（电路与系统专业论文）基于zigbee技术井下人员定位算法的研究和系统设计.pdf

摘要 摘要 y1 9 7 删5 4 3 2 吣 我国是产煤大国之一，拥有3 万多座煤矿。其中大中型煤矿5 0 0 多个，小煤矿2 万多个，井下工作人员超过1 0 0 万。然而我国的煤矿安全信息技术网络化程度不高， 井下安全信息不能及时传达到井上控制中心，导致煤矿事故频频发生。现有的煤矿安 全信息系统大多是通过有线网络建立的，随着煤矿开采的日益变化，煤矿井下巷道的 结构也在不停地变化，以前设计好的有线网络传输系统很难做到全部的检测覆盖，而 重新建立新的有线网络系统在成本上、人力上、扩展性等方面都不符合实际情况的发 展。因此，建立一套灵活、可靠、扩展性强的煤矿安全无线传输网络迫在眉睫。 本论文提出了一种新型的定位算法，该算法降低了井下由信号衰减，串扰，多径 等因素造成的定位误差。近年来，提出的定位算法大都是通过提高算法的复杂度来提 高定位的精度，然而这样一来对处理器的运算能力要求很高，运算延迟时间变长，大 大的增加了电量的消耗。本文提出的算法在没有增加算法的复杂度的情况下，提高了 定位的精度，同时还降低了定位终端对电量的消耗。提出的算法采取的是分步定位的 策略，先采用移动节点的n n s s 指纹匹配技术对移动节点进行大致的定位，这种方法 巧妙地减小了井下的复杂环境对定位精度的影响。然后，用改进的w c l 算法进行精确 定位。仿真表明，提出的算法是可行的，且明显的提高了定位的精度。 关键词：z i g b c e ；加权质心算法；n n s s 指纹匹配；c a s t a l i a ；o m n e t + + 基于z i g b e ：c 技术井下人员定位算法的研究和系统设计 a bs t r a c t w i t hm o r et h a n3 0 0 0 0c o a lm i n e s ，c h i n ah a sb e c o m eo n eo ft h eb i g g e s tc o a l - p r o d u c i n g c o u n t r i e si nt h ew o r l d t h e r ea l eo v e r5 0 0l a r g ea n dm e d i u mc o a lm i n e s ，o t h e r sa l es m a l l c o a lm i n e s a b o u to n em i l l i o ns t a f fw o r ku n d e r g r o u n d h o w e v e r , c h i n a sc o a lm i l l es a f e t y n e t w o r ki n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y i sn o t h i g h ，m i n es a f e t y i n f o r m a t i o ni sn o tt i m e l y c o m m u n i c a t e dt ot h ec o n t r o lc e n t e ri n o u e ，l e a d i n gt ot h ef r e q u e n to c c u r r e n c ：co fm i l l e a c c i d e n t s n o w a d a y sm i n es a f e t yi n f o r m a t i o ns y s t e ma v a i l a b l ea l em o s t l yb u i l tt h r o u g h c a b l en e t w o r k s w i t ht h ec h a n g i n go fc o a lm i n i n g , c o a lm i n et u n n e ls t r u c t u r ei sa l s o c o n s t a n t l yc h a n g i n g , t h ep r e v i o u sc a b l en e t w o r ks y s t e md e s i g n e dt o d oa l lt h et e s t i n gi s d i f f i c u l tt oc o v e re v e r yc o m e r w h i l et h er e - e s t a b l i s h m e n to fan e wc a b l en e t w o r ks y s t e mi n t e r m so fc o s t s ，h u m a nr e s o u r c e s ，s c a l a b i l i t y , e t c d on o tm e e tt h ea c t u a ls i t u a t i o n t h e r e f o r e ， t h ee s t a b l i s h m e n to faf l e x i b l e ，r e l i a b l e ，a n ds t r o n ge x p a n s i o no