（电力电子与电力传动专业论文）基于zigbee的远程无线io模块设计及应用.pdf

西华大学硕士学位论文关键词：z i g b e e 、c c 2 4 3 0 、无线传感器网路、无线i o 模块2西华大学硕士学位论文b a s e do nz i g b e er e m o t ew i r e l e s si om o d u l ed e s i g na n da p p l i c a t i o n一-( a b s t r a c t )m a j o ro fp o w e re l e c t r i ca n dp o w e rd r i v ep o s t g r a d u a t e ：b i n gc h u n - q i ut u t o r ：z h e n gp i n gr e c e n ty e a r s ，a l o n gw i t ht h ef a s td e v e l o p m e n ta n dt h ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o no ft h ec o m p u t e rt e c h n o l o g y , t h en e t w o r kt e c h n o l o g ya n dt h 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 , t h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kh a sb e c o m eap o p u l a ra n da d v a n c e dr e s e a r c hf i e l d t h ez i g b e et e c h n o l o g yi sak i n d o fs h o r t - d i s t a n c ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，b e c a u s eo fi t sl o w - p o w e r , t h en e t w o r kc a p a c i t yb i ga n ds oo n ，s oi ti ss u i t a b l ef o rt h es e n s o rn e t w o r k a tp r e s e n t ，z i g b e ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kt e c h n o l o g ya l r e a d yh a dc e r t a i na p p l i c a t i o n t h i st o p i cb a s e do nt h ec u r r e n tm e a s u r ea n dc o n t r o lt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n tr e q u i r e m e n t ，t a k ei n d u s t r yf i e l dd a t ag a t h e r i n ga sag o a l ，t h r o u g hr e s e a r c h i n go nz i g b e et e c h n o l o g ya n dt h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ka n db e i n ga p p l i e dt om o n o l i t h i ci n t e g r a t e dc i r c u i tc c 2 4 3 0 ( s o c ) c h i pb a s e do nt h ez i g b e et e c h n o l o g yw i r e l e s s ，d e s i g nt h eh a r d w a r ew i r e l e s si om o d u l e ，a n dr e a l i z ea ni n d u s t r yf i l e dr e m o t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l i n gs y s t e mb yi t i n t h i sp a p e ru s e st h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ka p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y , h a sr e a l i z e dt h ew i r e l e s si om o d u l es o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g n ，r e a l i z e st of i e l dd a t ag a t h e r i n g r e s e a r c h i n gt h es t a rn e t w o r kb u i l d i n gw i t hz i