（通信与信息系统专业论文）基于zigbee技术的建筑物抗震性检测系统的设计.pdf

哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 基于z i g b e e 技术的建筑物抗震性检测系统的设计 摘要 我国是一个多地震的国家，地震发生时产生的地震波引起对地面建筑物 的破坏，导致人员伤亡，造成地震灾害。所以对建筑物抗震能力进行检测至 关重要。 目前在建筑物抗震性检测试验中，模拟地震的振动信号经过一定的处理 通过电缆等有线设备传输出来进行分析，检测建筑物的抗震性。但是有线设 备在某些场合要受到布线的限制，特别是当要把相隔较远的节点连接起来 时，敷设通信线路的布线施工难度大、费用高、耗时长i 而且系统的可扩展 性能也很差。这时就需要一种价格便宜、组网灵活的无线数据传输系统。 本文介绍了一种基于z i g b e e 无线传感器网络的建筑物抗震性检测系 统。首先分析了建筑物抗震性检测系统数据传输的现状，以及如今应用较为 广泛的几种短距离无线通信技术，对它们的发展历程、技术规范以及应用情 况进行了简单叙述，并进行了分析比较。由于z i g b e e 技术具有低成本、小 体积、低功耗等特点，因此它更适合于该系统的无线数据传输。 其次介绍了z i g b e e 协议的主要内容，在理解和消化协议的基础上，建 立了建筑物抗震性检测系统的实现框图，它分为传感器节点侧和检测基站侧 两部分。传感器节点主要由a t m e g a l 2 8 l 单片机控制加速度传感器 m m a 6 2 6 0 q 以及z i g b e e 芯片c c 2 4 2 0 等实现，构成无线传感器网络的从节 点，负责数据采集、预处理以及将数据传输到检测基站；检测基站主要是组 成网络、接收传感器的数据，并提供与p c 机的接口。本文分别实现了这两 个部分，从使用的主要芯片、硬件构成、软件实现等方面具体给出了设计方 案。另外，实现了星型网络的组建。 最后，在基于以上设计的基础上给出了实验结果i 证明了该无线传输系 统的可行性。 关键词无线传感器网络；建筑物抗震性检测；z i g b e e 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 d e t e c t i n gs y s t e md e s i g nf o rb u i l d i n ga n t i - s e i s m i c b a s e do n z i g b e et e c h n o l o g y a b s t r a c t c h i n ai sam u l t i - s e i s m i c c o u n t r y w h e n a n e a r t h q u a k eo c c u r s ，t h e e a r t h q u a k e w a v e sw i l lc a u s eb u i l d i n gd a m a g e ，c a s u a l t i e sa n de a r t h q u a k e d i s a s t e r s s oi ti sv e r yi m p o r t a n tt od e t e c tt h ea n t i - s e i s m i cc a p a b i l i t yo fb u i l d i n g a tp r e s e n t ，d u r i n gt h ed e t e c t i n ge x p e r i m e n t so fb u i l d i n ga n t i s e i s m i c ，t h e v i b r a t i o ns i g n a lo fs i m u l a t i o ne a r t h q u a k ec a l lb et r a n s f e r r e dt h r o u g hw i r e d e q u i p m e n ts u c ha sc a b l e st op e r s o n a lc o m p u t e rb yac e r t a i np r o c e s s i n g ；w ed e t e c t t h ea n t i s e i s m i cc a p a b i l i t yo fb u i l d i n gb ya n a l y z i n gt h ev i b r a t i o ns i g n a l s b u ti n s o m es i t u a t i o nt h ew i r e de q u i p m e n ti sl i m i t e db yr o u t i n g ，e s p e c i a l l yw h e n c o n n e c t i n gt h et w of a r t h e rn o d e s ，r o u t i n gw i l lb eah a r dw o r k ，t i m ec o n s u m i n g ， c o s tm u c h ，a n dt h es y s t e me x p a n s i b i l i t yi sa l s ob a d s oak i n do fw i r e l e s sd a t a