（控制理论与控制工程专业论文）基于zigbee的实时智能交通系统的研究与设计.pdf

：增。 删f f f y 1 8 4 0 6 0 2 ”。 at h e s i sf o rt h ed e g r e eo fm a s t e ri nc o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o l e n g i n e e r i n g r e s e a r c ha n d d e s i g no f r e a l - - t i m ei n t e l l i g e n t t r a f f i cs y s t e mb a s e do nz i g b e e b ym e n g l i n s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rr e n y a n s h u o n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 i - r 一1 j_ 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研 究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：豸柱& 日期： 矽罗7 ， 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文 的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索、交流。j o 。 ， 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年虹一年半口 学位论文作者签名：互杯 签字日期：汐口伊7 f 两年口 导师签名：彩萝顿 签字日期：砂矽夕7v | - 东北大学硕士学位论文摘要 基于z ig b e e 的实时智能交通系统的研究与设计 摘要 智能交通系统是一个旨在克服道路、车辆、人和环境四者之间相互矛盾的综合性技 术解决方案。它利用最新的电子信息技术和通讯技术，使得整个解决方案得以建立和实 现。对此系统的研究、推广和应用为我们构建一个安全、高效、环保的汽车社会提供了 全面的保障，因此具有重要的应用价值。 本文根据智能交通系统的特点，提出了一个高效、快捷的实时交通信息动态发布系 统，即基于z i g b e e 无线通信技术的实时交通信息动态发布系统。采用i n t e r n e t 和z i g b e e 相结合的方案，通过i n t e r n e t 将实时交通信息快速发布到交通信息服务终端，然后再通 过z i g b e e 无线通信技术将实时交通信息和导航信息传输给车载导航仪、智能手机或p d a 等智能终端，最终完成动态实时智能交通信息的发布。 本文首先介绍了了z i g b e e 无线技术的特点，研究了z i g b e e 协议栈各层的具体功能 与作用，并详细地探讨了z i g b e e 无线节点加入网络的方法。结合t i 公司的低功耗无线 收发器芯片c c 2 4 3 1 ，设计完成了实时交通信息的传输方法。 接着提出了智能交通系统的整体设计方案，以及需要注意的技术难点。在此基础上， 开发了基于e p 9 3 0 2 芯片的嵌入式导航系统开发板，并对开发板的主要电路进行了介绍， 结合实际讨论了调试p c b 板过程中出现的问题。 然后针对嵌入式系统的特点，介绍了嵌入式l i n u x 软件的运行和开发环境。并以按 键驱动程序为例探讨了嵌入式l i n u x 系统驱动程序的开发过程。 本文最后介绍了在嵌入式系统上运行的人机接口图形界面和如何将实时交通信息和 嵌入式g i s 相结合，并显示到人机交互界面上以满足用户的导航需求。 关键词：智能交通系统；紫蜂；电子地图；l i n u x 系统 i i 1 i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ha n dd e s i g n e do fr e a l - - t i m ei n t e l l i g e n t t r a f f i cs y s t e mba s e do nz i g be e a bs t r a c t i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e mi saa i m e da to v e r c o m i n gt h er o a d s ，v e h i c l e s ，p e o p l e a n de n v i r o n m e n tc o n t r a d i c t i o n sb e t w e e nt h ef o u ri n t e g r a t e dt e c h n o l o g ys o l u t i o n s i tu s e st h e l a t e s te l e c t r o n i ci n f o r m a t i o nt e c h n o l o g i e sa n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i c s ，m a k i n gt h e t e c h n o l o g ys o l u t i o n st