基于ZigBee的无线网络在煤矿中的应用.doc

摘 要为了保证我国现阶段煤矿通信的安全，通过分析煤矿中有线网络和ZigBee无线技术的优缺点，得出ZigBee无线技术具有功耗低、成本低、灵活性好的优势。根据煤矿中的具体环境，应用ZigBee技术设计了煤矿中通信的路由，规划了无线网络的拓扑结构，并进行了煤矿安全网络的硬件设计和系统集成。关键词：煤矿通信;无线网络；ZigBee;系统集成 ABSTRACTChinas coal mines at this stage in order to ensure the security of communication through the cable network of coal mines in the ZigBee wireless technology and the advantages and disadvantages that ZigBee wireless technology has low power consumption, low cost, flexibility, good advantage. According to coal mines in the specific environment and application of ZigBee technology in the design of a coal mine communications routing, planning a wireless network topology, and the coal mine safety network hardware design and system integration.Key words: Underground coal mine communications; Wireless Communication Technology; ZigBee; Systems integration目 录摘 要IABSTRACTI引言11 煤矿通信技术11.1 我国煤矿安全现状11.2 煤矿中信息传输方式现状21.3 煤矿无线传输技术22 无线通信技术32.1 蓝牙技术32.2 ZigBee技术42.3 其他的无线传输技术52.4 几种无线传输技术的比较52.5 ZigBee无线通信协议62.6 ZigBee网络拓扑结构82.6.1 星型网络的形成82.6.2 点对点网络的形成93 煤矿井下ZigBee无线网络的设计103.1 ZigBee的网络设备103.2 煤矿井下无线网络的结构104 煤矿井下ZigBee路由的建立114.1 ZigBee路由请求命令帧124.2 路由表建立134.3 路由发现表144.4 路由发现174.4.1 启动路由发现174.4.2 接收到路由请求命令帧174.4.3 接收到路由应答命令帧194.5 路由维护205 煤矿安全网络系统设计与集成215.1 硬件设计215.2 煤矿安全系统集成23总 结24致 谢25参考文献2630引言随着我国煤炭事业的发展，利用信息技术改造传统的煤炭工业，己受到煤炭企业各级组织的高度重视。高产高效煤矿对生产过程监控、全矿井生产安全环境监测、生产过程信息综合利用等方面的网络化、自动化和智能化提出了更高的要求，利用电子信息技术改造传统的煤炭行业，实现矿井生产数字化、网络化、管控一体化是必然的趋势。与此同时，作为煤矿安全生产的薄弱环节,矿井移动通信近年来受到专家的普遍关注。特别是在矿井下，现有的通信采用的是有线通信，然而当矿井下的环境或者是通道发生一定的变化时，有线通信几经不能满足通信的需要，从而在矿难发生时，矿工人员可能因为得不到有用的信息而遇难。因此，为了解决有线通信在煤矿中应用的弊端，参考现已经非常成熟的无线通信技术提出了一种适合于在煤矿井下短距离通信的ZigBee无线通信技术。1 煤矿通信技术1.1 我国煤矿安全现状我国是世界上最大的煤矿生产国，年产量达12亿吨，占世界煤炭总产量的27%，出口量达80万吨，同时我国也是煤炭消耗大国。煤炭占我国一次能源生产和消费结构中的70%左右，预计到2050年还将占50%以上1。因此，煤炭在相当长的时期内仍将是我国的主要能源。然而，我国目前的煤矿生产安全形势依然严峻，除交通行业外,煤炭行业事故最多、伤亡最高, 每年事故伤亡人数近万人, 占国内工业死亡人数的60 %以上, 全国煤矿平均生产100 万吨煤就死亡6 人左右, 远远高于世界各产煤国家。煤矿尘肺危害也非常严重, 据资料统计, 全国省属以上国有煤矿尘肺病患者高达1715 万人, 占我国尘肺病人数的40 %以上, 已累计死亡514 万人。煤矿事故多, 伤亡大, 给职工家属带来极大的痛苦,同时也给国家带来极大的经济损失。煤矿每发生一起事故, 都要付出数目可观的抢救费、医疗费、抚恤金、子女教育费等。尤其是发生瓦斯煤尘爆炸事故, 在造成工程设施和设备的破坏及人员伤亡的同时, 间接损失更大, 并会引起广泛的社会影响, 直接涉及社会安定与政治稳定。