（计算机应用技术专业论文）基于无线传感器网络的宿舍环境数据采集系统.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 摘要 大学宿舍是学生求学期间居住的一个家，只有这个家安全舒适了，才能为 学生营造一个良好的生活学习环境，才能使学生的求学生涯更加美好。 z i g b e e 技术是最近发展起来的一种近距离、低复杂度、低功耗、短延时、 低数据速率、低成本的无线通信技术。将z i g b e e 技术引入到无线传感器网络 中，可以被广泛应用到家电控制、工业控制等领域。 本文以大学宿舍环境监测系统为研究对象，设计并实现了一个基于z i g b e e 无线网络技术的环境监测系统，该系统包括硬件系统和软件系统两部分。在硬 件系统的设计中，采用模块化设计原则，使各模块之间以一定的通信协议进行 通信，使系统更易维护和扩充。主要包括无线通信模块和传感器模块。在无线 通信模块中，采用c c 2 4 3 0 作为无线射频芯片，辅助以必要的外围电路，用于 与系统的其他模块进行通信。传感器模块的设计中，采用s t c 9 0 l e 5 8 a d 4 0 i 作为主控芯片，其用来收集各类传感器的数据。论文最后完成软件系统的设计， 软件系统的设计也是采用模块化原则，该系统包含无线通信模块软件设计、传 感器模块的软件设计和管理中心的软件设计。 与传统方法相比，该环境监测系统具有免布线、维护方便、扩展性好、灵 活性好等优点，可容易地运用到实际的应用中。经过初步的设计和实现，并通 过初步的测试运行，该系统基本上达到预期的设计目的。 关键词：z i g b e e ；无线传感器网络；c c 2 4 3 0 ；无线射频芯片 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 a b s t r a c t u n i v e r s i t yd o r m i t o r yi st h eh o m ef o rs t u d e n t sd u r i n gs c h 0 0 1 o n l yt h i sh o m e i ss e c u r e ，c o m f o r t a b l e ，c a ni tc r e a t eag o o dl i v i n ge n v i r o n m e n tt ol e a r na n ds u p p l y ab e t t e rc a r e e rf o rs t u d e n t s z i g b e ei sak i n do fn e w l ya r i s e nw 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 y i th a s t h ec h a r a c t e r i s t i c so fc l o s eq u a r t e r so fc o m m u n i c a t i n g ，l o wc o m p l e x i t y ，l o w p o w e r ，l o ws p e e d ，s h o r t e rd e l a y ，l o wc o s t n o w ，z i g b e et e c h n o l o g yh a s b e e ni nt h e w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，t h i si sh a v i n gw i d ea p p l i c a t i o nw i t h i nh o m ec o n t r o la n d i n d u s t r i a lc o n t r o la n dm o n i t o r i n g t h er e s e a r c ho b j o c to fp a p e ri st h ee n v i r o n m e n tm o n i t o r i n gs y s t e mi n d o r m i t o r y t h i sp a p e rh a sd e s i g n e da n da c h i e v e d ak i n d o fe n v i r o n m e n t m o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nz i g b e ew i r e l e s sn e t w o r kt e c h n o l o g y t h es y s t e m i n c l u d e sh a r d w a r es y s t e ma n da p p l i c a t i o ns o f t w a r es y s t e m h a r d w a r es y s t e ma n d s o f t w a r es y s t e ma r et h em a i np o i n ti nt h i sp a p e r i nt h eh a r d w a r es y s t e m ，m o d u le s m e c h a n i s mi su s e d ，a n ds o m ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sa r ea d o p t e db e t w e e n m o d u l e si fi n t e r c o m m u n i c a t i o ni s r e q u i r e d ，t h e s em a k et h es y s t e me a s i e rt o m a i n t a i na n du p g r a d e t h eh a r d w a r es y s t e mi n c l u d e sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n m o d u l ea n ds e n s o rm o d u l e i nt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，c c 2 4 30i s u s e da sr fc h i pw h i c hs u p p o r t e db yn e c e s s a r yc i r c u i t r i e st op r o v i d ei n t e r f a c e sf o r t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e no t h e rm o d u l e sa n di t s e l f i nt h es e n s o rm o d u l e ， s t c 9 0 l e 5 8 a d 4 0 ii su s e da st h ec o n t r o l l e rw h i c hc o l l e c t sa l lk i n d so fs e n s o r s d a t a l a s t l yt h ep a p e rd e s i g n st h es o f t w a r es y s t e m i nt h i ss y s t e m ，m o d u l e s m e c h a n i s mi su s e dt o o s o f t w a r es y s t e mi n c l u d e sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ， s e n s o rm o d u l ea n dm a n a g e m e n tc e n t e r c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lm e t h o d s ，t h i ss y s t e mh a sm a n ym e r i t s ，s u c ha s l e s sw i r i n gw o r k ，e a s i e rm a i n t e n a n c e ，h i g h e rp r e c i s i o n ，b e t t e re x p a n s i b i l i t ya n d f l e x i b i l i t y i tc a nb ee a s i l yu s e di nt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n s a f t e rt h ep r e l i m i n a r y d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n ，t h es y s t e mc h e c k e db yr u n n i n gt e s th a sb a s i c a l l y a c h i e v e dt h ei n t e n d e dp u r p o s e k e yw o r d s ：z i g b e e ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，c c 2 4 3 0 ，w i r e l e s sr f c h i p 西南交通大学曲南父逋大字 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保耐，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者躲瑚尹 日期：凇、。，r 指导老师签名： 丽玉协 日期： z ，口l7 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下：本文以大学宿舍环境监测系 统为研究对象，设计并实现了一个基于z i g b e e 无线网络技术的环境监测系统， 该系统包括硬件系统和软件系统两部分。在硬件系统的设计中，采用模块化设计 原则，使各模块之间以一定的通信协议进行通信，使系统更易维护和扩充。主要 包括无线通信模块和传感器模块。在无线通信模块中，采用c c 2 4 3 0 作为无线射 频芯片，辅助以必要的外围电路，用于与系统的其他模块进行通信。传感器模块 的设计中，采用s t c 9 0 l e 5 8 a d 4 0 i 作为主控芯片，其用来收集各类传感器的数 据。