罗拉公司、荷兰飞利浦半导体等公 司组成，迄今已吸引了上百家芯片公司、无线设备公司及产品开发商，将主要侧重 于：定义网络、安全以及应用软件层的协议；为z i g b e e 设备提供互操作与一致 性测试；促进z i g b e e 技术在全球的推广；有效管理该技术的发展。 z i g b e e 是一种低速率、低功耗、短距离无线接入技术，是专为低速率传感 器和控制网络设计的无线网络协议。与其他无线协议相比，z i g b e e 无线协议实 现了低复杂性、减缩的资源要求，并且提供了一组标准的规范。它提供了三个 工作频带，以及一些网络配置和可选的安全性能，是为低速率控制网络设计的 标准无线网络协议。z i g b e e 协议的一些应用包括建筑自动化网络、建筑安防系 统、工业控制网络、远程抄表以及p c 外设等。这种低使用成本、商业型的应 用技术，其无线装置减少了传统电气工程施工费用，解决了现场安装困难的问 题，消除了传统无线接入技术的不可靠性及其他技术问题。 2 1 1 z i g b e e 协议概述“1 z i g b e e 协议是为低速率控制网络设计的标准无线网络协议，基于i e e e 8 0 2 1 5 4 无线通信协议，使用i e e e 8 0 2 1 5 4 规范作为介质访问层( m a c ) 和物理 层( p h y ) 1 5 1 。， i e e e 8 0 2 1 5 4 总共定义了三个工作频带：2 4 g h z 、9 1 5 m h z 和8 6 8 m h z 。 每个频带提供固定数量的信道。2 4 g h z 频带提供1 6 个信道( 信道1 1 2 6 ) 、 9 1 5 m h z 频带提供l o 个信道( 信道1 1 0 ) 、8 6 8 m h z 频带提供1 个信道频带( 信 道0 ) 。本次设计项目工作于2 4 g h z 频带。 协议的比特率由所选择的工作频率决定。2 4g h z 频带提供的数据速率为 2 5 0k b p s ，9 1 5m h z 频带提供的数据速率为4 0k b p s ，而8 6 8m h z 频带提供的 基于z i g b e e 远程抄表系统收发功能模块的研制 数据速率为2 0k b p s 。由于数据包开销和处理延迟，实际的数据吞吐量会小于规 定的比特率。 i e e e8 0 2 1 5 4m a c 层数据包的最大长度为1 2 7 字节。每个数据包都由头 字节和1 6 位c r c ( c y c l i c a lr e d u n d a n c yc h e c k ，循环冗余检验) 值组成。1 6 位 c r c 值验证帧的完整性。此外，i e e e8 0 2 1 5 4 还可以选择使用应答数据传输 机制。使用这种机制，所有特殊a c k 标志位置1 的帧均会被它们的接收器应答。 这就可以确定帧是否已经被传递。如果发送帧的时候置位了a c k 标志位，而且 在一定的超时期限内没有收到应答，发送器将重复进行固定次数的发送，如仍 无应答就宣布发生错误。需要特别注意的是接收到应答仅仅表示帧被m a c 层正 确接收，而不表示帧被正确处理。接收节点的m a c 层可能正确地接收并应答了 一个帧，但是由于缺乏处理资源，该帧可能被上层丢弃。因此，很多上层和应 用程序要求其他的应答响应。 2 1 2z i g b e e 网络配置 z i g b e e 无线网络可采用多种类型的配置。星型( s t a r ) 网络配置由一个协调 器节点( 主设备) 和一个或多个终端设备( 从设备) 组成。协调器是实现了一 组很多z i g b e e 服务的一种特殊的全功能设备( f u l lf u n c t i o nd e v i c e ，f f d ) 。终 端设备可能是f f d 或简化功能设备( r e d u c e df u n c t i o nd e v i c e ，r f d ) 。r f d 是 最小而且最简单的z i g b e e 节点，它只实现了一组最少的z i g b e e j 务。在星型网络 中，所有的终端设备都只与协调器通信。如果某个终端设备需要传输数据到另 一个终端设备，它会把数据发送给协调器，然后协调器依次将数据转发到目标 接收器终端设备。 