（物理电子学专业论文）基于zigbee技术的无线数据采集系统设计.pdf

摘要摘要近年来，随着无线网络、传感器技术的发展，精准农业已成为人们关注的热点。传感器和z i g b e e 技术的应用，解决了我国现阶段在精准农业信息资源准确实时获取方面功耗高、时延长、安全性无保障等难题，使农业生产实现自动化、网络化、智能化。本文针对精准农业的发展需要，提出并设计了一种基于z i g b e e 技术的无线数据采集系统。该系统分为固定采集端和手持接收端两部分，其核心都是采用了无线射频模块c c 2 5 0 0 和微处理器m s p 4 3 0 ，两者通过s p i 接口相连。固定采集端完成对温度、湿度、照度等环境参数的测量、处理、存储以及待发送。手持接收端则完成对固定采集端数据的收集和存储。两者之间的数据传输基于z i g b e e 无线通信技术。最后，接收端把收集到的数据传输给p c 机进行相关处理，从而得出科学合理的农业生产作业方案。关键词：精准农业，z i g b e e ，c c 2 5 0 0 ，m s p 4 3 0a b s t r a c ta b s t r a c ta st h ed e v e l o p m e n to ft h ew i r e l e s sn e t w o r k sa n ds e n s o rt e c h n o l o g y , p r e c i s i o na g r i c u l t u r eh a sb e c o m et h ef o c u so fa t t e n t i o n t h ea p p l i c a t i o no fs e n s o r sa n dz i g b e et e c h n o l o g yh a ss o l v e dt h ep r e c i s i o na g r i c u l t u r e sp r o b l e m so fh i g h e rp o w e rc o n s u m p t i o n , t i m ed e l a y , a n di n s e c u r i t yi na c q u i r i n ga g r i c u l t u r ei n f o r m a t i o nr e s o u r c e sp r e c i s e l ya n di nr e a lt i m ei no u rc o u n t r ya tt h i ss t a g e ，a n dh a sm a d et h ea g r i c u l t u r ei n d u s t r ya u t o m a t i o n , n e t w o r k i n g ，a n di n t e l l i g e n t i nt h i sp a p e r , ak i n do fw i r e l e s sd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mw h i c hi sb a s e do nz i g b e et e c h n i q u ei sp u tf o r w a r da n dd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h en e e do ft h ep r e c i s i o na g r i c u l t u r ed e v e l o p m e n t af i x e dc o l l e c t i o nt e r m i n a la n dah a n d h e l dr e c e i v e rc o n s i s ti nt h es y s t e m ，b o t ho fw h i c ha d o p taw i r e l e s sr fm o d u l ec c 2 5 0 0a n dam i c r o p r o c e s s o rm s p 4 3 0a n da l ec o n n e c t e dt oe a c ho t h e rt h r o u g ht h es p ii n t e r f a c e t h ef i x e dc o l l e c t i o nt e r m i n a lt a k e sc h a r g eo ft h em e a s u r e m e n t ，p r o c e s s i n g ，s t o r a g ea n ds e n d i n go ft h ee n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e r ss u c ha st e m p e r a t u r e ，h u m i d i t y , i l l u m i n a t i o na n ds oo n , a sw e l la st h eh a n d h e l dr e c e i v e ri st oc o l l e c ta n ds t o r et h ed a t af r o mt h ef i x e dc o l l e c t i o