ob ee s t a b l i s h e da n di m p l e m e n t a t i o n a c c o r d i n gt or e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no ft h es y s t e m ，i t sw o u l dp r o v i d e dt h es a f e g u a r do fas a f e ，h i g h l ye f f e c t i v ea n d e n v i r o n m e n t a la u t o m o b i l es o c i e t y , s oi t sh a sa l li m p o r t a n ta p p l i c a t i o nv a l u e b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ei n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m , ae f f i c i e n ta n dr a p i d r e a l t i m et r a f f i ci n f o r m a t i o nd y n a m i cp u b l i s h i n gs y s t e mw a sp u tf o r w a r di nt h i sp a p e r , w h i c h b a s e do nt h ez i g b e ew 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 c o m b i n e dw i mt h eu s eo fi n t e r n e t a n dz i g b e e ，t h er e a l - t i m et r a f f i ci n f o r m a t i o nw i l lb er e l e a s e dq u i c k l yt ot h et r a f f i ci n f o r m a t i o n s e r v i c et e r m i n a l f i r s t , t h er e a l - t i m et r a 伍ci n f o r m a t i o nw i lb er e l e a s e df r o mu r b a nt r a m c m a n a g e m e n tc e n t e rt ot h et r a f f i ci n f o r m a t i o ns e r v i c et e r m i n a lt h r o u g hi n t e r n e t a n dt h e nt h e a u t o m a t i cn a v i g a t o r 、s m a r tp h o n ea n dp d ag e tt h er e a l - t i m et r a f f i ci n f o r m a t i o nf x o mi tb y j ，。、z i g b e et e c h n o l o g y , w h i c hf i n a l l yf i n i s h e dt h ed i s t r i b u t i o no f t r a f f i ci n f o r m a t i o n f i r s to fa l l ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec h a r a c t e r i s t i c so f z i g b e ew i r e l e s st e c h n o l o g ya n d s t u d yt h ef u n c t i o na n de f f e c to fz i g b e ep r o t o c o ls t a c k sd i f f e r e n tl a y e r s ，t h e nd i s c u s s i o nt h e d e t a i l so f h o wt oe s t a b l i s haz i g b e ew i r e l e s sn e t w o r k c o m b i n a t i o no f t i sl o w - p o w e rw i r e l e s s t r a n s c e i v e rc h i pc c 2 4 3 1 ，t h em e t h o do fh o wt h er e a l t i m et r a f f i ci n f o r m a t i o nb ep u b l i s h e di s d e s i g n e d f o l l o w e d ，t h eo v e r a l ld e s i g n eo ft h ei n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o np u b l i s h i n gs y s t e mw a s p r o p o s e d ，a n dw h i c hs h o u l db e t op a ya t t e n t i o