ft h em i n es a f e t yw i r e l e s s n e t w o r ki si m m i n e n t t h i sp a p e rp r o p o s e san e wp o s i t i o n i n ga l g o r i t h m ，b a s e do nz i g h e et e c h n o l o g y , w h i c h r e d u c e st h ep o s i t i o n i n ge r r o rc a u s e db ys i g n a la t t e n u a t i o n , i n t e r f e r e n c e ，m u l t i - p a t ha n ds oo n i nr e c e n ty e a r s ，t h ep r o p o s e dl o c a t i o na l g o r i t h mm o s t l yb yi n c r e a s i n gt h ec o m p l e x i t yo ft h e a l g o r i t h mt oi m p r o v et h ep o s i t i o n i n ga c c u r a c y , b u ti nt h i sw a y , t h ep r o c e s s o r sa b i l i t yo f c o m p u t i n gi sh i g h l yd e m a n d e d , t h et i m eo fo p e r a t i o nb e c o m e sl o n g e r , w h i c hg r e a t l y i n c r e a s i n gt h ep o w e rc o n s u m p t i o n t h ep r o p o s e da l g o r i t h md o e sn o ti n c r e a s et h ec o m p l e x i t y o ft h ea l g o r i t h m ，t h ep o s i t i o n i n ga c c u r a c yi sh i g h l yi m p r o v e d , t r yn o tt oi n c r e a s et h ep o w e r c o n s u m p t i o no ft h ep o s i t i o n i n gt e r m i n a l t h ep r o p o s e da l g o r i t h mt a k et h es t e pb ys t e p s t r a t e g y , f i r s to fa l l ，m a k eu s eo ft h en n s sf i n g e r p r i n tm a t c h i n gt e c h n o l o g yf o rm o b i l en o d e s a p p r o x i m a t ep o s i t i o n i n g , t h i sa p p r o a c hn e a t l yd e c r e a s et h ei n f l u e n c ec a u s e db yc o m p l i c a t e d u n d e r g r o u n de n v i r o n m e n to np o s i t i o n i n ga c c u r a c y t h e n , u s ei m p r o v e dw c la l g o r i t h mw i t h p r e c i s i o np o s i t i o n i n g s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e da l g o r i t h mi sf e a s i b l ea n d s i g n i f i c a n t l yi m p r o v e st h el o c a l i z a t i o na c c u r a c y n k e yw o r d s ：z i g b e e ；w c l ；n n s sf i n g e r p r i n tm a t c h i n g ；c a s t a l i a ；o m n e t + + 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 我国是产煤大国之一，拥有3 万多座煤矿。其中大中型煤矿5 0 0 多个，小煤矿2 万多个，井下工作人员超过1 0 0 万。然而我国的煤矿安全信息技术网络化程度不高， 井下的安全方面的数据不能及时传到井上指挥控制中心，不能对井下的变化及时进行 了解导致矿难频频发生。现在的煤矿安全生产信息管理系统的建立大多是通过有线， 随着煤矿开采的进行矿体在不停地发生着变化，巷道在不断的延伸着，以前设计好的 有线网络就做不到了百分之百的检测覆盖，形成了安全死角，而重新搭建有线网络系 统在扩展性、成本上、人力等方面都不太符合实际情况。