nt e r m i n a l d a t at r a n s f e rb e t w e e nt h ea b o v et w oi sb a s e do nz 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 f i n a l l y , t h ec o l l e c t e dd a t ai st r a n s f e r r e dt ot h ep e r s o n a lc o m p u t e rt op r o c e s s ，a n dt h e nas c i e n t i f i ca n dr a t i o n a lo p e r a t i o np r o g r a mo fa g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o nw i l lb eg o t k e y w o r d s ：p r e c i s i o na g r i c u l t u r e ，z i g b e e ，c c 2 5 0 0 ，m s p 4 3 0西安电子科技大学学位论文创新性声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技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做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。本人签名：；坎奉蓝西安电子科技大学关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关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西安电子科技大学。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西安电子科技大学。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。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。本人签名：导师签名：泼日期堡! ! 三：至：2日期型里：! ：皇厘凰第一章绪论第一章绪论1 1 研究背景和意义随着传感器技术、嵌入式技术以及低功耗的无线通信技术的发展，生产具备感应、无线通信以及信息处理能力的微型无线传感器已成为可能。这些廉价的、低功耗的传感器节点共同组成无线传感器网络，通过节点间的相互协作，将其监测和感应的多种环境信息( 如温度、湿度等) 收集起来，实现网络数据收集功能1 1 j 。无线传感器网络能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，极大的扩展了人们获取信息的能力，具有十分广阔的应用前景1 2 1 。无线传感器网络的目的就是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并发布给观察者p 1 。数据收集是无线传感器网络的主要研究课题之一，利用无线传感器网络进行数据收集可以应用到许多领域，为我们更好的获取信息提供了良好的基础【4 j 。其中一个重要的应用就是对精准农业( p r e c i s i o n a g r i c u l t u r e ) 的环境信息的监测与采集。精准农业是基于信息和知识管理复杂农业系统的集成技术体系。这一技术体系思想应用于作物生产，可称之为“信息时代的现代农田精耕细作技术 1 5 j 。它首先要求尽可能应用先进的信息采集手段来快速、实时、较低成本地获取农田作物产量、品质等差异性信息和影响作物生产的各种客观数据，从大量数据中提取有助于制定农作管理科学决策的信息，能有效地运用农作管理的科学知识信息分析客观信息，制定农业生产的科学管理决策，最后通过各种智能农作机械或人工控制等措施来达到作物生产预期的技术经济目标。精准农业的实现首先在于对农田信息的实时采集，获得农作物生长环境的参数，如温度、湿度、光照度、土壤含水量、土壤肥力( n 、p 、k 含量) 、土壤p h 值等等。对采集到的数据进行分析处理，从而制定科学而有针对性的方案，使农业获得与传统农业相比的低投入高收益。其中，采集数据必须依赖各种类型的传感器。但是，如何将这些传感器采集的信息及时准确地收集，为农业专家提供决策并制定出农田变量作业处方的主要数据源和参数，一直是一个难题1 6 。无线通信技术以及传感器技术的快速发展为快速、连续、远程采集设施农业环境信息提供了可能【_ 。无线传感器网络是由大量无处不在的，具有无线通信与计算能力的微小传感器节点密集布设在无人值守的监控区域从而构成能够根据环境自主完成指定任务的“智能 自治测控网络系统，满足无线数据采集和监控的要求【8 】。每一个传感器节点由数据采集模块( 传感器、a d 转换器) 、数据处理和控制模块( 微处理器、存2基于z i g b e e 技术的无线数据采集系统设计储器) 、通信模块( 无线收发器) 和供电模块( 电池、能量转换器) 等组成1 9 j 。具备一定的数据采集、处理和无线通信的功能。