t r a n s m i s s i o ns y s t e m ，w h i c hh a sl o w p r i c ea n d f l e x i b l en e t w o r k i n g ，i sn e e d e d t 1 1 i st h e s i si n t r o d u c e dak i n do fw i r e l e s sd e t e c t i n gs y s t e mf o rb u i l d i n ga n t i - s e i s m i cb a s e do nz i g b e ew i r e l e s ss e n s o r sn e t w o r k f i r s t l y , i ta n a l y z e dt h e p r e s e n ts i t u a t i o no fd a t at r a n s m i s s i o ns y s t e m ，a n ds e v e r a lk i n d so fw i d e s p r e a d u s e ds h o r t d i s t a n c e sw 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 , b r i e f l yn a r r a t e dt h e i r d e v e l o p m e n tc o u r s e s ，t h et e c h n o l o g y s t a n d a r d sa sw e l la st h ea p p l i c a t i o n s i t u a t i o n s ，a n dc a r r i e do nt h ec o m p a r i s o n z i g b e et e c h n o l o g yi sm o r es u i t a b l et o t h es y s t e mo fw i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o nb e c a u s eo fi t sc h a r a c t e r i s t i c so fl o wc o s t s m a l lv o l u m e ，a n dl o wp o w e rl o s s n e x t ，t h et h e s i si n t r o d u c e dm a i nc o n t e n t so fz i g b e es p e c i f i c a t i o n i nt h e f o u n d a t i o no ft m d e r s t a n d i n ga n dd i g e s t i n gz i g b e es p e c i f i c a t i o n ，e s t a b l i s h e dt h e r e a l i z a t i o nf r a m eo fb u i l d i n ga n t i - s e i s m i cd e t e c t i n gs y s t e m ，w h i c hw o u l db e d i v i d e di n t ot w op a r t s ：t h es e n s o rn o d e ss i d ea n dt h ed e t e c t i n gb a s es t a t i o ns i d e t h es e n s o rn o d e sm a i n l yi m p l e m e n t e db ya t m e g a l2 8 lc o n t r o l l i n ga c c e l e r a t i o n s e n s o rm m a 6 2 6 0 qa n dz i g b e ec h i pc c 2 4 2 0 ，c o m p o s e do ft h es u b o r d i n a t i o n n o d e so fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，t o o kc h a r g eo fd a t aa c q u i s i t i o n ，d a t a - 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 p r e t r e a t m e n ta n dd a t at r a n s f e rt od e t e c t i n gb a s es t a t i o n t h ed e t e c t i n gb a s e s t a t i o nw a sr e s p o n s i b l ef o rc o n s t r u c t i n g n e t w o r k ，i n c e p t i n gs e n s o rd a t aa n d p r o v i d i n gp e r s o n n e lc o m p u t e ri n t e r f a c e t h et h e s i sr e a l i z e dt h