由此可以看出煤矿的全技术改造的重要性和紧迫性。要实现可持续发展就必须走新型工业化道路。大力发展煤炭工业信息化，使煤炭生产管理、市场营销、安全监测等环节大大提高劳动生产率是实现新兴工业化道路的重要途径。我国的煤炭工业由于长期受旧体制的影响，除少数煤矿企业外，科技实力普遍不高，存在很多安全生产隐患。在煤矿监控领域，只有部分重点大中型煤矿装配了以计算机为中心的集散型监控系统，更多的是简单的模拟系统，且这些系统由几十个厂家提供，各个系统之间不能兼容。因此，提高煤矿企业的科技实力，特别是小煤矿安全生产的科技实力尤为重要。因此，随着我国经济的快速增长，对煤炭工业发展提出了更高的要求。为此，必须加强安全生产，确保煤炭工业持续、稳定、健康发展。1.2煤矿中信息传输方式现状目前国内外井下监测系统普遍采用的信息传输方式有:工业现场总线通信、动力线载波通信、感应通信和漏泄通信等。载波通信是借用井下既有动力电缆作为信道，这样可省去专门敷设的通信电缆，由于井下动力电缆分支较多，负载变动频繁，工业干扰严重，所处环境恶劣等因素，造成通信质量不够理想。感应通信是借助于感应体(如感应线、钢丝绳、管道等)来传输信号的，这种传输方式的特点是设备与感应体之间存在互感藕合，不像载波通信那样使设备与信道之间建立直接(通过结合设备)藕合。因此它具有灵活性并能做成便携式。感应通信的缺点是:由于体积限制(便于携带)，输出功率较小，不宜用于环境噪声大的场所。漏泄通信是利用敷设在井下巷道中的一条特制的外导体开缝的射频同轴电缆漏泄电缆，使这条漏泄电缆既起到长天线的传输作用，又在它的周围形成一个连续的无线电磁波的漏泄场，使巷道的任何截面上都有足够的无线电场强，利用这个漏泄场的场强，可实现漏泄电缆长天线与移动电台天线之间的双向可逆藕合。这样就把移动电台与之间无线电波复杂的远距离传播问题，转化为移动电台与漏泄电缆之间的简单的近距离传播问题。漏泄通信的缺点是必须有专用的信道，提高了成套系统的造价。我国煤炭行业在安全生产监测监控系统上较具有代表性的几个系统如:KJ95，漏泄通信综合传输监测系统等，它们各自具有独立的通信协议，与其它系统间联网困难，难以做到数据共享，系统的可扩展性受到限制。将CAN总线运用到了KJF-1型矿井火灾监控系统中3。国内一些大学以及研究院都涉及过一些将 CAN总线运用的煤矿监测监控系统的例子。由于煤矿井下的特殊环境，迄今为止标准化的CAN总线在煤矿监控系统中还没有得到应用4。这主要是因为矿井监控同一般工业监控相比，具有电气要求防爆、传输距离较远，网络为分支结构，电网电压波动范围大，传感器(含执行机构)宜采用远程供电，不宜采用中继器，工作环境恶劣(有爆炸和腐蚀性气体、潮湿、有淋水、矿尘大、空间有限等)等特殊性，因此，在选择现场总线应用时，有必要对现场总线在矿井监控系统中遇到的问题加以考虑，以提高矿井监控系统的通用性，可靠性和易维护性，降低系统成本，以适应高产、高效、高安全煤炭生产的要求。1.3 煤矿无线传输技术在纵观了煤矿安全系统的特点后，我们研究发现，现阶段随着矿井开采深度增加，系统的扩展性和现行通信网络灵活性不强，造成了已经存在的信息安全系统的新速度达不到要求。这反映了我国煤矿安全技术相对落后，煤矿安全信息化技术不能满足需求，网络化程度不高，井下安全信息不能及时传到井上生产控制中心，造成井下与井上的信息不对称。我们在分析近期煤矿发生的事故时发现：(1)地面与井下人员的信息沟通不及时。(2)地面人员难以及时动态掌握井下人员的分布及作业情况。(3)一旦煤矿事故发生，抢险救灾、安全救护的效率低，搜救效果差。井上管理人员难以及时准确掌握井下人员的分布及作业情况，一旦发生事故，抢险救灾、安全救护的效率低，特别是事故发生后对矿井人员的抢救缺乏可靠的位置信息。并且，现有的煤矿安全信息系统大多以工业总线为基础，构成有线的通信传输网络。但是，由于开采计划是伴随井下煤炭的分布情况变化而变化的，有线网络的扩展能力跟不上开采的实际要求，不可避免地暴露出来了覆盖率，扩展性，灵活性等方面不足的问题，为了确保重要的安全数据、控制数据和井下仪表的检测数据得到及时地传输，有必要引进无线网络技术来完善整个信息系统。随着社会的进步，科技的发展和煤矿安全生产的需要，许多无线通信技术已经涌现出来了。目前，矿井无线通信技术主要有透地通信技术、中远距离射频感应通信技术、漏泄通信技术以及矿井移动通信技术等。上述技术有的成木较高，有的功耗相对较大，还有的抗干扰能力相对较差等一些不足，在很大程度上阻碍了在矿业行业推广应用。在煤矿无线通信方面，2003年，东南大学研究的煤矿井下人员检测与定位系统综合应用WSN(Wireless sensor Network无线传感器网)、 SDR(Short Distance Radio短距离无线通信设备)、WLAN技术，实现了一套高效、高可靠性、低成本、布设容易的无线矿井安全与救援系统.因此，为了解决上述问题，现已采用了ZigBee技术。