（系统工程专业论文）基于嵌入式平台的无线远程监测系统研究.pdf

摘要 摘要 集成化、网络化和智能化是监测系统未来的发展趋势，z i g b e e 是一种低速 率、低功耗、低成本的短距离无线网络技术，主要面向于自动化和远程控制的 应用。i e e e8 0 2 1 5 4 是为实现这一目标而专门设计的标准。本文在研究对设备 数据进行无线监测的基础上，着重开发一套基于z i g b e e 无线技术的远程监测系 统硬件平台。 论文首先介绍现今流行的无线技术，通过比较体现z i g b e e 技术的优势。重 点在于从分层的角度介绍z i g b e e 无线技术的协议与i e e e s 0 2 1 5 4 标准； 其次，介绍j e n n i c 公司的j n 5 1 2 1z i g b e e 无线模块的相关内容和应用j n 5 1 2 1 设计硬件电路，建立无线数据收发系统的硬件平台以及电路板的制作； 再次，根据z i g b e e 和i e e e 8 0 2 1 5 4 协议，设计软件框架，编写程序，实现 无线系统的数据收发，软件包括串口无线通信程序和温度监测程序，前者侧重 于测试串口通信与数据的无线收发，后者侧重于测试a i ) 转换和星型网络的建 l 卫： 最后，结合发电机组，设计应用z i g b e e 无线技术对其运行参数进行监测的 实施系统。 关键词：z i g b e e ，i e e e s 0 2 1 5 4 ，远程监测，汽轮发电机组，嵌入式平台 a b s t r a c t ab s t r a c t i n t e g r a t i o n ，n e t w o r k i n ga n di n t e l l e c t u a l i z a t i o na r et h et r e n do ft h ew i r e l e s s r e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mi nt h ef u t u r e z i g b e ei sl o wv e l o c i t y , l o wp o w e r , f e wc o s t s h o r t - h a u lw i r e l e s sn e t w o r kt e c h n i q u e t h em a j o ra p p l i c a t i o ni sa u t o m a t i o na n d r e m o t ec o n t r 0 1 i e e e 8 0 2 15 4i ss t a n d a r df o rt h ea i m t h ep a p e rb a s eo nw i r e l e s s m o n i t o r i n ge q u i p m e n td a t a , d e s i g naz i g b e eh a r d w a r ep l a t f o r mo fw i r e l e s sr e m o t e m o n i t o r i n gs y s t e m f i r s t l y , t h r o u g hc o m p a r i n g ，t h ep a p e ri n t r o d u c e sp o p u l a r w i r e l e s st e c h n i q u ea n d z i g b e ew i r e l e s st e c h n i q u ea d v a n t a g e t h em a j o ri st or e a l i z ee v e r yl a y e ro fz i g b e e p r o t o c o la n di e e e 8 0 2 1 5 4s t a n d a r d s e c o n d l y , i n t r o d u c em o d u l ej n 5 121o fj e n n i ea n dh o wt od e s i g nh a r d w a r e c i r c u i t ，p c bu s i n gt h em o d u l e t h i r d l y , a c c o r d i n gt oz i g b e ea n d i e e e 8 0 2 15 4p r o t o c o l ，d e s i g ns o f t w a r e ，r e a l i z e t h ed a t aw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s o f t w a r ei n c l u d i n gt w op r o j e c t s ，o n ei sw i r e l e s s u a r tp r o g r a m ，a n dt h eo t h e ro n ei st e m p e r a t u r em o n i t o r i n gp r o g r a m w i r e l e s