（计算机系统结构专业论文）基于ieee1451标准的网络应用处理器ncap研究与实现.pdf

华东师范大学硕士学位论文基于i e e e1 4 5 1 标准的网络应用处理器( n c a p ) 研究与实现 摘要 传感器( 传感器和执行器) 在今天已经无处不在。它们被应用在人们日常 生活的各个方面，从工业自动化到环境监测到国土防卫。目前，传感器发展的 趋势之一是智能传感器。智能传感器通常包括传感器、数据转换器、微处理器 和网络接口，并通过现场总线向监测设备传输采集到的数据，同时接收监测设 备的命令。但是由于种种原因，出现了许多不同的现场总线标准，导致了智能 传感器之问的兼容和互操作性问题，给生产商、开发者和用户都带来了不便和 浪费。i e e e l 4 5 1 标准正是为了解决这一问题。该标准统一了智能传感器之间的 接口，使得智能传感器的设计与现场总线无关，实现了智能传感器之问的兼容。 同时，基于该标准的网络应用处理器则可以方便的通过通用的命令和不同种类 的智能传感器通信，并通过网络向用户提供了标准的接口。 本文首先分析了i e e e l 4 5 1 标准，重点介绍了i e e e l 4 5 1 o 和i e e e l 4 5 1 5 标准。i e e e l 4 5 1 0 标准定义了一系列通用的命令、协议和电子表格，而 i e e e l 4 5 1 5 则专门为采用无线方式通信的智能传感器和网络应用处理器定义 了统的接口，并针对具体的无线协议定义了传感器电子数据表。接下来本文 分析了z i g b e e 无线协议，并介绍了已实现了该协议的硬件模块。本文将以太网 作为网络应用处理器和用户的媒介，详细介绍一个嵌入式的t c p i p 各部分的设 计细节以及向上层提供的a p i 。在前面这些基础上，本文在网络应用处理器中 设计并实现了i e e e l 4 5 1 0 和i e e e l 4 5 1 1 标准，并设计了相应的用户支持软件 来观察、测试实验结果。 关键词：z i g b e e ，i e e e l 4 5 1 0 ，i e e e l 4 5 1 5 ，嵌入式t c p i p 华东师范大学硕士学位论文 基于i e e e l 4 5 1 标准的网络应用处理器( n c a p ) 研究与实现 a b s t r a c t t r a n s d u c e r s ( s e n s o r so ra c t u a t o r s ) a r eu b i q u i t o u s t h e ya r eu s e di nav a r i e t yo f a p p l i c a t i o n st h a tt o u c hp e o p l e sl i v e se v e r yd a y ，r a n g i n gf r o mi n d u s t r i a la u t o m a t i o n t oe n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n dc o n t r o lt oi n t e l l i g e n t t r a n s p o r t a t i o n s y s t e m st oh o m e l a n dd e f e n s e o n ed i r e c t i o no ft r a n s d u c e rd e v e l o p m e n ti ss m a r t t r a n s d u c e r ，w h i c hc o n s i s t so ff o u rp a r t s ：t r a n s d u c e r s ，s i g n a lc o n d i t i o n i n ga n dd a t a c o n v e r s i o n ，a p p l i c a t i o np r o c e s s o ra n dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n s m a r tt r a n s d u c e r c a nt r a n s p o r tt h ed a t ac o l l e c t e dt om o n i t o rd e v i c ev i af i e l db u s ，a sw e l la sr e c e i v e c o m m a n d sf r o mt h em o n i t o r h o w e v e r , t h e r ea r em a n yd i f f e r e n ts t a n d a r d so ff i e l d b u s ，w h i c hl e a dt oi n c o m p a t i t a b l y p r o b l e mo fd i f f e r e n ts m a r tt r a n s d u c e r sa n d i n c o n v e n i e n c ea n dw a s t et ot r a n s d