e s et w op a r t s s e p a r a t e l y , f r o mm a i nc h i p su s e d ，h a r d w a r ec o n s t i t u t io na n ds o f t w a r er e a l i z a t i o n e t e c o u p l e so fa s p e c t sp r e s e n t e dt h ed e s i g ns c h e m eo fs y s t e m i na d d i t i o n ，t h e t h e s i sr e a l i z e dt h es t a rn e t w o r k f i n a l l y , t h et h e s i sg a v ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sb a s e do na b o v ed e s i g n , p r o v e d t h ef e a s i b i l i t yo ft h ew i r e l e s st r a n s m i s s i o ns y s t e m k e y w o r d s w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，b u i l d i n ga n t i s e i s m i cd e t e c t i o n ，z i g b e e - i i i - 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于z i g b e e 技术的建筑物抗 震性检测系统的设计，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位 期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包 含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：马耳斗 日期： 盼年弓月，毕日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于z i g b e e 技术的建筑物抗震性检测系统的设计。系本人在哈尔滨理工 大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归 哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全 了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部 门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在 年解密后适用授权书。 不保密团。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名：马肆肆 日期：o 孑年弓月，归 刷磁轹关叶 醐m 月，伯 哈尔滨理工大学工学硕： 学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 我国是世界上遭受地震灾害最严重的国家之一。地震发生时产生的地震波 引起对地面建筑物的破坏，导致人员伤亡，造成地震灾害f 1 】。所以对建筑物抗 震能力的检测至关重要。 目前在建筑物抗震性检测试验中，模拟地震的振动信号经过一定的处理通 过有线传输系统传输出来进行分析，检测建筑物的抗震性。常用的有线传输方 式主要有双绞线、同轴电缆和光纤等。 双绞线是综合布线工程中最常用的一种传输介质。它采用一对互相绝缘的 金属导线通过互相绞合的方式来抵御一部分外界电磁波干扰。把两根绝缘的铜 导线按一定密度互相绞在一起，可以降低信号干扰的程度；每一根导线在传输 中辐射的电波会被另一根导线上发出的电波抵消。“双绞线”的名字也是由此 而来。双绞线一般由两根2 2 2 6 号绝缘铜导线互相缠绕而成，实际使用时，双 绞线是由多对双绞线一起包在一个绝缘电缆套管里的，常用于点到点的连接。 与其他传输介质相比，双绞线的价格较为低廉，但它在传输距离、信道宽度和 数据传输速度等方面均受到一定的限制【2 1 。 同轴电缆内外是由相互绝缘的同轴心导体构成的。内导体为铜线，外导体 为铜管或网。电磁场封闭在内外导体之间，故辐射损耗小，受外界干扰影响 小。同轴电缆根据其直径大小功以分为：粗同轴电缆与细同轴电缆。粗缆适用 于比较大型的局部网络，它的标准距离长，可靠性高，由于安装时不需要切断 电缆，因此可以根据需要灵活调整节点的入网位置，但粗缆网络必须安装收发 器电缆，安装难度大，所以总体造价高。相反，细缆安装则比较简单，造价 低，但由于安装过程要切断电缆，两头须装上基本网络连接头，然后接在t 型 连接器两端，所以当接头多时容易产生不良隐患。同轴电缆的优点是可以在相 对长的无中继器的线路上支持高带宽通信，而其缺点也是显而易见的：一是体 积大，细缆的直径就有0 9 5 e m ，要占用电缆管道的大量空1 日j ；二是不能承受缠 结、压力和严重的弯曲，这些都会损坏电缆结构，阻止信号的传输；最后是成 本高。 光纤也是一种传输媒介，它可以像一般铜缆线一样传输数据。