虽然每个节点的资源和能力都非常有限，但通过节点间的有效合作，整个网络能够独立完成大范围、多信号的准确检测，并及时可靠地回送采集信息。无线传感器网络是新兴的传感器网络。最早的代表性论述出现在1 9 9 9 年，题为“传感器走向无线时代 。随后在美国的移动计算和网络国际会议上，提出了无线传感器网络是下一个世纪面临的发展机遇 1 0 , 1 1 】。无线传感器网络将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起，改变人类与自然界的交互方式。人们可以通过无线传感器网络直接感知客观世界，从而极大的扩展现有网络的功能和人类认识世界的能力。美国商业周刊和m i t 技术评论在预测未来技术发展的报告中，分别将无线传感器网络列为2 l 世纪最有影响的2 1 项技术和改变世界的1 0 大技术之一【1 2 】。随着无线传感器网络的深入研究和广泛应用，传感器网络将逐渐深入到人类生活的各个领域，成为人类生活必不可少的一部分【l3 。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、低成本的无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案，主要用于近距离无线连接【1 4 】。它的应用领域包括工业控制、环境监测、商业监控、楼宇自动化、农业自动化、汽车自动化等。该技术由英国i n v e n s y s 公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦等公司在2 0 0 2 年共同宣布组成的z i g b e e技术联盟共同研究开发。世界上各大公司和组织普遍看好z i g b e e 技术及其巨大的市场价值，使得该技术联盟不断地发展和壮大，成为多家芯片制造商、软件开发商、系统集成商等公司和标准化组织组成的技术组织i l5 。可以预计，z i g b e e 将会在监控和自动化等领域上具有广阔的发展前景。目前在我国国内的农业领域还没有应用至u z i g b e e 技术。传统农业主要使用孤立的、没有通信能力的机械设备和传感设备，主要依靠人力监测作物的生长状况。采用了传感器和z i g b e e 网络相结合以后，农业将可以逐渐地转向以信息和软件为中心的生产模式，使用更多的自动化、网络化、智能化和远程控制的设备来耕种。传感器采集农田的环境信息，并通过z i g b e e 网络收集起来，供农民决策和参考，这样农民能够及早而且准确地发现问题，从而有助于保持并提高农作物的产量【。对于农业设施的环境参数，所要采集的数据量不会很大，从而其传输的数据量也不大；由于在野外，电源供应很不方便，只能电池供电；而且面向的对象是各种农业设施，其数据的传输距离也不会很远。它的这些特点非常适于z i g b e e 技术，符合z i g b e e 技术的低速率、低功耗、近距离等特点。把传感器和z i g b e e 技术结合使用，应用于农业生产中，采用合适的组网方式，对于农业生产具有极其重要的意义。本文所设计的无线数据采集系统主要应用于温室大棚的农业生产中。以各种第一章绪论3传感器、z i g b e e 模块、低功耗单片机为基础设计的无线数据采集系统，采集得到各种环境变量信息，用于制定各种科学的农业决策，可以大大提高农业生产效率，降低生产成本，实现农业生产的科学化、定量化、高效化。为了实现这一目标，需要开发一个低成本的系统；此系统对于数据的采集、传输必须可靠、准确；并且系统要求操作简便，用户能够对采集到的数据随时存取。通过建立无线数据采集系统，对于及时准确地掌握温室大棚里农作物的生长环境、生长情况，进行农业操作，提高生产效益具有十分重要的意义。1 2 国内外发展现状对无线传感器网络的研究起步于2 0 世纪9 0 年代末期。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2 0 0 3 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，把它列为一个重要的研究领域，设立了一系列的军事传感器网络研究项目n 。目前比较系统地利用无线传感器网络的实例是2 0 0 2 年i n t e l 实验室和大西洋学院联合进行的大鸭岛环境监测项目引。大鸭岛是一个对外来监控设备十分敏感的生态环境。i n t e l 实验室和大西洋学院在大鸭岛上部署了传感器网络并进行了9 个月左右的监控，得到了大量第一手数据。这些传感器由温度、湿度、气压等芯片和红外线传感器组成。科学家们使用这些设备可以在不干扰野生动植物正常生活的情况下监视它们及其生存环境。实验表明传感器网络在这样的应用环境中有非常明显的优势。生态环境监测是无线传感器网络在应用上的一个方面，也是一个跨学科的课题。传感器网络为实现更加准确、数据量更大、对环境影响更小的生态检测提供一个全新的手段。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、电子所、自动化所和合肥智能技术研究所等科研机构，哈尔滨工业大学、清华大学、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络的研究，2 0 0 4 年起有更多的院校和科研机构加入到该领域的研究工作中来i l w 。