u c e rp r o d u c e r ，d e v e l o p e ra n dc o n s u m e r i e e e 14 51i sp r o p o s e dt os o l v et h ea b o v ep r o b l e m s i tu n i f i e st h ei n t e r f a c eb e t w e e n t r a n s d u c e r s ，州t hw h i c ht h ed e s i g ho ft r a n s d u c e rb e c o m e si n d e p e n d e n to ff i e l db u s a n dt r a n s d u c e r sc a ni n t e r a c t i v ew i t ho t h e r sc o n v e n i e n t l y a l s o ，n e t w o r kc a p a b l e a p p l i c a t i o np r o c e s s o r ( n c a p ) c a nc o m m u n i c a t ew i t hd i f f e r e n tt r a n s d u c e r sw i t ha c o m m o ns e to fc o m m a n d sa n dp r o v i d eas t a n d a r di n t e r f a c et ot h eu s e rv i aa n y a r b i t r a r yn e t w o r k a tf i r s tw em a k ead e e p l yd i s c u s s i o no ft h ei e e e14 51s t a n d a r d ，w em a i n l yf o c u s o ni e e e1 4 5 1 0a n di e e e l 4 5 1 5 t h ei e e e1 4 5 1 0s t a n d a r dd e f i n e sas e to f c o m m o nf u n c t i o n a l i t y ，c o m m a n d s ，a n dt r a n s d u c e re l e c t r o n i cd a t as h e e t ，w h i l e i e e e14 51 5d e f i n e sat r a n s d u c e r - t o - n c a pi n t e r f a c ea n dt e d sf o rw i r e l e s s t r a n s d u c e r s t h e nw ed i s c u s sw i r e l e s s p r o t o c o lz i g b e e ，a n di n t r o d u c et h e c o r r e s p o n d i n gh a r d w a r em o d u l e i nt h ep a p e r ，e t h e r n e tw o r k sa st h em e d i ab e t w e e n n c a pa n dt h eu s e r ，s ow ed i s c u s st h ei m p l e m e n t a t i o no fa ne m b e d d e dt c p i p p r o t o c o ls t a c ki nd e t a i l b a s e do nt h ea b o v ed i s c u s s i o n s ，w ei m p l e m e n ti e e e14 51 0 a n di e e e14 51 5i nn c a p f i n a l l yw ed e s i g nu s e rs o f t w a r et oo b s e r v ea n dt e s to u r d e s i g no fl e e e 14 51s t a n d a r d k e y w o r d s ：z i g b e e ，i e e e1 4 5 1 0 ，i e e e1 4 5 1 5 ，e m b e d d e dt c p i p i l 基于i e e e l 4 5 1 标准的网络应用处理器( n c a p ) 研究与实现 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究 成果据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经 发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确说明并表示谢意 作者签名：逝日期： 学位论文授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在 解密后适用本规定 学位论文作者签名雾努颀 导师签名： 日期： 氓连戈 ， 日期： 华东师范大学硕士学位论文基于i e e e l 4 5 1 标准的纠络应用处理器( n c a p ) 研究与实现 1 1 研究背景 第1 章绪论 随着传感技术、计算机技术和通信技术的发展，要求原本功能比较单的传 感器( 本文提到的传感器是泛称，包括普通的传感器和执行器) 节点能够逐渐过 渡到具备一定的数据处理能力，能够自检、自校正和自补偿，尤其要具备一定的 网络功能，使得多个传感器节点能够组成相互通信的网络。