ZigBee技术是由英国Invensys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2002年10月共同提出设计研究开发的具有低成本、体积小、能量消耗小和传输速率低的无线通信技术。它以IEEE 802.15.4协议为基础，使182 2006.24计算机工程与应用用全球免费频段进行通讯，能够在三个不同的频段上通讯。全球通用的频段是2.400GHz-2.484GHz,欧洲采用的频段是868.0 MHz -868.6 6MHz美国采用的频段是902MHz -928MHz传输速率分别为250kbps 20kbps和40kbps通讯距离的理论值为10m- 75m。ZigBee技术是一个新出现的无线个人区域网络通信技术，最显著的技术特点是其协议简单、成本小、功耗低、组网容易等，他非常适用于煤矿井下巷道多曲折、多风门等结构特点和电源供电限制严格、煤炭行业资金短缺等特点。尽管它有着较低数据传输率，但是这一传输速度仍能够满足井下人员信息传输和煤矿安全的需求。我们通过对ZigBee无线通信协议的研究，将先进的无线网络技术引进到煤矿安全系统中来，建立了一套组网灵活，扩展性强，安全可靠的煤矿安全无线网络，使得煤矿安全系统的数据传输性能和效率都得到大大的提高，降低了系统扩展所带来的成本，从而提高我国煤矿安全领域的信息技术化进程。我们研发的煤矿安全系统必定能够有效扼制煤矿安全事故的发生。2 无线通信技术随着科学技术的不断提高，人们对信息传输的速率、传输质量和传输距离也有了更高的要求。我们就现有的几种无线传输技术 Bluetooth, Wi-Fi， ZigBee，GPRS/LXRTT/CDMA/GSM和UWB作了简要的介绍。2.1 蓝牙技术蓝牙技术5由爱立信、东芝、BIM和英特尔等公司于1998年提出。主要用来打破以红外线或电缆线连接不同产品时受到的限制。2000年，蓝牙技术使得移动电话等设备与个人电脑或任何其他设备、仪器之间，能够在约几十米的距离内无需连接电缆线或红外接口就可进行数据交换。蓝牙是实现话音和数据无线传输的开放性规范6，是一种低成本、短距、支持点到点和点到多点的通信的无线通信技术，它具有以下特点:1）蓝牙技术使用2.4GHzSIM频段，无需申请频率许可证。2)低功率、短距离。蓝牙技术的额定输出功率0dBm，传输距离10cm-10m，在加入额外的功率放大器后，如20dBm时可达100米； 3)采用跳频扩频技术避免干扰和衰落，并采用快跳频(跳频速率达1600跳/秒)、分组及快速等方法进一步避免干扰和衰落，提高传输的可靠性。在干扰下，使用短数据分组来尽可能增大容量。4）使用1Ms/s符号速率以达到最大限制带宽，宽带链路配置支持低价的单芯片，且在快速确认机制下使用较低的编码开销。5)信息分组传输，同时支持话音和数据。采用TDD全双工方式，基带协议用电路交换和分组交换混合方式，组网方便灵活。从物理层、链路层和业务层三方面提供安全措施7，保密性好。支持点到多点连接。蓝牙技术具有强大数据通讯优势，但是由于蓝牙技术主要针对数据交换及语音信号传输，同其它个人通信技术相比，其协议过于复杂、芯片成本较高。2.2 ZigBee技术ZigBee是由英国、美国、荷兰以及日本一些著名的公司于2002年联合推出的一种近距离、复杂度低、功耗低、数据速率低、成本低的双向无线通信技术，主要适合于自动控制、传感、监控和远程控制等领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。ZigBee联盟在制定ZigBee标准时，采用了IEEE802.15.4作为其物理层和媒体接入(MAC) 层，而IEEE802.15.48工作组定义了一种廉价的供定、便携式移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线连接技术。并且ZigBee能支持消耗功率最少，一般是个人活动空间(10m直径或更小)内的简单器件。ZigBee支持两种网络拓扑，即单跳星状和当通信线路超过10m的多跳对等拓扑。但是对等拓扑的逻辑结构由网络层定义。ZigBee具有以下特点：低功耗。在低耗电待机模式下，2 节5 号干电池可支持1个节点工作624个月，甚至更长。这是ZigBee的突出优势。低成本。大幅度简化了协议(不到蓝牙的1/10) ，降低了对通信控制器的要求。它是按预测分析的，以8051的8位微控制器测算，全功能的主节点需要32KB代码，而且ZigBee不用协议专利费。近距离。在相邻节点间的距离传输范围一般介于10100 m 之间，增加RF 发射功率后，亦可增加到13 km。如果通过路由和节点之间产生通信接力的话，传输距离将可以更远。短时延。ZigBee 的响应速度较快,一般从睡眠转入工作状态只需15 ms ,节点连接进入网络只需30 ms ，进一步节省了电能。高容量。ZigBee 可采用星型、树型和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254 个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成节点为65000 个的大网。