g b e et e c h n o l o g yw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，e s p e c i a l l y , t h en e t w o r kb u i l d i n ga n dt h ep r o c e s so fc o m m u n i c a t i o nb e t w e e ne a c hn o d e w i t ht h es t a rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k i n ga n dt h ee m b e d d e dw e bs e r v e rt e c h n o l o g y , r e a l i z e dt h ei n d u s t r yf i e l dr e m o t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l i n gs y s t e m ，c o m p l e t e dt h eh a r d w a r ed e s i g na n dw i r e l e s si om o d u l ef i e l dd a t ag a t h e r i n g ，t h ew i r e l e s st r a n s m i s s i o nb e t w e e nc c 2 4 3 0a n dt h ea r m 7b ys p ip r o g r a md e s i g n ，u s e de a c hn o d et og a t h e r3西华大学硕士学位论文t h ef i e l dd a t aa n dt r a n s m i tt h ed a t at ot h ee t h e m e t ，s i m u l t a n e o u s l yc a nc o n t r o lf i e l dd e v i c et h r o u g ht h ei e f i n a l l y , a l s od e s i g n e dt e s to ft h es y s t e m ，a n dh a st e s t e ds o m ez i g b e et e c h n o l o g yp a r a m e t e r sa n dt h en e t w o r kp a r a m e t e r s ，t h r o u g ht h e s et e s t s ，c o u l dp r o v et h ez i g b e et e c h n o l o g ym i g h tr e a l i z et h el o wp o w e rl o s sw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ka p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：z i g b e e 、c c 2 4 3 0 、w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k 、w i r e l e s si om o d u l e4西华大学硕士学位论文声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师的指导下取得的，论文成果归西华大学所有，特此申明。作者签名：导师签名：c i 5 醋啦匆搿汐g 年多月z 日d 纡阳、日西华大学硕士学位论文1 绪论1 1 课题背景、目的及国内外现状介绍1 1 1 课题的背景和目的传感器技术从原先单一的敏感元件发展到混合集成传感器、智能传感器、无线传感器网络等，不断地在发展、深化和交叉，正朝着无所不在的信息获取技术方向迈进。近年来随着微型制造、电池、传感器、微机电系统、集成电路以及无线通信等技术的飞速发展，促使低成本、低功耗、多功能的微型无线传感器的大规模生产制造成为可能，这些微型无线传感器是集成的光机电一体化系统，同时具有数据采集、无线通信、信息处理及协同工作等功能，共同组成了传感器网络。在很多工业现场应用中，将传感器节点以有线的方式连接起来，主要是利用c a n 总线、r s 4 8 5 总线、p r o f i b u s 等进行组网，以实现工业现场的数据采集与传送，但是在许多比较复杂的场合以及比较危险的场合，比如炼钢时的温度测量、电厂的高压设备内部湿度测量等都是有线传输所不能达到的，如果在远距离、多点采集等的要求下，有线传输就更显得力不从心了，并且造价也是相对比较昂贵。这时，无线传感器网络就显示出极大的优越性，用无线的方式来代替有线，既方便又低成本。无线传感器网络是一个多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域，综合了传感器、嵌入式计算、网络及无线通信、分布式信息处理等技术，有着巨大的科学意义和应用前景，其发展和应用将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响。而一个无线传感器网络的构成和实现，其关键的技术就是无线通信技术。