论文最后完成软件系统的设计，软件系统的设计也是采用模块化原则，该系 统包含无线通信模块软件设计、传感器模块的软件设计和管理中心的软件设计。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作 了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者躲嘶 日期：阳矽、彳伥 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 课题背景 第1 章绪论 大学宿舍是学生远离父母求学居住的第二个家，只有这个家安全舒适了， 才能为学生营造一个良好的生活学习环境，才能使学生的求学生涯更加美好。 当前高校学生宿舍存在的主要问题有：( 1 ) 火灾隐患。( 2 ) 偷盗失窃问题。 ( 3 ) 诈骗问题。( 4 ) 其他安全隐患。 高校大学宿舍突出的问题是火灾隐患问题，而宿舍火灾隐患具体体现在学 生违章使用“热得快”、电饭煲等大功率用电器，宿舍内私拉电线以及违章吸 烟等。为减少事故的发生，必须对危险源和隐患进行监测预警，变事故处理为 事故预防，随时发现隐患，随时进行排除，把事故消灭在萌芽状态，牢牢掌握 安全管理的主动权。 本文以大学宿舍的环境监测系统为研究对象，通过各种类型的传感器来采 集环境信息，实现对宿舍环境的实时监测。这些传感器包括：( 1 ) 温湿度传感 器。该传感器采集被监测区域的温湿度信息。( 2 ) 亮度传感器。其通过感应光 线强弱，监测当前空间的光强信息。( 3 ) 烟雾传感器。其采集被监测区域的烟 雾浓度，使管理中心尽早发现火灾隐情。( 4 ) 电流和电压传感器。它们用来实 时跟踪当前宿舍的耗能情况，方便管理中心实时的监控当前宿舍是否使用大功 率电器。 传统的监测系统大多为有线方式，由于有线网络固有的布线麻烦、可扩展 性差等缺点，无线网络技术应用于监测系统已成为必然趋势。b l u e t o o t h 、 z i g b e e 、u w b 、红外技术等一系列无线网络技术的进一步发展，必将大大促进 监测系统智能化的进程。 因此，本文针对环境监测系统中监测点分散、实时性差、布线麻烦等特点， 又结合无线传感器网络技术，提出了利用无线传感器网络对环境进行实时监测 的方案，设计并实现了一个基于无线传感器网络的环境监测系统。 1 2 无线传感器网络的研究现状以及发展趋势 随着计算机技术、网络技术和无线通信技术的发展，以更小、更廉价的低 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 功耗的嵌入式系统加上网络技术，出现了许多新的信息获取和处理模式，无线 传感器网络就是其中具有代表性的一个领域。 无线传感器网络是当前国际上倍受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高 度集成的前沿热点研究领域。它综合了传感器技术、嵌入式计算机技术、现代 网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传 感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，这些信息通过 无线方式被发送出去，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现物 理世界、计算机世界以及人类社会三元世界的连通。其具体定义是：无线传 感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，w s n ) 是由大量部署在监测区域内的微型传 感器节点组成，通过无线通信方式形成多跳自组织的网络系统，能够协同地感 知、采集和处理网络覆盖地理区域中对象的信息，并传送给观察者【2 】。 无线传感器网络的研究起步于2 0 世纪9 0 年代末期。2 0 0 2 年，美国i n t e l 公司发布了“基于微型传感器网络的新型计算发展规划 【3 】，并表示i n t e l 将 致力于微型传感器网络在预防医学、环境监测、森林灭火乃至海底板块调查、 行星探测等领域的应用。其应用阶段将应用传感器网络于预防医学、环境监测 及灾害对策等领域。i n t e l 的加入使得无线传感器网络的应用已经从实验室走向 了实际的应用市场。 无线传感器网络是一种特殊的无线自组织网络( a d h o c ) t 4 1 ，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。在无线传感器网络中一般有 大量的节点设备，这些受控的节点模块如果使用电池供电，成本和功耗就是组 建控制网络中最为需要考虑的两个因素，所以无线传感器网络要突出低功耗、 低成本、低复杂度、电池寿命长等特点。 将近距离、低功耗、低速率、低成本的无线通信技术z i g b e e 应用到无线 传感器网络后，它可以被广泛地应用在国防军事、环境监测和预报、健康护理、 智能家居、建筑物状态监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间 和仓库管理以及机场的安全监测等领域i s 。 本文所提出的“基于无线传感器网络的宿舍环境监测系统 是基于z i g b e e 无线通信技术来完成数据的传输。 