（计算机应用技术专业论文）基于zigbee的led路灯控制系统的设计与实现.pdf

i j i ii i lrli ii i iir 1 l l r r r l l l y 19 0 917 6 d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt oh a n g z h o ud i a n z iu n i v e r s i t y f o rt h ed e g r e eo fm a s t e r t h e d e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o n o ft h el a m pc o n t r o ls y s t e m b a s e do n z i g b e ea n dl e d t e c h n o l o g y c a n d i d a t e ：x i et i a n d a o s u p e r v i s o r ：p r o f r e ny u d e c e m b e r ，2 0 1 0 杭州电子科技大学 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 诎砭 日期：矽l1 年f 月怕 学位论文使用授权说明 本人完全了解杭州电子科技大学关于保留和使用学位论文的规定，即：研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属杭州电子科技大学。本人保证 毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为杭州电子科技大 学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文 的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密 论文在解密后遵守此规定3 论文作者签名 指导教师签名： 天为嗍驯年川怕 杭州电子科技大学硕士学位论文 摘要 现代化市政建设对城市照明系统的要求不断提高。传统的路灯控制与维护 手段存在着诸多的缺点和弊端，已经远远无法适应城市现代化发展的需求。 z i g b e e 技术是近年来逐渐兴起的一种无线网络技术，在成本、性能、安全、 组网规模等方面具有独特的优势；l e d 照明技术以发光二极管作为光源，较之 传统路灯具有众多的优点，尤其在节能和环保方面。本文在深入分析这两种技 术的基础上，重新规划并设计了新型的路灯控制系统，具体来说完成了以下的 内容： 首先，深入调查分析了路灯控制领域的应用背景以及该领域的国内外研究 现状。通过相关数据和资料的分析挖掘，总结了传统路灯控制方法的不足和劣 势，归纳出未来该领域发展的方向和趋势。 其次，在顺应路灯控制发展趋势的基础上，制定出本文的技术路线。对于方 案中使用的z i g b e e 无线网络技术和l e d 照明技术进行了详细的介绍，讨论了两 种技术相结合所具有的优势。 接着，在全面论述了方案的具体需求之后，提出了系统中z i g b e e 设备、g p r s 模块、信息服务平台各部分的解决方案；对系统实现中控制策略、命令速达、手 持设备及时间同步等若干关键问题进行了分析和解决。在此基础上，文章第四章 重点叙述了系统各部分软件的实现流程及步骤。 最后，从信息服务平台、协调器的路灯控制和手持设备三个方面对系统进行 了测试，记录了相应的实验数据并进行了分析总结。实验结果表明，系统可以 良好地运行，准确地对终端进行控制。 关键词：z i g b e e ，l e d ，路灯控制系统，g p r s ，控制策略，手持设备，时间同 步 杭州电子科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h em o d e r nm u n i c i p a lc o n s t r u c t i o no ft h ec i t yh a sk e e p i n gi m p r o v i n gt h e d e m a n do fc i v i ll i g h t i n gs y s t e m t h et r a d i t i o n a lm e t h o d s o fc o n t r o la n dm a i n t e n a n c e t h es t r e e tl i g h t sh a v em a n ys h o r t c o m i n g sa n dd e f e c t s ，w h i c hi sa l s ou n a b l et oa d a p t t ot h en e e d so ft h eu r b a nm o d e r n i z a t i