s u a r tc a nt e s ts e r i a li n t e r f a c ec o m m u n i c a t i o na n dw i r e l e s sd a t at r a n s m i t t e m p e r a t u r ep r o g r a mc a n t e s ta dt r a n s i t i o na n ds t a rn e t w o r ks e tu p i nt h ef m a l i t y , d e s i g nt u r b o - g e n e r a t o rr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mt om o n i t o r p a r a m e t e ro fg e n e r a t o r k e yw o r d s ：z i g b e e ，i e e e 8 0 2 15 4 ，r e m o t em o n i t o r i n g ，t u r b o g e n e r a t o r , e m b e d d e d p l a t f o r m i i 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，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，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：赵甏 咖矿年3 月阳e l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 赵弦 沙矿年3 月加日 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 目前，短距离无线通信技术已成为无线通信领域的一个重要分支，这是因 为在现实生活中，存在着许多这样的应用场景，系统所传输的数据通常为小量 的突发信号，即数据特征为数据量小，要求进行实时传送。如采用传统的无线 技术，虽然能满足上述要求，但存在着设备的成本高、体积大和能源消耗较大 等问题，针对这样的应用场合，人们希望利用具有成本低、体积小、能量消耗 小和传输速率低的短距离无线通信技术，因而产生了z i g b e e 技术。 z i g b e e 技术弥补了这方面的市场空缺，用户可以根据情况变化快速便捷的 添加或重新配置节点，形成短距离无线通信子网。利用无线收发器进行数据传 输，既降低了网络的布线成本，也提高了应用的灵活性和可扩展性，节省了人 力资源。 可以预见，一旦该系统投入使用，将极大地提高企业对设备运行状态的监 测力度和对设备的科学管理能力，为及时准确地管理企业的设备提供了有力的 工具与保障。 1 2 无线网络介绍 目前的无线网络根据通信距离的不同分为无线广域网( w a n ) 、无线局域网 ( w l a n ) 、无线个人区域网( w p a n ) 三类，它们的有机结合，构成完整的无 线互连网络体系。现今，短距离无线通信技术主要有i r d a 技术、蓝牙技术、w i - f i 技术、z i g b e e 技术等。 1 2 1i r d a 技术 红外线数据标准协会k d a ( i n f r a r e dd a t aa s s o c i a t i o n ) 成立于1 9 9 3 年，是非营 利性组织，致力于建立无线传播连接的国际标准，目前在全球拥有1 6 0 个会员， 第l 章绪论 参与的厂商包括计算机及通信硬件、软件及电信公司等。简单地讲，i r d a 是一 种利用红外线进行点对点通信的技术，其相应的软件和硬件技术都已比较成熟。 它在技术上的主要优点有： ( 1 ) 无需专门申请特定频率的使用执照，这一点，在当前频率资源匮乏，频道 使用费用增加的背景下是非常重要的。 ( 2 ) 具有移动通信设备所必需的体积小、功率低的特点。 ( 3 ) 传输速率在适合于家庭和办公室使用的微微网( p i c o n e t ) 中是最高的，由于 采用点到点的连接，数据传输所受到的干扰较少，速率可达1 6 m b s 。 除了在技术上有自己的技术特点外，i r d a 的市场优势也是十分明显的。目 前，全世界有5 0 0 0 万台设备采用i r o 技术，并且仍然每年以5 0 9 6 的速度增长。 有9 5 的笔记本电脑安装了i r d a 接口。在成本上，红外线l e d 及接收器等组件 较一般r f 组件来得便宜，i r d a 端口的成本在5 美元以内，如果对速度要求不高， 甚至可以低到1 5 美元以内，相当于日前蓝牙产品的十分之一。 面对其他技术的挑战，i r d a 并没有停滞不前。除了传输速率由原来的 f i r ( f a s ti n f r a r e d ) 的4 m b s 提高到最新v f i r 的1 6 m b s 标准；接收角度也由传统 的3 0 度扩展到1 2 0 度。这样，在台式电脑上采用低功耗、小体积、移动余度较 大的含有i r d a 接口的键盘、鼠标，就有了基本的技术保障。