目前，市场上的近距离无线通信技术主要有无线局域网w i f i 、蓝牙、无线u s b 、超宽带通信u w b 和z i g b e e 等。下面对这些技术作一些简要介绍和比较，表l 所示：蓝牙技术发展从1 9 9 9 年起已经历了多个年头，一直受芯片价格高，厂商支西华大学硕士学位论文持力度不够，传输距离限制及抗干扰能力差等问题的困扰。w i f i 在i n t e l 的大力支持下，借迅驰处理器迅速占领市场；采用i e e e 8 0 2 1 1 b标准，使用2 4 g h z 直接序列扩频，最大数据传输速率为l1 m b p s ，并可根据信号强弱把传输率调整为5 5 m b p s 、2 m b p s 和1 m b p s 带宽；采用最新的8 0 2 1 l g时，速率可达5 4 m b p s ，是目前应用最广的无线网络传输协议。借助u s b 在p c 上的广泛应用，无线u s b 也受i n t e l 、h p 、微软等几家p c领域大公司的力推，已于近期制定了无线u s b 规范。使用w i m e d i a 联盟的m b o f d m 超宽带m a c 和p h y 层，通信距离在3 1 0 m ，最高速率在4 8 0 m b p s ，有望短期内在p c 周边设备的无线连接上得到大量应用。u w b 是一种未来短距离宽带无线传输技术。由于未采用通常无线收发中的载波调制技术，因此它不需要混频! 过滤和射频中频转换模块，实现了低成本、低功耗和高带宽性能。目前有两大技术阵营竞争技术标准，预期的通信距离5 1 0 m ，速率甚至可高达1 g b p s ，非常适合于家用消费电子产品之间的大容量数据传输【1 1 。表1 几种无线技术的比较t a b l e1s e v e r a lk i n d so fw i r e l e s st e c h n i c a lc o m p a r i s o n s规范工作频段传输速率数据语音最大功耗用途( m b p s )z i g b e e8 6 8 9 1 5 z、0 0 2 ，0 0 4 ，数据l 一3 m w 家庭网络、2 4 g h z0 2 5传感器网络h o m e l 讧2 4 g h z1 ，2数据1 0 0 i h w家庭无线局域网蓝牙2 4 g h z1 ，2 ，3语音、数据1 1 0 0 r o w个人网络8 0 2 1 l g2 4 g h z5 4数据1 0 0 m w无线局域网1 y w b3 1 一1 0 6 g h z1 0 2 4数据1 1 0 删w l a n上述几种通信技术都有一些明显的缺点，对无线传感器网络的发展有一定的限制：2西华大学硕士学位论文1 ) 通信能力有限：传感器网络中节点的通信带宽窄而且经常变化，通信覆盖范围只有几十到几百米。传感器之间的通信断接频繁，经常导致通信失败。由于传感器网络更多地受到高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的影响，传感器可能会长时间脱离网络，离线工作。2 ) 电源能量有限：传感器的电源能量极其有限。网络中的传感器由于电源能量的原因经常失效或废弃，因此电源能量约束是阻碍传感器网络应用的严重问题。传感器节点消耗能量的模块包括传感器模块、处理器模块和无线通信模块。随着集成电路工艺的进步，处理器和传感器模块的功耗变得很低，绝大部分能量消耗在无线通信模块上。z i g b e e 技术是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，可以弥补上述无线技术的很多缺剧2 j ：低功耗：在低耗电模式下，2 节5 号干电池可支持一个z i g b e e 节点工作6 2 4 个月，甚至更长的时间。这是z i g b e e 最突出的优势。低成本：通过大幅简化协议( 不到蓝牙的1 1 0 ) ，降低了对通信控制器的要求，按预测分析，以8 0 5 l 的8 位微控制器测算，全功能的主节点需要3 2 k b 代码，子功能节点少至4 k b 代码，而且z i g b e e 免协议专利费。短时延：z i g b e e 的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需1 5 m s ，节点连接进入网络只需3 0 m s ，进一步节省了电能。相比较，蓝牙需要3 - 1 0 s ，、矾f i 需要3 s 。高容量：z i g b e e 可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理2 5 4 个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成6 5 0 0 0 个节点的大网。因此，一种基于z i g b e e 技术的无线i o 模块概念的提出对无线传感器网络的发展有了更积极的意义。本文就是设计一种基于z i g b e e 技术的无线i o 模块，以组建一个用于工业现场监控的无线传感器网络。本文设计的无线i o 模块任务是：采集工业现场数据并通过z i g b e e 技术的无线传输方式传送给监控界面，所以设计的无线i o 模块要满足以下要求：做为现场数据的采集模块必需集成模数转换器( a d c ) ；工业现场的采集参数比较多，需要a d c 提供多通道输入；西华大学硕士学位论文无线收发芯片必需满足z i g b e e 技术的硬件要求。