伴随着这一要求的发 展，传感器节点由模拟接口传感器发展到数字接口传感器，再到基于现场总线的 传感器，并开始逐步向标准智能传感器方向发展【l 2 ，3 4 】。 然而，从2 0 世纪9 0 年代开始，随着信息产业的发展，现场总线逐渐变得热 门，市场上也出现了各种各样的现场总线，导致曾一度推动智能传感器发展的现 场总线给传感器向标准智能传感器方向的发展带来了不利影响：一方面，现场总 线存在着容量不足的问题；另一方面，存在着多种不同的现场总线标准，如i e c 6 1 1 5 8 规定了f f 、p r o f i b u s 等8 种现场总线标准，而i e c t c l 7 已通过3 种现场总 线国际标准( i c e6 2 0 2 6 ) 。由于这些总线标准是基于不同的利益和技术原因制定 的，导致各个标准的通信协议完全不同，从而直接导致了不同的传感器之间的兼 容性、互操作性等存在着严重的问题，给生产厂商、系统软件开发商和用户都带 来了严重的问题： 首先，对传感器执行器的生产厂家来说，需要熟悉市场上各种各样的传感 器标准，同时还要在自己的产品中尽量支持较多的标准，以期能获得更大的市场 份额；其次，对于系统软件开发商来说，也需要了解各种标准的优缺点，并要能 从市面上纷繁复杂的传感器设备中找出符合用户需求的产品；最户，对于普通用 户来说，增加了使用的风险。因为一旦系统出现了故障，就只能购买相同总线标 准的设备1 3 l 。 为了解决这些问题，国际电子电气工程师协会( i e e e ) 与美国国家标准技术 协会( n i s t ) 于1 9 9 7 年开始推出i e e e l 4 5 1 网络化智能传感器接口标准，以统一 传感器接口标准，使得传感器设计与现场总线无关，解决不同网络之间的兼容性 问题，并能最终实现各个厂家产品之间的互换性与互操作性。 兰查塑塾堂堡主里生堡兰 苎王! ! 望! 型丛生塑型些坐旦壁型壁! ! 坠堕堑塞皇圭些 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外现状 1 2 0 0 0 初，h p 公司开发了大小为1 0 0 n l n + 8 0 r a m ，c p u 为6 8 0 0 0 - c l a s s 工作电压为 8 - 2 8 v 的n c a p 芯片。这些芯片支持i e e e l 4 5 l 标准，分为b f o o t i l 5 0 1 、6 6 5 0 1 和 6 6 5 0 2 系列。该系列芯片带有定制，e b 页的嵌入以太网控制器，从而可以对自产 的传感器进行网络控制p i 。 2 工业上第一个采片j 蓝牙通信标准的无线传感器结构( c o 娼n s e t 结构) 由美国加州 c r o s s b o w 公司推出。该传感器的结构使得在大量阵列的传感器应用中，数据的 管理变得非常容易。这是因为该传感器具有自识别能力且内部结构按1 e e e l 4 5 1 定义的t e d s 实现。 32 0 0 4 年，n 1 公司推出了符合i e e e l 4 5 14 标准的即插即用传感器( 见图1 ”。在 n i 推出的模型体系中，通用计算机成为了网络适配器( n c a n 6 j 。 围1 - 1n i 全力推广i e e e l 4 5 1 4 a g i l e n t t e c h n o l o g y 推出 ：6 6 5 0 2 r a p i d p r o t o t y p i n g b o a r d 一种嵌入式网络服务 器。用户通过与节点在同一以太网中的p c 机上的浏览器对节点进行i p 设置从而 实现网络上任何节点对基于i p 的节点的远程数据访问、信息实时发布与共享1 7 1 。 5 一直致力于 e e e l 4 5 1 网络化智能传感器的研究的爱尔兰l i m e r i c k 大学p e i t e c h n o l o g i e s 发明了。个列络化智能传感器节点的演示系统。它是基于a d p c 8 1 2 的s t i m 与l i p 的n c a p 组成的，借助于以太网，演示了对温度监测和电扇的远程 控制。 6 在i a s9 8 上，n i s t 将一个基于i e e e l 4 5 1 2 的s t i m 和n c a p 应用到了一个高速运 行的机器温度监控系统巾，并在 n t e m e t 上发布了该成果。该系统使用了的网络化 智能传感器是基于j a v a 和i n t e m e t 技术的，实现了对机器运行温度的远程监控。 