o n z i g b e ei sak i n do fw i r e l e s sn e t w o r k i n gt e c h n o l o g yw h i c hi sb e c o m e sw i d e l y u s e di nr e c e n ty e a r s ，a n dh a ss o m eu n i q u ea d v a n t a g e si nc o s t ，p e r f o r m a n c e ，s a f e t y a n dc a p a c i t y , e t c ；l e dl i g h t i n gt e c h n o l o g yu s e sl e d a st h el i g h ts o u r c e ，i th a sl o t s o fa d v a n t a g e sc o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a ll a m p ，p a r t i c u l a r l yi nt h ee n e r g ys a v i n g a n de n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n b a s e so nt h ea n a l y s i so ft h et w ot e c h n o l o g i e s ，t h ep a p e r h a sr e p l a n e da n dd e s i g n e dan e wk i n do fl a m pc o n t r o ls y s t e m ，s p e c i f i c a l l yi n c l u d i n g t h ef o l l o w i n gc o n t e n t s ： f i r s t ，i n v e s t i g a t ed e e p l yo ft h es t r e e tl a m pc o n t r o lf i e l df o ri t sb a c k g r o u n da n d c u r r e n ts i t u a t i o nd o m e s t i ca n da b r o a d t h r o u g ht h ea n a l y s i so fr e l e v a n ti n f o r m a t i o n a n dd a t a ，t h ep a p e rs u m m e du pt h ed e f i c i e n c i e sa n dw e a k n e s s e so ft r a d i t i o n a ll a m p c o n t r o l l i n g , a n ds u m m a r i z e dt h ef u t u r ed e v e l o p m e n td i r e c t i o n sa n dt r e n d s i nt h e f i e l do fl a m pc o n t r o l i n g s e c o n d ，f o l l o w st h et r e n do ft h es t r e e tl i g h tc o n t r o l l i n g ，t h et e c h n o l o g yf o rt h i s s y s t e mi sd e c i d e d t h ez 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 ya n dt h el e dl i g h t i n g t e c h n o l o g yi sd e s c r i b e di nd e t a i l s ，a n dt h ea d v a n t a g e so f t h ec o m b i n a t i o no ft h e mi s d i s c u s s e d a n dt h e n ，a f t e rt h ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so ft h es p e c i f i cn e e d so ft h ep r o g r a m ， t h ep a p e rp r o p o s e dt h es o l u t i o no ft h ez i g b e ed e v i c e s ，g p r sm o d u l e ，a n dt h e i n f o r m a t i o ns e r v i c ep l a t f o r mi nt h