因此，建立一套灵活、可靠、 扩展性强的煤矿安全无线传输网络迫在眉睫。 在井下建立无线传感器网络不仅可以有效预防煤矿事故的发生，更重要的是在发 生矿难以后对救援工作的开展非常有利，可以想象：在矿井的巷道中，随着一声巨响， 矿井里一片漆黑，大量的石块滚滚坠落，矿井的通道被完全隔断，成百上千的矿工被 分割在不同的地方，通信电缆也被破坏，一场突如其来的灾难降临了。如果没有建立 井下无线传感器网络，把员工的位置信息数据发送到地面上的控制中心，救援工作很 难开展，因为他们不知道井下工作人员的具体位置，哪个地方被困的员工多? 从哪个 位置开始救援效率最高? 这些问题都无法回答，救援方案的制定非常艰难，反之，如 果建立有矿井无线传感器网络，在地面控制中心的大屏幕上，电脑图像已经明确指示 出了在矿难发生瞬间井下工作人员的精确位置，很容易制定有效的救援方案。在矿井 中建立无线传感器网络系统将会成为未来煤矿安全的一种重要的安全措施i l j 。 随着集成电路技术和高频无线技术的进步，新兴的短距离无线通信技术和无线网 络技术正在以空前的速度走进我们的生活，使得我们的生活更加方便，工作更加安全。 z i g b e e 技术应用于井下人员定位意义重大。目前，很多应用于井下人员定位的技术被 提了出来，主要有：r f i d ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) ，井下移动通信和z i g b e e 技术， 而基于井下移动通信技术的定位系统需要的成本非常高，基于r f i d 技术的定位系统需 要大量的分布密集的监测站。近来，涌现出了大量基于z i g b e e 技术井下定位的应用， 这显示出z i g b e e 技术在井下人员动态追踪起的作用越来越大。本文所研究的定位系统 基于z i g b e e 技术井下人员定位算法的研究和系统设计 就是基于z i g b e e 技术。z i g b e e 技术强调高扩展性、低功率、低成本、低复杂度，虽然 传输速率没有蓝牙等技术快，但应用于井下人员定位的网络数据传输已绰绰有余，并 且低能耗无需更换电池或充电。网络扩充性高，最多可以达到6 5 0 0 0 个节点。 无线传感器网络是由很多装备有各种各样传感器的设备组成，这些传感器包括温 度传感器、湿度传感器、亮度传感器等组成来收集环境的信息。以前，定位不是无线 传感器网络的主要用途，现在不同了。 传统的煤矿安全管理方式是以人来管理，缺乏定量指标，准确性差，越来越不适 应现代化生产的需要，而将短距离通信新秀z i g b e e 技术应用于矿井安全领域，提出一 种定性管理的评估方式：采用z i g b c c 将终端传感器收集到的各种参数传到巷道上的网 关，再采用有线方式将网关数据传输至地面上的中央控制计算机，由计算机对数据进 行分析比较，对矿井安全状况作出评估。 矿井安全管理是以设备、环境、产品、原材料、机械和人等综合系统为管理对象 的一项复杂的系统工程，它是用来保护生产资料和人的安全，在开采煤矿的过程大部 分是在井下的巷道中进行的，地下或许会有错综复杂的地质断层，煤矿生产的掘进， 运输，采煤，通防，机电等系统就布置在地下巷道中。整个煤矿开采过程中定会受顶 板、涌水、一氧化碳、煤尘、机电、瓦斯、通风等因素的致命影响，面对如此复杂的 环境条件我们不得不要随时注意安全，在出现异常后能快速准确的定位事故发生的详 细位置并采取有效的救援措施。如今的安全管理方式大多是以人来管理的，没有定量、 定位，准确率低，越来越阻碍生产的发展，必须采用科学的方法和管理手段才能较好 地解决这个生命安全保障问题。我们相信未来的煤矿安全系统是能够事先预测事故的 发生并且掌握事故发生的规律，对井下的安全作出科学和定量的评估，并能够及时向 管理人员预先警示事故的严重性，从而最大限度的降低损失。 1 2 课题的提出 z i g b e e 标准自2 0 0 4 年首次确定以来，并没有像拥护者期待的那样得到大规模应用， 多数人是以观赏的眼光看待z i g t 圮e 技术，尽管很多厂商还在不断对其下注。“z i 0 ) c e 大 量应用的最大挑战是软件，”德州仪器低功耗射频业务全球业务总监e m m a n u e ls a m b u i s 日前对电子工程世界记者坦言。关于z i g b e e 技术在井下人员定位的应用的局限性大都 是由于现有的定位算法无法与z i g b e e 技术良好的兼容。常规的测量节点之间距离的算 2 第一章绪论 法有t o a ，t d o a ，a o a ，r s s i 等，尽管理论上前三种方法测量的精度较高却很难用 到井下人员定位，这是由硬件造成的，而r s s i 虽然不需要附加的硬件，也不是用于井 下人员定位的理想的算法，这是由井下复杂的环境造成的。在巷道中，信号遭到强烈 的反射和散射，使接收端接受的信号失真，导致码间串扰，引起噪音增加，造成了极 大的多径效应。而在工作面附近，电机，器械运转产生了极大的电磁噪声，这些电磁 噪声会引起无线信号在其环境中反射，折射，引起传输延迟和多路径漫射，最终导致 数据信号波形展宽，产生码间串扰。