（交通信息工程及控制专业论文）基于ZigBee技术的铁路集装箱信息采集系统的研究与设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 集装箱运输以其高效、便捷、安全的特点成为交通运输现代化的重要形 式。随着我国经济的飞速发展，近年来集装箱运输吞吐量高速增长。在信息 和网络技术如此发达的当今社会，作为货物运输主要载体的集装箱，信息化 技术的应用非常滞后，这与现代物流所要求的信息透明化、实时化是极其不 吻合的。目前，铁路在集装箱运输作业过程中，信息采集主要通过人工进行， 效率非常低，工作繁重且极容易出现差错。由于在整个集装箱信息管理系统 中，集装箱信息的自动采集是关系到工作效率高低的最重要的环节，所以如 何在保证安全的情况下提高信息采集的速度和准确性就成了解决问题的关 键。而z i g b e e 技术是一种新兴的短距离、低速率、低功耗无线网络技术。如 果将z i g b e e 技术很好的融入到集装箱运输过程中，将会使铁路集装箱的运输 水平得到进一步的提高。 首先，本文指出了目前集装箱信息采集系统中存在的问题，并针对这些 问题分析了z i g b e e 技术在集装箱信息采集中的优势，介绍了z i g b e e 技术的 特点和z i g b e e 协议栈的体系结构，并且分析、比对各种无线连接技术，研究 了z i g b e e 技术运用在铁路集装箱运输中的可行性。 其次，结合集装箱办理站的物理环境，设计了相应的z i g b e e 网络拓扑结 构。并根据集装箱信息采集要求，探讨了基于z i g b e e 技术的集装箱信息采集 系统的工作原理，同时，对z i g b e e 无线传感器网络的定位、安全性等关键技 术做了相应研究。设计了基于z i g b e e 技术的集装箱信息采集系统的总体框 架，并在此基础上结合集装箱办理站的环境，通过对集装箱信息采集作业的 分析，总结了信息采集过程中涉及到的建立网络、加入网络、传输数据和离 开网络等相关关键技术。 最后，根据设置的网络拓扑结构和铁路站场设备条件，基于c c 2 4 3 0 芯 片和n s 2 平台开发了仿真程序并进行了模拟，得到了静止节点的z i g b e e 无 线传感器网络的性能数据和不同运动速率下的z i g b e e 无线传感器网络的性 能数据。从而论证了在集装箱信息采集中运用z i g b e e 技术的可靠性。 关键词：z i g b e e ；集装箱；信息采集；n s 2 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t c o n t a i n e rt r a n s p o r t ，b e i n ge f f i c i e n t ，c o n v e n i e n ta n ds a f e ，i sas i g n i f i c a n t m e a n so ft r a n s p o r tm o d e r n i z a t i o n a l o n gw i t ht h er a p i de c o n o m i cd e v e l o p m e n ti n o u rc o u n t r y , t h ec o n t a i n e rt h r o u g h p u th a sb e e nr a p i d l yi n c r e a s i n g n o w a d a y s ，t h e i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dn e t w o r kt e c h n o l o g ya r eh i g h l ya d v a n c e da n dw i d e l y p o p u l a r i z e d n e v e r t h e l e s s ，a l t h o u g hc o n t a i n e ri sam a i n l yu s e dt r a n s p o r tc a r r i e r , t h ea p p l i c a t i o no fi ti nc o n t a i n e rt r a n s p o r ti sq u i t eo u to fd a t e t h i ss i t u a t i o ni s f a rf r o mm e e t i n gt h er e q u i r e m e n t sf o rv i s i b l e ，r e a l - t i m ei n f o r m a t i o ni nm o d e m l o g i s t i c s i ti se s p e c i a l l yi nr a i l w a yt r a n s p o r tt h a tt h ea u t o m a t i z a t i o nl e v e li sl o w a tp r e s e n t ，p l e n t yo fm a n u a lw o r ke x i s t si nr a i l w a yt r a n s p o r t ，o w i n gt ow h i c h i n e f f i c i e n c ya n dn u m e r o u se r r o r sa r ec a u s e d i nt h ec a s eo fb l o c kc o n t a i n e rt r a i n ， t h ec o n t a i n e r s a r r i v a la n dd e p a r t u r ea r ec o n c e n t r a t i v ea n dal o to fw o r ks h o u l db e h a n d l e da tt h es a m et i m e ，t