经过综合考虑，每个i o 模块设计中选择了一款片上系统的高集成芯片c c 2 4 3 0 做为设计的主芯片，它集成了增强型8 0 5 1 内核、无线收发器( 满足z i g b e e 技术要求) 、多通道可配置的模数转换器。本设计要求对a d c 的配置为选择8 路输入通道、采样精度设置为8 位的数据采集。根据以上要求，设计完成了三块无线i o 模块，能够实现用于监控系统无线传感器网络。1 1 2 国内外研究现状分析【3 】【4 】对无线传感器网络的研究起步于2 0 世纪9 0 年代末期。无线传感器网络作为信息领域的一个全新的方向，已经引起了学术界和工业界的广泛关注。国外的许多大学和研究机构纷纷投入了大量的研发力量从事无线传感器网络软硬件系统的研究工作，最具代表性的是美国加州大学伯克利分校( u c b e r k e l e y ) 和英特尔公司( i n t e l ) 联合成立的“智能尘埃( s m a r td u s t ) ”实验室，它的目标是为美国军方提供能够在一立方毫米的体积内自治地完成感知和通信功能的设备原型系统( a u t o n o m o u ss e n s i n ga n dc o m m u n i c m i o ni nac u b i cm i l l i m e t e r ) ，也就是无线传感器网络节点的研制。这项工作从1 9 9 8 年开始到2 0 0 1 年结束，受到了美国国防预先研究计划局( d a r p a ：t h ed e f e n s ea d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c t sa g e n c y ) 的支持。在随后的几年里，加州大学伯克利分校有多个实验室开始了关于无线传感器网络及其相关的工作，如：n e s t ( n e t w o r ke m b e d d e ds y s t e m st e c h n o l o g y ) 、w e b s ( w i r e l e s se m b e d e ds y s t e m ) 、b a r w a n ( b a ya r e ar e s e a r c hw i r e l e s sa c c e s sn e t w o r k ) 、b w r c ( b e r k e l e yw i r e l e s sr e s e a r c hc e n t e r ) 等实验室，从不同的角度对无线传感器网络进行了大量具有开创性的研究。由于无线传感器网络的巨大应用价值，它已经引起了世界许多国家的学术界、工业界和军事部门的极大关注。从2 0 0 0 年起，国际上开始出现了一些关于传感器网络研究结果的报道，美国自然科学基金委员会年制定了无线传感器网络研究计划，支持相关基础理论的研究。美国英特尔公司在2 0 0 2 年1 0 月2 4 日发布了“基于微型传感网络的新型计算发展规划 该计划将致力于微型传感器网络在预防医学、环境监测、森林灭火乃至海底板块调查、行星探测等领域的应用。美国国防部和各军事部门也对无线传感器网络给予了高度重视，把它列为一个重要4西华大学硕士学位论文的研究领域，设立了一系列的军事传感器网络研究项目【2 5 】【3 0 1 。国内一些科研院所和高校开展了无线传感器网络理论和应用的研究，我国的中科院上海微系统研究所、沈阳自动化所、软件研究所、计算所等科研机构，哈尔滨工业大学、清华大学、浙江大学、北京邮电大学、西北工业大学、天津大学和国防科技大学等院校在国内较早开展了传感器网路的研究。“传感器网络系统的基础软件及数据管理关键技术的研究 已被列为国家自然科学基金委员会信息科学部与微软亚洲研究院正式签署的第二期联合资助项目之一，国家“十五科技攻关项目把传感器网络列为重大研究项目。对传感器网络系统信息获取与处理相关技术的研究，符合国家的整体科技发展计划，对国防科学技术和国家经济建设具有重要的战略意义。z i g b e e 技术是刚刚发展起来的，为了满足低功耗、低成本的无线网络而诞生的，为了推动z i g b e e 技术的发展，c h i p c o n ( 已被t i 收购) 与e m b e r 、f r e e s c a l e 、h o n e y w e l lm i s t u b i s h i 、m o t o r o l a 、p h i l i p s 、s a m s u n g 等公司共同成立了z i g b e e联盟，目前该联盟已经包含1 3 0 多家会员。z i g b e e 联盟成立于2 0 0 1 年8 月。2 0 0 2年下半年，英国i n v e n s y s 公司、日本三菱公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰的飞利浦半导体公司四大巨头公同宣布，他们将加盟“z i g b e e 联盟 ，研发z i g b e e的下一代无线通讯标准。这一事件成为该项技术在发展过程中的里程碑。到目前为止，除了英国i n v e n s y s 公司、日本三菱公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰的飞利浦半导体公司四大巨头公外，该盟大约已有2 5 家成员企业，并在迅速发展壮大，其中涵盖了半导体生产商、口服务提供商、消费类电子厂商和o e m商等。