于是本研究很自然的提出以r s s i 为基础的算法， 并以设备之间的信号强度的稳定度来作为定位算法的权值，采用数学中的加权平均法 来估算未知节点所在的位置，提高定位精确度。这种定位算法的思想和w c l 相近，但 又有很大的区别，是对w c l 定位算法的改进，改进后的算法定位精度更高，结合基于 环境的n n s s 指纹匹配技术大大提高了定位的精度。采用分步定位的策略，首先采用 移动节点魄n n s s 指纹匹配，进行移动节点的初步定位，然后采用改进的加权质心算 法对移动节点进行精确定位。提出的算法有效的降低了多径效应、干扰等因素对定位 精度的影响。把这种提出的算法应用于环境较复杂的井下环境中，既达到了响应时间 短的要求，又能够大幅度的提高定位的精度。最后，把这种提出的算法应用在仿真平 台上进行仿真验证其性能。 1 3 国内外研究现状 在国内，传统的煤矿安全监控监测系统大都是利用电缆，光缆和漏泄电缆等连接到 地面上的控制中心的。这很容易产生一些问题，譬如，有线监控检测系统检测不到井 下员工所在的位置，还有就是系统的成本和安装问题。由于监测不到即时井下员工所 在的具体位置，一旦发生矿难救援工作会很难开展，很多生命将由于得不到及时救援 而死亡。由于矿井下巷道的结构极不规范并且在不停地变化，会有很多地方难以覆盖 而形成监控检测的死角。这样以来，很多地方就监控不到瓦斯浓度的变化给安全生产 带来极大的隐患。并且有线监控检测系统的组建会消耗大量的时间，成本也非常昂贵。 为了克服有线安全监控检测系统的缺陷，提出了用于煤矿检测的无线检测监控系统。 在国外，煤矿安全监控检测系统一般是基于红外等无线方式通过泄漏电缆传送到地面 控制中心的，控制中心的计算机通过处理收到的数据来判断井下工作人员所在的地段， 这种判断，误差很大。德国，美国等发达国家的一些煤矿已经实现了井下工作人员的 3 基于z i g t 脱技术井下人员定位算法的研究和系统设计 实时定位系统，这种系统价格非常昂贵，在一些小煤矿很难普及。目前，国内使用的 并下人员定位技术，本质上是一种考勤记录系统，这种系统不能即时显示井下员工所 处的位置，不是真正的井下人员定位跟踪系统。基于z i g b e e 技术的井下定位系统虽然 在实验中很成功但是还不能广泛的应用于煤矿安全，因为用于井下人员定位的算法很 难满足实际的需要。理想的井下人员定位系统是实时的，井下复杂的环境造成了信号 衰减很快，多径干扰等问题，这些问题使得在室外定位很理想的定位算法在井下定位 误差很大，甚至会出现极大偏差。 在国内外，对定位算法的研究也在不停地取得进步，学术界根据使用的技术方法把 定位算法分为两大类：基于距离的算法和免测距算法。基于距离的定位算法主要有： t o a 、t d o a 、a o a 、r s s i 等，这种基于测距的定位机制通过测量相邻节点的距离和 角度来计算未知节点的位置。这些算法特点是定位精度相比较而言稍微高些，但是在 消耗的能量相对较多，定位精度极容易受到温湿度和障碍物等因素影响，主要应用于 开阔无障碍，电磁环境较好的室外。基于免测距的定位算法主要有：质心算法，d v - h o p 算法，a m o r p h o u s 算法和a p i t 算法等等，免测距的定位算法对终端设备的处理器要求 较高，处理数据的时间开销非常大，同时耗电量也会大大的增加，不便于应用在实时 更新的定位系统中。而本文提出的算法的思路会是很有价值的尝试。 1 4 本文研究内容与结构安排 本文的主要内容是对适合井下人员定位的算法的研究和设计。本文开始介绍了无线 传感器网络在井下人员定位中的重要性，然后介绍了z i g b e 汜技术的基础知识和定位技 术的一些概念并分析和比较了几种常用的定位算法的工作原理和优缺点。根据现有定 位算法所面对的问题提出了一种适合于井下人员定位的基于环境的新的定位算法，这 种定位算法是分两步进行的。第一步，移动节点接收到的中心节点的信号强度与数据 库中存储的位置信息进行比对，初步判定移动节点所在的巷道的大概位置。第二步， 按照上一步结果，选取接收到来自移动节点信号强度最强的几个参考节点，按照加权 质心算法的定位模型进行精确地局部定位。然后，使用仿真软件c a s t a l i a 对无线传感器 网络进行了仿真，分别仿真了加权质心算法和提出的算法性能表现，仿真显示提出的 算法在性能方面具有优越性，尤其适用于信号衰减较快，干扰大，多径效应明显的环 境复杂的井下人员定位。 4 第一章绪论 本论文共分为五章，各章节主要内容概述如下：第一章介绍了基于z i g b c e 技术的 井下人员定位的重要性，分析了定位算法在定位过程中的重要性，然后提出了本研究 的动机和目的，最后分析了定位技术在国内外的发展现状。第二章主要介绍了z i g b e e 技术的基础知识。在该章中，开始介绍了z i g b e e 技术的来源、特点、适应领域等，然 后介绍了z i g b e e 无线网络的知识，对z i g b e e 定义的三种节点类型进行了详细介绍，也 介绍了z i g b e e 网络的拓扑结构和三种节点在拓扑结构中的应用。最后介绍z i g b e e 的协 议栈和工作原理，在对z i g b e e 协议栈的介绍中，详细介绍了物理层，介质接入子层， 网络层和应用层的结构模型、数据包格式和工作原理等。