1 3 几种近距离无线通信技术 近十年来，随着半导体技术和无线通信技术的不断发展，信息领域陆续出 现了多种新的短距离无线通信技术。本小节将对这些相关技术进行简单的介 绍，目的在于更好的了解它们各自的技术性能和应用领域。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 3 1 蓝牙技术 蓝牙( b l u e t o o t h ) 是工作在2 4 g h z 频段的一种短距离无线通信技术。在 l9 9 8 年5 月，由爱立信、诺基亚、东芝、i b m 和i n t e l5 个公司共同提出来。 其标准版本为i e e e 8 0 2 15 1 ，采用跳频扩谱( f r e q u e n c yh o p p i n gs p r e a d s p e c t r u m ，f h s s ) 技术，有效通信距离为10 m ，传输速率已从7 2 0 k b p s 发展到 3 m b p s t 6 】。 蓝牙技术提供一种通用的无线接口，主要目标是用于实现所有移动设备之 间的信息传输，其已经在p d a 、手机和交互式游戏机等领域得到广泛的应用。 蓝牙作为种小范围无线连接技术，能够在设备之间实现方便快捷、灵活安全 的数据和语音通信，是目前实现无线局域网的主流技术之一。但是，蓝牙协议 栈的大小在6 0 15 0 k b 左右，协议栈的复杂度大，同时对内存资源的需求也 较大。而且，蓝牙在每个个人区域网( l o wr a d e w i r e l e s sp e r s o n a la r e a n e t w o r k ，l r w p a n ，简写为p a n ，简称为个域网) 中最多只能配置7 个节点，从 而限制了其在大型传感器网络中的应用。 1 3 2w i f i ( i e e e 8 0 2 1 1 ) w i f i ( w i r e l e s sf i d e l i t y ) 即i e e e 8 0 2 1 1 x 技术，其是i e e e 定义的一个无 线网络通信工业标准，它的传输速率和距离可达1 1m b p s 和10 0 m 。目前比较 流行的i e e e 8 0 2 1 1 版本有三个：8 0 2 1 1 a ，其工作频率为5 8 g h z ，最高速率为 5 4 m b p s ；8 0 2 1 1 b ，工作在2 4 g h z 频段，速率为1 m b p s - 1 1 m b p s ；8 0 2 1 1 9 ，工 作频段为2 4 g h z ，最高速率可达5 4 m b p s 。8 0 2 1 1 a 与8 0 2 1 1 b 不兼容，8 0 2 1 1 9 与8 0 2 1 1 b 可以完全兼容【7 】。 w i f i 的协议比较复杂，实现成本高，而且其优异的带宽是以高功耗为代 价的，所以w i f i 设备需要有较高的电能储备，这就无法满足其在低功耗技术 中的应用。 1 3 3 超宽带通信 超宽带技术u w b ( u l t r aw i d eb a n d ) 是一种新型无线通信技术，非常适于 建立一个高效的无线局域网或无线个域网。美国联邦通信委员会( f e d e r a l c o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n ，f c c ) 规定：该技术的工作频段范围为 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 3 1 1 0 6 g h z ，其工作带宽为7 5 g h z ，数据传输率可达1g b p s ，传输距离为 1 0 m t s 。 该技术的优点是功耗低、传输速率高，同时还有穿透力强、隐蔽性好、系 统容量大、定位精度高等优势。但是由于其标准上还不统一，该项技术还没有 得到广泛的应用。 1 3 4 红外技术 红外技术i r d a ( i n f r a r e dd a t aa s s o c i a t i o n ) 是一种利用红外线进行点对点 的通信技术。它通常采用8 5 0 n m 的红外光来传输数据信息，其要求设备之间 的通信距离不能超过1 0 m ，目前红外技术的传输速率已经达到了1 6 m b p s 。现 在市场上支持该技术的软硬件都很成熟，在小型移动设备( 如照相机、遥控器、 手机) 上已被广泛使用。 红外技术具有移动通信所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用、成 本低的特点。但是，在使用红外技术进行通信的时候，对通信角度有所要求， 其通信角度不能超过3 0 。由于其传输距离有限、传输方向性强等缺点，在应 用范围上受到了一定程度的限制。 1 3 5z i g b e e 技术 z i g b e e 技术是最近发展起来的一种近距离无线通信技术。该技术具有低复 杂度、低功耗、短延时、低速率、低成本等特点。完整的z ig b e e 协议栈是由 物理层( p h y s i c a ll a y e r ，p h y ) 、m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r o ll a y e r ) 层、 网络层和应用层组成。