高安全。ZigBee 提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单(ACL) 防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES 128) 的对称密码，用来灵活确定其安全属性。免执照频段。采用直接序列扩频在工业科学医疗( ISM) 频段，一般使用的频段是2. 4 GHz (全球) ，915 MHz(美国) 和868 MHz(欧洲) 。2.3 其他的无线传输技术Wi-Fi（无线高保真)9是一种无线通信协议，主要解决的是无线局域网的接入问题，它是将笔记本和桌面电脑接入有线网络的很好的解决方案，但它的功耗却非常高，不能满足井下设备低功耗的要求。无线通信质量不是很好，数据安全性能差，也不能应用于强干扰的煤矿环境。GPRS/LXRTT/CDMA/GSM一般用于移动数字终端，这些公众系统虽然覆盖范围大，用户容量大，但移动信号无法覆盖煤矿井下，井下使用效果较差。UWB（超宽带技术）10是一种成本非常高的通信协议，它的电池在补充电的情况下只能使用几个小时，并且传输的距离只有30m，虽然他的系统容量大，隐蔽性好，数据的传输速率高，抗干扰能力强，但是所用到的通讯频道是3.1-10.6GHz，需要申请频道专用费，成本很高。也不能满足煤矿低成本的要求。2.4 几种无线传输技术的比较上几节中我们已经介绍了Bluetooth, Wi-Fi，UWB, ZigBee等几种无线传输技术，下表2-1是这几中传输技术的比较：表2-1 几种无线传输技术的比较市场名标准Wi-FiUWBBluetoothZigBee成本较高最高较低最低电池寿命几天几小时几天几年有效距离100m10m10m10-75m传输速率5.5/11Mbps40-600Mbps1-3Mbps20/40/250Mbps采用协议802.11b802.11b802.15.1802.15.4通讯频道2.4GHz3.1-10.6GHz2.4GHz868MHz/915 MHz /2.4GHz成功尺度速度，灵活速度高，容量大价格便宜， 方便可靠，低功耗，价格便宜具体分析如下：(1)复杂性ZigBee的系统复杂性要远小于蓝牙的系统复杂性，这可以从它们的协议栈的参考模型来看出ZigBee的协议栈实现相对容易，需要的系统资源也较少，据估计运行ZigBee需要系统资源约28K，蓝牙的协议栈相对复杂，它需要系统资源约为250K。ZigBee定义T两种类型的设备：全功能设备FFD和简化功能设备RFD。网络为主从结构，一个网络有一个网络协调器。网络协调器必须是FFD，它负责管理和维护网络，包括路由、安全性等。一个网络只需要一个网络协调器，其他终端设备可以是RFD，也可以是FFD。RFD的价格要比FFD便宜得多，其占用系统资源仅约为4Kb，因此网络的整体成本比较低。（2）低成本性ZigBee的协议还不到蓝牙协议的1/10，降低了对通信控制器的要求.并且ZigBee不用协议专利费, 每块芯片的价格大约为2 美元。（3）低功耗性低功耗是ZigBee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。因为蓝牙技术的数据传输速率比较高，因此会加大对于芯片的能量开销，在煤矿安全无线网络中，对于传输的数据基本上是以传感器的数据为主，因此对于绝对速度要求不高，但是由于系统主要是在井下工作，周围条件比较恶劣，在有限条件下的应用中，更换电池不仅麻烦，而且实际上是不可行的，所以在ZigBee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。除此之外，蓝牙技术基本上只是设计作为有线的替代品，现在常见的是把蓝牙应用于手机和附近的耳机，传输速率比较快。别外，它可以在不充电的情况下工作几周，但无法工作几个月，更不用说几年了。一般情况下，蓝牙设备需要人手配置和维护网络连接；它可以用来有效地处理8个设备(一个主设备和7个从设备)，如果更多的话，通讯速率则显著下降。因此，通过上面几种无限技术的比较，我们可以发现在煤矿安全无线网络中，无线网络覆盖的区域根据具体煤矿的大小而定，并且，煤矿无线网络结构很随着工作的进一步进行，也会随之变化，而在一般情况下，我国煤矿的采矿区域一般比较大，网络结构也比较复杂。因此，从低成本，低功耗，低复杂度，灵活性等方面考虑，采用以ZigBee技术为基础的，无线网络组网技术更加符合煤矿安全系统的实际需要和特点。2.5 ZigBee无线通信协议IEEE无线个人区域工作组的IEEE802.15.4技术标准是ZigBee技术基础，它使用全球免费频段进行通讯，能够在三个不同的频段上通讯。全球通用频段是2.4002.484 GHz，欧洲采用的是868.0868.6 MHz，美国采用的是902928 MHz，传输速率分别为250 kbit/s、20 kbit/s和40 kbit/s，通讯距离的理论值为1075米。 