nt o o nt h i sb a s i s ，a ne m b e d d e dd e v e l o p m e n t n a v i g a t i o nb o a r dw a sd e s i g n e do nt h ec h i p so fe p 9 30 2a n dt h em a i nc i r c u i to fb o a r di ss h o w e d t h ep r o b l e mo fh o wt od e s i g n e dt h ep c bb o a r da l s ob ed i s s e d t h e nt h ep a p e l i n t r o d u c e dt h eo p e r a t i o no fe m b e d d e dl i n u xs o f t w a r ea n dd e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t t m sp a p e ra l s op r o g r a m e dak e yr i v e r sf o re m b e d d e dl i n u xs y s t e ma sa n e x a m p l et os h o wh o wt op r o g r a m m e rl i n u xd e v i c ed r i v e ro np c a tl a s t t h i sp a p e rd e s c r i b e st h em a n m a c h i n ei n t e r f a c ea n dh o wt oc o m p o s et h er e a l t i m e t r a 衔ci n f o r m a t i o na n de m b e d d e dg i s a n dd i s p l a y so nt h em a n m a c h i n ei n t e r f a c et om e e tt h e p e o p l e sn e e do fn a v i g a t i o n k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ；z i g b e e ；g i s ；l i n u xs y s t e m i i i 铭：巧 东北大学硕士学位论文 目录 目录 r ， 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论i 1 1 课题的研究意义i 1 2 智能交通系统的发展现状i 1 2 1 日本智能交通的发展状况i 1 2 2 智能交通系统在中国3 1 3 论文主要工作5 第2 章z i g b e e 协议分析7 2 1z i g b e e 技术概述7 2 1 1z i g b e e 中的设备7 2 1 2z i g b e e 的网络拓扑结构7 2 2z 。i g b e e 的体系结构：j = 一二8 2 3 应用支持子层l0 2 3 1a p s 层11 2 3 2z i g b e ep r o f i l e 1 2 2 3 - 3 设备对象z d o 1 3 2 4z i g b e e 网络的建立和使用1 5 2 4 1 建立网络l5 2 。4 2 发现网络1 6 2 4 3 加入网络1 6 2 4 4 联合方式加入网络1 7 2 4 5 孤点方式加入网络1 9 2 5z i g b e e 2 0 0 6 协议栈简介2 0 2 6 小结2 2 i v - 东北大学硕士学位论文目录 第3 章实时交通信息发布系统设计2 3 3 1 智能交通系统的关键技术2 3 3 2 实时交通信息的动态发布2 4 3 3 小结2 7 第4 章嵌入式系统硬件设计2 9 4 1 嵌入式系统整体框架2 9 4 2a r m 开发板设计。3 0 4 2 1e p 9 3 0 2 内部结构3 0 4 2 2 存储器接口电路3l 4 2 3s d r a m 接口电路3 2 4 2 4 以太网络接口3 3 4 3z i g b e e 无线通信模块3 4 4 4 硬件电路的设计与调试3 6 4 4 1p c b 电路板的设计3 6 4 4 2 硬件系统调试3 7 4 5 小结。3 8 第5 章嵌入式系统的软件开发；k 3 9 5 1 嵌入式l i n u x 的特点3 9 5 2 嵌入式l i n u x 开发环境4 1 5 2 1 嵌入式l i n u x 开发环境的建立4 l 5 2 2 交叉编译工具4 2 5 3 嵌入式l i n u x 内核的配置与编译4 3 5 3 1l i n u x 内核4 3 5 3 2l i n u x 内核配置一4 4 5 4 嵌入式l i n u x 系统的移植4 5 5 4 1 系统的引导4 5 5 4 2 嵌入式l i n u x 移植4 7 5 5z i g b e e 无线模块的通信程序4 8 5 6 设备驱动程序的开发5 0 v 、 东北大学硕士学位论文 目录 5 6 1l i n u x 设备驱动5 0 5 6 2 按键驱动设计。51 5 7 小结5 3 第6 章实时交通信息的处理5 5 6 1 嵌入式地理信息系统5 5 6 2 嵌入式电子地图5 7 6 3 电子地图的显示5 9 6 4 j 、结。