z ig b e e 并不是完全独有的全新的标准，其物理层和m a c 层协议采用了i e e e 8 0 2 1 5 4 标准，其他层是由z i g b e e 联盟( z i g b e ea l l i a n c e ) 制定。 该技术被业界认为是最有可能在工业监控、传感器网络、家庭监控等领域 得到广泛应用的无线通信技术。 1 4 研究内容和章节安排 在环境监测系统，有不同的平台和组网方式，这必然导致环境监测系统的 实现方案多样化。考虑到环境监测系统在国内外的研究现状、成本、性能等因 素，本设计采用最近新兴的z i g b e e 无线网络技术作为数据传输平台。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 本文以大学宿舍环境监测系统为研究背景，采用c h i p c o n 公司的c c 2 4 3 0 为硬件核心控制平台，通过传感器来采集室内环境数据，并把采集到的信息利 用无线通信技术一一z i g b e e 汇集到网络控制中心，该控制中心再通过串口把数 据发送到p c 机上，设计并实现了一个无线的实时的室内环境监控系统。 鉴于以上分析，本文的结构安排如下： 第1 章：绪论。主要论述本课题的选题背景、无线传感器网络的研究现状 和发展趋势以及常用的几种近距离无线通信技术。 第2 章：z i g b e e 协议栈介绍。介绍z i g b e e 技术的发展历程以及国内外的研 究现状，简单介绍下z i g b e e 协议栈中各层的结构、数据格式以及各层的主要 功能。 第3 章：基于z i g b e e 技术的环境监测系统的硬件设计。硬件设计包括控制 中心节点的设计和传感器节点的设计。在传感器节点设计中，系统根据不同的 检测对象，使用不同类型的传感器来进行数据采集。 第4 章：系统的软件设计。软件设计主要有采集模块的软件设计、管理中 心处理程序设计和控制中心的软件设计。 第5 章：基于z i g b e e 技术的环境监测系统的功能测试。对系统进行无线通 信测试和串口通信测试。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章z i g b e e 协议栈分析 近年来，在无线个域网领域中，各种标准的技术在竞相发展，而基于这些 技术的产品之间既互相竞争又相互补充。z ig b e e 正是在这种无线技术蓬勃发 展的环境中应运而生的。2 i g b e e 是一种新兴的短距离、低复杂度、低功率、 低速率、低成本的双向无线通信技术。 2 1 z i g b e e 概述 2 1 1 z i g b e e 的演变和发展 在z i g b e e 技术出现之前，为了满足低功耗、低成本的无线网络要求，i e e e 标准委员会在2 0 0 0 年1 2 月正式成立8 0 2 15 4 工作组，该工作组的任务是开发 一个低速率传输的w p a n 标准【9 】。这个标准主要是对p h y 层和m a c 层进行 规范。 z i g b e e 联盟在i e e e8 0 2 1 5 4 标准之上制定了一套适应于低速率、低功耗 的无线传输标准化平台一一z i g b e e 。 z i g b e e 这一名字源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过跳 z i g z a g 形状的舞蹈来分享新发现的食物源的位置、距离和方向等信息。蜜蜂自 身体积小，所需要的能量也小，但是通过这种方式又能达到交换信息的目的。 所以人们使用z i g b e e 技术来代表具有成本低、体积小、能量消耗小和传输速 率低的无线通信技术，中文译名为“紫峰”技术。z i g b e e 过去又称为“h o m e r f l i t e ”、“r f e a s y l i n k 或“f i r e f l y 无线电技术，目前统称为z i g b e e 技术【l o 】。 z i g b e e 联盟成立于2 0 0 1 年8 月。2 0 0 2 年下半年，英国i n v e n s y s 公司、日 本三菱电气公司、美国m o t o r o l a 公司和荷兰p h i l i p s 半导体公司共同宣布，它 们将加盟“z i g b e e 联盟”，以研发名为“z i g b e e 的下一代无线通信标准。【1 1 1 如今，z i g b e e 联盟已经吸引了全世界上百家芯片制造商、无线设备商和开发商 的加盟，符合z i g b e e 规范的新产品在不断推出，这一领域正迸发出勃勃生机。 z i g b e e 联盟在2 0 0 4 年12 月正式推出z i g b e e l 0 ( 又称为z i g b e e 2 0 0 4 ) 版本 标准。2 0 0 6 年12 月，又对z i g b e e l 0 进行了修改，推出了z i g b e e l 1 版( 又称 为z i g b e e 2 0 0 6 ) 。该标准又于2 0 0 7 年1 0 月进行了修改，称为z i g b e e 2 0 0 7 p r o 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 或者z i g b e ep r o 或者z i g b e e2 0 0 7 i 1 2 】。 目前，z i g b e e 技术的产业链已经基本成型。