从总体来讲，国内关于传感器网络的研究还处于刚刚起步的阶段，但是由于传感器网络是一门新兴技术，国内与国际水平的差距并不很大，及时开展这项对人类未来生活影响深远的前沿科技的研究，对整个国家的社会、经济将有4基于z i g b e e 技术的无线数据采集系统设计重大的战略意义【2 0 1 。1 3 论文主要内容及结构本文是结合实验室的项目而完成的，该项目要研发一种农业监测系统，采集农业设施的环境参数。系统采用低功耗，低成本的较近距离无线射频模块和微控制器。并且将系统分为两部分，固定采集端和手持接收端。固定采集端可以灵活安置在不同农业设施之中，负责对农业设施环境参数如温度、湿度、光照度的采集和存储。而手持接收端则由农业管理者持有，分别到各个农业设施之中完成数据的接收和存储。然后，收集到的数据传输到p c 机，最后就可以用相关软件处理和分析采集来的数据，提出更加科学合理的农业管理方案，最终达到节省人力、提高效益，达到农业信息化、自动化的目的。系统基于z i g b e e 技术，采用星型网络拓扑结构，手持端是z i g b e e 协调器，采集端是终端设备。本文的结构如下：第一章是论文的绪论，介绍了论文所涉及的领域及发展现状。第二章主要介绍了z i g b e e 技术的特点及其相关协议，包括物理层、m a c 层和网络层。其中对z i g b e e 技术的网络拓扑结构进行了详细的说明。第三章是本文的重点，详细介绍了系统的硬件设计以及系统各部分硬件电路的构成原理、无线射频模块和微处理器的选型和特点，以及两者的连接方式等。第四章介绍了系统软件的设计思想以及软件的设计流程。第五章对系统进行了实验测试，通过对结果分析，改进了系统。第六章对本文进行了总结，提出了展望。第二章z i g b e e 技术特点及其相关协议第二章z i g b e e 技术特点及其相关协议5近十几年来，随着半导体技术和无线通讯技术的不断发展，陆续出现了各种新的短距离无线通讯技术，无线技术逐步取代有线技术。很多短距离的无线通讯技术已经很成熟，并得到了广泛的应用，如红外( k d a ) 技术、蓝牙( b l u e t o o t h )技术、数字增强无绳电话( d e c t ) 技术、家庭无线电射频( h o m e r f ) 技术等。2 1z i g b e e 概述z i g b e e 是一种应用于短距离范围内、低数据传输速率下的各种电子设备之间的双向无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，当蜜蜂发现新食物源的时候，通过跳“z 形状的舞蹈来通知食物源的位置、距离和方向等信息。蜜蜂自身体积小，所需要的能量小，又能传送食物信息，故人们以此形象地作为该无线通信技术的名称。其特点是近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备，是为了满足小型廉价设备的无线联网和控制而制定的【2 j j 。有别于g s m 、g p r s 等广域无线通信技术，也不同于i e e e8 0 2 1 l a 、i e e e8 0 2 1 l b 等无线局域网技术，z i g b e e 属于个人区域网( p a n ：p e r s o n a la r e an e t w o r k )的范畴，它的有效通信距离在几米到几十米之间。i e e e8 0 2 委员会制定了三种无线p a n 技术：适合多媒体应用的高速标准i e e e8 0 2 1 5 3 ；基于蓝牙技术，适合话音和中等速率数据通信的i e e e8 0 21 5 1 ；适合无线控制和自动化应用的较低速率的i e e e8 0 2 15 4 ，也就是z i g b e e 技术。z i g b e e 技术的主要优点有瞄】：省电：z i g b e e 网络节点设备工作周期较短、收发信息功率低，并且采用了休眠模式( 当不传送数据时处于休眠状态，当需要接收数据时由z i g b e e 网络中称作“协调器 的设备负责唤醒它们) ，所以z i g b e e 技术特别省电，避免了频繁的更换电池或充电，从而减轻了网络维护的负担。可靠：由于采用了碰撞避免机制并为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突，而且m a c 层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息，因此从根本上保证了数据传输的可靠性。廉价：由于z i g b e e 协议栈设计简练，因此它的研发和生产成本相对较低，普通网络节点硬件上只需8 位微处理器( 例如，8 0 c 5 1 ) ，最小4 k b y t e 、最大3 2 k b y t e6基于z i g b e e 技术的无线数据采集系统设计的r o m ，软件实现上也较简单。并且z i g b e e 协议是免专利费的。时延短：z i g b e e 针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。设备搜索时延典型值为3 0 m s ，休眠激活时延典型值为1 5 m s ，活动设备信道接入时延为1 5 m s 。可见，z i g b e e 的各项时延指标都非常短。网络容量大：1 个z i g b e e 网络最多可以容纳2 5 4 个从设备和1 个主设备，1个区域内最多可以同时存在1 0 0 个z i g b e e 网络。