es y s t e m ；d i s c u s s e ds o m ek e yp r o b l e ms u c ha st h e i m p l e m e n t a t i o no f t h es y s t e mc o n t r o ls t r a t e g y , t h ef a s tc o m m a n dd e l i v e r i n g ，t h et i m e s y n c h r o n i z a t i o np r o b l e m ，a n dg i v e ss o l u t i o n so ft h i sp a p e r b a s e so nt h i s ，t h ef o u r t h c h a p t e ro ft h ea r t i c l ed e s c r i b et h em a i np a r to ft h ei m p l e m e n t a t i o np r o c e s s e sa n d p r o c e d u r e so ft h es o f t w a r es y s t e m f i n a l l y , t h i sp a p e rt e s tt h es y s t e mi nt h r e ea s p e c t si n c l u d et h ei n f o r m a t i o ns e r v i c e p l a t f o r m ，t h ec o n t r o l l i n go ft h ec o o r d i n a t o rt ot h es t r e e tl i g h ta n dt h eh a n dd e v i c e s ， 。 杭州电子科技大学硕士学位论文 r e c o r d i n gt h ee x p e r i m e n t a ld a t aa n dd i dt h ea n a l y s i sa n ds u m m a r i z ew o r k t h er e s u l t s o ft h ee x p e r i m e n ts h o w st h a tt h es y s t e mc a nr u n n i n gw e l li nd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ， c o n t r o l l i n gt h et e r m i n a l sa c c u r a t e k e y w o r d s ：z i g b e e ，l e d ，l a m pc o n t r o ls y s t e m ，g p r s ，c o n t r o ls t r a t e g y , h a n dd e v i c e , t i m es y n c h r o n i z a t i o n i i i 、 杭州电子科技大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t ra c t i i 第一章绪论1 1 1课题研究背景与意义1 1 2国内外研究现状3 1 3论文主要工作及安排5 第二章路灯控制系统的技术方案6 2 1 引言6 2 2z i g b e e 技术概述6 2 2 1 z i g , b e e 网络设备及其网络拓扑结构6 2 2 2 z i g b e e 技术的应用领域8 2 3z i g b e e 协议体系结构1 0 2 3 1物理层1 0 2 3 2 m a c 层11 2 3 3 网络层1 l 2 3 4应用层12 2 4z i g b e e 和l e d 技术的优势1 3 2 5 本章小结1 6 第三章路灯控制系统的总体设计1 7 3 1 弓i 言l7 3 2系统需求分析1 7 3 2 1路灯控制系统的应用需求1 7 3 2 2系统硬件需求分析1 9 3 2 3系统软件需求分析1 9 3 3系统的总体方案2 l 3 3 1 z i g b e e 设备解决方案2 2 3 3 2 g p r s 模块解决方案一2 3 i v 杭州电子科技大学硕士学位论文 3 3 - 3信息服务平台解决方案2 4 3 4 系统实现的关键问题2 6 3 4 1多样化的路灯控制策略问题2 6 3 4 2控制命令快速下达的问题2 7 3 4 3移动式手持设备的功能实现问题2 8 3 4 4 z i g b e e 网络时间同步的问题3 0 3 5 本章小结3 2 第四章路灯控制系统的软件设计3 3 4 1 引言3 3 4 2 道路协调器部分3 3 4 3 路灯控制器部分3 6 4 4 移动式手持设备部分一3 8 4 5信息服务平台部分4 1 4 6本章小结4 4 第五章系统测试及结果分析4 5 5 1 引言4 5 5 2 系统测试4 5 5 2 1信息服务平台测试4 5 5 2 2协调器对路灯控制的测试4 7 5 2 3 手持设备功能测试4 8 5 3 本章小结。