除了星型网络之外，z i g b e e 还可以采用点对点网络、群集( c l u s t e r ) 或网状 ( m e s h ) 网络配置。由于群集和网状网络具有在多个网络之间路由数据包的功 能，因而被称为多跳网络，而星型网络刚被称为单跳网络。 和任何网络一样，z i g b e e 一网络也是多点接入网络，这意味着网络中的所有 节点对通信介质的访问是同等的。有两种类型的多点接入机制：在没有使能信 标的网络中，只要信道是空闲的，在任何时候都允许所有节点发送：在有使能 信标的网络中，仅允许节点在预定义的时隙内进行发送，协调器会定期以一个 标识为信标帧的超级帧开始发送，并且希望网络中的所有节点与此帧同步。在 这个超级帧中为每个节点分配了一令特定敏砖黥，在该时隙内允许节赢发送和 6 四川i 大学硕士学位论文 接收数据。超级帧可能还含有一个公共时隙，在此时隙内所有节点竞争接入信 道。 但是m i c r o c h i p 协议栈的当前版本仅支持无信标的星型网络配置。 2 1 3z i g b e e 网络关联 z i g b e e 网络可以是点对点网络，即可以根据需要组建或不组建新的网络。 星型网络配置中，终端设备在执行任何数据传输之前，总是搜索网络。新的网 络首先由协调器建立。启动时，协调器会搜索附近的其他协调器，如果没有找 到协调器，它就会建立一个自己的网络并选择一个惟一的1 6 位p a ni d ( p e r s o n a la r e an e t w o r ki d ) 。一旦新网络建立，就会允许一个或多个终端设备 与此网络相关联。具体是允许还是不允许新关联由协调器决定。 一旦组建了网络，就可能由于物理更改而发生多个网络重叠和p a ni d 冲 突。在这种情况下，协调器会启动p a ni d 冲突解决过程并且会有一个协调器将 更改其p a ni d 和( 或) 信道。受到影响的协调器会指示它所有的终端设备进行必 要的更改。m i c r o c h i p 协议栈的当前版本不支p a ni d 冲突解决。 根据系统需求，协调器会在非易失性存储器中存储所有网络关联，称为邻 接表。为了连接到网络，终端设备可能执行孤立通知过程来查找先前与之关联 的网络或者执行关联过程来加入一个新网络。在执行孤立通知过程的情况下， 协调器将通过查找其邻接表来识别先前与之关联的终端设备。一旦关联到网络， 终端设备就可选择通过执行解除关联过程与该网络解除关联。如果需要的话， 协调器本身也会启动解除关联过程来强制节点离开网络。m i c r o c h i p 协议栈的当 前版本支持新的关联和孤立通知过程，但它仅支持由终端设备启动的离开网络 过程。 ， 2 1 4z i g b e e 端点、接口、群集、属性和配置文件 典型的z i g b e e 节点可支持多种特性和功能。例如，i 0 节点可能有多种数字 和模拟输入，输出。一些数字输入可能被一个远程控制器节点使用，而其他数 字输入可能被另一个远程控制器节点使用。这种分配将创建一个真正的分布式 控制网络。为了便于在i o 节点和两个控制器节点之间进行数据传输，所有节点 中的应用程序必须保存多个数据链路。为了减少成本，z i g b e e 节点仅使用一个 无线信道来和多个端点，接口创建多条虚拟链路或信道。 基于z i g b e e 远程抄表系统收发功能模块的研制 一个z i g b e e 节点支持3 2 个端点( 编号为0 3 1 ) 和8 个接口( 编号为o 一7 ) 。端 点0 被保留用于设备配置而端点3 1 被保留仅用于广播。剩下的总共3 0 个端点用于 应用。每个端点总共有8 个接口。因此实际上，在一个物理信道中最多可能有2 4 0 条虚拟信道。 一个典型的z i g b e e 节点也将有很多属性。例如，i o 节点包含称为数字输入 1 、数字输入2 、模拟输入1 等的属性。每个属性都有自己的值。例如，数字输入 l 属性可能有值1 或0 。属性的集合被称为群集。在整个网络中，每个群集都被分 配了一个惟一的群集i d 。每个群集最多6 5 ，5 3 6 个属性。 z i g b e e 协议还定义了一个称为配置文件的术语。