第三章分析了基于z i g b e e 技 术的主要定位算法，在该章中详细分析了t o a 、t d o a 、a o a 、r s s i 和w c l 等定位 算法的工作原理，并对各种定位算法的优缺点进行了比较。第四章是本论文的核心部 分，本章首先提出了一种新的适应于井下人员定位的算法，该算法是分两步进行的， 首先进行移动节点的n n s s 指纹匹配，对移动节点进行大致的定位，然后用改进的w c l 算法进行精确的定位。接着本章介绍了用于井下人员定位的z i 曲e e 无线网络的搭建， 详细介绍了软件硬件设计。然后通过基于o m n e t + + 软件的c a s t a l i a 无线网络仿真软件 进行模拟仿真，验证了提出算法的可行性和优越性。最后，第五章对本论文做一结论 及未来可行的研究方向。 5 基于z i g b e e 技术并下人员定位算法的研究和系统设计 第二章z i g b e e 技术基础 2 1z i g b e e 技术介绍 z i g b e e 代表着i e e e s 0 2 1 5 4 协议，这个协议是i e e e 无线个人区域网工作组的一项 标准，这个标准规定的无线通信技术具有省电、可靠、时延短、网络容量大、安全、 高保密性等特点。z i g b e e 一词的来源是由于蜜蜂b e e 之间的联系是通过不同的运动方式 互相传递信息，譬如，煽动翅膀的频率的不同产生的嗡嗡声( z i g ) 和舞蹈的不同等。 无数的蜜蜂都过这种沟通方式组成了一个无线通信网络。利用z i g b e e 技术组成的无线 通信网络和蜜蜂的通信网络有异曲同工之妙，所以叫做z i g b e e 。z i g b e e 技术的主要应 用在短距离，低功耗的通信场所1 3 l 。 2 1 1z i g b e e 网络基础 z i g b e e 网络中有协调器、路由器和终端设备三种类型的节点。其中，路由器和协 调器必须是同时具备收发功能的全功能器件，终端设备可以是只具备一种功能也可是 全功能器件。在很多实际的应用中终端设备都是简约功能的器件，这样既可以降低成 本也可以节约终端设备的电量消耗。但是终端设备使用全功能器件也有很大的好处即 便有功能的浪费，这样便于无线网络的升级，在升级时直接在软件方面做出修改就可 以了，硬件不用改变了。否则，在网络升级时只有更新终端设备了，造成了大量的资 源浪费。在一个无线z i g b e e 网络中只能有一个协调器，多个路由器和大量的终端设备。 协调器是一个比较特殊的全功能器件，它的功能在整个无线网络中是最强大的，是整 个网络的控制核心，具备了很强的控制功能。它可以建立新的网络根据无线网络最大 深度、每个网关连接终端设备节点的最大值还有每个路由器连接下一层路由器的最大 个数等参数，并发送信标和管理整个网络中的节点及完成网络信息的保存。可见在一 个基于z i g b e e 的无线网络中协调器起到的作用是多么巨大，协调器的性能对整个网络 的效率有直接的影响【2 j 。 路由器节点也可以叫作无线网关节点，负责数据的转发，相当于收发室或中转站， 把数据转发给目标节点。路由器在无线传感器网络中起到的作用也很大，是不可替代 6 第二章z i g b c c 技术基础 的，路由器节点是具有发送和接受数据的全功能器件。在无线网络中路由器节点可以 有其子路由器节点。在复杂的无线网络中，这种情况是常见的。 精简功能器件多作为终端设备，该类型的节点要么不具备接收数据的能力，要么 缺乏发送数据的能力，它们在整个无线网络中起到的作用很简单，一种简单的应用比 如在基于z i g b e e 技术无线传感器网络报到系统中每个员工佩戴的终端设备可以只具有 发送功能，每个终端设备只需要把收到的员工信息发送给路由节点然后路由节点再把 数据发送给协调器，然后协调器对数据进行处理或上传给控制中心。精简功能器件相 互之间是无法通信的，它们占用的资源非常少，对存储空间要求很低，在不工作时就 处于休眠状态，很省电。精简功能模块耗电量大都很低，一块普通5 号电池可以续航6 个多月。网络启动后，终端设备和路由节点加入网络是通过设备发现和路由发现功能 而加入，加入后新加入的节点就是子节点，而被加入的节点为父节点，z i g b e e 网络的 父子关系如图2 1 - a 中的终端设备和协调节点。 z i g b e e 网络主要有星型网络、网状网络和混合网络三种类型的的拓扑结构豳，如 下图2 1 。图中2 卜c 为星形网络，星形网络是由一个协调器和多个终端设备组成，终 端设备是协调器的子节点，而协调器是父节点，他们只有父子节点两个层次，结构比 较简单。在星形网络中协调节点必须是全功能器件，它来完成网络的建立和网络的管 理，协调节点的子节点一般是精简功能器件，它们只与单个协调节点通信。终端节点 是分步在协调节点的周围，它们与协调节点的距离不会超过终端设备无线信号的发射 的距离，数量一般不很多。而星形网络多应用在网络中节点不多且范围较小的场所。 网状网络允许所有的节点之间的通信，如图2 卜a 所示，网状网络一般是由很多全功 能器件组成的，协调节点能够发起网络的建立。在网状网络中数据包由源节点传送到 目标节点可以有很多路径，如果一条路径出现故障马上可以选择另一条路径进行传输， 该网络的传输效率很高自动适应能力很强，很少出现数据发送失败的现象。 