4 9 第六章总结与展望5 0 6 1总结5 0 6 2 不足与展望5 0 致谢5 2 参考文献5 3 附录5 7 v 杭州电子科技大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景与意义 第一章绪论弟一早三百y 匕 历史的车轮驶入2 1 世纪，人类社会各项科技日新月异，现代化城市的建设 发展也让人应接不暇。现代城市的管理对城市照明系统的要求越来越高，它已 经发展成为一项需要投入大量人力物力的高技术难度、高科技含量、高资金消 耗的工作。同时，城市照明建设对于体现城市形象的作用日益明显，其影响效 果日益重大。据中国区域经济统计年鉴资料【l 】显示，截止2 0 0 5 年，全国的路灯 数量达到了1 2 0 0 万盏。图1 1 表明了中国江苏某市近年来路灯数量发展趋势。 图1 1 江苏某市路灯数量变化 随着路灯数量的不断增加，城市路灯系统的耗电量也随之攀升。据北京市 统计年鉴数据库资料显示，2 0 0 4 年北京市路灯全年耗电量已经达到了1 2 9 2 7 万 千瓦时，平均每个路灯一年的耗电量超过4 8 0 千瓦时，已经超越了北京市当年的 人均用电量3 5 0 千瓦时【2 别。 传统的路灯控制以分散的时控方式为主，路灯总控室只能实现每天路灯的 按时开关，无法实时了解路灯的的状况。这将导致路灯维护迟缓，进而引发一 系列其他问题【4 】；某些景观灯的开关控制则通常使用人工手动方式来操控。如 图1 2 所示，传统控制中会在路灯配电箱中安装定时器，使得路灯按指定的时 间自动开关。 传统路灯控制方式既无法实时调整路灯的照明时间，也不能及时反映照明 设施的运行情况，而且故障率高、维修困难。随着城市的不断发展，路灯控制 范围越来越大，传统的控制方式由于无法获取终端设备的状态，使得维修工作 杭州电子科技大学硕士学位论文 十分被动。运行过程中的故障只有等待巡视人员到达现场才能发现，或者被动 地等待市民的电话反馈，因此很难做到及时维修。 图1 2 传统路灯系统结构示意图 因此，研究新型的路灯控制方式，克服传统方法的种种不足和弊端，实现 对照明设施的全面、准时、及时的控制，并且随时获得系统及设备的状态信息， 有着重要的现实意义和价值。 l e d 路灯是一种半导体照明路灯，以发光二极管作为光源，如表1 1 所示， 较之传统路灯的高压钠灯，l e d 灯具有众多的优点【5 j ： 表1 1 高压钠灯和l e d 灯的比较 黎；煞7 纛i 篡篡塞囊磺毒鬟：纛i 纛篡篡荔t 匆西? ：i i i ：纛i 鬟。纛磊 器+ 川j 一、j 二脚弘乒 如删端轨；，一j ：二 ，：，；翟如施貔篓黝嬲幺秘 ，i o ( 谚彳碱喇貔；势秘算知7 z4 j ，：斑貉私；鳓 寿命l - 2 年1 0 1 2 年 功率2 5 0 - 4 5 0 w5 0 2 0 0 w 环保含有害物质无污染，可回收 显像指数2 0 左右8 0 呼吸系统需要不需要 光源利用率4 0 9 0 灯泡启动时间5 1 0 分钟不存在启动延时 由上表可知，l e d 路灯具有诸多优点，尤其在于节能和环保方面。以l e d 路灯代替传统路灯，将在能源消耗、损坏消耗和管理消耗上为市政节约大量开 支。2 0 1 0 年某杭州两会委员对此计算如下：从耗电成本上看，以每天亮灯1 0 小时、每度电以0 6 5 元人民币计算，1 0 公里传统路灯一年的总耗电量需人民币 7 0 0 x 2 5 0 w x 3 6 5 x l o h x 0 6 5 = 4 1 5 万元，而l e d 路灯一年总耗电量折合人民币为 7 0 0 x 5 0 w x 3 6 5 x 1 0 h x 0 6 5 = 8 3 万元，是前者的五分之一；从光源寿命对比，传统 路灯为3 0 0 0 至4 0 0 0 小时，而l e d 路灯寿命在4 万小时以上，是目前性能最好 的高压钠灯的l o 倍以上，也就是说，高压钠灯更换1 0 次以上，l e d 路灯才需 更换一次，由此节约的光源成本、维护等等费用也大大降低1 6 j 。 z i g b e e 是当今研究比较热门一种无线网络技术，采用i e e e8 0 2 1 5 4 网络协 议，具有低功耗、低成本、低速率、近距离、短时延、高容量、高安全、免执 2 杭州电子科技大学硕士学位论文 照频段等特点，对其技术掌握的不断深入为路灯控制领域提供了一种可能的高 效解决方案。 使用z i g b e e 无线网络和l e d 路灯技术，结合各种新型传感器、功率控制 器，应用多种路灯远程智能控制策略的新型的路灯控制系统，将会拥有重大的 现实意义和良好的市场前景。 