其中IEEE802.15.4规范是一种经济、高效、地数据率、工作在2.4GHz和868/928MHz的无线技术网络层以上的协议，由ZigBee联盟制定，IEEE802.15.4负责物理层和链路层标准。IEEE 802.15.4协议栈结构如表3-1所示。表2-2 IEEE 802.15.4协议栈结构应用层应用层接口API网络应用层数据链路层DDL介质访问层MAC物理层PHY (2.4GHz和868/915MHz)物理层主要是解决编码调制、通信速率、通信频段的选取等问题，物理层的编码调制关系到频率带宽、通信速率、收发功率等一切问题，采用不同的调制方式应用于不同的节点技术中。IEEE 802.15.4协议把物理层分为了两个频段：2.4GHz和868/915MHz。2.4GHz频段为全球统一的无序申请的ISM频段，数据传输速率为250kbps，较高的速率主要归因于直接序列扩频DSSS方法的准正交调制技术。采用这种技术可以获得更高的吞吐量、更小的通信时延和更短的工作周期，从而更加省电。在频段选择方面，可适用免许可证频段ISM频段。868MHz是欧洲的ISM频段，915MHz是美国的ISM频段，这两个频段的引入避免了2.4GHz附近的各种无线通信设备的相互干扰。他们的传输速率为20kb/s和40kb/s，使用简单的DSSS方法。使用这两个频段上的无线信号传播损耗较小，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。完整的ZigBee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，如表2-2所示。表2-3 ZigBee协议栈结构应用层应用汇聚层网络层IEEE 802.15.4LLCIEEE 802.2LLCIEEE 802.15.4MAC868/915MHz物理层2.4G物理层 a) 物理层：遵循IEEE 802.15.4协议，是协议栈的最底层。它负责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（CCA）以及通过物理媒体对数据包进行发送和接收。b) MAC层：遵循IEEE 802.15.4协议，可以实现信标管理、信道接入、时隙管理、发送确认帧、发送连接及断开连接请求，还为应用合适的安全机制提供一些方法。它包含具有时间同步信标的可选超帧结构，采用免碰撞的载波侦听多址访问（CSMA-CA）。同时，它还负责设备间无线数据链路的建立、维护和结束，确认模式的数据传送和接收，可选时隙，实现低延迟传输，支持各种网络拓扑结构，网络中每个设备为16位地址寻址。c) 网络层：建立新的网络，处理节点的进入和离开网络，根据网络类型设置节点的协议堆栈，使网络协调器对节点分配地址，保证节点之间的同步，提供网络的路由，保证数据的完整性，使用可选的AES-128对通信加密。d) 应用层：主要负责向用户提供简单的应用软件接口（API），包括应用子层支持APS（Application Sub-layer Support）、ZigBee设备对象ZDO（ZigBee Device Object）等，实现应用层对设备的管理，为ZigBee技术的实际应用提供一些应用框架模型等。应用支持层与层之间维持器件的功能属性，发现该器件工作空间中其他器件的工作，根据服务和需求使多个器件之间进行通信，根据具体应用由用户开发。因此，整个协议的设计使得ZigBee技术具有数据传输速率低、功耗低、成本低、网络容量大、时延短、安全、有效范围小、工作频段灵活等特点，很适合于煤矿井下的工作环境。 2.6 ZigBee网络拓扑结构ZigBee定义了三种网络拓扑结构11：星型拓扑结构（Star）、簇树结构（Tree）和网状结构（Mesh）。星型拓扑结构主要为一个节点与多个节点的简单通信设计，它主要适合于家庭自动化、个人计算机的外设以及个人健康护理等小范围的室内应用。树型拓扑结构（Tree），使用分等级的树型路由机制，它是点对点网络，只要彼此在对方的无限辐射范围内，且满足通信要求，都可以直接通信。网络型拓扑结构（Mesh）是更复杂的点对点的网络，是将Z-AODV和分等级的树型（Tree）路由相结合的混合路由方法。2.6.1 星型网络的形成 图3-1星型网络在ZigBee星型网络中，网络以协调器为中心，所有设备只能与网络协调器进行通信；因此，在星型网络的形成过程中，第一步就是确定网络协调器。任何一个 FFD(Full Function Device，全功能设备)设备都有成为网络协调器的可能，一个网络如何确定自己的网络协调器由上层协议决定。一种简单的策略是：一个FFD设备在第一次被激活后，首先广播查询网络协调器的请求，如果接收到回应说明网络中已经存在网络协调器，再通过一系列认证过程，设备就成为了这个网络中的普通设备。如果没有收到回应，或者认证过程不成功，这个FFD设备就可以建自己的网络，并且成为这个网络的网络协调器。