配置文件就是对分布式应 用的描述。它根据应用必须处理的数据包和必须执行的操作来描述分布式应用。 使用描述符对配置文件进行描述，描述符仅仅是各种值的复杂结构。此配置文 件使z i g b e e 设备可以互操作。z i g b e e 联盟已经定义了很多标准的配置文件，比 如远程控制开关配置文件和光传感器配置文件等。任何遵循某一标准配置文件 的节点都可以与其他实现相同配置文件的节点进行互操作。m i c r o c h i p 协议栈的 当前版本不提供任何标准的配置文件功能。如果需要的话，可以编写一个实现 所需要的配置文件的协同任务函数，也可以创建自己的自定义配置文件( 或分 布式应用程序) 仅与专有节点配合工作。每个配置文件可以定义最多2 5 6 个群集， 而且每个群集可以最多有6 5 ，5 3 6 个属性。此灵活性允许节点有大量的属性( 或i o 点) 。 2 1 5z i g b e e 端点绑定 前面提到过，星型网络中的终端设备总是只与协调器通信。协调器负责将 端点发送的数据包从一个节点转发到接收终端设备的相应端点。当建立一个新 的网络时，必须告知协调器如何创建源端点和目标端点之间的链路。z i g b e e 协 议定义了一个称为端点绑定的特殊过程。作为绑定过程的一部分，一个远程网 络或一个类似于设备管理器的节点会请求协调器修改其绑定表。 协调器节点维护一个基本上包含两个或多个端点之问的逻辑链路的绑定 表。每个链路根据其源端点和群集1 d 来惟一定义。例如，如果需要将来自i o 节 点的数字输入l 的数据发送到控制器节点的控制信道1 ，我们就必须请求协调器 刨建一个绑定表项，此绑定表项将i o 节点的数字输入1 端点作为源端点，将控 制器节点的箍镱4 信道l 馋为羁掭端点。一旦创建了缀定表项，任何时候i o 节点 8 四川大学硕士学位论文 从数字输入l 端点发送数据时，协调器节点就会查找它的绑定表，并将数据包转 发到控制器节点的控制信道l 端点。数字输入1 和控制信道l 将共享同一个群集 i d 。根据绑定表的创建方法，可能将数据从一个端点组播到多个节点上的多个 端点。m i c r o c h i p 协议栈的当前版本不支持这种组播绑定表项。z i g b e e 协议定义 了称n z i g b e e 设备对象( z i g b e ed e v i c eo b j e c t ，z d o ) 的特殊软件对象，它在 其他服务中提供绑定服务。只有在协调器上运行的z d o 才会提供绑定服务。远 程网络，设备管理器将直接将特殊绑定请求发送给z d o ( 端点0 ) 以创建或修改 绑定表项。根据z i g b e e 规范，运行特殊z i g b e e 节点软件的p c 或其他高端控制器 可以作为网络管理器。如果不想创建或使用特殊网络管理器节点，可以编写自 定义的绑定服务来简化绑定过程。本次设计实现了简单的自定义绑定方法。它 使能每个节点将各自的对协调器节点的绑定请求发送给端点0 ，并定义各自的自 定义群集i d 。根据此自定义的绑定过程，终端设备必须处于配置模式才能发送 绑定请求。在正常执行模式下，协调器可以接收和发出自己的绑定请求。当检 测到某个按下开关的过程时，终端设备将使用c u s t o md e m ob i n d 作为群集 i d 发出特殊的二进制数据结构。它直接将绑定请求数据包发送到协调器的端点 0 。协调器中的z d o 接收群集i d 为c u s t o md e m ob i n d 的数据包并将此过程 委派给p r o c e s s c u s t o m b i n d 函数。此函数实际上是在主应用程序文件中实现的。 可以简单地按照p r o c e s s c u s t o m b i n d 函数的执行逻辑来充分理解自定义绑定的 概念。 2 1 6z i g b e e 数据传输机制 。 传输数据到终端设备和从终端设备传输数据的确切机制随网络类型的不同 而有所不同。在无信标的星型网络中，当终端设备想要发送数据帧时，它只需 等待信道变为空闲。在检测到空闲信道条件时，它将帧发送到协调器。如果协 调器想要将此数据发送到终端设备，它会将数据帧保存在其发送缓冲器中，直 到目标终端设备明确地来查询该数据为止。