1 2 国内外研究现状 目前，许多国外城市都已经认识到用l e d 灯代替传统路灯、公共照明灯能 够带来经济效益和环保效果，纷纷对原有的公共照明设施进行改造；在新建的 公共设施中，也采用l e d 灯做为照明首选。 以美国为例，旧金山市政府在2 0 0 9 年4 月2 5 日召开的新闻发布会上宣布 开始在该市安装首批5 0 个l e d 节能路灯，以替代采用高压钠灯灯泡的传统路 灯； e t 金山市市长纽瑟姆认为，逐步改用节能路灯和采用智能控制新技术，将 有助于l e t 金山市进一步提高能效，继续走更绿色、更可持续的发展道路；纽瑟 姆市长还指出，除了l e d 路灯节能外，采用先进的智能控制新技术还可将路灯 的能效再提高2 0 ；这种技术可对单个路灯的亮度进行调节，并能实时获取每 个路灯的工作状况【7 j 。 2 0 1 0 年3 月1 8 日，美国匹兹堡大学可持续工程m a s c a r oc e n t e r 公布了一份 路灯替代灯的评估报剖引，该研究是将l e d 灯与金卤灯、高压钠灯和感应灯等 技术相对比，并确定l e d 为获胜者；该研究小组的报告显示，尽管l e d 灯具 的前期投入成本较高，但是，与金卤灯和高压钠灯相比，l e d 路灯所消耗的能 源不到一半，使用寿命是其5 倍以上，并且能产生更多的光源；匹兹堡市将用 l e d 路灯取代4 0 0 0 0 盏路灯，与9 0 0 万美元金卤灯的更换费用相比，l e d 路灯 将会花销2 1 0 0 万美元；但预计维修费用，该报告的研究结论是在首批l e d 路灯 被更换之前，用于被烧毁的金卤灯的更换费用将会高达4 4 0 0 万美元。 不仅美国如此，其他发达国家也加入到了用l e d 替代传统照明设施的行列 中。在英国，伦敦h e a t h r o w 机场用l e d 面板灯替换传统灯具，安装在候机大 厅，不仅使得整个机场大厅更加漂亮，显得更加高级，更重要的是节省了不少 的能源消耗1 9 ；在日本，将于2 0 11 年1 2 月完工的“东京天空树”，预定建设的 高度为6 3 4 米，将是全球第二高建筑。为了节约能源，全塔将使用大约2 ，0 0 0 盏新式l e d 灯；新加坡举国上下都提倡节省能源，旅游局为了响应政府的号召， 在点亮4 公里的乌节购物街道，以及1 6 公里的滨海区圣诞灯饰时，都改用l e d 灯泡，取代以前使用的白炽灯泡，节省了超过7 0 的能源使用量i l o 】。 在国内，2 0 0 8 年北京奥运会上，l e d 照明可谓是一亮成名，成为了照明行 3 杭州电子科技大学硕士学位论文 业追寻的新热点。广州一家公司生产的3 8 0 万颗l e d 广泛地应用于奥运会上， 如演员道具、显示屏、照明灯具等【l 。 2 0 0 9 年上半年，国家科技部启动了“十城万盏”工程，该计划涵盖北京、上 海、深圳、武汉等2 1 个国内发达城市，不仅大大增加了未来几年我国的l e d 灯具需求量，在发展过程中制订的相关标准也为l e d 灯具未来的发展指明了方 向【1 2 1 。 目前的路灯市场中，应用l e d 灯的比例还是很少的，因此存在很大的替代 空间，而目前占l e d 路灯3 0 市场的汞气体路灯由于环境污染将很可能首先被 l e d 灯替代，路灯在全球各国中占照明用灯的比例在1 5 一4 0 之蝌”j 。l e d 路灯的发展趋势非常迅猛，图1 3 显示了自2 0 0 7 年到2 0 1 1 年的l e d 市场渗透 率及相应的l e d 路灯占全球l e d 市场份额的比例。 图1 3 全球l e d 市场 同时，随着业界不断地认识到路灯管理是城市管理中技术含量最高、难度 最大的工作之一，它的控制水平在很大程度上能够反映出一个城市的经济实力、 人文内涵和其现代化的文明水平，国内外的公司逐渐开展了新一代路灯控制系 统的研究与应用，表1 2 将一些典型的系统与本文将要设计的系统进行了比较。 表1 2 国内外现有系统与本课题对比结果 嚣薹瑟鬻懑篓蘧i 篡，f 一 采用l e d 路灯 雾_ ，黟。霉 z i 妞控制 黑 醪y 。：7 蘧 远程控制雾鬻雾覆”露够z 霉：i ，：穆鬃? 渗i ：够；，驾 信息服务平台羹纛熹巍黍瑟墓雾瑟么_ ，攫，。赢蠢：如，；基二蹙囊j ：；，7 。二0 。毳 智能控制策略 眨。蝴 从上表可以看出，目前国内外大部分路灯控制方案都采用了远程控制与信 4 杭州电子科技大学硕士学位论文 息服务平台，部分采用了z i g b e e 技术作为路灯间通信的基础，但结合了l e d 路灯与z i g b e e 技术的还比较少；而且现有的比较成熟的方案中，只有少数可以 实现对路灯亮度的精确控制；另外，国内外现有的路灯控制方式主要有定时开 关控制、经纬钟控制、光学控制、人工控制等，这些常见的控制方式都存在着 各种缺陷和不足；未来的路灯控制策略应该朝着智能化、网络化、精确化的方 向去发展。 1 3 论文主要工作及安排 本文基于z i g b e e 和l e d 路灯技术设计了一套结合智能控制、无线通信、 计算机软硬件技术于一体的现代城市照明控制系统，各章的研究内容和组织结 构如下： 第一章绪论。