6 1 第7 章结论6 3 参考文献6 5 致谢一6 9 v i 、 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第l 章绪论 1 1 课题的研究意义 进入2 1 世纪以来，伴随着我国国民经济的快速发展和城镇居民生活水平的大幅提 高，各式各样的轿车已经成为许多居民家庭的必备品，国内城市机动车保有量增长迅速， 使得整个社会对交通的软硬件需求不断增加。而国内城市交通基础设施和交通管理水平 的相对滞后，导致很多城市的交通拥堵现象频繁发生，城市交通正面临着越来越大的压 力。在这种形势下，基于静态地图的g p s 车载导航仪虽然可为驾驶员规划一条最短路径， 但却无法避开前方道路可能发生的交通拥挤，不能有效地节约驾驶成本，对路网交通拥 挤状况的改善也无帮助。 随着现代通讯和电子技术的发展，通过实时采集或共享接入的方式获取交通路网信 息，由统一的交通信息服务中心实现对交通信息的集中处理与最优路径规划决策，并由 智能导航系统显示实时动态信息己成为可能，由此研究能够完成实时交通信息接收的嵌 入式导航系统，也成为近年来嵌入式导航系统研究的重点。 动态导航电子地图主要有两方面作用：一是导航电子地图实物显示和动态交通信息 的显示；二是动态环境下空间数据库与专题数据库的交流作用。两方面相互作用，共同 完成电子地图中空间数据视觉化的任务。智能交通导航系统中的电子地图作为空间信息 特别是交通信息的可视化产品，将交通路线及周围环境以视觉甚至是听觉感受的方式传 输给使用者，成为交通信息与用户交流的最重要工具。能够完成实时交通信息显示的导 航仪已经成为行业的研究热点。 1 2 智能交通系统的发展现状 智能交通系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r ts y s t e m s ，i t s ) 【l 】是在上世纪中期开始研究的交 通系统。当今世界，随着汽车的发展普及，很多国家着手该系统的开发和应用，已经取 得了很多成果。 i t s 是一个旨在克服道路、车辆、人和环境四者之间相互矛盾的综合技术解决方案。 高度发展的信息技术和通讯技术，使得这个技术解决方案得以成立和实施，而此系统的 应用、推广和发展又为安全、高效、环保的汽车社会提供了保障。 1 2 1 日本智能交通的发展状况 早在1 9 9 5 年，日本的通产省、运输省、邮政省、建设省和警察厅五部门就制定了道 路、交通和车辆的信息化实施方针，拉开了i t s 系统研究开发和实施的序幕【2 】。 1 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 9 9 6 年7 月，五部门又制定了更加详细的i t s 全体构思，准备用1 5 到2 0 年的时间 让日本的道路更加智能化，实现人、车、路和环境四者的和谐互动。构思的具体内容有 9 项：高性能车载导航仪、自动收费系统、安全行车支援系统、交通管理智能化、道路 管理效率化、公共交通支持系统、商用车效率化、步行者支持系统和紧急车辆运行支持 系统。 ( 1 ) 车辆信息通信系统( c s ) 和高性能车载导航仪 1 9 9 6 年开始的v i c s ( v e h i c l ei n f o r m a t i o n c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) ，即车辆信息通 信系统是这一时期的核心系统。该系统将从日本各地警察和道路管理部门收集的交通信 息，进行整理、加工后，用三种方式传播给各种车辆。首先是针对高速道路使用者，通 过路上的无线通信装置对经过该装置的车辆( 信号接受直径为7 0 m ) 提供前进方向2 0 0 公里内的道路信息。 针对非高速道路的使用者，即行驶在主要干道上的车辆，通过路上的光波装置对经 过该装置的车辆( 信号接受直径3 5 k m ) 提供前进方向3 0 公里和后方l 公里的道路信息。 和v i c s 相适应的是可以接受此信号的高性能车载导航仪，v i c s 提供的道路信息可 以直接在导航仪的屏面上和道路复合显现，道路的拥堵情况以颜色区分，比如红色表示 非常拥堵，橙色表示拥堵，让驾车者非常直观地了解堵塞的整体状况，比较周围道路状 况，自觉躲避拥挤的道路。导航仪也可以根据驾车者的指令，回避拥堵道路，重新检索 新的行车路线。 ( 2 ) e t c 和i t s 车载装置 ， e t c ( e l e c t r o n i ct o l lc o l l e c t i o ns y s t e m ) 即电子收费系统，是i t s 系统中不可或缺的 重要组成部分。e t c 采用高性能的高速大容量的通信手段d s r c ( d e d i c a t e ds h o r tr a n g e c o m m u n i c a t i o n ) ，即专用短距离通信方式。它使车辆和车辆、车辆和道路、车辆和各种 设施、车辆和门户网站之间的更大容量的双向通信成为可能。 该系统自2 0 0 1 年3 月投入使用后，短短6 年间便累计售出1 7 0 0 多万台。现在日本 收费道路的通过车辆中，7 0 的车辆是安装了电子收费系统的车辆，以前人工收费时， 收费站前车辆排成长龙的景象基本消失，一驶而过的快感成为很多人选择安装e t c 的理 由之一。当有e t c 装置的车辆进入自动收费口时，双向大容量无线通信系统马上就可以 将车牌号、信用卡持有人、进入地点和时间等信息双向留存，当车辆驶出收费路口时， 出口通讯系统便可以依据留存信息，瞬间结算费用。 ( 3 ) 安全行车支持系统 安全行车支持系统a s v ( a d v a n c e ds a f e t yv e h i c l e ) 主要是指预防安全技术。它通过 各种辅助装置，提高安全行车系数。其内容由7 个方面组成：弯道减速、车道监控、行 人保护、预防追尾和撞车等等。防追尾装置，用雷达不断监测同前车的距离，一旦距离 2 z 。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 缩短到可能追尾时，汽车就会发出警报；如果驾车者还不及时刹车的话，汽车就会自动 刹车，避免或减轻事故。瞌睡监视装置，通过监视器监视驾车者的眼皮，发现驾车者瞌 睡时，及时报警提醒。车线自动跟踪装置，该装置在汽车行驶中自动跟踪车道的分离线， 并自动保持车辆行驶在安全的区间。高速道路上该汽车还可以根据设定跟随前车自动驾 驶。 ( 4 ) 其他各子系统 除了上述内容以外，i t s 的其他子系统，比如交通管理智能化、道路管理效率化、 公共交通支持系统、商用车效率化、步行者支持系统和紧急车辆运行支持系统，也都取 得了相当大的进展。 交通管理智能化和道路管理效率化，拥堵信息发布、车道前方信息通报等车路互动 就属于这些方面。信号灯优化管理、特殊车辆通畅行驶的保障等都早就已经成为现实， 公共交通运行信息在东京这样的大城市已经相当准确。 步行支持系统还停留在小范围试验状态。该系统利用“泛在 理念，将集成芯片嵌 入各种信息对象，步行者只要手持阅读器就可以了解比如道路、盲道、楼层、交通等信 息。盲人手持阅读器就可以像正常人一样在盲道上步行。该系统在人穿行横道线时，进 行人车间的互动通信，减少事故隐患。 1 2 2 智能交通系统在中国 我国在i t s 方面的开发和应用尚处于起步阶段，主要进行了一些基础性工作，还没 有形成一个完备的系统。在国家发展和改革委员会2 0 0 7 年7 月发布的高技术产业发展 “十一五”规划中，明确提出了“十一五 期间八大重点高技术产业，智能交通系统 为其中一项。并指出我国的i t s 近期产业化的4 项重点是：先进的交通管理和控制技术； 交通基础信息采集、处理设备及相关软件技术；先进的公共交通管理设备和系统技术； 车载电子设备和系统技术。 在系统的实际开发和应用方面，我国已有了不少实际成果，在局部地区形成了i t s 的雏形，或实现了i t s 系统的部分功能。其中最主要的是电子收费系统，全国已有不少 省份或城市开始采用或试行这种先进的管理方式。在一些高等级公路上也出现了类似的 收费系统；结合交通工程在新建的高速公路下一般都埋设了光纤等信号传输线路，有些 还安装了车辆探测装置和可变式信息显示装置，便于其后的交通控制、管理和服务。深 圳市的闭路电视系统负责监控全市的交通，各主要路口装有监控设备，并配有智能化的 车辆违章抓拍设备；其中的车辆车牌辨识系统，在发现有违章车辆时，会自动通知有关 执法人员进行处理，全过程仅需几秒钟；深圳市交通系统还配置了交通诱导指示装置为 驾驶员指明道路阻塞情况；智能化的电子车牌可让候车人员知道公交车驶来的时间。北 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 京、上海、广州、沈阳等城市都引入了交通自适应信号控制系统。 目前符合汽车工业标准和中国法律的京、津、沪、穗四个城市的汽车导航电子地图 产品也已投放市场。上海在浦西高架桥路段设置了交通监控暨通信系统，实现内环线的 智能交通管理。不少城市已经建立起交通指挥中心、先进的交通信号控制和车辆监控系 统。同时我国在各大城市也已开始进行先进的交通管理系统【3 】( a t m s ) 的管理和实践。 例如北京市实时动态交通流信息采集、处理、分析和发布系统示范工程已在建设中，系 统的功能实现基于g i s 平台，按照使用对象的不同可分为对内部显示子系统和对外发布 子系统，对内显示子系统的用户为交通管理者，系统将数据处理结果在内部网上发布， 各业务处室根据拥有的权限对系统进行访问。对外发布子系统的用户为出行者，系统将 有关的交通信息通过i n t e m e t 、交通电视、广播及显示大屏等形式向出行者发布，供出行 者查询。北京市已经建立了比较完善的综合信息网络系统、交通指挥调度系统、交通执 法系统和办公自动化系统，其中交通执法系统甚至达到了国际领先水平。图1 1 是从北 京市公安局公安交通管理局网站上剪切下来的图片，它显示了2 0 0 9 年6 月4 日l o 时5 6 分北京市的实时路况信息。 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 委、科委组织开发的实时自适应城市交通控制系统。交通部已批准成立了中国委员会， 秘书处设在交通智能运输系统工程研究中心，代表中国参加国际智能交通系统的标准化 活动，现在正进行中国智能运输系统标准体系框架的研究。 1 3 论文主要工作 本文针对目前交通系统对收集到的实时交通信息不能及时发布的问题，提出基于 z i g b e e 无线通信技术的实时交通信息动态发布系统，解决了实时交通信息的发布问题， 具有一定的先进性和实际应用价值。 本文中搭建的基于z i g b e e 和a r m 的无线嵌入式系统开发平台也为后续导航程序的 开发和嵌入式电子地图研究提供了一个可靠的验证平台。 本文的主要内容是： 第1 章：介绍论文研究的意义和国内外智能交通系统的研究现状。 第2 章：首先描述了z i g b e e 协议栈和i e e e8 0 2 1 5 4 的关系，然后深入地研究了 z i g b e e 无线网络的建立方法。 