2 华东师范大学碗l 学位论空基于i e e e l 4 5 】标准的刚络甩处理( n c a p ) 研究o ，唼现 7 韩国采用i e e e l 4 5 1 标准和相关技术对主要城市的基础设施进行监测和监视( 见 图2 k 这个项目由韩国的工商业部门和能源部门共同承担。另外，有文章既用于 汽车方面的基于i e e e l 4 5 1 标准的智能传感器的研究也取得了成功i ”。 图1 - 2 韩国用基于i e e e1 4 5 1 的无线传礤器监测基础设施 1 2 2 国内现状 且前来说，国内对于i e e e l 4 5 1 协议的研究还处于起步状态，对这个标准进 行研究的单位有中国科学院合肥智能机械研究所、合肥工业大学、上海交通大学、 浙江大学、北京化工人学、啥尔滨工程大学和吉林大学等院校1 9 l 。文章方面，一 些关于i e e e l 4 5 l 传感器接口标准的综述性文章主要有中国科学院合肥智能机械 研究所、合肥工业大学的博士论文，华中科技大学机电学院、吉林大学、东南大 学的硕士论文l l ”以及上海交通大学、北京大学、成都电子科技大学、华中科技 大学、中国科学技术大学等的学术论文【l i l ；项目方面主要有东南大学多媒体技 术研究所吴乐南的公安部科研项目、吉林大学智能仪器与测控技术研究所的吉林 省科技厅项目；应用方面，关于该i e e e l 4 5 l 标准应用成果或者标准网络化智能 传感器节点的研制报道报少。合肥工业大学将该标准应用于机器人手抓的远程控 制，并制作了博上论文i l q i 吉林大学曾将该标准网络化智能传感器应用在在矿井 安仝监控中，并制作了硕士论文”0 1 ；华中科技大学在该标准卜做过一些讨论，但 是没有太多的学术成果【l “。 华东师范大学硕士学位论文基于i e e e l 4 5 1 标准的网络应用处理器( n c a p ) 研究与实现 1 3 研究意义 本文的研究意义主要有以下几个方面： 1 i e e e l 4 5 1 标准针对了现场总线多样化这一传感器领域的国际性问题提出 了一种可行有效的方法。通过论文的研究，会对传感器总线的标准化提供一定的 参考，具有一定的影响。 2 目前很多i e e e l 4 5 1 的研究针对有线连接方式的研究比较多。而本论文对 当前流行且比较使用的无线传输协议z i g b e e 协议进行分析和移植，并用这两种 无线协议来实现i e e e l 4 5 i 5 标准。从而打破了物理布线上的障碍，方便了用户。 3 嵌入式t c p i p 协议栈是下一代现场总线研究的热点，本论文中网络应用 处理器和监控主机间通过t c p i p 协议进行交互，大大提高了效率，拓展了应用 空间。同时，开发了p c 机上的监控软件，方便了用户对传感器的监测和控制。 1 4 研究内容 本文各章节的结构如下： 1 第一章提出了论文的研究背景，并分析了国内外的研究现状； 2 第二章对i e e e l 4 5 1 协议做了整体的介绍，并简单介绍了各个子协议的作 用； 3 第三章对z i g b e e 标准进行了分析； 4 第四章详细介绍了嵌入式t c p i p 协议栈e m t c p i p ； 5 第五章是硬件设计，介绍了本文使用的微控制器、无线单元等； 6 第六章是软件设计，重点介绍了基于z i g b e e 标准的e z s p 协议，该协议 实现了i e e e l 4 5 1 5 和i e e e l 4 5 1 0 标准；同时还设计了网络应用处理器中 的应用程序。 7 第七章测试了相关功能，并给出结论： 8 第八章总结论文，并指出不足之处。 4 华师* 太学 论!基fi e e e 4 5 1 标准的嘲络应用址理器( n c a p ) 研究实现 第2 章i e e e l 4 5 1 标准 1 9 9 4 年3 月，为了解决智能传感器与各种现场总线之间相连的问题，美国 国家标准与技术协会n i s t ( t h e n a t i o n a l i n s t i t u t eo fs t a n d a r da n d t e c h n o l o g y ) 与国 际电气和电子工程师协会1 e e e ( t h e i n s t i t u t eo f e l e c t r i c a la n d e l e c t r o n i c s e n g i n e e r s ) 共同组织了研讨会。其目的就是为了制定智能传感器接口和智能传感器连接网络 的通用标准，并提出了开发一种标准接口的可能性，希望能够通过定义一整套通 用的通信接口，解决不同网络之间的兼容性问题，从而能够虽终实现各个厂家的 产品相互之间的互换性和互操作性。经过努力，目前已经形成了一套针对不同场 台应用的i e e e l 4 5 1 标准族。 本章简要介绍了i e e e l 4 5 1 标准族的各个标准，在后面将详细i e e e l 4 5 10 标准和i e e e l 4 5 l5 标准，也就是本论文主要实现的部分。 2 1 概述 图2 - 1i e e e l 4 5 1 标准架构 从图2 - i 可以看出，i e e e l 4 5 1 标准中的网络传感器有两个主要的功能模块。 