同时，由于i n t e m e t 的迅猛发展和图形文件逐渐增多，i r d a 的高速率传输优势在扫描仪和数码相机 等图形处理设备中更可大显身手。 对于要求传输速率高、使用次数少、移动范围小、价格比较低的设备，如 打印机、扫描仪、数码像机等，i r d a 技术是首选。 1 2 2 蓝牙 蓝牙系统和无线个人局域网( w p a n ) 的概念相辅相成，它已经是无线个人局 域网的一个雏形。在其1 9 9 9 年1 2 月发布的蓝牙1 0 版的标准中，已定义了包 括使用w a j p 协议连接互联网的多种应用软件。它能够使蜂窝电话系统、无绳通 信系统、无线局域网和互联网等现有网络增添新功能，使各类计算机、传真机、 打印机设备增添无线传输和组网功能，在家庭和办公自动化、家庭娱乐、电子 商务、无线公文包应用、各类数字电子设备、工业控制、智能化建筑等场合开 辟了广阔的应用。随着无线个人局域网的发展，i e e e8 0 2 1 5 的一个工作小组正 2 第l 章绪论 在制订速率可达2 0 m b s 以上的无线个人局域网标准，这一标准也是基于蓝牙规 范。因此，无线个人局域网和蓝牙必然会趋于融合，由参与蓝牙计划的公司和 i e e e8 0 2 1 5 工作组协力合作，共同创造明天的无线个人局域网。 蓝牙技术从应用的角度来讲，与日前广泛应用于微波通信中的一点多址技 术十分相似，因此，它很容易穿透障碍物，实现全方位的数据传输。早在蓝牙 标准制定的前一年，i e e e 的有关工作组就已经开始无线个人局域网的准备工作。 起初，i e e e 执行委员会认为，由于这是局域网内部的无线通信技术，所以就将 此任务交给了对无线局域网有着突出贡献的”8 0 2 1 1 - e 作组”，当时主要的工作 就是实现无线局域网和无线个人局域网的无缝隙连接。经过一年的努力工作， 小组成员的结论是，现有的i e e e8 0 2 1 1 中有关支持三种物理媒介层的 m a c ( m e d i u m a c c e s sc o n t r o l ，媒介访问控制) 中规定的基础结构并不适用于无线 个人局域网。 如果设备是属于那种活动范围比较广，要求能和多种设备迅速互联，如笔 记本电脑、数字无绳电话、个人数字助理、手机等，采用蓝牙或无线个人局域 网是十分理想的。 1 2 3w i f i 技术 w i f i ( w i r e l e s s f i d e l i t y ，无线相容性认证) 的正式名称是“i e e e 8 0 2 1 1 b ， 与蓝牙一样，同属于在办公室和家庭中使用的短距离无线技术。虽然在数据安 全性方面，该技术比蓝牙技术要差一些，但是在电波的覆盖范围方面则要略胜 一筹。w i f i 的覆盖范围可达3 0 0 英尺左右( 约合9 0 米) 。 因此，w i f i 一直是企业实现自己无线局域网所青睐的技术。还有一个原 因就是与代价昂贵的3 g 企业网络相比，w i f i 似乎更胜一筹。关于w i f i 的 热点都诞生在2 0 0 2 年，在美国，w i f i 就像早期的因特网一样，呈现出星火燎 原之势。 w i f i 带来的高速无线上网将像今天人们打手机一样平常。各厂商目前都 积极将该技术应用于从掌上电脑到桌面计算机的各种设备中，制造新的卖点。 随着w i f i 设备数量的增加，其价格将会下降。 3 第1 章绪论 1 3z i g b e e 技术 1 3 1 z i g b e e 概述 z i g b e e 是一组基于i e e e 批准通过的8 0 2 1 5 4 无线标准研制开发的，有关 组网、安全和应用软件方面的技术标准。i e e e 仅处理低级m a c 层和物理层协 议，z i g b e e 联盟对其网络层协议和a p i 进行了标准化。完全协议用于一次可直 接连接到一个设备的基本节点的4 k 字节或者作为h u b 或路由器的协调器的3 2 k 字节。每个协调器可连接多达2 5 5 个节点，几个协调器则可形成一个网络，对 路由传输的数目则没有限制。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 协议套件由高层应用规范、应用会聚层、网络层、数据链路 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 8 0 2 1 5 4 负责物理 层和链路层标准。应用会聚层将主要负责把不同的应用映射到z i g b e e 网络上。 1 3 2z i g b e e 技术的优势 i e e e8 0 2 1 5 4 和z i g b e e 从一开始就被设计用来构建包括恒温装置，安全 装置和煤气读数表等设备的无线网络。这是由其主要技术优势决定的： ( 1 ) 数据传输速率低：只有1 0 k 字节秒到2 5 0 k 字节秒，专注于低传输应 用。 ( 2 ) 功耗低：在低耗电待机模式下，两节普通5 号干电池可使用六个月到两 年，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。这也是z i g b e e 的支持者所一直引以 为豪的独特优势。 ( 3 ) 成本低：z i g b e e 数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。且 免收专利费。 ( 4 ) 网络容量大：每个z i g b e e 网络最多可支持2 5 5 个设备。 ( 5 ) 时延短：通常时延都在1 5 毫秒至3 0 毫秒之间。 ( 6 ) 安全：z i g b e e 提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用a e s 1 2 8 加密 算法。 ( 7 ) 有效范围小：有效覆盖范围1 0 - - 一7 5 米之间，具体依据实际发射功率的 4 第1 章绪论 大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。 ( 8 ) 工作频段灵活：使用频段为2 4 g h z 、8 6 8 m h z ( 欧洲) 及9 15 m h z ( 美国) ， 均为免执照频段。 图1 1 给出了z i g b e e 和其他几种无线技术的特点，从中也可以看出z i g b e e 相比之下显示出的优势。 市场名 g p r s ，g s mw i f 幔b l u e l o o t h t m z i g b e 一 标准 l x r t t ，c d 劓【a3 0 2 1 l b8 0 2 1 5 18 0 2 1 5 4 广阔范围 w e b ，e m a i i , 图 匣用重点电缆替代品篮测控制 声音& 数据 像 系统资源 1 6 m b +l m b +2 5 0 k b +4 k b 3 2 k b 电池寿命( 天) l 至70 5 至51 至7 1 0 0 至1 , 0 0 0 + 网络大小 l3 2 7 2 5 5 6 5 ，0 0 0 带宽( k b ，s ) 6 4 一1 2 譬+ 1 1 , 0 0 0 + 7 2 0 2 0 ，2 5 0 传输距离米)1 , 0 0 0 + 1 1 0 0l 1 9 +l l + 可靠，低功耗， 成功尺度覆盖面大，质量速度，灵活性价格便宜，方便 价格便宜 图1 1 几种无线技术的特点 1 4 课题的研究内容和论文结构安排 1 4 1 研究内容、思路及意义 本课题在查阅相关设备状态监测与诊断技术的基础上，综合应用计算机技 术和网络通信技术，着重开发基于嵌入式平台的无线远程监测系统，利用z i g b e e 技术实现该监测系统的主要功能，以实现对发电机组运行状态的无线远程监测。 在分析z i g b e e 技术的特点、网络分层结构的基础上着重研究8 0 2 1 5 4 协议定义 的p h y 和m a c 层规范，根据无线收发模块设计z i g b e e 无线数据收发电路，实 现数据的点对点，点对多点传输。 首先选择合适的元器件和开发平台，设计无线传输模块并进行p c b 板制作； 其次利用编程语言完成无线接口模块的点对点，点对多点数据收发程序；最终 5 第1 章绪论 通过软、硬件调试实现z i g b e e 无线模块收发数据的功能。在本文的最后，结合 发电机组，设计无线远程监测系统，使上层管理人员和现场运行人员充分掌握 发电机组的运行状态，掌握发生故障的原因，并能及时进行正确处理，把故障 对发电机组的影响限制在最小范围内。 对发电机组重要参数进行监测有着重大的意义，本文最后设计的汽轮发电 机组的无线监测系统可以灵活的监测终端设备，给监测系统的布置带来极大的 便利，也使设备监测的工作人员可以及时、有效的对设备进行维修。 1 4 2 论文结构安排 第一章：介绍现今流行无线技术，并且与z i g b e e 技术相比较。阐述课题的研究 内容，研究思路及研究意义。 第二章：介绍z i g b e e 无线技术和i e e e s 0 2 1 5 4 标准，重点介绍z i g b e e 技术的 层次结构，包括p h y ，m a c ，网络层和应用层。 第三章：根据系统要求，设计硬件平台，完成电路设计及电路板的制作。 第四章：根据系统要求，设计软件框架，编写程序，完成数据收发功能。 第五章：结合发电机组设计实际应用系统，达到监测发电机组相关参数的目的。 第六章：总结课题的研究情况，并指出存在的不足以及今后的研究方向。 6 苎! 至! 坚! 竺茎查坌型 第2 章z i g b e e 技术介绍 2 1z i g b e e 技术的网络拓扑结构 利用z i g b 技术组成的无线个人区域网( w p a n ) 是一种低速率的无线个 人区域网。在这样的网络中，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 ) ，另一种是简化功能设备( r f d ) 。 在网络中，f f d 通常有三种工作状态；( 1 ) 作为个人区域网络( p a n ) 的 主协调器；( 2 ) 作为一个协调器：( 3 ) 作为一个终端设备。一个f f d 可以同时 和多个r f d 或多个其他的f f d 通信，而对于一个r f d 来说，它只能和一个f f d 进行通信。r f d 的应用非常简单、容易实现，由于p - f d 不需要发送大量的数 据，并且一次只能同一个f f d 连接通信，因此，r f d 仅需要使用较小的资源和 存储空间，这样，就可非常容易地组建一个低成本和低功耗的无线通信网络。 