安全：z i g b e e 技术提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用a e s 1 2 8 ，并且各应用可以灵活地确定其安全属性，使网络安全能够得到有效的保障。2 2 1 红外技术2 2 几种无线通信方式的比较1 9 9 3 年，由二十多个大厂商发起成立了红外数据协会( i r d a ) ，统一了红外通讯的标准，这就是目前被广泛使用的i r d a 红外数据通讯协议及规范。红外技术支持点对点的工作模式，传输信号时，要求设备之间必须是无障碍的直线信道。红外技术通信距离最长为3 m ，接收角度为3 0 。i r d a l 0 可支持最高1 1 5 2 k b p s 的通信速率，而i r d a l 1 可以支持的通信速率达到4 m b p s 。该技术工作原理简单、功耗小、成本低，主要用于电脑、手机、打印机等多种可移动的电子设备。但是由于其传输距离小、传输方向强、要求通信设备的位置固定、无法灵活组网等缺点，在应用方面受到了很大的限制口3 1 。2 2 2 蓝牙技术蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术是一种支持点对点或点对多点的话音、数据业务的短距离无线通信技术。蓝牙技术工作在2 4 g h z 的i s m ( i n d u s t r ys c i e n c em e d i c a l ) 频段上，速度可以达到1 m b p s 。蓝牙通信距离比较短，一般只在1 0 m 以内。蓝牙技术是一项即时技术，它不要求固定的基础设施，易于安装和设置。蓝牙技术主要支持短距离的语音业务和高数据量的业务，如移动电话、p d a 联网、无线耳机等。2 2 3w i f i 技术w i - f i ( w i r e l e s sf i d e l i t y ，无线高保真) 与蓝牙一样，都是短距离的无线通信技术，它也是工作在2 4 g h z 的i s m 频段上。w i f i 技术的速度比较高，最高能达到1 1 m b p s ，而且电波的覆盖范围也比蓝牙要大，可达5 0 m 左右。w i f i 技术适合移动办公用户的应用，具有广阔市场前景。但是w i f i 装置很耗能，电池寿命只有数个小时，这就要求w i f i 装置要进行常规充电，使得w i f i 的应用和推广受到了第二章z i g b e e 技术特点及其相关协议限制。2 2 4 移动通信技术7移动通信技术工作在0 8 1 g h z 的频段上，这是一个收费频段。移动通信技术的传输速度比较低，只有3 8 4 k b p s ，适合于语音业务。移动通信的通信距离可达几公里，依靠现有的网络覆盖，其通信距离还可以尽可能地延长。但是移动通信技术的高成本、低速率限制了它某些场合的应用。与其他几种无线通信技术相比，z i g b e e 具有近距离、低速率、低功耗、低成本、支持网络节点多等特点，可以广泛地应用于环境监测、农业自动化、工业控制等。一般来说，只要满足以下一点或者多点，就可以考虑z i g b e e 技术l z 4 j ：需要无线通信交换信息的装置；传输距离较短、传输的数据量较小、传输的速率要求不高；设备没有充足的电力支持，只能使用电池供电，且要维持较长的时间；设备要求的成本较低，尽可能地降低成本；需要多个设备组成无线网络，主要是进行监测和控制的场合。z i g b e e 、红外、蓝牙、w i f i 、移动通信的技术特性比较如表2 1 所示。表2 1 几种无线通信技术的特性比较；矿譬z i g b e e红外蓝牙w i f i移动通信单点覆盖距离5 0 3 0 0 m3 m1 0 m5 0 m几公里依赖现有的网络扩展性自动扩展无无无网络覆盖电池寿命数年数天数天数小时数天复杂性简单一般复杂非常复杂复杂峰值速率2 5 0 k b p s4 m b p s1 m b p sl l l m h z3 8 4 k b p s8 6 8 9l5 m h z 、传输媒介红外线2 4 g h z2 4 g h z0 8 - 1g h z2 4 g h z联网所需时间3 0 m s数秒1 0 s3 s数秒终端设备费用低低低局较高有无网络使用费无无无无有安装使用难易非常简单简单一般难一般2 3z i g b e e 协议结构在z i g b e e 技术中，其体系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。z i g b e e 协议结构主要由物理( 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【2 5 1 。其各层之间的分布如图2 1 所示。8基于z i g b e e 技术的无线数据采集系统设计z i g b e e 协议图2 1z i g b e e 协议结构从图中可以看出，z i g b e e 的协议层比较简单。其中物理层和m a c 层采用i e e e8 0 2 1 5 4 协议标准，在此基础上，z i g b e e 定义了网络安全层以及应用框架层。2 3 1 物理层i e e e8 0 2 15 4 定义了2 4 g h z 和8 6 8 9 15 m h z 两个物理层标准。