例如h o n e y w e l l 、e a t o n 、i v e n s y sm e t e r i n gs y s t e m s 等工业控制和家用自动化公司，甚至还有像m a r i e 之类的玩具公司。该联盟主席r o b e r tf h a i l e 曾于2 0 0 4 年1 1 月亲自造访中国，以免专利费的方式吸引中国本地企业加入。据市场研究机构预测，低功耗、低成本的z i g b e e 技术将在未来两年内得到快速增长，2 0 0 5 年全球z i g b e e 器件的出货量将达到1 0 0 万个，2 0 0 6 年底将超过8 0 0 0 万个，2 0 0 8 年将超过1 5 亿个。这一预言正在从z i g b e e 联盟及其成员近期的一系列活动和进展中得到验证。在标准林立的短距离无线通信领域，z i g b e e 的快速发展可以说是有些令人始料不及。从2 0 0 4 年底标准确立，到2 0 0 5 年底相关芯片及终端设备总共卖出1 5 0 0 亿美元，应该说比被业界“炒 了多年的蓝牙、w i f i西华人学硕士学位论文技术进展都要快。z i g b e e 技术在z i g b e e 联盟和i e e e 8 0 2 1 5 4 的推动下，结合其他无线技术，可以实现无所不在的网络。它不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域有具有巨大的运用价值，在未来其应用可以涉及到人类日常生活和社会生产活动的所有领域。由于各方面的制约，z i g b e e 技术的大规模商业应用还有待时日，但已经展示出了非凡的应用价值，相信随着相关技术的发展和推进，一定会得到更大的应用。但是，我们还应该清楚的认识到，基于z i g b e e技术的无线网络才刚刚开始发展，它的技术、应用都还还远谈不上，国内企业应该抓住商机，加大投入力度，推动整个行业成熟的发展。其中，z i g b e e 技术很多都是应用于现代无线传感器网络，这两者的结合给了其他技术的无线网络很大的冲击【5 】【7 】【8 】。现在国内很多企业已经有了关于z i g b e e 技术的无线传感器网络应用到工程当中。比如成都现索科技用c h i p c o n 的c c 2 4 3 0 1 芯片为煤矿设计的井下人员定位系统和用于高速路上的监控系统；深圳赫立讯用m c l 3 1 9 2 芯片和m c 9 s 0 8 g t 3 2 为控制芯片研制的无线点餐系统以及基于m c l 31 9 2 和m c 3 3 7 9 4处理器的人体位置探测器等等。所以很多基于z i g b e e 技术的系统已经在国内有了很成熟的应用。北京索通紫蜂通信工程公司研制的隧道施工现场实时监测系统，为了施工安全，提高工作效率，施工现场会安装大量的各种类型的传感器( 如各类应力传感器，位移传感器，环境情况传感器等) ，以便实时的监测，而传统的方法是需要人力定期的采集，这样，数据采集的实时性很差而且采集过于繁琐；随着施工的进行更进一步加大了采集处理的难度。再者，隧道施工中不断有人员或车辆设备进出走动，有必要实时了解隧道中人员车辆数量与位置分布以便调度。1 2 课题研究的内容本课题研究的是基于z i g b e e 技术的无线传感器网络，主要对网络中的传感器节点( 包括m c u 和传感器及无线传输模块) 的进行研究和应用。本文主要研究了以下内容：1 ) 基于c c 2 4 3 0 ( s o c ) 芯片( 包括m c u 、无线收发及传感器) 设计了6西华大学硕士学位论文无线i o 模块的硬件电路，其中包括从节点和主节点模块，并完成了制作了基于z i g b e e 的无线i o 模块的制作；2 ) 设计了星型拓朴结构的z i g b e e 无线通信网络，实现两点之间以及三个模块之间的组网的无线通讯的软件设计：3 ) 借助于嵌入式w e b 服务器，实现了将现场数据通过设计的z i g b e e无线i o 模块和构建的无线传感器网络的星型网络传送到i n t e r n e t 上，并将来自i n t e m e t 的命令信息送达现场。7西华大学硕士学位论文2z i g b e e 技术介绍z i g b e e 一词源自蜜蜂由跳z i g z a g 形状的舞蹈来通知其他蜜蜂有关花粉位置等信息，以达到彼此传达信息的目的。借此意义，z i g b e e 作为新一代无线通讯技术的命名。在此之前，z i g b e e 也被称为 h o m e r fl i t e ”， r f e a s y l i n k ”或“f i r e f l y 无线电技术，目前统称为z i g b e e 。它有自己的无线电标准，在数千各微小的传感器之间相互协调实现通讯。z i g b e e 的基础是i e e e 8 0 2 1 5 4 ，这是i e e e 无线个人区域网( p a n ，p e r s o n a la r e an e t w o r k ) 工作组的一项标准，被称作为i e e e 8 0 2 1 5 4 ( z i g b e e ) 技术标准。z i g b e e 不仅是8 0 2 1 5 4 的名字。i e e e 仅处理m a c 层和物理层协议，所以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 b 或者作为h u b 、路由器的协调器的3 2 k b 。