此方法确保终端设备的接收器是被 开启的，而且可从协调器接收数据。 ， 在点对点网络中，每个节点必须一直保持它们的接收器为开启状态或者同 意在一个时间段内开启它们的接收器。这将允许节点发送数据帧并确保数据帧 会被其它节点接收。 终端设备必须查询协调器以获取其数据，而不是保持接收器开启，从而允 日 基于z i g b e e 远程抄表系统收发功能模块的研制 许终端设备降低其功耗要求。根据应用的要求，在绝大部分时间内终端设各都 处于休眠状态，而仅定期地唤醒设备来发送或接收数据。此方法的一个缺点就 是协调器必须将所有数据帧保存在内部缓冲器中，直到目标终端设备唤醒并查 询数据。如果网络包含很多休眠时间很长的终端设备，协调器就必须将数据帧 保存很长时间。根据节点的数量和交换数据帧的速率，这将大幅增加协调器对 r a m 的需求。协调器可以根据终端设备的设备描述符有选择地决定将个特定 的帧保持一段长时间或短时间。z i g b e e 协议要求所有终端设备都保存描述它们 的特性和功能的不同方面的各种描述符。m i c r o c h i p 协议栈的当前版本不支持描 述符。 2 1 7zig b e e 协议栈及其结构的分层介绍“1 z i g b e e 协议栈由一些称为层的模块组成。每一层为其上一层提供相关的服 务：数据实体负责数据的传输，管理实体为上层提供管理服务。每一个服务实 体通过一个服务访问点( s a p , s e r v i c ea c c e s s p o i n t ) 向上层提供一个接口，并且每 一个s a p 支持能够完成相关功能的一些服务。 z i g b e e 协议栈实际上也是基于标准的o s i ( o p e ns y s t e m s i n t e r c o n n e c t i o n ) 七层模型，但是只定义那些和所需功能相关的层，比如物理层( p h y ) 和介质访 问控制层( m a c ) z i g b e e 的协议栈结构如图2 - 1 所示，它由应用层、应用支持子层、网络层、 介质访问控制层和物理层组成。i e e e 8 0 2 1 5 4 工作组主要负责制定物理层和介 质访问层的协议，其余协议主要参照和采用现有的标准。下面将分层详细介绍各 层的作用和结构。 蚪川大学硕士学位论文 安 全 服 务 提 供 者 端点2 4 0 a p s 数据实体 服务访问点 应ii 用厂一 对lz d o 公共接口 蓉i i 、_ r 丽引。 j服务访问点 z i g b e e 设备对象 ( z d 0 ) 端点0 a p s 数据实体 服务访问点 安全管理l 了而函瓣 服务访问点 应用支持子层( a p s ) 匡囹 a p s 管理 实体服务 访问点 安全管理 网络层( n w k ) m a c 数据实体 服务访问点 m a c 管理实体 服务访问点 物理层数据 服务访问点 介质访问控制层( m a c ) 物理层管理实 体服务访问点 物理层( p h y ) 图2 1z i n e e 协议栈结构图 n i l 【管理 实体服务 访问点 z d o 管 理 m 面 物理层： 物理层提供了介质访问控制层与无线物理通道之间的接口，主要完成：激 活休眠无线收发设备、对当前频道进行能量检测、链路质量指示、为载波侦听 与冲突检澳u ( c s m a c a ) 进行空闲频道评估、频道选择、数据的发送及接收等“1 。 物理层的主要功能是在信道上传输比特流。过去对移动节点节能问题的研 究主要集中在物理层，包括选择适合的硬件以及编码调制方式等。在超大规模 集成电路发展的基础上，采用不同时钟频率的c p u 、快速的数据存取设备等， 可以减少节点的能量消耗。在此基础上，将硬件技术与不同的调制，解调方式、 编解码方式和信号压缩方式相结合，可以进一步节约能量。此外还可采用发射 功率等级可变的无线芯片，也可以根据收发信机之间的距离，采用自适应天线 改变发射功率的大小，以及根据信道特性合理分配功率等来提高能量的利用率。 功率控制机制在保证一定通信质量的前提下，尽量降低信号的发射功率。