对路灯控制领域的基本背景情况进行描述，阐述了本方案具 有的现实意义和市场前景。在列举和比较了国内外研究现状的基础上，归纳出 该领域的流行技术和发展趋势。 第二章路灯控制系统的技术方案。叙述了本系统使用的技术路线，深入阐 述了z i g b e e 技术的基本概念、拓扑结构以及应用领域，对z i g , b e e 协议体系结 构的若干层次进行了详细介绍；描述了l e d 照明技术的特点以及它和z i g b e e 技术结合的优势。 第三章路灯控制系统的总体设计。依据系统的技术方案，在深入进行了系 统需求分析的基础上，提出了系统各部分的解决方案，包括z i g b e e 设备、g p r s 模块和信息服务平台；对于系统开发过程中的关键问题，如控制策略、命令速 达、手持设备和时间同步等做出了分析和解决。 第四章路灯控制系统的软件设计。该部分是系统开发过程中的主体环节， 本章从道路协调器部分、路灯控制器部分、移动式手持设备部分和信息服务平 台这4 个方面，对系统的软件设计流程和程序结构进行了深入的叙述和讨论。 第五章系统测试及结果分析。在初步完成整个系统开发基础上，本章从信 息服务平台、协调器对终端的控制以及手持设备功能这3 个方面进行了系统测 试，记录了相应的实验数据和测试效果，并对结果进行了分析。 第六章总结与展望。总结了整个系统的开发工作，对各个章节的内容进行 了总结和概括。针对目前系统的不足，对进一步完善和未来的研究方向进行了 讨论。 5 杭州电子科技大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章路灯控制系统的技术方案 本章主要介绍z i g b e e 技术的相关基础理论知识，阐述了z i g b e e 与l e d 路 灯技术结合的特点，这些知识是本课题中路灯控制系统技术方案的基础。 2 2 z i g b e e 技术概述 自从上世纪9 0 年代开始，无线网络技术逐渐进入了我们的工作和生活，从 g s m 到后来的b l u e t o o t h ，从无线a t m 到无线局域网，他们以不同的操作方式、 不同的传输速率、在不同的距离限制上为我们实现着网络互连的功能，实现信 息和资料的及时传递互换，深刻的影响和改变着我们的生活工作方式【1 4 】。z i g b e e 技术是近年来兴起的一种旨在建立低成本、低功耗、低数据传输速率、短距离 的无线网络技术标准，其命名来源于蜜蜂的舞蹈，一群蜜蜂通过跳z i g z a g 形状 的舞蹈来交换各种信息，蜜蜂体积小，所需能量小，又能传送采集的花粉，这 些都体现了z i g b e e 技术设计的初衷。 从目前的形式看来，无线技术逐渐取代有线技术，将会是未来通信技术和 科学发展的一个趋势。短距离无线通信领域中已经存在着各种新兴的技术，蓝 牙、w i f i 、w i m e d i a 等技术虽然各有各自的优势，但是也存着各种诸如功耗、 组网能力、延时时间等方面的问题。作为另一种尝试，z i g b e e 联盟于2 0 0 4 年 提出了基于i e e e8 0 2 1 5 4 物理层和m a c 层的z i g b e e 技术。 2 2 1 z i g , b e e 网络设备及其网络拓扑结构 z i g b e e 网络中的设备按照功能的不同分为两类：具有完整功能的全功能设 备( f u l lf u n c t i o nd e v i c e ，f f d ) 和只具有部分功能的精简功能设备( r e d u c e f u n c t i o nd e v i e c e ，r f d ) 【l 引。其中r f d 设备的功能比较简易和易于实现，可以 用最为廉价和低端的m c u 实现，在网络中它只能做为不需要发送大量数据和 不具有其他功能的终端设备，也只能和一个特定的f f d 进行通信。在8 0 2 1 5 4 的定义中，f f d 支持所有的4 9 个基本参数，r f d 在最小配置时仅仅需要支持 3 8 个基本参数即可。通常，它可以是家中一个装有红外传感的器件或照明用的 6 杭州电子科技大学硕士学位论文 开关，也可以是一台冰箱或者洗衣机中的温度传感器。而全功能设备则可以作 为整个网络的主协调器，用来掌控整个网络，一个z i g b e e 网络中至少需要有一 个全功能设备作为主协调器。当然，f f d 也可以作为终端设备来使用。 在有些覆盖范围比较大应用场合中，可以通过组建不同拓扑结构的z i g b e e 网络来扩大控制范围，通过网段间的路由器节点来实现多跳的数据传输( 作为 路由器的设备必须是全功能的设备) 。 z i g b b e e 支持包含主从设备组成的多种拓扑结构，包括星形、树簇形和m e s h 网拓扑结构。