2 1 2 网络路由 路由主要分为两种路由算法：树路由算法和网状网路由算法，在树路由网络中协 调者和路由器沿着树戕结构传送数据包。当装置接收到数据包后会检查本身或其子装 置是否为目的地，如果是则装置会接收数据包或者将数据包传送给指定的子装置，否 则它会将数据包传送给其父装置。在网状网路中的z i g b e e 网路层协定中定义网络协调 7 基于z i g b c e 技术井下人员定位算法的研究和系统设计 器与路由器有路由能力，因此网路协调者和路由器有路由探索机制( 路由发现) ，建 立邻点表( 邻接表) 与路由表以及路由发现表的能力，以下将对这些机制作介绍随1 。 1 路由探索机制：当有路由能力的装置发现其路由表中并没有到达目的地节点的 路由时，该路由装置将会启动路由探索机制。 2 邻点表：邻点表用于记录装置传输范围内的节点资料。 3 路由表：路由表用来记录路由所需要的信息。 4 路由发现表：路由发现表用于纪录执行路由探索期间时的相关资料。 z i g b e e 技术的路由探索机制类似于无基础式需求距离向量路由协定( 特设按需距 离矢量路由协议：a o d v 协议) ，在路径的选择上选取连结费用( 连结成本) 较低的路 由来作为数据包传送路径，连结费用的定义为某路径成功传送某数据包的机率，当找 到路由路径后该装置可直接将数据包传送到下一个节点直到目的地。没有路由能力的 装置只能利用上述的树戕路由机制将数据包传送给其父节点或其子节点。拥有路由能 力的装置藉由发送路由请求数据包启动路由探索机制，当装置收到路由请求数据包后 会先计算由发送端传送数据包给它的遑结费用，并将之记录于路由请求数据包中，假 设该装置曾收过相同目的之路由请求数据包，该装置会比较新的连接费用是否低于先 前所计算的值，如果遵结费用并未低于先前值则会将此路由请求数据包丢弃。当目的 地节点收到路由请求数据包后会选择其中连接费用最低的路径并且回覆该路由回应 ( 路线回复) 数据包，当路径上的节点收到该回应数据包时会将到达目的地的路径记 录于路由表中，当源节点收到此回应数据包后即可开始传送信息。 2 1 a 网状网络2 1 - b 混合网络 2 1 _ c 星型网络 注：o 协调节点口路由节点 终端设备 图2 iz i g b e e 网络拓扑结构 8 第二章z i g b e e 技术基础 2 1 3 网络性能及技术特征 z i g b e e 技术大多应用在工业中，z i g b e e 协议栈中数据链路层协议充分考虑 到了工业无线通信的复杂环境，也考虑到了对通信实时性的要求以及先进的节能 机制，以满足可靠性、实时性和节能性的要求。以下将对z i g b e e 技术的特性以 及优势作如下介绍： 1 z i g b e e 的依照使用频段的不同，有2 5 0 k b p s 的，4 0 k b p s 以及三种传输速率为 2 0 k b p s 。不同的传输速率可以应用在不同的场合，若是用在与其它设备互动上可能 2 5 0 k b p s 的需要的传输速率，如果用在简单的传感控制上可能只需要的2 0 k b p s 的传 输速率即可。 2 低能量消耗： 无线传感节点通常都是放在某个地点长时间的监测，因此需要极长的工作时间， 所以电源管理就变成了一个重要的问题。z i g b e e 技术因为技术的传输速率很低，传 输的数据量很小，因此收发时间短，再加上有休眠模式，所以z i g b e e 技术的节点非 常的省电。z i g b e e 的节点的电池可以工作一般卜6 个月左右，依工作状况不同甚至 能到数年之久。 3 低成本：z i g b e e 的技术协定比起其它的短距离无线网络简单很多，降低了对通 讯控制器的要求，因此z i g b e e 技术可以使用规模很小的储存器并且不需要复杂的技 术，大大的降低装置的成本。 4 低延迟：z i g b e e 技术的通讯时间以及从休眠模式转换到工作模式的延迟时间都 很短。一般而言，搜索装置的延迟为3 0 毫秒，休眠模式转换到工作模式的延迟为1 5 毫秒，1 5 毫秒进行频道连接的延迟为，因此适用于对时间延迟要求严z i g b e e 技术格 的无线控制应用。 5 短距离传输：因为z i g b e e 技术装置的发射功率较低，室外的通讯距离大约在1 0 0 公尺左右，室内如果没有障碍物则传输距离低于1 0 0 公尺，有障碍物则大概有3 7 公 尺的传输距离。若是透过相邻节点的接续通讯传输就可以使传输距离向上增加。 6 可靠的数据传输： z i g b e e 技术在进行数据传输时使用载波检测多路存取碰撞避 免( 载波侦听多重存取碰撞避免：的c s m a c a ) 的机制避免封包发生碰撞，大大提 升传送成功的机会。另外还有设置免竞争的区间留在必要时候使用。 7 大容量的网络： 9 基于z i g b c c 技术井下人员定位算法的研究和系统设计 z i g b e e 的一个网络包含一个主控装置以及其它的附属装置，最多可以有2 5 6 个 节点。如果透过路由器将主控装置做连接，整个网络可以支持超过6 5 0 0 0 个节点，如 果再将路由器进行连接，节点的数量将会非常可观。 