所不同的 f l 合尔演理t 人学t 学硕l j 学位论义 是，光纤传送的是光讯号而非电讯号。光纤可分为单模光纤和多模光纤。多模 光纤允许许多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输，即有多条光路，采用 l e d 作为光源。单模光纤直径与光波波长相等，只允许条光线在一条光纤中 直线传输，即只有一条光路，采用激光作为光源。每一根光纤任何时候只能单 向传输数字信号。因此，要实现双向通信就必须成对使用。常用于点到点连 接。光耋手的优点是高带宽、衰减小、不受电磁干扰、细且重量轻、安全性好； 缺点是j 牡向传输，且价格比较昂贵【3 1 。 自，j 嘶介绍了几种有线传输方式，虽然它们也可以组成网络传输信号，但是 有线系统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， 且废旧电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，在某些场合要受到布线的限制，特别是当要把相隔较远的 节点连接起来时，敷设通信线路的布线施工难度大、费用高、耗时长，而且系 统的可扩展性能也很差。这时就需要一种价格便宜、组网灵活的无线数据传输 系统1 4 】o 本篇论文从基于z i g b e e 技术的建筑物抗震性无线检测系统的研制入手， 讨论在此领域z i g b e e 无线接入技术的特点及应用，以及相关模块的具体设计 和功能实现。 、 1 2 现有的几种短距离无线通信技术及其比较 近十年来，随着半导体技术和无线通信技术的不断发展，陆续出现了多种 短距离无线通信技术。其中，最流行的几个短距离无线数据通信标准是 z i g b e e 、蓝牙( b l u e t o o t h ) 、8 0 2 1 l ( w i f i ) 、红外数据传输( i r d a ) 及超宽带( u w b ) 等【5 1 。现今，无线频率资源日渐珍贵，为短距离无线通信技术的发展提供了广 阔的市场前景，因而受到了世界各国工业界与研究机构的广泛关注。 1 2 1 红外技术 1 9 9 3 年，由2 0 多个大厂商发起成立了红外数据协会i r d a ( i n f r a r e dd a t a a s s o c i a t i o n ) ，统一了红外通信标准，该标准就是红外( i r d a ) 技术，它通常采用 8 5 0 n m 的红外光传输数据信息，红外信号要求设备之间必须具有无障碍的直线 信道，即设备之间不存在障碍，它们之间的通信距离通常最大不超过1 0 m ，并 且，通信角度不能超过3 0 。，红外技术的数据传输速率较快，最初的传输速率 为4 m b p s ，目前，其传输速率已经达到了1 6 m b p s 。从1 9 9 3 年，红外数据协会 哈尔滨理t 人学t 学倾i ：学位论文 宠义了蚁向红外数据接口以来，大约上亿件相应电子器件和设备出现在市场 上，它们包括：台式电脑、便携机、掌上电脑、照相机、打印机、寻呼机、手 机、遥控器等多种可移动电子设备。由于m i c r o s o t l 的w i n n t 、w i n 9 8 和 w i n 2 0 0 0 操作系统均支持红外协议，特别是p c 机的支持，使得红外通信向网 络发眨l 形成趋势。红外技术的应用将产生成本低廉、安全可靠、保密性好、 无电磁l ：扰、无须政府批准频带的通信产品。该技术具有工作原理简单、功耗 小、成本低等特点，但由于其传输距离有限、传输方向性强，在应用范围上受 到了一定程度的限制【6 】。 1 2 28 0 2 1 1 无线局域网标准 w i f i ( w i r e l e s sf i d e l i t y ，无线高保真) 也是一种无线通信协议，正式名称是 i e e e8 0 2 1 1 b ，与蓝牙一样，同属于短距离无线通信技术。w i f i 速率最高可达 11 m b p s 。虽然在数据安全性方面比蓝牙技术要差一些，但在电波的覆盖范围方 面却略雌一筹，可达1 0 0 m 左右，不用说家庭、办公室，就是小一点的整栋大 楼也可使用。 最初的i e e e8 0 2 1 1 规范是在1 9 9 7 年提出的，称为8 0 2 1 l b ，主要目的是 提供w l a n 接入，也是目前w l a n 的主要技术标准，他的工作频率也是 2 4 g h z 与无绳电话、蓝牙等许多无需频率使用许可证的无线设备共享同一频 段。起先，w i f i 元件昂贵，兼容性不好，安全性也不能令人满意。随着时间 的推移，这些问题逐步得到解决，且随着w i f i 协议新版本，如8 0 2 1 l a 和 8 0 2 1 l g 的先后推出，w i f i 的应用将越来越广泛。 w i f i 是以太网的一种无线扩展，理论上只要用户位于一个接入点四周的 一定要域内，就能以最高约1 1 m b p s 的速度接入w e b 。但实际上，如果有多个 用户同时通过一个点接入，带宽被多个用户分享，w i f i 的连接速度一般将只 有几百k b p s 。w i - f i 的信号不受墙壁阻隔，但在建筑物内的有效传输距离小于 户外1 7 i 。 1 2 3 蓝牙技术 1 9 9 8 年5 月，瑞典爱立信、芬兰诺基亚、r 本东芝、美国i b m 和i n t e l 公 司5 家著名厂商，在联合拓展短程无线通信技术的标准化活动时，提出了蓝牙 ( b l u e t o o t h ) 技术。