h e r e f o r e ，t h ep r o b l e m sf r o mm a n u a lw o r ka r em o r e n o t i c e a b l e i nt h em a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e mf o rc o n t a i n e r s ，i n f o r m a t i o n c o l l e c t i n gi st h em o s ti m p o r t a n ta m o n gt h e s ew o r ke f f i c i e n c yi m p a c t i n gf a c t o r s c o n s e q u e n t l y , i no r d e r t od e a lw i t ht h ep r e s e n t p r o b l e m s ，i m p r o v i n gt h e e f f i c i e n c ya n dt h ea c c u r a c yo fi n f o r m a t i o nc o l l e c t i n gu n d e rs e c u r ec o n d i t i o n si s t h e k e y z i g b e ei s an e ww i r e l e s sn e t w o r kt e c h n o l o g yf o rs h o r td i s t a n c e c o m m u n i c a t i o n ，w i t hl o we n e r g yc o n s u m p t i o na n dl o wd a t a s p e e d t h e a p p r o p r i a t eu s a g eo ft h i st e c h n o l o g yc a ng i v ei m p r o v e m e n t si nr a i l w a yc o n t a i n e r t r a n s p o r t i nt h i st h e s i sa r ef i r s t l ya n a l y z e dt h ee x i s t e n tp r o b l e m si nc u r r e n tc o n t a i n e r ， i n f o r m a t i o nc o l l e c t i n gs y s t e m ，m e a n w h i l e ，w i t ha i m i n ga tt h e s ep r o b l e m s ，t h e a d v a n t a g e so fz i g b e et e c h n o l o g yi nc o n t a i n e ri n f o r m a t i o nc o l l e c t i n gp r o c e s sa r e i l l u s t r a t e d i na d d i t i o n ，t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ep r o t o c o ls t a c ks t r u c t u r eo f z i g b e ea r ep r e s e n t e d w i t ha n a l y z i n ga n di n t e r c o m p a r i n gt h ev a r i o u sw i r e l e s s c o n n e c t i o nt e c h n o l o g i e s ，r e s e a r c hw o r ki sd o n eo nf e a s i b i l i t yo fu s i n gz i g b e ei n r a i l w a yc o n t a i n e rt r a n s p o r t s e c o n d l y , w i t ht a k i n gi n t oa c c o u n tt h ee n v i r o n m e n to fr a i l w a yf r e i g h ts t a t i o n ， t h et o p o l o g i c a ls t r u c t u r eo fz i g b e en e t w o r ki sd e s i g n e d a d d i t i o n a l l y , b a s e do n t h er e q u i r e m e n t so fc o n t a i n e ri n f o r m a t i o nc o l l e c t i n g ，t h em e c h a n i s mo fc o n t a i n e r i n f b m a t i o nc o l l e c t i n gs y s t e mo nt h eb a s i so fz i g b e ei s d e m o n s t r a t e d i nt h e m e a n t i m e ，s e v e r a li m p o r t a n tt e c h n o l o g i e si nz i g b e e w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ka r e a n a l y z e d ，s u c ha st h ep o s i t i o n i n gt e c h n o l o g i e s ，t h es e c u r i t ye t c t h ep r e l i m i n a r y d e s i g ni st h