信号 应用对象拗 基十z i g b e e 远程抄表系统收发功能模块的研制 发射功率的降低会导致发送节点的功耗下降，功率控制机制带来的另一个好处 是可以减小某些发送节点对邻近节点的干扰，此时空间上相距较远的节点可以 同时发送数据而不会相互影响。这样在一个较大区域内可以有更多的节点同时 发送数据，因此提高了信道的空间复用度，也提高了网络容量。本系统中采用 的射频芯片c c 2 4 2 0 有八级功率级别，通过设置t x c t r l 寄存器中 p al e v e l ( 5 b i t s 长度) 来控制。 图2 - 2z i g b e e 物理层分组结构 z i g b e e 物理层分组结构如图2 2 所示，其中前导码4 b y t e ，主要用于前导同 步；分组定界1 b y t e ，用于标志分组的开始：物理层头1b y t e ，表示数据单元的 长度；物理层数据单元用于承载传输数据。 i e e e 8 0 2 1 5 4 定义了2 4 g h z 和8 6 8 9 1 5 m h z 两个物理层，它们基于直接 序列扩频( d i r e e ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m d s s s ) 数据包格式，两者的区别在 于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率”1 。 2 4 g h z 频段：该频段为全球统一无需申请的i s m 频段，有助于z i g b e e 设 备的推广和生产成本的降低。该频段物理层通过采用高阶调制技术，可获得更 高的吞吐量、更小的通信延时和更短的工作周期，从而获得更低的能耗。该频 段( 2 4 - - 2 4 8 3 g h z ) 被划分为1 6 个信道，数据传输速率为2 5 0 k b l s ，码元速率 为6 2 5 k b a u d ，采用1 6 进制正交调制，并用码片长度为8 的伪随机码直接扩频。 8 6 8 9 1 5 m h z 频段：为了避免干扰，欧洲还采用8 6 8 m h z 频段，美国采用 9 1 5 m h z 频段作为z i g b e e 的工作频段。上述这些频段比较相近，对信号合成器 的程序稍作改动，就可以使用相似的硬件，从而降低生产成本且无线信号传播 损耗较小，可降低对接收机灵敏度的要求，获得较远的通信距离，可用教少的 设备覆盖较大的区域。9 1 5 m h z 频段( 9 0 2 9 2 8 m h z ) 被划分为1 0 个信道，数 据传输逮率为2 0 k b t s ；8 6 8 m i i z 频段( 8 6 8 3 m h z ) 有1 个信道，数据传输速率为 四川大学硕士学位论文 2 0 k b s ，码元速率为2 0 k b a u d 。 上述波段均采用了差分编码的二进制移相键控( b p s k ) 调制，用码片长度 为1 5 的m 序列直接扩频。各个频段详细参考数据如表2 1 所示： 表2 1z i g b e e 工作频段详细参数 ：c 作f “频参数传输；z j l l ；参数 物理层 频率 频道 数 码片率 咪鲥方式 薏爹雾 数懈符号 一 ( i d h z ) ( k e h ip s ) 8 6 8 删z8 6 8 一 二十h 的相移键控 2 0 = 进制 13 0 0 物理层8 6 8 6 调制( b p b - k ) 9 1 5 删z二相的桐移键控 物理层 9 0 2 9 2 81 06 0 04 0= 进制 调制( b p s k ) 2 4 g2 , t 0 0 一 俯移列相移千h 键 2 5 0 1 6 状态自t 1 62 0 0 0 控橱制( 0 - - q p s k )物理j 銎 2 4 8 3 5 本次设计采用的c h i p c o n 公司的c c 2 4 2 0 芯片工作于2 4 g 频段，并按照如 下方式实现信号的调制和扩频。图2 3 为2 4 g 物理层实现调制及扩频功能示意 框图。 图2 - 324 g 物理层实现调制及扩频功能 2 4 g 物理层将数据( p p d u ) 每字节的低四位与高四位分别映射组成数据符 号( s y m b 0 1 ) ，每种数据符号又被映射成3 2 位伪随机噪声数据码片( c h