一个模块是网络应用处理器( n e t w o r k c a p a b l e a p p l i c a t i o np m c e s s o r ：n c a p ) ，它 华东师范大学硕士学位论文基于i e e e l 4 51 标准的网络应用处理器( n c a p ) 研究与实现 主要负责网络通信、s t i m 通信、数据转换等功能。i e e e l 4 5 1 1 标准定义了它的 实体模型。n c a p 是标准传感器总线与专用网络总线之间的接口，传感器制造商 可以设计出带有标准接口的传感器。这一部分与微处理器集成到一起，在网络化 传感器中起控制的作用；另一个模块是智能传感器模块( s m a r tt r a n s d u c e r i n t e r f a c em o d u l e ；s t i m ) ，它包括传感器和传感器电子数据表格t e d s 。该模块 能够支持单个或多个通道。它既可与传感器相连也可与执行器相连接。每一个 s t i m 最多可与2 5 5 个传感器通道相连接。每一个通道实际上就是s t i m 上的一 个传感器单元1 1 5 ，1 7 1 。 从n c a p 和s t i m 的关系上来看，一个n c a p 可以和多个s t i m 通信。s t i m 上传感器采集数据，n c a p 负责收集这些数据。然后经过一系列处理，这些数据 通过任意的网络送到远端的监测设备，通常可以是p c 机；同时，p c 机会发送 一些命令，n c a p 通过任意的网络接收这些命令，这些被接受的命令再经过处理 送给一个或多个s t i m 模块来控制s t i m 模块上传感器通道的动作。n c a p 和 s t i m 之间有很多种连接方式，包括点对点、多跳、无线等，以满足不同的应用 需求f 2 们。 下面先简单介绍一下i e e e 标准中各个子标准的功能。i e e e l 4 5 1 0 协议和 i e e e l 4 5 1 5 协议因为是本论文的重点，将在后面做更详细的介绍。 2 2l e e e1 4 5 1 0 i e e e1 4 5 1 0 ，也就是通用的功能、协议和传感器电子数据表格式标准。 i e e e l 4 5 1 0 标准的提出主要是为了解决i e e e l 4 5 1 标准族的几个子标准之间存在 的兼容性问题，尽管它们之间有共同的特征。通过一些基本的命令和通信协议， 它实现了一个与物理层独立的n c a p 与智能传感器之间的模块接口，从而加强 了这些子标准之间的交互性。如果要增加新的传感器设备到i e e e l 4 5 1 标准中， 只需要定义一个新的物理层，包括物理层的t e d s 以及支持新的物理层的命令和 功能即可i 博j 。 2 3i e e e1 4 5 1 1 i e e e l 4 5 1 1 标准为网络化的智能传感器定义了一个通用的对象模型和接口 标准。i e e e l 4 5 1 1 的软件结构是由三个模型定义的： 6 华东师范大学硕上学位论文基于i e e e l 4 51 标准的网络应用处理器( n c a p ) 研究与实现 1 数据模型：定义了基于1 4 5 1 1 标准的接口之间通信内容的格式和类型； 2 目标模型：定义了软件组件的类型，这些组件用于实现和设计应用系统； 3 两个通信模型：定义了网络和应用目标之间软件接口的语法和语义。 i e e e l 4 5 1 1 标准一般适用于控制系统和分布式测量中。它主要关注的是 n c a p 之间以及n c a p 和系统中其它s t i m 节点的通信。该标准可以独立于其他 1 4 5 1 x 硬件接口标准来使用，而1 4 5 1 x 也可不需1 4 5 1 1 而单独使用【1 4 】。 2 4l e e e1 4 5 1 2 i e e e1 4 5 1 2 标准，即传感器与微处理器通信协议和传感器电子数据表格式， 为点对点方式连接的传感器和n c a p 定义了接口和t e d s 。具体的说，它定义了 t e d s 和一个1 0 线数字接口t i i ( t r a n s d u c e ri n d e p e n d e n ti n t e r f a c e ) 及通信协议， 从而使得执行器传感器具有即插即用的功能，而网络也可以通过访问t e d s 来 交互执行器传感器。最初的协议描述了基于s p i 的通信层，现在该协议正在被 修改，以适应与i e e e l 4 5 1 0 的交互并增加了对u a r t 和通用串行接口支持【1 6 l 。 2 5i e e e1 4 5 1 3 i e e e l 4 5 1 3 标准，即分布式多点系统数字通信与t e d s 格式。该标准用 m i n i b u s 的方式来实现传感器总线接口模型，从而实现了用一根信号电缆进行数 据同步采集、通信和对连在传感器总线上的设备供电。 2 6i e e e1 4 5 1 4 i e e e l 4 5 1 4 标准，即混合模式通信协议与t e d s 格式，为模拟量传感器定 义了模拟和数字两种操作模式。每一个基于i e e e l 4 5 1 4 标准的混合模式传感器 都至少有一个t e d s 、传感器和控制传输的逻辑接口。为了减少t e d s 存储器大 小，这里的t e d s 仅是i e e e l 4 5 1 2 标准的子集。 