e nm a d ef o rt h ec o n t a i n e ri n f o r m a t i o nc o l l e c t i n gs y s t e mb a s e d o n z i g b e e o nt h i sb a s i s ，a ni n f o r m a t i o nc o l l e c t i n gp r o c e s si sa n a l y z e d ，w h i c h i si n t h ee n v i r o n m e n to fr a i l w a yf r e i g h ts t a t i o na n dw h i c hc o n s i s t so fe s t a b l i s h i n gt h e n e t w o r k ，j o i n i n gt h en e t w o r k ，t r a n s f e r r i n gd a t aa n dl e a v i n gt h en e t w o r k f i n a l l v b a s e do nt h et o p o l o g i c a ls t r u c t u r eo ft h en e t w o r k ，a n db a s e do nt h e a c t u a lc o n d i t i o n si nr a i l w a yf r e i g h ts t a t i o n ，s i m u l a t i o ni s d o n ew i t hu s i n gn s 2 s i m u l a t i o ns o f t w a r e t h es i m u l a t i o n w o r kg i v e s ，f o rz i g b e ew i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k t h ep e r f o r m a n c ed a t ao ft h es t a t i cn o d e s ，a n dt h a t u n d e rd i f f e r e n t m o v i n gs p e e d s d u et ot h es i m u l a t i o nt h er e l i a b i l i t yo fu s i n gz i g b e e i nc o n t a i n e r i n f 6 m a t i o nc o l l e c t i n gi sp r o v e n i nt h ee n d ，t h er e a l i z a t i o nw o r ki s d o n ew i t h c c 2 4 3 0c h i p k e yw o r d s ：z i g b e e ；c o n t a i n e r ：i n f o r m a t i o nc o l l e c t i n g ；n s 2 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书： 2 不保密d 使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名： 、客 勺潮 同期2 如q 口7 、j 多 指导老师签名：芝知镪 日期：z 稍7 心 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： j 戋 日期：扣留。7 ，s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 铁路集装箱运输概述 我国铁路集装箱运输起源于2 0 世纪5 0 年代，是世界上较早发展铁路集 装箱运输的国家之一。目前，不论从箱、车、货场条件上讲，还是从箱形、 运量方面看，都具有一定的规模，有了较雄厚的基础。尤其是2 0 世纪9 0 年 代至今十几年来，我国铁路集装箱运输经历了艰难曲折，终于打开了局面， 在国际国内贸易中发挥着重要的作用。 按照我国铁路集装箱运输特点，我国铁路集装箱办理站( 简称办理站) 除办 理集装箱作业外，还负责有铁路集装箱管理作业( 简称箱管) ，包括：铁路箱门到 门装卸货时的出入门信息管理，铁路集装箱非运用信息管理( 修理、备用和报 废) ，以及目前在部分地区开展的租箱业务管理等。集装箱追踪信息管理除有 一般铁路运输追踪信息管理外，还有铁路箱追踪信息管理。以往的箱管，习惯 用箱号卡片管理铁路箱，按箱号记载铁路箱到达、交付、承运、发出等在站主 要作业信息，对铁路箱进行在站过程信息跟踪管理( 信息采集于作业之后) 。管 理范围局限于所在站，各级管理层通过规定的“货集报 ，用数量统计方式获 取所需的铁路集装箱运输生产信息和管理信息，为“数量平衡 模式。随着计 算机技术普遍应用，一些大中型办理站不同程度地建立起集装箱信息管理系 统，以管理铁路箱为主，属于跟踪信息管理方式。“跟踪管理 和“数量平衡 管理模式，受限于人工管理水平，仅可达到“不丢箱 的管理目标，但难以达到 在站过程按箱号追踪信息的管理目标，难以实现铁路集装箱运输信息交换，难 以合理而有效地提供管理所需辅助决策信息。因此，寻找一种合适的信息采 集技术来来完成集装箱信息采集工作就成为集装箱节点站调度自动化系统中 最重要的问题之一。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 国内外铁路集装箱信息采集自动化系统现状 8 0 年代末，一些发达国家为了增加市场竞争实力，提高运输效率和服务 质量，实现集装箱运输的现代化，研制出了技术先进的集装箱自动识别系统， 随后经过技术的不断完善，9 0 年代初，国际上己有大量的集装箱自动识别系 统投入使用，并取得了一定的效果。当前，主要存在以下几种形式【1 】： 1 视频采集技术 它是利用安装在线路或道路旁的摄像设备采集并传送车辆或集装箱的 车号、箱号等数据。