每个协调器可连接多达2 5 5 个节点，而几个协调器可形成一个网络，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，以保证这种便携式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他节点获得。根据i e e e 8 0 2 1 5 4 协议标准，z i g b e e 的工作频段分为3 个频段，这3 个频段相距较大，而且在各频段上的信道数目不同，因而，在该项技术标准中，各频段上的调制方式和传输速率不同。他们分别为8 6 8 m h z 、9 1 5 m h z 和2 4 g h z ，其中2 4 g h z 频段上，分为1 6 个信道，该频段为全球通用的工业、科学、医学频段，该频段为免付费、免申请的无线电频段，在该频段上，数据传输速率为2 5 0 k b p s ；另外两个频段为9 1 5 、8 6 8 m h z ，其相应的信道各数为1 0 个和1 个，传输速率分别为4 0 k b p s 和2 0 k b p s t 5 j 。相对于常见的无线通讯标准，z i g b e e 协议栈紧凑简单，具体实现要求很低，只要8 位处理器再配上4 kr o m 和6 4 kr a m 等，就可以满足其最低要求，从而大大降低了芯片的成本。另外在组网性能上，z i g b e e 设备可以构造多达6 5 0 0 0个无线传输模块组成的无线网络平台，每个网络节点的距离为3 0 - - 7 0 m ，具有能量检测和链路质量指示能力，并且可以自动调解设备的发射功率，在保证传输质量下，最小的消耗设备能量。目前，z i g b e e 芯片的成本在3 美元左右，其目标是降到1 美元以下；并且西华大学硕士学位论文z i g b e e 的芯片体积比较小像f r e e s c a l 公司生产的m c l 3 1 9 2 z i g b e e 收发芯片大小尺寸为5 m m * 5 m m 。还有c h i p c o n 生产的c c 2 4 3 0 ( s o c ) 为7 m m * 7 m m 。随着现代无线技术的发展及半导体集成技术的发展，芯片的体积还会更小，质量更高，成本更低。2 1z i g b e e 协议 6 7 8 】2 1 1i e e e 8 0 2 1 5 4 协议标准8 0 2 1 5 4 包括用于低速无线个人域n ( l r - w p a n ) 的物理层和媒体接入控制层两个规范。它能支持消耗功率最少，一般在个人活动空间( 1 0 m 直径或更小)工作的简单器件。支持两种网络拓扑，即单跳星状或当通信线路超过1 0m 时的多跳对等拓扑。但是对等拓扑的逻辑结构由网络层定义。l r w p a n 中的器件既可以使用6 4 位i e e e 地址，也可以使用在关联过程中指配的1 6 位短地址。一个8 0 2 1 5 4 网可以容纳最多2 1 6 个器件。下面分别介绍8 0 2 1 5 4 的主要特点。1 ) 工作频段和数据速率8 0 2 1 5 4 工作在工业科学医疗( i s m ) 频段，它定义了两个物理层，即2 4g h z频段和8 6 8 9 1 5m h z 频段物理层。免许可证的2 4g h zi s m 频段全世界都有，而8 6 8m h z 和9 1 5m h z 的i s m 频段分别只在欧洲和北美有。在8 0 2 1 5 4 中，总共分配了2 7 个具有三种速率的信道：在2 4g h z 频段有1 6 个速率为2 5 0k b i t s ( 或6 2 5k s y m b o l s ) 的信道，在9 1 5m h z 频段有l o 个4 0k b i t s ( 或4 0k s y m b o l s ) 的信道，在8 6 8m h z 频段有1 个2 0k b i t s ( 或2 0k s y m b o l s ) 的信道。i s m 频段全球都有的特点不仅免除了8 0 2 1 5 4 器件的频率许可要求，而且还给许多公司提供了开发可以工作在世界任何地方的标准化产品的难得机会。这将减少投资者的风险，与专门解决方案相比可以明显降低产品成本。在保持简单性的同时，8 0 2 1 5 4 还试图提供设计上的灵活性。一个8 0 2 1 5 4 网可以根据可用性、拥挤状况和数据速率在2 7 个信道中选择一个工作信道。从能量和成本效率来看，不同的数据速率能为不同的应用提供较好的选择。例如，对于有些计算机外围设备与互动式玩具，可能需要2 5 0 k b i t s ，而对于其他许多应用，如各种传感器、智能标记和家用电器等，2 0 k b i t s 这样的低速率就能满足要求。9西华大学硕士学位论文2 ) 支持简单器件8 0 2 15 4 低速率、低功耗和短距离传输的特点使它非常适宜支持简单器件。在8 0 2 1 5 4 中定义了1 4 个物理层基本参数和3 5 个媒体接入控制层基本参数，总共为4 9 个，仅为蓝牙的三分之一。这使它非常适用于存储能力和计算能力有限的简单器件。在8 0 2 1 5 4 中定义了两种器件：全功能器件( f f d ) 和简化功能器件( r f d ) 。对全功能器件，要求它支持所有的4 9 个基本参数。而对简化功能器件，在最小配置时只要求它支持3 8 个基本参数。一个全功能器件可以与简化功能器件和其他全功能器件通话，可以按三种方式工作，即用作个人域网协调器、协调器或器件。而简化功能器件只能与全功能器件通话，仅用于非常简单的应用。