第3 章：介绍了智能交通信息发布系统的总体方案。 第4 章：介绍了基于z i g b e e 的嵌入式系统的硬件设计与实现方案。 第5 章：介绍了基于z i g b e e 的嵌入式系统的软件设计与实现方案。 第6 章：介绍了关于实时交通信息系统的处理和显示的实现方案。 第7 章：总结全文，对未来工作进行展望。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第2 章z i g b e e 协议分析 2 1z i g b e e 技术概述 z i g b e e 是一种新兴的短距离、低速率无线网络，在国内被译为“紫峰 。它是一种 介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。它主要用于近距离无线连接。它有自己的无 线电标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。 z i g b e e 的基础是i e e e8 0 2 1 5 4 协议，它属于低速无线个域网( l r - w p a n ) 【4 】范畴。 i e e e8 0 2 1 5 工作组是专门从事无线个域网( 聊a n ) 标准化工作的组织，它的任务是制 定一套适用于短距离无线通信的标准。目前，i e e e8 0 2 1 5 工作组已经完成了中速无线个 域网标准i e e e8 0 2 1 5 1 蓝牙( b l u e t o o t h ) 、高速无线个人区域网标准i e e e8 0 2 1 5 3 超宽 带( i n 舳) 和低速无线个域网标准i e e e8 0 2 1 5 4 。低速无线个域网( l r w p a n ) 主要 为电源能力受限、吞吐量要求较低的无线应用提供简单的低成本网络连接；主要目标是 以简单灵活的协议构建一种安装布置简易、数据传输可靠、设备成本极低、能量消耗较 小的短距离无线通信网络。 2 1 1z i g b e e 中的设备 对于z i g b e e 网络中的设备，i e e e8 0 2 1 5 4 和z i g b e e 联盟所制定的标准分别有不同 的定义方法和规范用语。根据设备功能的不同，i e e e 8 0 2 1 5 4 把网络中的设备分为全功 能( f f d ) 和简化功能设备( i 强d ) 。f f d 实现了i e e e8 0 2 1 5 4 协议的全集，而r f d 则 根据特定的应用需要只实现了i e e e8 0 2 1 5 4 完整协议的一部分。根据设备在网络中承担 任务的不同，个域网中的设备可分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 1 5 4 网络中只有一个p a n 协调器，p a n 协调器必须f f d 。 协调器也是f f d ，它通过发信标提供同步服务，p a n 协调器是一种特殊的协调器。r f d 主要用于非常简单的应用，通常不需要提供大量的数据，往往同一时间只和一个f f d 关 联，所以r f d 可以用最少的资源和存储容量来实现。一个f f d 可以和r f d 通信，也可 以和其他的f f d 通信；而r f d 只能和f f d 通信。z i g b e e 联盟把i e e e8 0 2 1 5 4 中定义 的p a n 协调器，协调器和一般设备分别称作z i g b e e 协调器、z i g b e e 路由器和z i g b e e 终端设备。 2 1 2z i g b e e 的网络拓扑结构 根据不同的应用需求，l r w p a n 可以构建成星状拓扑和点对点等拓扑，无论哪种 拓扑结构，都是无基础设施的网络【5 1 。如图2 1 所示。 7 - 点 图2 1l r - w p a n 的网络拓扑 f i g 2 1n e t w o r kt o p o l o g yo f l r - w p a n 在星状拓扑中，所有终端设备都与唯一的中央控制器p a n 协调器通信，终端设备之 间的通信通过p a n 协调器的转发来完成。在星状网络中，p a n 协调器一般使用持续的 电力系统供电。 在点对点对等拓扑网络中，也有一个p a n 协调器，但与星状网不同的是，对等网络 中的任何两个设备只有彼此都在对方的无线辐射有效范围之内，就可以直接通信。所以 对等网络可以构建更复杂的m e s h 6 网，适用于工业控制与检测、无线传感网络、仓储库 存跟踪和智能农业等设备分布范围较广的应用。点对点对等网络允许通过多跳路由的方 式在网络中传输数据，具有自组织、自修复的组网能力。 2 2z i g b e e 的体系结构 z i g b e e 是z i g b e 圮联盟在i e e e8 0 2 1 5 4 定义的物理层( p h y s i c a ll a y e r ，p h y ) 和媒 体访问控制层( m a c ) 基础上制定的一种l r w p a n 技术规范【5 一。如图2 2 所示。 一， ： ? 缸r j z i g b e e 应用层 z i g b e e 网络层( n w k ) 1 jl i e e e8 0 2 1 5 4m a c 层 i e e e8 0 2 1 5 4；e e8 0 2 1 5 4 8 6 8 91 6m h zp h y 层8 6 8 9 1 6m h zp h y 层 、r 喇 鍪 8 璺 n 号 营 衄 罾 图2 2z i g b e e 体系结构 f i g 2 2t h ea r c h i t e c t u r eo fz i g b e e i e e e8 0 2 1 5 4 仅定义了低级m a c 层和物理层协议，因此z i g b e e 联盟对其网络层协 议( n w k ) 和应用层( a p l ) 进行了标准化。