在z i 出网络拓扑结构中，最基本的组成单元是设备，这个设备可以是一 个r f d 也可以是一个f f d ；在同一个物理信道的p o s ( 个人工作范围) 通信范 围内，两个或者两个以上的设备就可构成一个w p a n 。但是，在这一个网络中 至少要求有一个f f d 作为p a n 主协调器。 根据应用的需求，z i g b 技术网络有三种网络拓扑结构：星型、树型、网 状结构。 ( 1 ) 星型拓扑结构 。黹 图2 l 星型拓扑结构 星型结构由一个叫做p a n 主协调器的中央控制器和多个从设备组成，从设 第2 章z i g b 技术介绍 备阃的通信需要通过中央控制器。这种结构的不足是当r f 连接失败时，没有 路由来弥补；另外主协调器可能出现堵塞现象导致通信不正常。 ( 2 ) 树型拓扑结构 图23 阿状拓扑结构 在网状拓扑结构中，一个z i g s e e n 络只有一个网络协调器，但可以有若干个 路由器。协调器负责整个网络的建网，同时它也可作为与其它类型网络的通讯 节点( 两关) 。构成协调嚣和路由器的器件必须是全功能器件( f f d ) ，而构成 终端设备的器件可以是全功能器件，也可是简约功能器件( r f d ) 。 2 2 z i g b e e 技术的体系机构 z ；g b 的体系结构主要由物理层( p h y ) 、媒体接入控制层( m a c ) 、网 8 第2 章z i g b e e 技术介绍 络安全以及应用框架层组成，其各层之间的分布如图2 4 所示。 i 应用框架层 jl i 网络安全层 i m a c 层 t l i e e e8 0 2 1 5 4 i p h y 层 上 、r l 图2 4z i g , b e e 技术协议组成 从上图中可以看出，z i g b e e 技术的协议层结构简单，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 标准。 p h y 层的特征是启动和关闭无线收发器，能量检测，链路质量，信道选择， 清除信道评估，以及通过物理媒体对数据包进行发送和接收。 m a c 层的具体特征是信标管理，信道接入，时隙管理，发送确认帧，发送 连接及断开连接请求。 网络层安全层主要用于z i g b e e 的低速率无线个人区域网的组网连接、数 据管理以及网络安全等。 应用框架层主要为z i g b e e 技术的实际应用提供一些应用框架模型等，以便 对z i g b e e 技术的开发应用，在不同的应用场合，其开发应用框架不同。 2 3z i g b e e 物理层 2 3 1z i g b e e 工作频率的范围、发射功率及接收灵敏度 z i g b e e 对于不同的国家和地区，提供的工作频率范围不同，z i g b e e 主要使 用的频率范围为8 6 8 9 1 5 m h z 和2 4 g h zi s m 频段。在中国只可以使用2 4 g h z i s m 频段，此频段上的数据传输率是三个频段中最高的，为2 5 0 k b p s 。具体的 信道分配情况如图2 5 所示。 9 第2 章z i g , b e e 技术介绍 8 6 8 m h z ，9 1 5 m h z p h y c h a n 舱l s l 1 0 _ 卜2 m h z j 删叫l 2 4 g h z p h y c h a n n e l s 2 6 _ 1 卜_ 5 眦 - - - - - - - - - - - - - - - - ； 图2 5 频率和信道分布 z i g b e e 技术的发射功率也有严格的限制，其最大发射功率应遵守不同国家 所制定的规范，通常，z i g b e e 的发射功率范围为0 至j j + 1 0 d b m ，通信距离范围 通常为1 0 m ，可扩大到约3 0 0 m ，发射功率可根据需要，利用设置相应的服务原语 进行控制。 接收灵敏度是在给定接收误码率的条件下，接收设备的最低接收门限值， 通常用d b m 表示。z i g b e e 的接收灵敏度的测量条件为在无干扰条件下，传送 长度为2 0 个字节的物理层数据包，其误码率小于1 的情况下，在接收天线端 所测量的接收功率为z i g b e e 的接收灵敏度，通常要求为一8 5 d b m 。 2 3 2z i g b e e 物理层服务 z i g b e e 物理层通过射频固件和射频硬件提供了一个从m a c 层到物理层无 线信道的接口。在物理层中，包含一个物理层管理实体( p l m e ) ，该实体通 过调用物理层的管理功能函数，为物理层管理服务提供其接口，同时，还负责 维护由物理层所管理的目标数据库，该数据库包含有物理层个域网络的基本信 息。z i g b e e 物理层的结构及接口如图2 6 所示。 可以看出，在物理层中，存在有数据服务接入点和物理层实体服务接入点， 通过这两个服务接入点提供如下两种服务，分别是：通过物理层数据服务接入 点为物理层数据提供服务以及通过物理层管理实体服务的接入点为物理层管理 提供服务。 