基于i e e e l 4 5 1 4 标准的混合模式接口一方面支持数字接口与t e d s 的交 互，另一方面，它也支持模拟接口对现场仪器的测量。 7 兰丕墅圣点兰堡主芏些堡墨至土! ! ! ! ! 塑! 生堡堕塑堑里岜丝型堂! ! ! ! 型盟墨兰兰些 2 7i e e e1 4 5 1 5 i e e e1 4 5 1 5 标准定义了智能传感器的无线通讯接口，通过指定的无线通讯 协议在无线传感器接口模块( s 1 1 m ) 和网络应用处理器州c a p ) 进行通讯。目前支 持的无线传输协议包括w i - f i 、蓝牙、z i g b c c 等。i e e e1 4 5 1 5 同样也定义了跟 无线通讯协议相关的t e d s i ”i 。其标准结构如图2 - 2 所示。 2 8i e e e1 4 5 1 6 图2 - 2 i e e e t 4 5 15 标准结构 i e e e1 4 5 16 标准定义了基于高速c a n - o p e n 网络接口的传感嚣与n c a p 之 间的接口和t e d s 。支持内在安全或非安全的应用。它定义了基于1 4 5 1 标准的 t e d s 和c a n - o p e n 之问的条目，通信消息、配置参数、诊断信息之间的映射。 2 9i e e e1 4 5 1 7 l e e e l 4 5 17 定义了传感器和r f i d 系统之间的接口和协议。通过在供应链上 报告传感器相关的信息，例如产品信息等，为r f i d 系统和传感器制造商提供了 新的机遇。 8 华东师范大学硕士学位论文基于i e e e l 4 5 1 标准的网络应用处理器( n c a p ) 研究与实现 第3 章z i g b e e 协议 、z i g b e e 是一种无线网络协定，主要由z i g b e e 联盟指定，底层的m a c 层和 物理层符合i e e e 8 0 2 1 5 4 标准规范。它具有低耗电、低成本、低速率、支持大 量节点( 最多达6 5 5 3 5 个) 、支持多种拓扑、较低复杂度、快速、可靠及安全的 特点。 3 1 体系结构 应用层( a p p l i c a t i o nf r a m e w o r k ) 应用支持层( a p p l i c a t i o ns u p p o r ts u b l a y e r ) 网络层( n e t w o r kl a y e r ) 数据链路层( m a c ) 物理层( p h y ) 图3 1z i g b e e 体系结构 如图3 - l 所示，z i g b e e 协议从上到下可以分为应用层、应用支持层、网络层、 数据链路层、物理层五个层次。各层次简单介绍如下： 3 1 1 物理层 物理层主要完成的功能有：接收包链路质量l q i 的检测、无线信道数据的 收发、空闲信道评估、信道选择、信道能量检测等。按照i e e e 8 0 2 1 5 4 的规定， 物理层有2 4 g h z 和8 6 8 9 1 5 两个物理层的标准。其中2 4 g h z 频段是全球统一的 无须申请的频段，在该频段共定义了1 1 到2 6 的1 6 条信道。无线传感设备在工 作时可以选择任一信道进行通信【2 3 】。其帧格式如表3 1 所示： 表3 1 物理层帧格式 同步头 物理帧头载荷 4 b y t ei b y t e 7 b i t s1b i t 不定 前导码 s f d 帧长保留载荷 9 华东师范大学硕上学位论文基于i e e e l 4 5 l 标准的网络应用处理器( n c a p ) 研究与实现 3 1 2m a c 层 m a c 层的主要功能有采用数据应答重传机制在两个节点的m a c 层之间提 供可靠的链路、采用载波侦听冲突避免( c s m a c a ) 以避免碰撞、接收物理层 的数据报文、发送网络层的数据报文、采用a c t i v e 、o r p h a n 和e d 三种不同 的扫描机制等。其通用的帧格式如表3 2 所示： 表3 - 2m a c 层帧格式 帧头负荷帧尾 2 b y t e1 b y t e0 2 b y t e0 2 8 b y t e0 2 b y t e0 2 8 b y t e 不定 2 b y t e 控制域序列号接收网络号接收地址发送网络号发送地址数据 f c s 3 1 3 网络层 网络层主要提供了两种服务：数据服务和网络管理。数据服务又包括两方面： 一是封装功能，即通过增加网络层首部，将应用层的数据封装成网络层的数据单 元；二是路由功能，通过指定传输路由来保证一个网络层的数据单元能够正确的 被发送到另一个通信设备中去。 网络管理主要完成的工作有：加入和离开某个网络、寻找并且维护节点之间 的传输路由、搜寻邻居节点、存储邻居节点的相关信息等。另外，对网络协调者 来说，在网络初始化时，它还要完成建立一个网络、设置各个网络参数、设置网 络地址、确定网络地址分发原则等工作。