z i g b e e 联盟还开发了安全层，以保证这种 便携设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用无线网络的远距离传输不会被其它节点获 得。 完整的z i g b e e 协议套件由应用层、网络层、媒体访问控制层和物理层组成。网络层 以上协议由z i g b e e 联盟制定，i e e e 负责物理层和媒体访问控制层标准。 应用层将主要负责把不同的应用映射到z i g b e e 网络上，具体而言包括：安全与鉴权， 一r 东北大学硕士学位论文 第2 章z i g b e e 协议分析 数据的接收和发送，设备发现，业务发现。 网络层应提供保证i e e e8 0 2 1 5 4m a c 层正确工作的能力并为应用层提供合适的服 务接口，应包含以下功能：加入和离开网络的机制：应用安全帧的机制和路由帧到达目 的地的机制；网络的自组织、自维护功能，以最大程度减少消费者的开支和维护成本。 i e e e8 0 2 系列标准把数据链路层分成逻辑链路控制子层l l c ( l o g i c a ll i i l l 【c o n t r 0 1 ) 和介质接入控制子层m a c ( m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) 两个子层。l l c 子层在i e e e8 0 2 6 标准中定义，为8 0 2 标准系列共用；而m a c 子层协议则依赖于各自的物理层。i e e e 8 0 2 1 5 4 的m a c 层能支持多种l l c 标准，通过业务相关的会聚子层s s c s ( s e r v i c e - s p e c i f i cc o n v e r g e n c e s u bl a y e r ) 协议承载i e e e8 0 2 2 协议中第一种类型的l l c 标准，同时也允许其他l l c 标准直接使用i e e e 8 0 2 1 5 4 的m a c 层的服务。 l l c 子层的主要功能是数据包的分段与重组，以及确保数据包的顺序传输。 m a c 子层实现包括设备间无线链路的建立、维护和断开，确认模式的帧传送与接 收，信道接入控制，帧校验与快速自动请求重发，预留时隙管理以及广播信息管理。 i e e e8 0 2 15 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 1 5 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 ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ) ，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。 2 4 g h z 波段为全球统一的无需申请的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。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， 有助于获得更高的吞吐量、更小的通信时延和更短的工作周期，从而更加省电。8 6 8 m h z 是欧洲的i s m 频段，9 1 6 m h z 是美国的i s m 频段，这两个频段的引入避免了2 4 g h z 附 近各种无线通信设备的相互干扰。8 6 8 m h z 的传输速率为2 0 k b s ，9 1 6 m h z 是4 0 k b s 。 由于这两个频段上无线信号传播损耗较小，因此可以降低对接收机灵敏度的要求，获得 较远的有效通信距离，从而可以用较少的设备覆盖给定的区域。 相对于常见的无线通信标准，z i g b e e 协议套件紧凑而简单，其具体实现的要求很低， 以下是z i g b e e 协议套件的需求估计： ( 1 ) 8 位处理器，如8 0 c 5 1 ； ( 2 ) 全协议套件软件需要3 2 k b 的r o m ； ( 3 ) 最小协议套件软件大约4 k b 的r o m ； ( 4 ) 网络主节点需要更多的r a m ，以容纳网络内所有节点的设备信息、数据包转 发表、设备关联表、与安全有关的密钥存储等。 每一层为上一层提供某些服务：数据实体( d a t ae n t i t y ) 提供数据传输服务，管理实 体( m a n a g e m e n te n t i t y ) 提供所有其他服务。每一个服务实体( s e r v i c ee n t i t y ) 通过一个 服务接入点( s e r v i c ea c c e s sp o i n t ，s a p ) 与上层通信，并且每一个s a p 都支持一些服务 9 东北大学硕士学位论文 第2 章z i g b c c 协议分析 。_ 。- - 。- 。o 。1 。_ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ 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