1 0 磊一是 饰 蟊 第2 章z i g b e e 技术介绍 图2 6 物理层结构模型 2 3 3 物理层协议数据单元的结构 在物理层协议数据单元( 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( l s b ) 。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 7 所示。 每个p p d u 数据包都由以下几个基本的部分组成： 同步包头s h r ：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p h r ：包含帧长度的信息。 物理层净荷，携带m a c 层的帧信息。 字节 411 可变 前同步码帧定界符帧长度保留物理层数据 ( p r e a t a b l e )( s f d )( 7 b i t )( 1 b i t )( p s d u ) 同步头物理层报头物理层净荷 ( s h r ) ( p h r ) ( p h yp a y l o a d ) 图2 7p p d u 数据包的格式 ( 1 ) 前同步码 收发机根据前同步码引入的消息，可获得码同步和符号同步的信息。在 8 0 2 1 5 4 标准协议中，前同步码由3 2 个二进制数组成。 ( 2 ) 帧长度 第2 章z i g , b e e 技术介绍 帧长度占7 个比特，它的值是p s d u 中包含的字节数。 ( 3 ) 物理层服务数据单元p s d u 物理层服务数据单元的长度是可以变化的，并且该字段能够携带物理层数 据包的数据。如果数据包的长度类型为5 个字节或大于8 个字节，那么，物理 层服务数据单元携带m a c 层的帧信息。 2 3 4 无线通信的通用规范 ( 1 ) 发射功率和接收机最大输入电平 z i g b e e 设备发射机的最小发射功率为一3 d b m ，为了减少对其他设备和系统 的干扰和影响，在保证设备能够正常地工作条件下，每个设备的发射功率应尽 可能的小。 通常接收端的有用信号的最大输入电平就是有用信号的最大功率值，用 d b m w 表示，在i e e e8 0 2 15 4 标准下，要求接收机的最大输入电平应大于等 于一2 0 d b m 。 ( 2 ) 接收机的能量检测 接收机的能量检测作为信道选择算法中的一个重要组成部分，为了对网络 进行连接管理，而提供的一种信道测量。它对在信道带宽内所接收到的信号功 率进行估计，而不需要在信道上对信号进行鉴别和译码。通常能量检测的时间 为8 个符号周期。 ( 3 ) 清除信道评估 在z i g b e e 物理层标准协议中，通过如下3 种方法中的一种方法进行清除信 道评估( c c a ) ： 模式1 ：超出阀值的能量，当c c a 检测到一个超出能量检测的阀值能量时， 给出一个忙的信息。 模式2 ：载波判断，当c c a 检测到一个具有i e e e8 0 2 1 5 4 标准特性的扩 展调制信号时，给出一个忙信号。 模式3 ：带有超出阀值能量的载波判断，当c c a 检测到一个具有i e e e 8 0 2 1 5 4 标准特性，并超出阀值能量的扩展调制信号时，给出一个忙信号。 1 2 第2 章z i g b e e 技术介绍 2 4z i g b e em a c 层 2 4 1m a c 层的服务规范 m a c 层在服务协议汇聚层( s s c s ) 和物理层之间提供了一个接口。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 ) ， 该实体提供一个服务接口，通过此接口可调用m a c 层管理功能。同时，该管 理实体还负责维护m a c 层固有的管理对象数据库。该数据库包含了m a c 层的 个域网信息数据库( p i b ) 信息。图2 8 描述了m a c 层的结构和接口。 m a c 公共部分子层- 服 务按入点( m a c s a p ) 姒c 公共部分子层 m a c 层管理实体服务接 入点( m l m f e s a p ) m a c 层管理实体 i 黧专慧篙务接入 物理层管理实体服务 接入点( p l m e s a p ) 图2 8 姒c 层的参考模型 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 为它提供两种不同的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。 这两种服务为服务协议汇聚层和物理层之间提供一个接口，这个接口通过 物理层中的数据服务接入点( p n s a p ) 和管理实体服务接入点( p l m e s a p ) 来实现的。除了这些外部接口之外，在m a c 层管理实体和公共服务子层之间 还存在一个隐含的接口，m a c 层管理实体通过此接口使用m a c 的数据服务。 2 4 2m a c 层帧结构概述 m a c 层帧结构即m a c 层协议数据单元。每一个m a c 帧包括几个基本部 1 3 第2 章z i g b e e 技术介绍 分： m a c 帧头，包括帧控制、序列号和地址信息。 可变长度的m a c 载荷，不同的帧类型有不同的载荷。