网络层的通用报文结构如表3 3 所示： 表3 3 网络层帧格式 网络层首部载荷 2 b y t e2 8 b y t e2 8 b y t e1 b y t e 0 l b y t e不定 帧控制域目的端点源地址有效半径序号载衙 3 1 4 应用层 应用层包括厂商定义的应用对象、应用程序支持子层( a p p l i c a t i o ns u p p o r t s u b - l a y e r ：a p s ) 、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 ) 。应用对象是 1 0 华东师范人学硕士学位论文基于1 e e e l 4 5 1 标准的网络应用处理器( n c a p ) 研究与实现 厂商定义的在z i g b e e 协议栈上的实际应用；a p s 子层则负责上层应用程序对象 和下层网络层的协调，其工作有：维护绑定表( 绑定表是用于配对两个网络节点 之间服务的) 、转发绑定节点之间的信息等；z i g b e e 设备对象可以看成是应用程 序组件之一，但与应用程序组件不同的是，z d o 专门负责系统整体的管理事务， 每个网络节点中都一定有z d o 。它做的工作有：确定或根据情况来调整本节点 在网络中的角色；提供构造上层应用所需要的信息，例如可以发送或回应连接请 求；寻找别的网络节点应用层提供的服务；发送或回应其他节点的绑定请求；建 立两个节点之间的安全性关系等等。应用层帧结构如表3 4 所示： 表3 - 4 应用层帧结构 应用层首部载荷 l b y t el b y t el b y t e2 b y t e1 b y t e 不定 帧控制域目的端点簇标志协议子集标志源端点载荷 3 2 网络拓扑 按照不同的标准，z i g b e e 网络中的设备可以分成不同类别。按设备在网络中 的作用来分，可分成协调器、路由器和终端设备。协调器在整个网络中只有一个， 是整个网络的中心，负责整个网络的建立、管理、地址分配原则等；路由器一方 面可以根据需求来进行数据采集和发送功能，另一方面要进行路由及数据转发等 功能；对终端设备来说，除了不具有路由及数据转发功能外，其他功能与路由器 是基本相似的。 按通信能力来分，z i g b e e 网络中设备又可分成全功能设备( f u l lf u n c t i o n d e v i c e ，f f d ) 和精简功能设备( r e d u c e df u n c t i o nd e v i c e ，r f d ) 。顾名思义，全 功能设备支持标准定义的所有功能和特性，功能比较复杂，并要求比较大的存储 空间；而精简功能设备则功能相对简洁，存储要求也相对较少。此外，f f d 之间 以及f f d 和r f d 之间都是可以通信的，而r f d 之间不可以进行通信。一般来 说，终端设备是r f d 设备，而协调器和路由器是f f d 设备阱】。 此外，根据不同的应用需求，z i g b e e 定义了三种不同的网络拓扑结构：星型 结构、簇树结构和m e s h 结构。如图3 2 所示： 1 1 华东师范大学硕学位论文基于i e e e l 4 5 l 标准的m 络应用n # ( n c a p ) 研究与实现 3 3 关键概念 3 3 1 原语 图3 - 2z i g b e e 的拓扑结构 从前面z i g b e e 的架构可以看出，不同的层次提供了不同的任务。但无论哪 一层，都应该具有两种功能：首先为上层提供相应的服务；其次是调用下层所提 供的服务完成本层的任务。这些都是通过服务原语来实现的。两个对等的用户之 间通过各层之间的服务原语建立连接以达传输信息的日的。图3 3 给出了几 种服务原语的表, t j 2 4 1 。 请 圈 服务提供者 洲层j 图3 - 3 服务原语 原语分为四种类型： 1 请求原语：第n 1 个用户发送到它自己的第m 层，开始请求服务 华东师范大学硕士学位论文基于i e e e l 4 5 l 标准的网络应用处理器( n c a p ) 研究与实现 2 指示原语：从第n 1 个用户的m 层向第n 2 个用户发送， 提示对其有重要意义的m 层事件； 3 响应原语：由第n 2 个用户向第n 1 个用户的m 层发送， 用户的上一条原语调用过程的响应； 向第n 2 个用户 表示对第n 1 个 4 确认原语：由第m 层向第n i 用户发送，来传送前面一个或多个服务原语 的结果。 3 3 2 数据传输格式 z i g b e e 规范定义了两种用于数据传输的帧结构：k v p 和m s g 。格式如表3 - 5 所示： 表3 - 5z i g b e e 通用帧结构 帧头载荷 4 b i t4 b i t数据数据数据 传输字节数帧类型传输数据1传输数据n 可以看到，帧头部分由数据传输长度和帧类型信息组成，当帧类型为0 x 0 1 时，表示传输的是k v p 帧；当帧类型为0 x 0 2 时，表示传输的是m s g 帧。由于 m s g 帧的数据载荷较大，一般将其用于各种数据的传输；而k v p 帧的数据帧较 小且载荷固定，一般用于命令的传输。 3 4 重要的a p i 为便于用户的使用和进一步开发，z i g b e e 芯片生产商定义了z i g b e e 协议a p i 函数。这些函数提供了应用程序访问z i g b e e 应用层的接口，通过这些函数可以 使用应用层提供的各种功能。