1 9 9 9 年下半年，著名的业界巨头微软、摩托罗拉、3 c o m 、 朗讯与蓝牙特别兴趣小组5 家公司共同发起成立了蓝牙技术推广组织，从而在 哈尔滨理t 人学t 学硕l ：学位论文 全球范围内掀起了一股蓝牙潮，目前，已有2 0 0 0 多成员参加了咳组织。该技 术是一种用于替代便携式或固定电子设备上使用的电缆或连线的短距离无线连 接技术，工作在2 4 g h z 的i s m 频段上，其技术采用以每秒钟16 0 0 次的扩频 调频技术，发射功率分为3 类。即l m w 、1 0 m w 和1 0 0 m w ，通信距离为 l o - - - l o o m ，传输速率已从7 2 0 k b p s 发展到3 m b p s ；在传输数掘信息的同时，还 可传输一路语音信息，这是蓝牙技术的一个重要的特点f 8 j 。 在经历了自订几年的低潮期后，蓝牙技术已在手机的无线耳机i - 找剑应用市 场。推动了它的迅速发展，特别是蓝牙v 1 2 协议推出后，一股新的蓝牙技术 热潮又将掀起，目前，蓝牙技术已在许多新的领域找到了应用点，如交互式游 戏机，汽车电子的无线接入、控制等i 叭。 但蓝牙技术最大的障碍是过于昂贵。突出表现在芯片大小和价格难以下 调、抗干扰能力不强、信息安全问题等等。这就使得许多用户不愿意花大价钱 来购买这种无线设备。 1 2 4 超宽带无线通信技术 超宽带( u w b ：u l t r a w a v eb a n d ) 无线通信技术是一种新型的通信技术， 2 0 0 2 年2 月1 4 同美国f c c ( f e d e r a lc o m m u n i c a t i o nc o m m i s s i o n ，联邦通信委员 会) 从信号带宽的角度给出了u w b 信号的确切定义：u w b 信号是指“一l o d b 功率点处的相对带宽大于2 5 或射频的绝对带宽大于1 5 g h z ”的信号。该技 术的工作频段范围为3 1 1 0 6 g h z ，工作带宽为7 5 g h z ，数据传输速率可达 1 g b p s ，传输距离为1 0 m ，在工作带宽内，发射功率的频谱密度低于一 4 1 d b m 。由于该技术有较宽的信号带宽，传输信息的速率高，而且，其功耗 低、隐蔽性好、抗信号多径效果好，因此，受到了各方面的广泛关注【j o i 。 目前，在超宽带无线通信技术标准方面还存在一些争议，主要原因是存在 两个不同的调制发射方式，一个是由飞思卡尔等公司提出的单脉冲直接序列调 制发射方式，另一个是以i n t e l 等公司提出的多载波调制发射方式，由于这两 种工作方式都存在各自的优缺点，最终，这两种工作方式共存的可能性较大。 1 2 5 z i g b e e 技术 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 本的双向无线通信新技术，主要适用于自动控制和远程控制领域，= - - 1 以满足对 喻尔滨理t 人学t 学顾l j 学位论文 小型廉价设备的无线联网和控制l 。 z i g b e e 技术的命名主要来自于人们对蜜蜂采蜜过程的观察，蜜蜂在采蜜过 程中，跳着优美的舞蹈，其舞蹈轨迹像“z ”的形状，其蜜蜂自身体积小，所 需要的能量少，又能传送所采集的花粉，因此，人们用z i g b e e 技术末代表具 有成本低、体积小、能量消耗少和传输速率低的无线通信技术，中文译名通常 称为“紫蜂”技术f 1 2 i 。 z i g b e e 曾被称为“h o m e r fl i t e ”、“r f l i t e ”和“f i r e f l y ”。是h o m e r f 的一个分支，是一种低速率、低成本、低功耗的短距离无线接入技术。它采用 直接序列扩频( d s s s ) 技术，主要工作在无须注册的2 4 g h zi s m 频段，数据速 率为1 0 2 5 0 k b i t s ，传输距离为1 0 7 5 m ，典型距离为3 0 m 。z i g b e e 最显著的 特点之一就是低功耗，在低耗电待机模式下可使用2 节5 号干电池驱动6 个月 以上m 1 。基于z i g b e e 的无线模块由高度集成的天线、电池及频率控制器组 成。在一个l r m p a n 网络中，可同时存在两种不同类型的设备，一种是具有 完整功能的设备( f f d ) ，另一种是简化功能的设备( r f d ) 。一个基于z i g b e e 的 w p a n 网络能支持高达2 5 4 个用户节点，外加一个全功能器件或主器件，可实 现双向通信【j 。z i g b e e 主要通过降低传输的数据量，降低收发信机的忙闲比及 数据传输的频率，降低帧开销以及实行严格的功率管理机制，例如关机及睡眠 模式等方式来降低设备的功耗。 z i g b e e 协议栈紧凑而简单，其具体实现的要求很低。8 位处理器再配上 4 kr o m 和6 4 kr a m 等就可以满足其最低需要，从而大大降低了芯片的成 本。z i g b e e 协议栈由应用框架层、网络安全层、数据链路层和物理层组成， 网络层以上的协议由z i g b e e 联盟负责，i e e e 制定物理层和链路层标准。应用 框架层把不同的应用映射到z i g b e e 网络层上，主要包括安全属性的设置、多 个业务数据流的汇聚等。