确认帧没有载 荷。 m a c 帧尾，包括帧校验序列( f c s ) 。 m a c 层帧结构由m a c 层帧头、m a c 载荷和m a c 层帧尾组成。m a c 层帧头 的子域顺序是固定的，然而，在所有的帧中，可以不包含地址子域，m a c 层帧 结构如图2 9 所示。 字节 21 0 20 2 80 20 2 8可变 2 目的目的源p a n 帧控制序列号p a n 标 地址 标识符源地址 识符 净荷帧校验 地址域 m a c 层报头 图2 9m a c 层帧结构 ( 1 ) 帧控制子域 帧控制子域位长为16 b i t ，包括帧类型的定义、地址子域和其他控制标志。 ( 2 ) 序列号子域 m a c 层帧的序列号子域为8 b i t ，为m a c 层帧唯一的序列标识符。每一个 协调器随机初始化信标序号，并将该信标序号存储在m a c 层p a n 信息库的属 性m a c b s n 中。每一个设备随机初始化数据序列号，并将该数据序列号存储在 m a c 层的p i b 属性m a c d s n 中。设备将属性m a c b s n 的值赋予数据帧或m a c 命令帧的序列号子域。每生成一个帧此子域值依次加1 。 ( 3 ) 目的p a n 标识子域 目的p a n 标识符子域为1 6 b i t 位，描述了接收该帧信息的唯一p a n 的标识 符。p a n 表示符值为0 x f f f f 代表以广播传输方式，这时，对当前侦听该信道 的所有p a n 设备都有效，即在该通信信道上的所有p a n 设备都能接收到该帧 信息。 仅仅只有在帧控制子域的目的地址模式域为非0 时，此域才存在于m a c 层帧中。 1 4 第2 章z i g b e e 技术介绍 ( 4 ) 目的地址子域 目的地址子域为1 6 b i t 位或6 4 b i t 位，其长度由帧控制子域中目的地址模式 子域的值而限定，该地址为接收设备的地址。该地址值为0 x f f f f 时，代表短 的广播地址，此广播地址对所有当前侦听该通信信道的设备均有效。 仅仅只有在帧控制子域的目的地址模式域为非0 时，此域才存在于m a c 层 帧中。 ( 5 ) 源p a n 标识符子域 源p a n 标识符子域为1 6 b i t 位，代表帧发送方的p a n 标识符。该子域仅在 帧控制子域的源地址模式子域为非0 和内部p a n 标记位为o 时，才存在于m a c 层帧中。 ( 6 ) 源地址子域 源地址子域为1 6 b f f 位或者6 4 b i t 位，它的长度由帧控制子域中目的地址模 式子域的值而定，代表帧的发送方的设备地址。 ( 7 ) 帧载荷子域 帧载荷子域长度是可变的，不同的帧类型帧包含有不同的信息，若帧安全 允许子域为1 ，则帧载荷将采用相应的安全加密方案对其进行保护。 ( 8 ) 帧校验序列子域( f c s ) 帧校验序列子域为1 6 b i t 位长，包含1 6 位的i t u tc r c 码。帧校验序列子 域由m a c 层帧头和m a c 层帧的载荷部分计算得到。 2 4 3 超帧结构 超帧结构( s u p e r f r a m es t r u c t u r e ) 在i e e e8 0 2 15 4 中是属于选择使用的部 份。其格式是由网络中的协调器来定义，而超帧结构的大小边界是由网路中的 信标所设定，一个超帧结构包括了1 6 个相同大小的时隙。在网络中的任何设 备要通讯时，会在竞争存取周期( c o n t e n t i o na c c e s sp e r i o d ，c a p ) 采用s l o t t g d c s 呲am e c h a n i s m 去对频道做竞争。 超帧结构还包含了另一部份叫做无竞争周期( c o n t e n t i o nf r e ep e r i o d ，c f p ) ， 在这部份我们叫做保证时隙( g u a r a n t e e dt i m es l o t s ，g t s s ) ，采用预先请求的方 式，让在c f p 中配置到g t s 的设备可以不用竞争就可以直接传送。图2 1 0 为无保证时隙超帧结构。 1 5 苎! 垩! ! 塑壁垫查堑型 图21 0 无6 t s 超帧结构 2 5 z i g b e e 网络层 251 z i g b e e 罔络层概述 z i g b e e 网络层主要功能包括设备连接和断开网络时所采用的机制，以及在 帧信息传输过程中所采用的安全性机制。此外，还包括设各之问的路由发现， 路由维护和转交。并且，网络层完成对一跳邻居设备的发现和相关结点信息的 存储。一个z i g a e e 协调器创建一个新的网络，为新加入的设备分配短地址。 为了向应用层提供接口，网络层提供了两个必须的功能服务实体，它们分 别为数据服务实体和管理服务实体。嗍络层数据实体( n l d e ) 通过网络层数 据实体服务接入点( n l d e - s a p ) 提供数据传输服务，网络层管理实体( n l m e ) 通过网络层管理实体服务接入点( n l m e - s a p ) 提供网络管理服务。网络层管 理实体利用网络层数据实体完成一些网络的管理工作，并且，网络层管理实体 完成对网络信息库的维护和管理。 ( 1 ) 网络层数据实体 网络层数据实体为数据提供服务，在两个或者更多的设备之间传送数据时， 将按照应用协议数据单元( a p d u ) 的格式进行传送，并且这些设备必须在同 一个网络中，即在同一个内部个域网中。 网络层数据实体提供如下服务： 生成网络层协议数据单元( n p d u ) ，网络层数据实体通过增加一个适 当的协议头，从应用支持层协议数据单元中生成网络层的协议数据单 元。 指定拓扑传输路由，网络层数据实体能够发送一个网络层的协议数据 第2 章z i g b e e 技术介绍 单元到一个合适的设备，该设备可能是最终目的的通信设备，也可能 是在通信链路中的一个中间通信设备。 ( 2 ) 网络层管理实体 网络层管理实体提供网络管理服务，允许应用与堆栈相互作用。网络层管 理实体应该提供如下服务： 配置一个新的设备。为保证设备正常工作的需要，设备应具有足够堆 栈，以满足配置的需要。配置选项包括对一个z i g b e e 协调器和连接一 个现有网络设备的初始化操作。 初始化一个网络，使之具有建立一个新网络的能力。 连接和断开网络。具有连接或者断开一个网络的能力，以及为建立一 个z i g b e e 协调器或者z i g b e e 路由器，具有要求设备同网络断开的能 力。 寻址。z i g b e e 协调器和z i g b e e 路由器具有为新加入网络的设备分配地 址的能力。 邻居设备发现。具有发现、记录和汇报有关一跳邻居设备信息的能力。 路由发现。具有发现和记录有效传送信息的网络路由的能力。 接收控制。具有控制设备接收机接收状态的能力，即控制接收机什么 时间接收、接收时问的长短，以保证m a c 层的同步或者正常接收等。 2 5 2 网络层服务协议 图2 1 1 给出了网络层各组成部分和接口。 网络层通过两种服务接入点提供相应的两种服务，它们分别是网络层数据 服务和网络层管理服务。网络层数据服务通过网络层数据实体服务接入点接入， 网络层管理服务通过网络层管理实体服务接入点接入。这两种服务m c p s s a p 和m l m e s a p 接口为m a c 层提供接口。除此之外，通过n l d e s a p 和 n l m e s a p 接口为应用层实体提供接口服务。 1 7 第2 章z i g , b e e 技术介绍 2 5 3 帧格式 图2 1 l 网络层参考模型 网络层帧是一种按指定的顺序排列的序列。网络层帧由下列基本部分组成： 网络层帧报头，包含帧控制、地址和序列信息。 网络层帧的可变长有效载荷，包含帧类型所指定的信息。 网络层帧格式通常由一个网络层报头和一个网络层有效载荷组成。尽管不 是所有的帧都包含地址和序列域，但网络层帧的报头域，还是按照固定的顺序 出现。 通用的网络层帧格式如图2 1 2 所示。 字节 2 2211 可变 帧控制目的地址 源地址广播半径 广播序列号净荷 路由子域 网络层数据头网络层净荷 图2 1 2 通用网络层帧结构 1 8 第2 章z i g b e e 技术介绍 2 6z i g b e e 应用层 应用会聚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、多个业务数据流的会聚、设备发现、业务发现。 应用层由应用支持子层( a p s ) 、z i g b e e 设备对象( z d o ) 及厂商定义的应用 对象。应用支持子层( a p s ) 的作用是维护设备绑定表，它具有根据服务及需求 匹配两设备的能力，且通过边界的设备转发信息。应用支持子层( a p s ) 的另一 作用是设备发现，它能发现在工作范围内操作的其它设备。z d o 的职责是定义 网络内其它设备的角色( 如z i g b e e 协调器或末端设备) 、发起或回应绑定请求、 在网络设备间建立安全机制( 如选择公共密钥、对称密钥等) 等。厂商定义的应 用对象根据z i g b e e 定义的应用描述执行具体的应用。 应用层a p d u 帧格式如图2 1 3 所示。 字节 10 10 10 20 1可变 帧控制目的端点簇标识符协议子集标识符源端点净荷 地址子域 应用层数据头应用层净荷 图2 1 3 应用层a p i ) u 帧格式 2 7z i g b e e 技术抗干扰性能研究 ( 1 ) 2 4 g h z 频带的物理层规范 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。在调制前， 将数据信号进行转换处理，将信息按每4 位信息比特进行处理，每4 位信息比 特组成一个符号数据，根据该符号数据，从1 6 个几乎正交的伪随机序列中，选 取其中一个序列作为传送序列。根据所发送连续的数据信息，将所选出的p n 序列串接起来，并使用o q p s k 的调制方法，将这些集合在一起的序列调制到 1 9 第2 章z i g b e e 技术介绍 载波上。 接收机灵敏度 对于z i g b e e 技术设备，要求任何一个合适的设备都能够达到一8 5 d b m 或更 高的灵敏度。 接收机抗干扰性 接收机最小的抗干扰水平：邻近信道抗干扰电平为0 d b ，交替信道抗干扰 电平为3 0d