下面介绍应用层主要函数的原型和功能： ( 1 ) v o i da p l i n i t ( v o i d ) 该函数初始化所有的协议栈模块，同时还初始化a p l 状态机。 ( 2 ) v o i da p l e n a b l e ( v o i d ) 该函数用于使能协议栈模块和r f 收发器，前提是已经调用a p l i n i t 0 。 ( 3 ) v o i da p l d i s a b l e ( v o i d ) 1 3 华东师范人学硕上学位论文基于i e e e l 4 5 1 标准的网络应用处理器( n c a p ) 研究与实现 该函数用于禁止r f 收发器和其他协议栈模块，注意在使用该函数的时候， 所有等待接收的数据会全部丢失。并且仅终端设备应该禁止r f 收发来降低功耗， 协调器和路由器应始终开启r f 收发器。 ( 4 ) b o o l a p l t a s k ( v o i d ) a p l t a s k 是个协同任务函数，按顺序调用每一个协议栈模块任务函数，调用 该函数使协议栈获取并处理进入的数据包。必须在已调用a p l i n i t 的情况下使用。 ( 5 ) v o i da p l n e t w o r k l n i t ( v o i d ) 启动新网络的初始化。使用前ia mc o o i i n a t o r 必须已经定义且 a p l i n i t o 函数已经调用，另外必须循环调用a p l i s n e t w o r k l n i t c o m p l e t e 来判断网 络初始化是否已经完成。 ( 6 ) b o o la p l i s n e t w o r k l n i t ( v o i d ) 该函数执行网络初始化状态机并指示网络初始化是否已经完成。该函数必须 反复调用直到返回t r u e 为止。t r u e 仅表示网络初始化完成，并不表示成功。 必须调用g e t l a s t z e r r o r 才能判断是否成功。 ( 7 ) v o i da p l n e t w o r k f o r m ( v o i d ) 指示网络层在当前信道上组建新的网络。必须在网络初始化成功后调用。 ( 8 ) v o i da p l p e r m i t a s s o c i a t i o n 该函数允许终端设备关联到网络中去。使用前提是已经调用了 a p l n e t w o r k f o r m 函数。 ( 9 ) v o i da p l d i s a b l e a s s o c i a t i o n 该函数不允许新的设备连接到网络中。与a p l p e r m i t a s s o c i a t i o n 作用相反。 ( 10 ) v o i da p l c o m m i t a s s o c i a t i o n ( v o i d ) 该函数保存到目前为止收到的所有关联和绑定请求，并将它们写入到闪存程 序存储器。关联请求一旦提交，协调器就会记住这些节点并在以后允许它们重新 接入网络。 ( 1 1 ) v o i da p l j o i n ( v o i d ) 终端设备使用该函数连入某个可能可用的网络。该宏仪启动”j o i n ”状态机。 必须重复调用a p l i s j o i n c o m p l e t e 来允许状态机执行并判断连接是否完成。仅当 已经定义ia me n dd e v i c e 时，该函数才可用。 ( 12 ) v o i da p l i s j o i n c o m p l e t e ( v o i d ) 终端设备通过该函数来判断先前启动的连入过程是否已经完成。如果返回 1 4 华东师范大学硕士学位论文基于i e e e l 4 5 1 标准的网络应用处理器( n c a f ) 研究与实现 t r u e ，表示连入过程已经完成，这时还需要调用g e t l a s t z e r r o r 0 以判断是否成 功。 ( 13 ) v o i da p l l e a v e ( v o i d ) 终端设备使用该函数启动离开现有网络的离开过程。注意必须重复调用 a p l i s l e a v e c o m p l e t e ( ) 完成离开过程。 ( 14 ) b o o l a p l l s l e a v e c o m p l e t e ( v o i d ) 终端设备使用该函数来判断先前启动的离开过程是否已经完成。返回值为 t r u e 并不代表离开尝试己成功。还必须调用g e t l a s t z e r r o r 0 才能判断离开是否 真正成功。 1 5 华东师范人学硕上学位论文基于i e e e l 4 5 l 标准的网络应用处理器( n c a p ) 研究与实现 第4 章e m t c p i p 协议 4 1e m t c p i p 总体设计 t c p i p 协议栈是实现i e e e l 4 5 1 标准中的n c a p 并n # l - 部网络通信的关键。传 统的t c p i p 协议栈是o s i 模型的精简，o