在这过程中，如果出现一个网络协调器过期问题时，可能有两种常见的原因:一种是原有的网络协调器出现损坏或者电力供应不足而失效;另一个是偶然因素造成多个网络协调器竞争问题，例如有干扰源(移动物体阻挡，有强电辐射源出现)阻碍了协调器的通信，造成一个FFD有可能自己建立网络，当干扰源消失之后，网络中将出现多个网络协调器的现象。网络协调器要为网络选择一个唯一的标识符，所有该星型网络中的设备都是用这个标识符来规定自己的隶属关系。不同星型网络之间的设备通过设置专门的网关完成相互通信。选择一个标识符后，网络协调器就允许其他设备加入自己的网络，并为这些设备转发数据分组。星型网络中的两个设备如果需要互相通信，都是先把各自的数据包发送给网络协调器，然后由网络协调器转发给对方。2.6.2 点对点网络的形成在ZigBee点对点网络中，任意两个设备只要能够彼此收到对方的无线信号，就可以进行直接通信，与星型网络不同，不需要其他设备的转发。但点对点网络中仍然需要一个网络协调器，不过该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。网络协调器的产生同样由上层协议规定，比如把某个信道上第一个开始通信的设备作为该信道上的网络协议器。图3-2簇树网络 图3-3Mesh网络在ZigBee点对点网络中，任意两个设备只要能够彼此收到对方的无线信号，就可以进行直接通信，不需要其他设备的转发。但点对点网络中仍然需要一个网络协调器，不过该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。网络协调器的产生同样由上层协议规定，例如把某个信道上第一个开始通信的设备作为该信道上的网络协议器。簇树网络是点对点网络的一个特例。在簇树网络中，绝大多数设备是FFD设备，而RFD设备总是作为簇在簇树网络中，绝大多数设备是FFD设备，而RFD(Reduced Function Device，精简功能设备)设备总是作为簇树的叶节点连接到网络中。任意一个FFD都可以充当RFD协调器或者网络协调器，为其他设备提供同步信息。在这些协调器中，只有一个可以充当整个点对点网络的网络协调器。网络协调器可能和网络中其他设备一样，也可能拥有比其他设备更多的计算资源和能量资源。网络协调器首先将自己设为簇头(cluster header，CLH)，同时为该簇选择一个未被使用的PAN网络标识符，形成网络中的第一个簇。接着，网络协调器开始广播信标帧。邻近设备收到信标帧后，就可以申请加入该簇。设备可否成为簇成员，由网络协调器决定。如果请求被允许，则该设备将作为簇的子设备加入网络协调器的邻居列表。新加入的设备会将簇头作为它的父设备加入自己的邻居列表中。上面讨论的是一个只由单簇构成的最简单的簇树。PAN网络协调器可以指定另一个设备成为邻接的新簇头，以此形成更多的簇。新簇头同样可以选择其他设备成为簇头，进一步扩大网络的覆盖范围。但是过多的簇头会增加簇间消息传递的延迟和通信开销。为了减少延迟和通信开销，簇头可以选择最远的通信设备作为相邻簇的簇头，这样可以最大限度地缩小不同簇间消息传递的跳数，达到减少延迟和通信开销的目的。3 煤矿井下ZigBee无线网络的设计3.1 ZigBee的网络设备ZigBee的网络设备主要ZigBee协调器、ZigBee路由器、ZigBee终端设备三部分组成。下面对这三种设备作具体的介绍。 ZigBee协调器是启动和配置网络的一种设备。协调器可以保持间接寻址用的绑定表格，支持关联，同时还能设计信任中心和执行其它活动。一个ZigBee网络只允许有一个ZigBee协调器。ZigBee路由器是一种支持关联的设备，能够将消息转发到其它设备。ZigBee网状或树型网络可以有多个ZigBee路由器。ZigBee星型网络不支持ZigBee路由器。ZigBee终端设备可以执行它的相关功能，并使用ZigBee网络到达其它需要与其通信的设备。它的存储器容量要求最少，功能相对简单。此外，ZigBee协调器与ZigBee路由器在物理上属于FFD设备，ZigBee终端设备属于RFD设备。3.2 煤矿井下无线网络的结构井下的网络主要由有线网络组成，现在为了扩大煤矿安全系统控制范围，提高整个信息系统的可扩展性，加强信息采集的灵活性，我们引入了ZigBee无线传输技术，设计了有线+无线的网络构架。因为实际井下的情况非常复杂，我们只是简要的就煤矿下的网络结构作了初步的了解，整个网络类似于前文2.7.2节提到的簇状树型结构。下图是井下无线网络的大体结构图。ZigBee协调器ZigBee路由器ZigBee路由器ZigBee终端设备ZigBee终端设备ZigBee终端设备ZigBee终端设备ZigBee终端设备图3-1井下无线网络的大体结构图煤矿井下具体的无线网络设计思想如下:将ZigBee协调器放置在煤矿安全系统原有有线网络的智能终端出，以串口通信方式进行连接，这样可以提供ZigBee协调器充分的电源供应。协调器除了协调整个网络之外，还负责把数据转发给井口的数据绘节点，然后再根据现有网络把数据发送到地面系统。