3 ) 信标方式和超帧结构8 0 2 1 5 4 网可以工作于信标使能方式或非信标使能方式。在信标使能方式中，协调器定期广播信标，以达到相关器件同步及其他目的。在非信标使能方式中，协调器不定期地广播信标，而是在器件请求信标时向它单播信标。在信标使能方式中使用超帧结构，超帧结构的格式由协调器来定义，一般包括工作部分和任选的不工作部分。4 ) 数据传输和低功耗在8 0 2 1 5 4 中，有三种不同的数据转移：从器件到协调器；从协调器到器件；在对等网络中从一方到另一方。为了突出低功耗的特点，把数据传输分为以下三种方式：直接数据传输：这适用于以上所有三种数据转移。采用无槽载波检测多址与碰撞避免( c s m a c a ) 或开槽c s m a c a 的数据传输方法，视使用非信标使能方式还是信标使能方式而定。间接数据传输：这仅适用于从协调器到器件的数据转移。在这种方式中，数据帧由协调器保存在事务处理列表中，等待相应的器件来提取。通过检查来自协调器的信标帧，器件就能发现在事务处理列表中是否挂有一个属于它的数据分组。有时，在非信标使能方式中也可能发生间接数据传输。在数据提取过程中也使用无槽c s m c a 或开槽c s m a - c a 。有保证时隙( g t s ) 数据传输：这仅适用于器件与其协调器之间的数据转1 0西华大学硕士学位论文移，既可以从器件到协调器，也可以从协调器到器件。在g t s 数据传输中不需要c s m a c a 。低功耗是8 0 2 1 5 4 最重要的特点。因为对电池供电的简单器件而言，更换电池的花费往往比器件本身的成本还要高。在有些应用中，更换电池不仅麻烦，而且实际上是不可行的，例如嵌在汽车轮胎中的气压传感器或高密度布设的大规模传感器网。所以在8 0 2 1 5 4 的数据传输过程中引入了几种延长器件电池寿命或节省功率的机制。多数机制是基于信标使能的方式，主要是限制器件或协调器之收发信机的开通时间，或者在无数据传输时使它们处于休眠状态。5 ) 安全性安全性是8 0 2 1 5 4 的另一个重要问题。为了提供灵活性和支持简单器件，8 0 2 1 5 4 在数据传输中提供了三级安全性。第一级实际是无安全性方式，对于某种应用，如果安全性并不重要或者上层已经提供足够的安全保护，器件就可以选择这种方式来转移数据。对于第二级安全性，器件可以使用接入控制清单( a c l ) 来防止非法器件获取数据，在这一级不采取加密措施。第三级安全性在数据转移中采用属于高级加密标准( a e s ) 的对称密码。a e s 可以用来保护数据净荷和防止攻击者冒充合法器件，但它不能防止攻击者在通信双方交换密钥时通过窃听来截取对称密钥。为了防止这种攻击，可以采用公钥加密。6 ) 自配置8 0 2 1 5 4 在媒体接入控制层中加入了关联和分离功能，以达到支持自配置的目的。自配置不仅能自动建立起一个星状网，而且还允许创建自配置的对等网。在关联过程中可以实现各种配置，例如为个人域网选择信道和识别符( i d ) ，为器件指配1 6 位短地址，设定电池寿命延长选项等。大多数i e e e 8 0 2 无线工作组的工作目标是追求高速率传输、低延迟等待、完善的q o s ，而i e e e 8 0 2 1 5 4 任务组却将目标放在低数据传输速率上，从而对无线网络的功率消耗和价格要求非常低。该标准正在寻找工业市场和家用市场：在工业市场，希望能以易于安装的优势，打开销路，实现增值。在家用市场，希望能以低价位的优势，赢得消费者的亲睐。西华大学硕士学位论文2 1 2z i g b e e 协议构架【6 】【7 】z i g b e e 协议栈由一组子层构成的，每层为其上层提供一组特定的服务：一个数据实体提供数据传输服务，一个管理实体提供全部其他服务。每个服务实体通过一个服务接入点( s a p ) 为其上层提供服务接口，并且每个s a p 提供了一系列的基本服务指令来实现相应的功能。z i g b e e 协议栈的体系结构如表2 所示。它虽然基于标准的七层开放式系统互联( o s i ) 模式，但仅对那些设计z i g b e e 的层予以定义。i e e e 8 0 2 1 5 4 - - 2 0 0 3标准定义了最下面的两层：物理层( p h y ) 和介质接入控制子层( m a c ) 。z i g b e e联盟提供了网络层和应用层( a p l ) 框架的设计，其中应用层的框架包括了应用支持子层( a p s ) 、z i g b e e 设备对象( z d o ) 和由制造商制定的应用对象。表2 z i g b e e 协议构架t a b l e 2z i g b e ep r o t o c o lf r a m ez i g b e e 应用层z i g b e e 网络层m e e 8 0 2 1 5 4m a ci e e e 8 0 2 1 5 48 6 8 9 1 5 m h zp h yi e e e 8 0 2 15 42 4 g h zp h y物理层就是使用简单的直接序列扩频( d s s s ) 方法，每个p p d u 数据传输位被最大长为1 5 的c h i p ( 伪噪声码片) 序列所扩展，然后使用二进制相移键控技术调制这个扩展的位元序列。不同的数据传输率使用于不同的场合。例如，8 6 8 9 1 5 m h z 频段物理层的低速率换取了较好的灵敏度和较大的覆盖面积，从而减少了覆盖给定物理区域所需的节点数，2 4 g h z 频段物理层的较高速率使用于较高的数据吞吐量、低延时或低作业周期的场合。