它们基于直接序列扩频( 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 ，d s s s ) 技术，两者的区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率【26 。( 1 ) 工作频率及调制方式2 4 g h z 频段为全球统一的免执照的i s m 频段，有助于z i g b e e 技术的推广和生产成本的降低。9 1 5 m h z 是美国的i s m 频段，8 6 8 m h z 是欧洲的i s m 频段。这两个频段的引入是为了避免2 4 g h z 附近各种无线通讯设备的相互干扰。各个频段的频率范围如表2 2 所示。表2 2z i g b e e 的工作频率范围工作频率范围h 4 n z频段类型国家和地区8 6 8 8 6 8 6i s m欧洲9 0 2 9 2 8i s m北美2 4 0 0 2 4 8 3 5i s m全球为了提高数据传输速率，对应于z i g b e e 的三个频段，有不同的调制方式。因而在不同的频段上，其数据传输速率不同。详细参数见表2 3 。表2 3z i g b e e 调制方式和速率频段m _ h z比特速率瓜b p s调制方式符号8 6 8 8 6 8 62 0b p s k二进制9 0 2 9 2 84 0b p s k一讲售2 4 0 m 之4 8 3 52 5 0o - q p s k1 6 相正交( 2 ) 信道的划分z i g b e e 的三个频段共分了2 7 个物理信道，信道编号从0 到2 6 。其中，8 6 8 m h z频段只有一个信道，编号为0 ；9 1 5 m h z 频段有l o 个信道，编号从1 到1 0 ；2 4 g h z第二章z i g b e e 技术特点及其相关协议9频段有1 6 个信道，编号从1 1 到2 6 。三个频段的各信道的中心频率定义如下：六= 8 6 8 3 m h zk - - o 时，丘= 9 0 6 + 2 ( k - 1 ) m h zk = - i ，2 ，1 0 时，正= 2 4 0 5 + 5 ( k 1 1 ) m h zi t = - 1 1 ，1 2 ，2 6 时。其中，七为信道编号。( 3 ) 物理层结构及功能z i g b e e 的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。其结构及接口如图2 2 所示。图2 2 物理层结构模型在物理层中，通过物理层数据服务接入点( p d s a p ) 为物理层数据提供服务；通过物理层管理实体( p l m e ) 服务接入点( p l m e s a p ) 为物理层管理提供服务。物理层主要的功能是：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( c c a ) ：收发数据。( 4 ) 物理层协议数据单元结构z i g b e e 物理层协议数据单元( p p d u ) 数据包由用于数据流同步的同步包头( s h r ) 、包含帧长度信息的物理层包头( p h r ) 以及携带m a c 层帧信息的物理层静荷组成。其格式如表2 4 所示表2 4 p p d u 数据包格式4 字节1 字节1 字节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静荷p p d u 数据包第一部分是4 字节的前同步码，收发器在接收该码时，根据其携带的信息，完成码同步和符号同步。帧定界符由1 个字节组成，用来说明前同步码的结束和数据包数据的开始，其固定值为0 x a 7 。下一个字节表征帧长度，帧长1 0基于z i g b e e 技术的无线数据采集系统设计度占7 b i t ，其值为该帧除了帧头和帧尾后实际能够传输的物理层负载的长度( 即物理层静荷数) ，剩下的l b i t 为预留位。预留位后面就是物理层服务数据单元( p s d u ) ，该字段长度不是固定的，是个变量。2 3 2m a c 层( 1 ) m a c 层结构m a c 层位于物理层上面，它的主要功能是负责信道的控制。m a c 层包括一个管理实体( 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 层固有的管理对象的数据库，该数据库包含了m a c 层的个域网信息数据库信息。其结构和接口如图2 3 所示。图2 3m a c 层结构模型在m a c 层中，通过它的公共部分子层( m c p s ) 服务接入点( m c p s - s a p )为它提供数据服务；通过它的管理实体( m l m e ) 服务接入点( m l m e - s a p ) 为它提供管理服务。另外，m a c 层还有物理层数据服务接入点( p d s a p ) 和管理实体服务接入点( p l m e s a p ) 两个服务接入点，为服务协议汇聚层和物理层之间提供一个接口。m a c 层处理所有物理层无线信道的接入，其主要的功能包括：网络协调器产生网络信标；与信标同步；支持个域网( p a n ) 链路的建立和断开；为设备的安全性提供支持；信道接入方式采用免冲突载波检测多址接入( 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。