我们只研究井下的网络，所以井口以上的网络我们就不在这里介绍了。在煤矿特定工作面进行挖掘工作的工作人员身上，我们把ZigBee终端放置给他们佩戴。这样方便了数据的一线采集，也有利于对人员位置信息的了解。ZigBee终端设备是简化功能设备，它的特点是功能简单，功耗低，便于携带，可以长期使用，通过外挂不同的传感器，可以对有选择的采集想要得到的数据(如CO的浓度，CH4的浓度，井下工作面的温度等等)。同时为了更好的达到网络传输的效果，建议在每个工作组中，安排放置一个ZigBee路由器，这样更加有利于现场数据和协调器之间有效的数据交流。考虑到煤矿工作的特殊性，在煤矿的日常工作中，会有一批巡视员对煤矿生产中出现的一些情况进行巡查。他们一般都会在各个工作面来回的穿梭，所以我们设计将ZigBee路由器放置在这些巡视人员的身上，在这些巡查人员进行巡视时，把一些数据传输到ZigBee协调器上，加大了数据传输的灵活性，方便了数据的无线传输，提供了灵活的无线组网方式，也建立了方便的无线路由，使得在一些突发事情出现时，可以将现场的数据最快地传输到地面监控中心。4 煤矿井下ZigBee路由的建立在现存的煤矿安全检测系统中，主要通过有线的形式构成整个通信网络，其中包括使用RS-485总线和以N总线的工业现场总线的方法，实际应用中会遇到很多的困难，特别在网络的扩展性和组网的灵活性方面有很多问题存在。于是我们结合煤矿井下，每个工作人员由于工作的需要无时无刻不在运动，身上携带的ZigBee节点在网络中移动、进入、退出；另外，随着煤矿的进一步挖掘，引起网络拓扑结构的动态变化，各节点间通过多条数据转发机制进行数据交换，需要专门的路由协议进行分组转发操作。因此，我们比较了无线传感器和自组织网络中出现的路由协议，采用了ZigBee无线网络中的自组织网络路由协议，此协议适合煤矿安全系统的井下无线网络的路由，并且满足煤矿井下实际无线网络的需要。其协议的主要作用是在自组织网络环境中，建立各节点的路由。同时，通过监控网络拓扑结构的变化来更新和维护路由。基于ZigBee的无线网络采用AODV12路由算法与簇状树型路由算法13。AODV综合了DSDV14和DSR15的许多优点，使得路由协议简单易于实现。在节点发生故障或部分网络传输条件暂时恶劣的情况下，AODV的恢复能力极强。如果存在几条到目的节点的可选路径，那么ZigBee路由器会采用多种指示器来选择适当的路由路径，以尽可能避免数据包丢失16。簇状树形是一种由网络协调器展开生成树状网络的拓扑结构，在簇状树形路由算法中，数据将在源设备和目标设备之间的“树”状路由上严格地按照从父到子或从子到父的路径传输。4.1 ZigBee路由请求命令帧ZigBee网络层定义了用于路由的命令17。命令帧ID如表4-1所示。表4-1命令帧ID命令帧ID命令名称0x01路由请求0x02路由应答0x03路由错误0x04离开0x00,0x05-0xff保留 （1）路由请求命令(RREQ)路由请求命令用于允许设备对网络中其它设备进行路由请求，使得信息能方便快捷的传送到目的设备。以下表4-2是路由请求命令的格式。表4-2路由请求命令格式字节数：11121命令帧ID命令选项路由请求ID目的地址路径开销网络开销命令选项：8位的命令选项如表4-3所示。表4-3路由请求命令的选项位：0-67保留路由修复路由修复子项：若路由请求命令帧作为路由修复造作的一部分产生时，路由修复子项值为1。路由请求ID：一个8位的路由请求序列号。目的地址：代表目的节点的地址信息。路径开销：路由请求命令帧发送过程中，路由开销的信息。(2)路由应答命令(RREP)路由应答命令是对路由请求命令的应答，能根据路由请求命令所经过的路由路径，返回应答信息，具体命令格式如下表4-4所示。表4-4路由应答命令格式字节数：111221命令帧ID命令选项路由请求ID源地址应答地址路径开销网络开销路由请求ID：一个8位的路由请求序列号。源地址：发起路由请求命令的节点的16位网络地址。应答地址：路由发现的目的节点的16位网络地址。路径开销：用来计算路由应答命令通过网络的链路开销。(3)路由出错命令帧(RERR)路由出错命令帧用于当设备无法向前传送数据帧时，其结构如表4-5。表4-5路由差错命令帧结构字节数：112命令帧ID差错编码目的地址差错编码路由差错命令帧的差错编码如表4-6表6-6路由差错命令帧的差错编码值出错编码0x00无有效路由0x01树形链接失败0x02非树形链接失败0x03低电能标准0x04无路由能力0x05-0x0ff保留（4）离开命令离开命令是NLME用来通知设备的父节或子节点，设备正离开网络或请求离开网络。具体格式如表4-7表4-7 离开命令格式字节数：11命令帧ID命令选项命令选项如表4-8位：0567保留请求/指示子设备离开请求/指示：如果值为1，那么离开命令帧请求离开网络；如果值为0，那么离开命令指示，设备要离开网络。子设备离开：如果值为1，那么正在离开网络的设备，它的子节点也将被迫离开网络。