尽管网络中的每一个z i g b e e 设备都有一个唯一的i e e e 地址，也 可以使用它在个域网中进行通信，但是通常从设备在和协调器建立通信连接后 会从协调器那里获得一个临时的1 6 位短地址，后面的网内通信可以直接使用这 个短地址【1 6 】。这样一个设备就拥有了6 4 位的i e e e 的唯一绝对地址和1 6 位的 网内的临时相对地址。图2 1 显示了不同拓扑结构的z i g b e e 网络。 拓扑结构 崩- 阿状网络 调者 设备 篷设备 图2 1z i g b e e 网络的拓扑结构不意图 星形拓扑结构中一般有一个称为网络协调器的中央控制器和若干个从设 备。其中协调器负责本z i g b e e 网络的建立和后期的维护工作，它必须是全功能 设备，而且通常需要有稳定的电能提供，不应当在系统应用时考虑其能耗的问 题；从设备可以是f f d 和r f d ，它可以采用电池供电，只能直接与网络协调器 进行数据通信，而与网络中其他节点的通信必须通过协调器来转发【1 4 】。网络建 立的时候通常首先由f f d 成为网络的协调器，当它上电初始化时，首先会通过 底层物理层功能的支持来检测周围的环境，选择合适的通信信道，设置自身为 该网络的协调器设备，并选择本网络的p a n 标志d ，它是用来唯一确定本网 络以区别于其他p a n 网络的标志。网络建立后，协调器就可以允许其他的从设 备和自己进行通信，连接到本网络中来了。因此，如图2 1 显示的一样，星形 网络中所有非协调器节点的通信都需要首先经过协调器节点，协调器节点位于 整个网络的中心位置。这种拓扑结构的网络通常在家庭自动化、个人健康护理、 玩具、工业控制自动化系统中较多应用。 7 杭州电子科技大学硕士学位论文 树簇形拓扑结构更加适合于网络覆盖范围较大的应用场合，网络中处于最 末端的称为“叶节点，它们是网络中的终端设备，若干个这样的叶节点设备 会连接到一个全功能设备上形成一个树枝的分叉“簇”，若干个这样的簇又会连 接到“簇”或最终的协调器节点上形成最终的树形拓扑。这种网络中的主协调器 应该具有更多的资源和稳定可靠的电能供给。每次上电初始化时，主协调器首 先选择p a n 标识符d ，将自身短地址设置为0 ，接着开始向网络中的附近节点 发送信标帧以接受其他设备的连接请求，连接的设备组成树的第一级扩展。连 入的设备如果是终端设备的身份，将获得协调器分配的短地址；如果身份是路 由器，那么会得到协调器分配的一簇短地址集合，这样路由器就可以根据协调 器的信标来配置自己的信标信息并向外发送，允许其他设备接入网络成为下级 子设备。显然，本类拓扑结构中网络是通过路由器来进行扩展布网的，其特点 是比星形网络的扩展范围更大，因为可以通过路由器来扩展网络。 m e s h 网即对等网络拓扑中，也存在着前面所描述的主协调器的设备，但是 不同于前面的网络，在m e s h 网中的任何一个节点设备都可以与网络中的其他 设备进行通信，这样有利于构成比较复杂的网络结构。在m e s h 网中的设备之 间传输数据时，可以尽量多的利用路由器来转发消息，以增大网络的覆盖范围。 对等网络的特点是网络中数据路由的路径比较自由，具有多种可达的方式，不 必每次通信都经过主协调器，增加了网络的灵活性和健壮性。 2 2 2 z i g b e e 技术的应用领域 z i g b e e 技术主要应用在短距离范围内以及数据传输率不高的各种电子设备 之间，尤其非常适合用于家电和小型电子设备的无线控制指令传输，其典型的 传输数据类型有周期性数据( 如传感器) 、间歇性数据( 如照明控制) 和重复低 反应时间数据( 如鼠标) ，其目标功能是自动化控制；它采用调频技术，使用的 频段分别为2 4 g h z ( i s m ) 、8 6 8 m h z 以及9 1 5 m h z ( 美国) ，有效覆盖范围1 0 m 至7 5 m ：当网络速率降至2 8 k b s 时，传输范围可以扩大到1 3 4 m ，具有更高的 可靠性；z i g b e e 联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费电子设备、汽车 自动化、农业自动化和医药设备控制等1 1 7 1 。 工业控制领域中，通常可以使用传感器，加上z i g b e e 设备，使得数据的自 动搜集、计算、分析处理变得更加灵活和简易，也能够作为决策辅助系统的重 要参考指标。例如对于危险的易燃易爆的化学品的检测和报告，火灾情况的及 时预报，高速运行的机器的状态检测和维护，这些应用场合都不需要太高的数 据传输率和连续的状态变化，需要的是功耗的降低从而能够最大程度地减少电 能的消耗，延长电池的寿命。 8 杭州电子科技大学硕士学位论文 杳簇oe 翘 病人监护系统 健康蓝测系统 图2 2z i g b e e 的应用场合 9 杭州电子科技大学硕士学位论文 2 3 z i g b e e 协议体系结构 同t c p i p 协议的分层原理类似，按照i s o 的o s i 模型的定义，z i g b e e 网 络分为了自上而下的四层，分别是物理层、媒体访问控制层( m a c 子层) 、网 络层和应用层。