自从2 0 0 3 年1 2 月c h i p c o n ( 已 被t i 收购) 公司推出业界第一款z i g b e e 收发器c c 2 4 2 0 以来，各大半导体厂家 可谓百家争鸣，先后推出了许多款z i g b e e 收发芯片。2 0 0 4 年12 月，c h i p c o n 公司推出了全球第一个i e e e 8 0 2 15 4 z i g b e e 片上系统( s o c l 解决方案一 c c 2 4 3 0 无线单片机。目前只有4 个原始设备生产商一一c h i p c o n 、f r e e s c a l e 、 c o m p x s 和e m b e r 的z i g b e e 套件符合联盟规定的标准： 2 0 0 4 年1 1 月z i g b e e 联盟主席r o b e r tf h a i l e 曾亲自造访中国，以免专利 费的方式吸引中国本地企业加入。在2 0 0 6 年6 月华为以“促进者”身份加入 了z i g b e e 联盟理事会，但z i g b e e 在中国还未得到足够的支持。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是z i g b e e 在 中国推广和应用的里程碑【”】。 2 1 2 z i g b e e 特点 z i g b e e 技术与其他几种无线通信技术相比，突出的优势是电池寿命长、组 网能力强、可靠性高及成本低。从表2 1 【1 4 】中可以看出z i g b e e 与其他无线通 信技术的区别。 z i g b e e 技术的具体特点如下【1 5 】： 低传输率：z i g b e e 的数据传输率较低。分别提供2 5 0 k b p s ( 2 4 g h z ) 、 4 0 k b p s ( 9 1 5 m h z ) 和2 0 k b p s ( 8 6 8 m h z ) - - - 种原始数据吞吐率，并且工作频段 灵活 低功耗：在非工作模式下，z i g b e e 节点处于休眠状态；在工作模式下， 信号的收发时间短，一般的电池可支持1 个节点工作6 , - - 2 4 个月 低成本：z i g b e e 协议简单，降低了对通信控制器的要求，而且z ig b e e 免收专利费，更大大地降低了成品的成本 短延时：通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，通常时延都在15 3 0 m s ，进一步节省了电能 组网能力强：z i g b e e 可支持星型、树型和网状结构等组网方式。网络容 量可支持高达6 5 0 0 0 个节点 可靠：采用载波帧听冲突检测( c s m a c a ) 方式对信道进行接入，避开了 发送数据时的竞争和冲突 安全：z ig b e e 提供了三级安全模式，包括无安全方式、使用接入控制列 表( a c l ) 防止非法设备获取数据和采用高级加密标准( a e s 1 2 8 ) 的对称 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 密码。 表2 1 几种短距离无线技术的比较 规范 z i g b e e 蓝牙 w i f i 红外 覆盖面积m 5 0 3 0 01 05 05 最大功耗m w 1 31 l o o1 0 01 0 频段8 6 8 2 4 g h z 2 4 g h z2 4 g h z 8 2 0 h m ( 波长) 网络节点数 6 5 0 0 085 02 安全性1 2 8 位a e s 1 2 8 位密钥啷加密 小角度传输 传输速率m b p s o 0 2 ，0 0 4 ，0 2 51 , 2 ，3 1 1 1 1 5 2 1 ，4 ，6 联网所需时间3 0 m s1 0 s3 sn l s 家庭网络、控制网透明可见范围、 主要用途 个人网络 无线局域网 络、传感器网络近距离遥控 z i g b e e 的以上技术特点使其在一些特定的应用场合极具优势，比如：数据 的交换量较小、传输的速率要求不高；功耗要求低并采用电池供电且需要维持 较长时间；无线通信交换信息的低成本装置等。 2 1 3z i g b e e 的设备类型和节点类型 根据设备功能的不同，i e e e8 0 2 15 4 把网络中的设备分为全功能设备( f u l l f u n c t i o nd e v i c e ，f f d ) 和简化功能设备( r e d u c e df u n c t i o nd e v i c e ，r f d ) 【16 1 。 f f d 实现了i e e e8 0 2 15 4 协议的全集；r f d 功能简洁，存储器容量要求最少， 其只实现了i e e e8 0 2 15 4 完整协议中的一部分。一个f f d 可以同时与多个 r f d 或多个f f d 通信，而一个r f d 同一时间只能和一个f f d 进行通信。根据 设备在网络中承担任务的不同，个域网( p a n ) 中的设备可以分为p a n 协调器、 协调器和一般设备。p a n 协调器是p a n 网的总控制器，一个i e e e8 0 2 15 4 网 络中只有一个p a n 协调器。 对于网络中的设备，z i g b e e 联盟和i e e e8 0 2 15 4 所制定的标准有所不同。 