8 自动配置以及回复：z i g b e e 的网络由网络协调器所建立，一但网络建立后就会 发送信息给周围的装置( 设备) ，周围的装置可以随时加入或退出。若是有节点失去 联系导致网络架构遭到破坏，z i g b e e 的网络也有自行修复的功能，因此z i g b e e 技术 有着机动性相当高的网络拓朴嘲。 2 1 4z i g b e e 协议应用于工业无线通信中需考虑的问题 工业自动化主要的应用是工业控制和工业监视，大部分的工业控制应用要求数 据的可靠传输率超过9 5 。但是企业的生产环境是很复杂的，环境中往往存在 i e e e 8 0 2 1 1 、i e e e 8 0 2 1 5 4 、蓝牙等多种类型的无线网络，这些网络大部分集中在 2 4 g h z 的频段上它们之间会产生严重的信号干扰；另外，工业环境中的射频通信条件 与室外环境相比极为恶劣，厂房内到处都有各种大型机器、金属管道等，它们会对信 号产生散射和反射，导致多径效应的发生。然而马达和器械运转时引起的电磁噪声也 会对无线信号造成在空间中的折射和反射，引起多径漫射和传输延迟，最终会导致数 据信号波形展宽，产生码问串扰啊。 z i g b e e 网络中协调节点与控制端连接是网络核心，它的可靠性对整个网络的可靠 性起着至关重要的作用。一旦协调节点出现掉电、数据库错误等致命问题，根据z i g b e e 协议网络中会有另一个路由节点发起组建z i g b e e 网络，但是重建网络及数据库恢复需 要一定的时间成本。当然可以考虑协调节点及数据库备份措施，这势必引起双路由问 题，必然引起增加网络开销。 工业环境有些测控任务是有严格的时序和实时性要求的，因此在某此工业控制网 络中要求通信网络能提供严格的实时通信。前面提到z i g b e e 网络的主要的网络结构有 三种，如果采用星型组网，所有网络节点通过协调器互相通信，路径长度相同，数据 分组通过一跳到达目的节点。如果采用网状网组网，设备间的数据分组通常需要通过 多跳转接进行通信，数据包每跳到一个节点，都会产生数据存储转发及路由选择的时 间开销，如果网络规模庞大，需考虑通信的实时性问题随1 。 1 0 第二章z i g t 胜技术基础 2 2z i g b e e 协议栈结构和原理 一组子层构成了z i g b 的协议栈，这些层都为它们的上面的一层提供一组特定的服 务，例如，数据实体提供传输数据的服务，管理实体提供管理服务等。服务实体为其 上层提供服务接口的途径是通过服务接入点来完成，服务接入点是通过许多服务指令 来实现接口的功能1 9 。完整的z i g b e e 协议栈如下图，该协议栈比其他的无线通信协议 栈更加紧凑，效率更高，应用时也更容易实现。因为该协议栈对硬件的要求很低，对 处理器的位数、数据存储器的空间大小、程序存储器的空间大小的要求都不高，这样 一来，硬件的电量消耗更低，硬件的成本也大幅度降低了。完整的z i g b e e 协议栈如图 2 2 ，它是由物理层、介质介入控制子层( m a c ) 、网络层和应用层四个层次。z i g b 协议栈的分层是基于标准的7 层开放式系统互连模型的，可是一些和z i g b e e 无关的层 就没有涉及【n 1 2 1 。z i g b c e 协议战中的物理层和介质接入控制子层是由i e e e8 0 2 1 5 4 工 作组定义的，接着，i e e e8 0 2 1 5 4 工作组着手制定i e e e8 0 2 1 5 4 b 标准，此标准为i e e e 8 0 2 1 5 4 标准的改良版，主要是解决原标准有异议之处、降低复杂度、提高安全密匙的 安全性以及考量新频带分配等。最后，在2 0 0 6 年6 月通过的标准可以有效的简化架构 并改善互通性，进而提高了系统的稳定性。网络层和应用层框架是由z i g b e e 联盟设计 的。其中，应用层框架包括应用支持子层( a p s ) 、z i g b e e 设备对象( z d o ) 及由制造 商制定的应用对象嗍。 1 l 基于z i g b e e 技术井下人员定位算法的研究和系统设计 应用层1应用层n 应用汇聚层 网络层 i e e e8 0 2 2 逻辑链 路控制类型1 业务汇聚特定子层 其他逻辑链路控 制标准 i e e e8 0 2 1 5 4 介质访问控制 2 4 g 物理层 8 6 8 m h z ，9 1 5 m h 物理层 2 2 1 物理层p h y 图2 2z i g b e e 协议栈的模型 z i g b e e 的物理层负责启动和停止无线收发器、选择通道、能量侦测以及数据 包的传送和接收等功能。i e e e8 0 2 1 5 4 所制定的无线传输有两个模式，一个为2 4 g h z 模式，另一个为8 6 7 侈1 5 m 毗模式。8 6 7 m h z 、9 1 5 m h z 和2 4 0 0 m h z 这三种频带可分别 提供2 0 k b p s 、4 0 k b p s 和2 5 0 k b p s 三种数据传输速率，其中8 6 7 m h z 和9 1 5 m h z 频段分 别是欧洲和美国的附加频段，而2 4 g h z 频段适用于全球。