2 4 g h z 波段为全球统一、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。这个频段被划分为1 6 个信道，信道间隔为5 m h z 。2 4 g h z的物理层通过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量，更加省电。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，工作西华大学硕士学位论文在这两个频段上的z i g b e e 设备避开了2 4 g h z 频段中其他无线通讯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 ，这个频段被划分为1 个信道。9 1 5 m h z 频段被划分为1 6 个信道，信道间隔为2 m h z 。其上的传输速率为4 0 k b s 。由于这两个频段上的无线信号的传播损耗和所受到的无线电干扰均较小，所以可以降低对接收机灵敏度的要求，获得较大的有效通讯距离，从而使用较少的设备即可覆盖整个区域。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，在物理层中存在数据服务接入点和物理层管理实体服务接入点。它们分别为物理层数据和物理层管理提供服务。表3 给出了物理层数据包的格式。z i g b e e 物理层数据包由同步包头、物理层包头和物理层净荷3 部分组成。同步包头由前同步码( 前导码) 和数据包( 帧)定界符组成，用于获取符号同步、扩频码同步和帧同步，也有助于粗略的频率调整；物理层包头指示净荷部分的长度；物理层净荷部分含有m a c 层数据包，净荷部分的最大长度是1 2 7 字节。如果数据包的长度类型为5 字节或大于8 字节，那么物理层服务数据单元( p s d u ) 携带m a c 层的帧信息，即m a c 层协议数据单元。表3 物理层数据包格式t a b l e3p h yd a t ap a c k e tf o r m4 字节1 字节1 字节变量前同步码帧定界符帧长度( 7 位)予留位( 1 位)p s d u同步包头物理层包头物理层净荷在i e e e8 0 2 系列标准中，o s i 参考模型的数据链路层进一步划分为m a c和l l c 两个子层。m a c 子层使用物理层提供的服务实现设备之间的数据帧传输，而l l c 在m a c 子层的基础上，在设备间提供面向连接和非连接的服务。m a c 层提供两种服务：m a c 层数据服务和m a c 层管理服务。管理服务通过m a c 层管理实体( m l m e ) 服务接入点( s a p ) 访问高层，m a c 层数据服务使m a c 层协议数据单元( m p d u ) i 拘收发可以通过物理层的数据服务。m a c层的特征有信标管理、信道接入机制、保证时限( g t s ) 管理、帧确认、确认帧传输、节点接入和分离。两华大学硕士学位论文m a c 子层主要功能包括下面六个方面：协调器产生并发送信标帧，普通设备根据协调器的信标帧与协议器同步；支持p a n 网络的关联( a s s o c i a t i o n ) 和取消关联( d i s a s s o c i a t i o n ) 操作；支持无线信道通信安全：使用c s m a c a 机制访问信道；支持时槽保障( g u a r a n t e e dt i m es l o t ，g t s ) 机制；支持不同设备的m a c 层间可靠传输。在m a c 层数据传输中，数据包是由m a c 子层帧头( m h r ) 、m a c 子层载荷和m a c 子层帧尾( m f r ) 组成。m a c 子层帧头由2 字节的帧控制域、一字节的帧序号域和最多2 0 字节的地址域组成。帧控制域指明了m a c 帧的类型、地址域的格式以及是否需要接收方确认等控制信息；帧序号域包含了发送方对帧的顺序编号，由于匹配确认帧，实现m a c 子层的可靠传输；地址域采用的寻址方式可以是6 4 位的i e e em a c 地址或者8 位的z i g b e e 网络地址。表4 给出了m a c 层数据包格式。表4 给出了m a c 层数据包格式t a b l e4m a cl a y e rd a t ap a c k e tf o r m2 字节1 字节o 2 8 字节0 2 字节0 2 8 字节0 2 字节可变2 字巾帧控制序列号目的p a n 标目的地址源p a n 标识源地址帧载f c s识符符荷m h r ( m a c 层帧头)m a cm f r载荷m a c 子层载荷，其长度可变，不同的帧类型包含不同的信息，但整个m a c帧的长度应该小于1 2 7 字节，其内容取决于帧类型。i e e e 8 0 2 1 5 4 的m a c 子层定义了4 种帧类型：广播帧、数据帧、确认帧和m a c 命令帧。只有广播帧和数据帧包含了高层的控制命令或数据，确认帧和m a c 命令帧则用于z i g b e e 设备间与m a c 子层功能实体间控制信息的收发。m a c 子层帧尾含有采用1 6 位c r c 算法计算出来的帧校验序列，用于接收1 4西华大学硕士学位论文方判断该数据包是否正确，从而决定是否采用a r q 进行查错恢