z i g b e e 联盟把i e e e8 0 2 15 4 中定义的p a n 协调器、协调器和一般设备分别成 为“z i g b e e 协调器( c o o r d i n a t o r ) ”、“z i g b e e 路由器( r o u t e r ) ”、“z i g b e e 终 端设备( e n d d e v i c e ) ”。其中协调器和路由器均为全功能设备，而终端设备采 用简化功能设备。 协调器是个域网( p a n ) 的总控制器，一个i e e e8 0 2 15 4 网络中只有一个协 调器。该设备负责启动网络，配置网络成员地址，维护网络，维护节点的绑定 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 关系表等，需要最多的存储空间和计算能力。 路由器主要实现扩展网络和发送路由消息，即作为网络中的潜在父节点， 允许更多的设备接入网络。路由节点只有在树形和网状网络中存在。 终端设备不具备成为父节点或路由器的能力，一般作为网络的边缘设备， 负责与实际的监控对象相连，这种设备只与自己的父节点主动通信，具体的路 由信息全部交由其父节点及网络中具有路由功能的协调器和路由器完成。 2 1 4z i g b e e 网络拓扑结构 z i g b e e 支持三种网络拓扑结构：星型结构( s t a r ) 、树型结构( c l u s t e rt r e e ) 和网状结构( m e s h ) 。 星型结构：如图2 1 所示。在该网络拓扑结构中，所有终端设备都与唯一 的中央控制设备一一p a n 协调器通信，终端设备之间的通信通过p a n 协调器 的转发来实现。终端设备要么是通信的起点，要么是通信的终点；协调器可以 是通信的起点也可以是通信终点。该拓扑结构简单，但是灵活性差，它需要每 个终端节点都在中心节点的通信范围之内，这必然会限制网络的覆盖范围。当 有大量的信息涌向中心节点时，容易造成网络拥塞、丢包等结果。星型网络拓 扑结构是最常见的网络配置结构，被广泛应用于远程监控中。 终端节点 p 螨 j ， 点o 兰粤7 一一( k 节点 、 、 ，7 、 、 点u 图2 1 星型拓扑结构示意图 树型结构：如图2 2 所示。该结构是由个协调器和一个或多个星型结构 连接而成，设备除了能与自己的父节点或子节点进行点对点直接通信外，其他 节点之间也能通过树状路由完成消息传输。树型结构保留了星型网络的简单， 同时可以通过路由器来扩展网络。但是在信息源和目的设备之间有且只有一条 传输路径，该路径中的任何一个节点发生故障，将会引起以下所有节点脱离网 络。树型拓扑网络最佳应用是在稳定的无线射频环境中。 网状结构：如图2 3 所示。该网络结构是在树状网络结构基础上实现的。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1o 页 与树状网络不同的是，该网络结构比较复杂，它允许网络中所有具有路由功能 的节点直接互联，这样网络中任意两个节点的传输路径就不是唯一的，最大限 度的保证了网络的可靠性。该网络类型比较适合设备分布广的应用，比如货物 库存跟踪和智能农业等方面。 o 娜点 o 一、 协调器 p 入 v o 。 由器 路由器 、o ，、 () 终端节点 图2 2 树型拓扑结构示意图 o 点 终端节点 、一 j ? j ， 擘由舻 o 路由器 、“、o 八 () 终端节点 图2 - 3 网状拓扑结构示意图 o|!|o一 缘一 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 2 1 5z i g b e e 协议架构 z i g b e e 的协议架构是建立在i e e e8 0 2 1 5 4 标准之上的。i e e e 8 0 2 1 5 4 标 准定义了z i g b e e 的p h y 和媒体访问层( m a c ) ；z i g b e e 联盟定义了z i g b e e 协 议的网络层( n e t w o r kl a y e r ，n w k ) 和应用层( a p p l i c a t i o nl a y e r ，a p l ) 。应用 层包括应用支持子层( 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 ) 、应用框架 ( 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 ed e v i c eo b j e c t s ，z d o ) 以及厂商定义的应用对象。z i g b e e 协议栈的体系结构【1 7 】如图2 - 4 所示，它符合 标准的开放式系统互联( o p e ns y s t e m si n t e r c o n n e c t i o n ，o s i ) 体系结构。 z i g b e e 协议栈是由一组子层构成。每层为其上层提供一套服务功能：数据 实体提供数据传输服务，管理实体提供其他服务。每个服务实体和上层之间的 接口称为“服务访问点( s a p ) ，通过s a p 交换一组服务原语为上层提供相关 的服务。 