使用的频段及其参数的对应 关系如下图： 第二章z i g b e e 技术基础 频带频率范围通道数量d s s s 展频参数数据参数 ( m h z )( m h z ) 码片速率调制传输速率符号率 8 6 88 6 8 8 6 8 613 0 0b p s k2 02 0 9 1 59 0 2 9 2 81 06 0 0b p s k4 04 0 2 4 0 02 4 0 d 2 4 8 31 62 0 0 0o q p s k 2 5 06 2 5 表2 1z i g b e e 频段及其对应参数 物理层的结构框图如下图，从介质接入控制子层到物理层的无线信道接口是物理 层通过射频固件和射频硬件提供的。图中的数据服务接入点和物理层实体服务接入点 可分别提供如下的服务：为物理层数据提供服务和为物理层管理提供服务。物理层具 备的特征如下： 1 具备主动或被动无线传输。 2 可以对目前通道中的能量进行侦测。 3 通过接收到的数据包获得信号连接质量。 4 可以通过c s m a - c a 机制评估通道状态。 5 可以选择通道频率。 6 数据发送和接收功能。 图2 3 物理层结构模型 表2 2 给出了物理层数据包的格式。z i g b e e 物理层数据包由物理层净荷、物理层包 头、同步包头三部分组成。同步包头分成数据包( 帧) 和前同步码( 前导码) 定界符 基于z i g b e e 技术井下人员定位算法的研究和系统设计 两个部分，数据包( 帧) 定界符用来标识前同步码的的结束及数据包的开头，前同步 码为接收端用以收到的c h i p 或s y m b o l 做同步。物理层包头由标识框架长度的七位及一 个保留位组成。物理层净荷为介质接入控制子层所传送的数据。 4 字节1 字节1 字节 变量 前同步码帧定界符帧长度( 7 位)预留位1 位p s d u 同步包头物理层包头物理层净荷 表2 2 物理层数据包格式 2 2 2 介质接入控制子层m a c z i g b e e 的介质接入控制子层提供m a c 信息服务及管理服务、负责信标管理、通道接 取、保障时槽管理、框架认证、回复框架的传输和加入网络与终止等。介质接入控制 子层主要具备以下几个特性： 1 若装置为协调器，则可以在m a c 层产生信标信号。 2 对收到的信标信号作同步。 3 支持组成及解散p a n 。 4 支持节点信号的保密性。 5 利用c s m a - c a 作通道存储。 6 提供处理和保障时隙的机制。 7 在两个对等的m a c 实体之间提供一个可靠地链路连接。 蓝牙技术有一百三十一条原语和三十二个事件，出人意料的是m a c 层和u 子层 的接口中用于管理的原语仅有二十六条。z i g b 介质接入控制子层的很简单，不需要 高性能的c p u ，这样就降低了成本和电量的消耗。 图2 4 为介质接入控制子层的参考模型，m a c 层有物理层数据服务接入点是与物理 层的交互的，为物理层提供数据服务，物理层管理实体服务接入点是与物理层的管理 实体交互的，并提供管理服务，它们提供服务是通过介质接入控制子层的公共部分子 层服务接入点的。m a c 层有一个管理实体，该管理实体通过个服务接口可以调用 1 4 第二章z i g b e e 技术基础 m a c 层地管理功能。 m a c 公共部分子层服务接入点m a c 层管理实体一服务接入点 心层公共部分子层 一i m a c 层管理实体 物理层数据服务接入点 m a c 层个域网信息库 物理层管理实体一服务接入点 图2 4 m a c 层参考模型 表2 3 给出了介质接入控制子层数据包格式。由表可见，m a c 层帧头包括帧控制域、 序列号、目的标识符、目的地址、源p a n 标识符和源地址组成。帧控制域的长度是2 字节，主要是用来定义框架形态及其他相关的旗标；序列号的长度为1 字节，是一个 唯一的数码，用来确保信标的唯一性，确保接收端不会收到同一个信标；目的标识符、 目的地址、源p a n 标识符和源地址共同用来告知源或目的端的位和地址信息。帧载荷 的位的长度是可变的，表示要传送给附属装置的资料。帧检测域( f c s ) 其长度为两个 字节，作用是以1 6 位的r r u - t 循环码检验资料的正确性。 2 字节1 字节0 2 字节o 躺字节0 2 字节o 2 ；b 字节可变2 字节 帧控制序列号目的标识符目的地址源p a n 标识符源地址帧载荷 f c s m h r ( m a c 层帧头)m a c 载荷姗t 2 2 3z i g b e e 网络层 表2 3m a c 层数据包格式 z i g b e e 的网络层包含加入及离开网路的机制，帧信号安全机制以及把帧信号传输到 目的地。此外，网络层的功能包括传递路径的发掘与维护，为了达到这个目的，网络 层必须知道近临的附属装置和储存这些直接相连附属装置的信息。z i g b e e 的网路中的 协调器，负责开始建立一个的网路和指定位址给其他的装置。7 _ , i g b e e 的网络层支持星 基于z i g b e e 技术井下人员定位算法的研究和系统设计 状，树献和网戕三种拓朴方式。在星状拓扑方式中，所有装置只与单一的与协调器通 信，在树状网路中，数据及控制信息是透过阶层的方式传输，在网状拓朴方式中允许 所有的通信点对点等。z i g b e e 的网络层提供信息传输及网络管理两种服务，并维持一 个网络信息库。 z i g b e e 网络层是在i e