网络层将采用基于a dh o e 技术的路出协议，除了包 含通用的网络层功能外，还应该同底层的i e e e8 0 2 1 5 4 标准同样省电：另外 还应实现网络的自组织和自维护，以最大程度地方便消费者的使用，降低网络 的维护成本i l 引。 为保证z i g b e e 设备之间通信数据的安全保密性，z i g b e e 技术采用了密钥 长度为1 2 8 位的加密算法，对所传输的数据信息进行加密处理f 1 6 1 。 1 2 6 几种无线通信技术的比较 总之，考虑到本检测系统是应用到实验室中，对实时性要求不高，因此选 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 用任何无线通信技术都从低感卞、低功耗、性能可靠、可扩展性好等特点考 虑。 通过表1 1 对几种主要的无线通信技术进行比较，可以看出在众多的无线 网络通信技术中，z i g b e e 以其独有的特性熠熠闪光t 1 7 】。 表卜1 几种无线通信技术的比较 t a b 1 1c o m p a s s i o no fw i r e t e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y 规范 工作频段 传输速率 ( m b p s ) 最大功耗通信范围( m )连接设备数 8 6 8 9 i 5 m h z 0 0 2 ，0 0 4 ， z i g b e e 2 4 g h zo 2 5 1 3 m w1 - 7 52 1 2 6 4 红外8 2 0 n m i 5 2 1 ，4 ，1 6数m w 1 02 蓝牙2 4 g h z 1 ，2 ，3 1 1 0 0 m wl i o7 w i f i2 4 g h z1 11 0 0 m w1 1 0 02 5 5 本课题的研究内容 建筑物抗震性检测系统壬曼分为信号检测部分、传输部分和信号分析部 分。本课题主要是完成系统的信号检测和无线传输，信号分析由专业人士来完 成。课题的主要研究内容有： 1 了解现有建筑物抗震性检测系统的现状，并对几种短距离无线通信技术 进行分析比较，如z i g b e e 、红外线数据传输( i r d a ) 、蓝牙及w i f i 等。由于本 课题选用的是z i g b e e 技术，因此对z i g b e e 技术的理论和协议进行深入的研 究。 2 掌握具体的z i g b e e 芯片、处理器、传感器的特性和参数，研究它们之 间的硬件连接和软件的具体实现。 3 应用一款高性价比的z i g b e e 模块，基于该模块实现建筑物抗震性检测 的无线网络传输系统，并对所提出的方案进行验证。 哈尔滨理t 人学t 学硕t ：学位论文 第2 章z i g b e e 技术标准协议体系 近勺柬，无线通信、无线控制、无线定位、无线组网和移动连接等词语频 频映入孑洲 的眼帘。f 是由于i t 产业的高速发展、网络的普及，才使得它们 逐渐来- 2 - j 我们身边，进入我们的生活。目前无线通信网络在普及的过程中，还 存在着系列的问题，例如网络节点功耗大、成本高等。而目前正在迅速发展 的低速率、低成本无线联网标准z i g b e e 正是应这些问题提出的。本章将对这 种标准进行分析。 2 1 z i g b e e 协议结构 z i g b e e 技术是一种可靠性高、功耗低的无线通信技术，在z i g b e e 技术 中，其协议结构通常由层来量化它的各个简化标准。每一层负责完成所规定的 任务，并且向上层提供服务。各层之间的接口通过所定义的逻辑链路来提供服 务。z i g b e e 技术的体系结构主要由物理( p h y ) 层、媒体接入控制( m a c ) 层、网 络安全层以及应用框架层组成，其各层之间分布如图2 i 所示。 议 图2 - 1z i g b e e 协议的体系结构 f i g 。2 1a r c h i t e c t u r eo fz i g b e es p e c i f i c a t i o n 从图2 1 中不难看出，z i g b e e 技术的协议层结构简单，不像诸如蓝牙和其 他网络结构，这些网络结构通常分为7 层，而z i g b e e 技术仅为3 层。在 z i g b e e 技术中，p h y 层和m a c 层采用i e e e8 0 2 1 5 4 协议标准，而上层标 准，包括网络安全层和应用框架层由z i g b e e 联盟制定【1 8 1 。 哈尔滨理t 人学t 学硕i ：学位论义 2 1 1 z i g b e e 物理层协议规范 物理层定义了无线信道、与m a c 子层之间的接口，提供物理层数据服务 和物理毖管理服务。物理层的功能主要包括激活休眠无线收发设备、对当前 信道进行能量检测、链路质量指示、为载波检测多址与碰撞避免( c s m a c a ) 进 行空闲信道评估、信道选择，数据的发送和接收。 z i g b e e 的通信频率在物理层来规范。根据不同的国家和地区，为z i g b e e 提供的工作频率范围不同，z i g b e e 所使用的频率范围分别为2 4 g h z 和 8 6 8 9 15 m h z 。因此，i e e e8 0 2 1 5 4 定义了两个物理层标准，分别是2 4 g h z 物 理层和8 6 8 9 15 m h z 物理层。