图2 4z i g b e e 协议栈结构 2 2i e e e8 0 2 1 5 4 标准 作为无线低速个域网技术，z i g b e e 协议栈的物理层和m a c 层采用的是 i e e e8 0 2 1 5 4 标准协议，本小节介绍的p h y 层和m a c 层都是基于i e e e 西南交通大学硕士研究生学位论文 第12 页 8 0 2 1 5 4 标准【1 8 19 1 。 2 2 1p h y 层 物理层的主要功能：开启和关闭无线收发器；能力检测；链路质量指示； 空闲信道评估；信道选择；数据发送和接收。 i e e e8 0 2 1 5 4 物理层定义了8 6 8 m h z 、9 1 5m h z 和2 4g h z 三个频段，并 在这三个频段上共划分了2 7 个信道，信道编号k 为0 - - 一2 6 。2 4 g h z 频段上划 分了16 个信道，9 15 m h z 频段有10 个信道，8 6 8 m h z 频段只有1 个信道。2 7 个信道的中心频率和对应的信道编号定义见式2 1 ： ff c 28 6 8 3 胞 k=o f c = 9 0 6 + 2 ( k 一1 ) 幻花 k = 1 ，2 ，1 0式2 1 lf c = 2 4 0 5 + 5 ( k 一11 ) 扣r 彳z k = 1 1 ，1 2 ， 2 6 通常z i g b e e 不能同时兼容这3 个工作频段，而且这3 个频段上发送数据 使用的速率、信号处理过程以及调制方式等方面都存在着一定的差异。各频段 的详细信息如表2 2 所示。本系统设计所使用的是2 4 g h z 的国际通用的免费 工作频率。 表2 - 2 频段和数据传输率 其中b s p k 为双相移相键控，o q p s k 为四相相移键控 物理层通过射频固件和硬件提供m a c 层与物理无线信道之间的接口，并 提供两种服务：物理层数据服务和物理层管理服务。在物理层中存在有数据服 务接入点( p h yl a y e rd a t a s e r v i c ea c c e s sp o i n t ，p d s a p ) 和物理层管理实体 接入点( p h yl a y e rm a n a g e m e n te n t i t y s e r v i c ea c c e s sp o i n t ，p l m e s a p ) 。 通过p d s a p 为物理层数据提供服务，通过p l m e s a p 为物理层管理提供服务， 并且p l m e 还负责维护物理层p a n 信息库( p a ni n f o r m a t i o nb a s e ，p i b ) 。 i e e e 8 0 2 1 5 4 物理层的参考模型如图2 5 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第13 页 i 鸳馨3 i 锻( p h y 层) l 竺； 一 j f p h y m j !l ，j ! ! 二_ i ! 厂一 l 胙s a p 三二二三! 图2 5 物理层参考模型 物理层协议数据单元( p h yp r o t o c o ld a t au n i t ，p p d ) 由三部分组成：同步头、 物理层帧头和物理层有效载荷( p h ys e r v i c ed a t au n i t ，p s d u ) 。其格式如表2 3 所示。同步头允许接收设备同步并锁定比特流；物理层帧头包含的是帧长信息； 有效部分是p s d u 字段，它是物理层要发送的数据包，该字段长度可变。 表2 3 物理层数据包格式 字节数：4 1 可变长度 引导序列帧开始符 帧长( 7 位)预留( 1 位)物理层服务数据单元( p s d u ) 同步头物理层帧头物理层有效载荷 引导序列字段：收发机用来获得码片和符号同步，它是3 2 位长度的全 o 序列。 帧开始符字段：表示引导序列的结束和数据帧的开始，它是8 位的二 进制序列1 1 1 0 0 1 0 1 。 帧长字段：它用7 位表示物理层有效载荷的长度，其取值范围是o 到12 7 之间。 p s d u 字段：可变长度，它是物理层要发送的数据包。 2 2 2m a c 层 m a c t 2 0 】层位于n w k 层和p h y 层之间，需要处理两层发送过来的数据， 并将处理结果转发给这两层。其主要功能有：网络协调器产生网络信标；信标 同步；支持p a n 关联和解关联；c s m a c a 信道访问机制；处理和维护保证时 隙( g t s ) 机制；在两个对等m a c 实体间提供可靠链路。 m a c 层通过它的公共部分子层服务接入点( m a cc o m m o np a r ts u b l a y e r s e r v i c ea c c e s sp o i n t ，m c s p s a p ) 为其提供数据服务。m a c 层还包括m a c 层 管理实体( m a cl a y e rm a n a g e m e n te n t i t y ，m l m e ) ，该实体通过一个服务接1 2 1 ( m l m e s a p ) 可调用m a c 层管理功能，还负责维护m a c 层固有的管理对象数 据库( m a cp i b ) 。除了这些接口外，m a c 公共部分子层( m c p s ) 和m l m e 之间 西南交通大学硕士研究生学位论文 第14 页 还隐含了一个内部接口，用于m l m e 调用m a c 数据服务。其参考模