( 2 ) m a c 层帧结构及功能m a c 层帧结构由包括帧控制和序列号以及地址信息的m a c 层帧头、可变长度的m a c 载荷、包括帧校验序列( f c s ) 的m a c 帧尾组成。其结构如表2 5 所第二章z i g b e e 技术特点及其相关协议不。表2 5m a c 层帧结构q | 2 f 8q | 2 | 82 字节1 字节0 2 字节0 2 字节可变2 字节字节字节目的p a n目的源p a n源地址帧控制序列号标识符地址标识符帧载荷f c s地址域m a cm a c 层帧头( m h r )匝rp a y l o a dm a c 帧前2 字节为帧控制子域，它包括帧类型的定义、地址子域和其他控制标志。其格式如表2 6 所示。表2 6 帧控制域格式位：m 之3467 91 0 1 11 2 1 31 4 1 5安全帧未处理内部p a n目的地址源地址帧类型保留位保留位允许位标志位标记位模式模式序列号子域为l 字节，为m a c 层帧的唯一序列标识符。对于信标帧，此域为信标序号( b s n ) 值。对于数据帧、确认帧或者m a c 命令帧，该子域指定了一个数据序列号( d s n ) ，用来使确认帧与数据帧或者m a c 命令帧相匹配。目的p a n 标识符子域为2 字节，描述了接收该帧信息的唯一p a n 的标识符。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。目的地址子域为2 字节或者8 字节，该地址为接收设备的地址，其长度由帧控制子域中目的地址模式子域的值而定。只有在帧控制子域的目的地址模式域为非0 时，此子域才存在于m a c 层帧中。源p a n 标识符子域为2 字节，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0 时，才存在于m a c 层帧中。源地址子域为2 字节或8 字节，代表帧的发送方的设备地址。其长度由帧控制子域中目的地址模式子域的值而定。仅在帧控制子域的源地址模式子域为非0时，该子域才存在于m a c 层帧中。帧载荷子域长度不是固定的，不同的帧类型包含不同的信息。帧校验序列子域为2 字节，它由m a c 层帧头和m a c 层帧的载荷部分计算得到。2 3 3 网络层( 1 ) 网络层结构及功能网络层数据实体( 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1 2基于z i g b e e 技术的无线数据采集系统设计供数据传输服务，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。其结构如图2 4 所示。网络层数据实体一服务接入点上层实体网络层管理实体一服务接入点m a c 公共部分子层一服务接入点队cm a c 层管理实体一服务接入点图2 4 网络层结构模型网络层数据服务通过网络层数据实体服务接入点( n l d e s a p ) 接入，网络层管理服务通过网络层管理实体服务接入点( n l m e s a p ) 接入。这两种服务通过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。同时，网络层通过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。网络层支持星型、网状和树形三种网络拓扑结构( 这在后面小节详述) 。网络层的主要功能包括：设备连接和断开网络时所采用的机制；在帧信息传输过程中所采用的安全性机制；设备之间的路由发现、路由维护和转交；网络层完成对“一跳 邻居设备的发现和相关节点信息的存储；一个z i g b e e 协调器创建一个新的网络，为新加入的设备分配段地址等。( 2 ) 网络层帧结构网络帧由包含帧控制和地址以及序列信息的帧报头、包含帧类型指定信息的可变长有效载荷。其结构如下表。表2 7 网络层帧结构字节：2220 10 1可变长目的地址源地址广播半径域广播序列号帧控制帧载荷路由帧网络层帧报头网络层的有效载荷帧控制子域为2 字节，包含所定义的帧类型、地址和序列域以及其他控制标记。其格式如表所示。表2 8 帧控制子域格式l位：o 1l2 5i67 89ll o 1 5ij帧类型l协议版本l发现路由j保留i安全i保留j目的地址域长度为2 字节，这是网络层帧必不可少的。其值为2 字节的目的第二章z i g b e e 技术特点及其相关协议设备网络地址或者为广播地址( 0 x f f f f ) 。源地址域长度为2 字节，这在网络层帧中也是必须存在的。其值为2 字节的源设备网络地址。广播半径域只有在目的地址为0 x f f f f 时才存在。其长度为1 字节，并且限定了广播传输的范围。每个接收设备接收一次该帧，则该值减1 。广播序列号只有在目的地址为0 x f f f f 时才存在。其长度为1 字节，该帧规定了广播帧的序列号。每传送一个新的广播帧，该序列号加l 。帧有效载荷的长度是可变的，包含了各种帧类型的具体信息。2 4z i g b e e 的网络配置由z i g b e e 技术组成的无线个人区域网( w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ，w p a n ) 是一种低速的无线个人区域网( l o wr a t e w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ，l r w p a n ) ，这种网络组网方便、结构简单、成本低廉，具有有限的功率和灵活的吞吐量。