两个物理层都基于直接序列扩频( d s s s ，d i r e c t s e q u e n c es p a r e ds p e c t r u m ) 技术，使用相同的物理层数据包格式，区别在于工 作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率的不同9 i 。 2 1 1 1 工作频率和数据速率2 4 g h z 波段为全球统一、无须申请的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。2 4 g h z 的物理层通过采用 1 6 相调制技术，能够提供2 5 0 k b s 的传输速率，从而提高了数据吞吐率，缩短 了通信时延和数据收发的时间，所以更省电。 8 6 8 m h z 是欧洲附加的i s m 频段，9 1 5 m h z 是美国附加的i s m 频段，工作 在这两个频段上的z i g b e e 设备避开了来自2 4 g h z 频段中其他无线通信设备和 家用电器的无线电干扰。8 6 8 m h z 上的传输速率为2 0 k b s ，9 1 6 m h z 上的传输 速率则是4 0 k b s 。由于这两个频段上无线信号的传播损耗和所受到的无线电干 扰较小，所以可以降低对接收机灵敏度的要求，获得较大的有效通信距离，从 而使用较少的设备即可覆盖整个区域。 2 1 。1 2 扩展调制在2 4 g h z 物理层，z i g b e e 技术采用1 6 相位准正交调制技 术。图2 2 描述了2 4 g h z 物理层扩展调制功能模块。 p p d u 发送的i j ：进制数据i 了二二 刽比特一符号 i转换器 符号码片 转换器 调制信号 o q p s k 调制器 图2 - 22 4 g h z 物理层扩展调制功能 f i g 2 - 22 4 g h zb a n dp h ys p r e a d i n ga n dm o d u l a t i o nf u n c t i o n s 从图2 2 可以看出，在对物理层协议数据单元进行调制前，必须对其所有 的二进制数据进行转换处理。首先，必须将二进制数据转换成符号数据，即将 每个字节按4 比特位进行分解，将低4 位转换成一个符号数据，高4 位转换成 一个符号数据。然后根据处理得到的符号数据，将其进行扩展，即每个符号数 据映射成一个3 2 位的伪随机序y l j ( p n 序列) ，如表2 1 所示，这些p n 序列通 过循坏移位或者互相结合( 如奇数位耿反) 等相互关联。扩展后的码元序列通过 采用半正弦脉冲形式的o q p s k 调制方法，将符号数据信号调制到载波信号 上。对偶数序列码片进行同相调制，对奇数序列码片进行正交调制。 表2 - 1 符号码片的映射 t a b 2 - 1s y m b o l - t o c h i pm a p p i n g 符号数据 符号数据 p n 序列 ( 十进制)( 二进制) 00 0 0 01 1 0 1 1 0 0 l i1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 11 0 0 01 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 2o 1 0 0o o l 0 1l1 0 1 l o l l o o 】l1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 31 1 0 00 0 1 0 0 0 1 0 1 1 l o l l o l l o o l l l 0 0 0 0 1 1 0 1 0 i 40 0 1 00 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 l i 51 0 1 00 0 1 1 0 1 0 1 0 0 l 0 1 0 , t 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 11 0 0 6 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 l1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 71 1 1 0l o o l l1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 11 1 0 1 1 0 l 80 0 0 l1 0 0 0 1l o o l o o l o l l 0 0 0 0 0 0 111 0 1l l1 0 1 1 9 1 0 0 11 0 11 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 11 0 1 1l 1 0 0 1 0 1 0 l1 11 0 1 11 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 11 1 11 1 0 l0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 1 20 0 1 10 0 0 0 0 1l1 0 11 1l o ll1 0 0 0 1 l o o t 0 0 1 0 l1 0 1 31 0 1 10 1 1 0 0 0 0 0 0 1l1 0 l l1 1 0 l1 1 0 0 0 l1 0 0 l o o l 1 4o l ll1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 l l l o l l l l o l l l 0 0 0 1 1 0 0 1 51 1 1 l1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 11 0 1 11 1 0 1 11 0 0 0 在9 6 8 m h z 和9 1 5 m h z 这两个频段上，虽然数据的速率不同，但是数据的 扩展调制过程相同，调制过程如图2 3 所示。