如果值为0，则子设备已经离开网络。4.2 路由表建立ZigBee路由器和协调器可对路由表进行维护。路由表信息如表4-9所示。ZigBee路由器或协调器同时应该保留若干路由表条目以备用来进行路由修复或者在所有路由功能都丧失的情况下使用。表4-9路由表域名大小描述目的地址2字节路由的16为网络地址状态3字节路由的状态见表4-10下一条地址2字节目的地址经过的下一跳16为网络地址表4-10路由状态值数值状态0x0ACTIVE0x1DISCOVERY-UNDERWAY0x2DISCOVERY-FAILED0x3INACTIVE0x4-0x7RESERVED4.3 路由发现表如果ZigBee路由器或协调器维护一个路由表，则它同样应维护一个路由发现表，该表所包含的信息如表4-11所示。路由表条目是不变的，而路由发现表的条目仅仅是在路由选择的过程中存在，并且可重新生成。表4-11路由发现域名大小描述路由请求1字节路由请求帧的ID，设备启动一次路由请求，ID+1源地址2字节路由请求发起者的16位网络地址发送地址2字节回复路由请求的最近最有成本的设备的16位网络地址前向开销1字节计算从路由发起到当前设备的路径开销剩余开销1字节计算从当前设备到目的设备的路径开销溢出时间2字节路由发现终止的计时器，起初始值为nwkc路由设备时间网络层接收数据帧后，将按下列的流程发送该数据帧，其流程如图4-1所示。 如果网络层收到来自上一层的数据帧，且数据帧的目的地址是广播地址时，网络层应广播传送这个数据帧。如果收到数据帧的设备是ZigBee协调器或路由器，且数据帧的目的设备是接收设备的终子节点时，数据帧将通过MCPS-DATA.request命令被直接路由到目的地，下一跳目的地址设置为最终目的地址。如果设备具有路由能力，那么检查路由表是否具有到目的设备的路由条目，如果有的话，进入路由的下一跳。 如果数据帧的目的设备不是接收设备的终端子节点，那么就看设备是否有路由能力。如果没有找到相关的路由条目，判断是否可以发现路由，如果能发现路由，启动路由发现程序。如果不能发现路由，那么将和不具有路由能力一样，进行沿树选择分级路由。如果网络层收到来自下一层的数据帧，且数据帧的目的地址是广播地址时，网络层应首先重新广播该数据帧，然后将数据帧发送到上一层处理。在目标设备不是本地子终端，并且也不具有路有能力时，数据就会沿树进行路由。因此，在这里我们就树型路由算法作简要的说明。树型路由机制包括配置树型地址和树型地址的路由。当协调器建立一个新的网络，它将给自己分配网络地址0，网络深度Depth0=0。如果节点（i）想要加入网络，并且与节点（k）连接，那么节点（k）将称为节点（i）的父节点。根据自身的地址Ak和网络深度Depthk，节点（k）将为节点（i）分配网络地址Ai和网络深度Depthi=Depthk+1。网络深度表示仅仅采用父子关系的网络中，一个传送帧传送到ZigBee协调器所传递的最小跳数。ZigBee协调器自身深度为0，而它的子设备深度为1。是否广播是否具有到目的设备的路由条目传送帧到高层是否发送给自己目标设备是否本地子终端C是是否否来自高层的帧来自低层的帧广播域是否广播AB是是否沿着树进行路由是否具有路由能力D是否启动路由发现到下一跳是否发现路由是是否直接发送到目的设备否否图4-1 基本路由算法图4-2为ZigBee树型结构。参数nwkMaxChildren(Cm)表示路由器或协调器在网络中允许拥有子设备数量的最大值。参数nwkMaxRouters(Rm)表示子节点中路由器的最大个数，而剩下的设备数为终端设备数。一个新的RFD节点（i），它没有路有能力，它与协调器连接作为协调器的第n个子节点。根据它的深度d，父节点（k）将为子节点（i）分配网络地址：如果是新的子节点FFD，它有路由能力，父节点（k）将给它分配网络地址：其中：否则，参数nwkMaxDepth (Lm)表示网络的最大深度。RouterEnd DeviceCoordinatorDepth=dDepth=d+1Depth=0Depth=1RMCM图4-2 ZigBee树型结构假设一个路由器向网络地址为D的目的地址发送数据包，路由器的网络地址为A，网络深度为d。路由器将首先通过表达式：判断该目的节点是否为自己的子节点。如果目的节点是自己的子节点，则下一跳节点的地址为：否则，下一跳是该路由器的父节点。4.4 路由发现路由发现18是在网络中的设备相互合作条件下选择，并建立路由的一个流程，该流程通常与特定的源地址和目的地之相对应。4.4.1 启动路由发现当网络层接收到来自上层的NLDE-数据请求命令，同时设备路由参数设置为0x02，路由发现流程应被启动。当网络层接收到来自上层的NLDE-数据请求命令，同时设备路由参数设置为0x01，即没有目的地址参数相联系的路由表条目，路由发现应被启动。当接收到来自MAC子层的帧，其网络头中目的地址的值与当前设备和广播地址不匹配，而且帧控制域的发现路由子域的值为0x01和0x02，没有与目的地址参数相联系的路由表条目，路由发现应被启动。此外，