为了方便起见，通常把l r - w p a n 简称为p a n 。在p a n 中定义了两种类型的设备：一种是完整功能设备( f u l lf u n c t i o nd e v i c e ，f f d ) ，另一种是精化功能设备( r e d u c e df u n c t i o nd e v i c e ，r f d ) 。一般来说，f f d支持任何拓扑结构，一个f f d 可以同时和多个r f d 或者多个其他的f f d 通信。而对于一个r f d 来说，它不能完成网络协调器功能，只能与一个f f d 通信，两个r f d 之间不能通信。也就是说，r f d 在p a n 中只能作为一个终端设备，负责将采集到的数据信息发送给协调器。r f d 的内部电路比f f d 要简单得多，只有很少或没有消耗能量的内存，因此它相对于f f d 具有较低的成本，容易实现，也更利于节能。在z i g b e e 的网络配置中，z i g b e e 设备通常有三种类型的工作状态：z i g b e e协调器、z i g b e e 路由器、终端设备【27 。z i g b e e 协调器：充当z i g b e e 协调器的只能是f f d 。一个网络中有且只有一个z i g b e e 协调器，是整个网络的主控制器。z i g b e e 协调器负责发起建立新的网络、设置网络参数、管理网络节点、分配网络地址以及存储网络节点信息等，网络形成后可以执行路由器的功能。在z i g b e e 技术应用中，z i g b e e 协调器需要最多的存储空间和计算能力，是主要的耗能设备。z i g b e e 路由器：充当路由器的也必须是f f d 。路由器主要作用在于参与路由发现、消息转发、通过连接别的节点来扩展网络的覆盖范围等。路由器只有在网状网络和树形网络中存在，它受z i g b e e 协调器的控制。终端设备：终端设备可以是f f d ，也可以是r f d 。它通过z i g b e e 协调器或者是z i g b e e 路由器连接到网络，而别的节点不能通过它连接到网络。终端设备负责1 4基于z i g b e e 技术的无线数据采集系统设计与实际的监控对象相连，它实现的功能单一、结构简单，是低功耗设备。2 5z i g b e e 的网络拓扑结构z i g b e e 主要有三种网络拓扑结构：星型( s t a r ) 拓扑结构、网状( m e s h ) 拓扑结构、树形( c l u s t e r - t r e e ) 拓扑结构渊。2 5 1 星型拓扑结构如图2 5 所示，星型拓扑结构由一个z i g b e e 协调器和多个终端设备组成，协调器为f f d ，位于网络的中心位置，负责建立和维护该星型网络。终端设备一般为r f d ，也可以是f f d ，分布在协调器覆盖的通信范围内，直接与协调器进行无线通信。星型网络是一个辐射状的网络，所有的数据都必须通过z i g b e e 协调器来传输。f f dor f d信息流图2 5 星型拓扑结构这种拓扑结构的优点是结构简单、设备成本低、较少的上层路由管理。缺点就是灵活性差，因为每个终端设备都必须放在主协调器覆盖的通信范围内，这就限制了该网络的覆盖范围；而且，所有的数据都要通过z i g b e e 协调器，这就容易造成网络的阻塞、数据的丢失；再者，如果协调器发生故障，那么整个网络就瘫痪了。2 5 2 网状拓扑结构网状拓扑结构如图2 6 所示。它一般是由若干个f f d 连接在一起组成骨干网，它们之间是完全的对等通信，每个节点都可以与它的无线通信范围内的其他节点通信。骨干网中的节点可以连接别的f f d 或者r f d ，组成以它为协调器的子网。骨干网中的任何一个节点都可以充当z i g b e e 协调器，但是协调器只有一个。主协调器的产生由上层协议规定，比如把第一个在信道中开始通信的节点作为主协调器。该主协调器的功能不再是为其他设备转发数据，而是完成设备注册和访问控制等基本的网络管理功能。第二章z i g b e e 技术特点及其相关协议f f dor f d仲信息流图2 6 网状拓扑结构网状拓扑结构是一种高可靠的网络，具备自组织、自愈功能，具有很高的适应环境的能力。由于各个节点都是对等的，都具有路由能力，因此其路由拓扑是动态的，它为传输数据提供多条路径，一旦其中一条路径出现故障，网络不会瘫痪，存在另一条或者多条的路径可供选择，具有很强的网络健壮性和系统可靠性。但由于没有一个固定可知的路由模式，数据传输的时间很依赖瞬时网络连接质量，而且增加了网络的复杂度，功耗大。2 5 3 树形拓扑结构如图2 7 所示，树形拓扑结构实际上就是多个星型网络连接在一起组成的网络。树形枝干上的节点都是f f d ，由上层协议规定其中一个枝干节点作为z i g b e e协调器。充当枝干末端叶子的一般都为r f d ，当然也可以是f f d 。f f dor f d信息流图2 7 树形拓扑结构从图可以看出，树形结构可以实现“多跳 功能，扩大了网络的覆盖范围。不像网状拓扑结构那般复杂，树形结构保持了星型结构的简单性，因而成本也比较低。树形结构的缺点在于其网络稳定性差，如果枝干上任何一个节点出现问题，那么