首先将物理层协议数据单元 ( p p d u ) 的- - 进制数据差分编码，然后将差分编码后的每一个比特位映射成1 5 位的p n 序列，如表2 2 所示。最后采用升余弦脉冲形式韵二相键控( b p s k ) 调 制方法，将其调制到载波信号上。 哈尔滨理t 人学下学硕l ：学位论义 p p d u 发送的：进制 调制 幽2 - 38 6 8 915 m h z 物理层扩展调制功能 f i g 2 38 6 8 915 m h z b a n dp h y s p r e a d i n ga n dm o d u l a t i o nf u n c t i o n s 微分编码是指将原始数据比特位与前一微分编码比特位进行模二加运算， 这一过程出发射机来完成，用如下公式进行描述： e = r n 0 e l( 2 1 ) 式中尺。编码的原始数据； 巨灭。相对应的微分编码比特位： e 叫e 的前一个微分编码比特位。 对于每个数据包的发送，足为第一位所编码的原始数据，同时，假设厶 为0 。反之，译码过程由接收机来完成。 表2 - 2 比特码片的映射 t a b 2 2b i t - t o c h i pm a p p i n g 输入比特 码片l 输入比特码片 o1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 i t0 0 0 0 1 0 1 0 0 11 0 1l l 2 1 1 3 物理层协议数据单元的结构在p p d u 数据包结构中，最左边的字段优 先发送和接收。在多个字节的字段中，优先发送或接收最低有效字节，而在每 一个字节中优先发送最低有效位。同样，在物理层与m a c 层之间数据字段的 传送也遵循这一规则。 p p d u 数据包的格式如图2 4 所示。 4 字节1 字节1 字：i 了变量 帧长度预留位 前同步码帧定界符 p s d u ( 7 b i t )( 1b i t ) 同步包头物理层包头物理层净荷 图2 - 4p p d u 数据包的格式 f i g 2 4t h ep p d uf r a m ef o r m a t 哈尔滨罡l ! t 人学t 学顺l ：学位论文 矧步包头：允许接收设备锁定在比特流上，并且与该比特流保持同步。 物理层包头：包含帧长度的信息。 物理层净荷：长度变化的净荷，携带m a c 层的帧信息。 2 1 2 z i g b e e 的m a c 层协议规范 z i g b e e 技术的m a c 层所采用的是i e e e8 0 2 1 5 4 标准的m a c 层协议规 范。m a c 层处理所有物理层无线信道的接入，其主要功能为：网络协调器产 生网络信标：与信标同步：支持个域n ( p a n ) 链路的建立和断开：为设备的安 全性：昆供支持；信道接入方式采用免冲突载波检测多址接, n ( c s m a c a ) 机制； 处理和维护保护时隙( g t s ) 机制；在两个对等的m a c 实体之间提供一个可靠 的通信链路。 m a c 层在服务协议汇聚层( s s c s ) n 物理层之间提供了一个接1 ：3 。从概念 上说，m a c 层包括一个管理实体，通常称为m a c 层管理实体( m l m e ) ，该实体 提供个服务接口，通过此接e l 可调用m a c 层管理功能。同时，该管理实体 还负责维护m a c 层固有的管理对象的数据库。该数据库包含了m a c 层的个 域网信息数据库( p b ) 信息。图2 5 描述了m a c 层的结构和接口。 m a c 公共部分子层服 务接入点( m c p s s a p ) m a c 公共部分子层 i m a c 层管理实体服务 接入点( m l m e s a p ) m a c 层管理实体 物理层数据服务接入点 ( p d s a p ) 物理层管理实体服务接 入g i , ( p l m e s a p ) 圈2 - 5m a c 层参考模狲 f i g 2 5t h em a cl a y e rr e f e r e n c em o d e l 从图中可以看出，在m a c 层中，m a c 层通过它的两个不同的服务接入 点为它提供不同的m a c 层服务，即m a c 层通过它的公共部分子层服务接入 点为它提供数据服务；通过它的管理实体服务接入点为它提供管理服务。 图2 - 6 给出了m a c 层的数据包( 帧) 格式。m a c 层数据包由m a c 层帧头 ( m h r - m a ch e a d e r ) 、m a c 层载荷和m a c 层帧尾( m f r m a cf o o t e r ) 组 哈尔滨理t 人学丁学坝i 。学位论文 成。m