如图2 3 所示，z i g b e e 协议底层的物理层和m a c 层使用的是 i e e e8 0 2 1 5 4 标准，而z i g b e e 联盟制定的是网络层和应用层的具体协议，他们 还在应用层上提供了许多其他的服务，增加了整个网络的健壮性和动态网络组 建管理等特性。 2 3 1 物理层 图2 3z i g b e e 协议体系结构 物理层位于z i g b e e 体系中的最底层，类似t c p i p 模型中的物理层，其任 务是通过无线信道进行有效的数据传输。实现无线数据的通信需要把待传输的 数据进行转换，具体就是要进行信号的编码，然后调制到高频载波上辐射出去。 对移动设备能耗问题的研究主要就是集中在这一层之上，包括怎样进行硬 件的选型和选择合适的编码调制方法、使用各种不同频率的处理器等方式，目 的是要降低物理设备的发射功率以减少功耗。实际应用中，为了实现降低功耗， 通常，设备的无线收发装置可以进行睡眠，将其关闭，在需要使用的时候再进 行状态的切换。 i e e e 的协议定义了2 4 g h z 和8 6 8 9 1 5 m h z 两个物理层的规范，由于2 4 g h z 频段在全球范围内无需申请就可以使用，可以大大增加其适用的场合，我国就 是采用了此频段作为z i g b e 圮网络的工作频段。两种物理层的标准都采用了直接 序列扩频的技术【1 8 】，这样可以一定程度上降低集成电路的成本。 i e e e8 0 2 1 5 4 物理层在三个频段上一共划分了2 7 个通信信道，将其标号为 k ( 从0 - 2 6 ) ，其中我国使用的2 4 g h z 频段中共拥有1 6 个信道，这些信道的中 心频率和对应的信道编号定义如下【1 9 】： l o 杭州电子科技大学硕士学位论文 jc28 6 8 3 m h z k = - 0 z = 9 0 6 + 2 ( k - 1 ) m h z k - = - i ，2 ，1 0 z = 2 4 0 5 + 5 ( k - 1 1 ) m h z l c = - i l ，1 2 ，2 6 z i g b e e 物理层主要需要完成以下一些任务：根据情况及时的使射频发射器 在工作和休眠的状态之间转换，对所在周围的信道做出监测并上传相应的信息， 接受数据包并对链路的通信质量做出检测，寻找和检测空闲信道，选择合适的 信道频率并接发物理层的数据。 2 3 2m a c 层 m a c 层即媒体访问控制层的主要功能是为z i g b e e 网络中的z i g b e e 设备之 间的m a c 层实体提供可靠的数据通信链路。m a c 层使用它的下层物理层提供 的服务来实现网络节点之间的通信任务，并向上提供两种服务：管理服务和数 据服务。其中管理服务指的是m a c 层支持其上层对其管理命令的下达，即上 层通过管理实体服务接入点来实现管理服务；而数据服务指的是对不同设备的 m a c 层实体之间的数据交互的支持，它是通过公共层服务接入点来实现的【2 0 】。 公共的无线信道很显然是一个共享的通信环境，在任何一个时刻，如果有 一个设备在使用网络传输消息，那么它就是在占用信道，这时其他的设备将不 能同时使用信道，否则多个设备之间的信息就会产生冲突进而造成错误；因此 在共享的无线信道环境中，网络里的众多节点必须解决如何同时使用信道而不 产生错误的问题，否则网络就会瘫痪。以太网中的m a c 层使用的c s m a c d ( 带冲突检测的载波监听多路访问协议) 就是这样的一种冲突解决的机制。针 对无线网络环境的特点，为了能够最大程度的减少碰撞的发生，z i g b e e 协议中 采用的是c s m a c a ( 带冲突避免的载波侦听多路访问协议) 算法。需要指出 的是超帧的概念，它是p a n 中协调器可选的一个结构，用来对信道的时间进行 划分，它通过发送信标帧来标定，一个超帧结构可以分为活动的区间和非活动 的区间，只有在活动的区间协调器才和其他设备交互，而非活动区间设备是处 于低功耗的睡眠模式【1 4 】。 m a c 层的功能主要包括：通过c s m a c a 算法来降低通信信道访问时发生 错误的几率；发送信标帧以及超帧来限定和分配信道的使用；管理和维护好保 护时隙的使用；对p a n 中设备与主协调器之间的连接的管理；有信标和无信标 情况下的同步机制；对接收和发送的帧提供安全服务。 2 3 3 网络层 杭州电子科技大学硕士学位论文 z i g b e e 中的网络层利用其下层的m a c 层提供的各种服务和功能，保证 i e e e8 0 2 1 5 4 标准的m a c 层提供的服务顺利执行，实现建立z i g b e e 网络并对 其维护的任务，另外还要向其上层应用层提供多种服务，图2 4 显示的是网络 层的组成结构。