然后进行图像处理，利用光学字符识别技术提取箱号进 行自动识别。但是这种技术受雨、雪、雾、灰尘等恶劣环境的影响，所以应 用范围较小。 2 r f i d 电子标签技术【2 j 射频识别技术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 ) 是一种非接触的自 动识别技术，其基本原理是利用射频信号及其空间藕合、传输特性，实现对 静止的或移动中的待识别物体的自动识别。它不受雨、雪、雾、灰尘等恶劣 环境的影响，抗污染性强。但其不足之处是，安装在集装箱上的电子码板是 有源的，并且功耗较大。另外，有一种无源码板，也是通过微波反射系统进 行识别的，但它的主要缺点是识别距离短。因此运用在集装箱上的自动识别 码板，一般都采用有源码板。现在应用范围较广，但是由于其读取距离较近， 对于移动性较好的集装箱的应用也并不多。 3 w p a n 网络采集技术 无线个域网技术w p a n ( w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ) ，是一种基于 计算机通信的专用网络技术，是在个人操作环境下需要相互通信的装置构成 的一个网络，无需任何中央管理装置，为电子设备之间提供方便、快速的数 据传输。是一种注重低功耗、低成本、低速率的无线网络技术。其中z i g b e e 无线传感器网络是基于i e e e 8 0 2 1 5 4 技术标准和z i g b e e 网络协议而设计的 无线数据传输网络。其特点是低成本，每只芯片最少的只需要4 5 美元。低 功耗，在低耗电待机模式下，两节普通5 号干电池可使用数年的时间。双向传 送数据和控制命令等等。 表1 1 是这三种技术之间的参数比较。我们可以从表中的数据看出。虽 然z i g b e e 技术是一种新兴的无线网络技术。但是其低功耗、低成本的特点正 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 好符合集装箱运输的环境。接下来我们将针对集装箱运输的环境来分析 z i g b e e 技术的特点和应用原理。 表1 - 1 三种之间的比较 视频采集技术射频技术 z i g b e e 技术 识别率 9 5 9 9 9 9 9 工作环境对环境要求较高基本没有要求基本没有要求 可靠性一般高很高 成本硬件：高硬件：高硬件：低 软件：高软件：低软件：低 功耗 低 一般 低 可扩展性无一般高 1 3 本论文研究的内容 本论文主要采用国际上近年提出的z i g b e e 无线个人局域网技术，在提高 了集装箱信息采集工作的效率和准确率，减少了人为原因造成的损失方面， 做了一下几个方面的研究： 1 分析、比较了时下比较流行的几种无线接入网技术，并通过介绍z i g b e e 的技术指标和对其协议栈的分析，确定了选用z i g b e e 技术组建集装箱信息采 集系统的无线通信网。并分析了技术优势和可行性。 2 设计了基于z i g b e e 技术的集装箱信息采集系统的总体框，并根据集装 箱结点站站场无线网络覆盖以及无线终端设备无缝漫游的要求，对站场节点 做出了初步设计。 3 根据集装箱信息采集过程的需要，设计系统网络拓扑。并逐一对网络 的建立、节点加入、离开做了分析。使z i g b e e 技术能够更好的为信息采集工 作而服务。 4 根据无线通信网络的要求，选择c c 2 4 3 0 作为核心芯片，并根据应用 的实际环境利用n s 2 平台做出相应的测试及演示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章z i g b e e 标准及协议研究 2 1z i g b e e 无线技术概述 2 1 1z i g b e e 技术特点 z i g b e e 技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的 双向无线通信技术，主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设 备中，同时支持地理定位功能。一般而言，随着通信距离的增大，设备的复 杂度、功耗以及系统成本都在增加。相对于现有的各种无线通信技术，z i g b e e 技术的出发点是希望能发展一种容易布建的低成本无线网络。同时由于 z i g b e e 技术的低数据速率和通信范围较小的特点，也决定了z i g b e e 技术适 合于承载数据流量较小的业务。z i g b e e 主要技术指标如表2 - 1 1 引。 表2 - 1z i g b e e 主要技术指标 特性取值 数据速率 2 0 k b p s ；4 0 k b p s2 5 0 k b p s 通信范围 1 0 m - 3 0 0 m 通信延时 1 0 3 0 m s 信道数8 6 8 9 1 5 m h z 、1 1 ：2 4 g h z 、2 6 频段8 6 8 9 1 5 m h zg2 4 g h z 寻址方式6 4 b i t l e e e 地址：8 b i t 网络地址 信道接入c s m a c a 通过z i g b e e 技术的指标我们可以看出z i g b e e 的特点突出，尤其在低功 耗、低成本上，而铁路集装箱信息采集的要求即为准确、高速、低功耗、低 成本。也就是说，从技术指标上看，z i g b e e 技术是非常适合于集装箱信息采 集系统的应用的。总结z i g b e e 技术的优点如下： ( 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 号干电池可使用数年的时 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 间。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：其单个芯片的最低造价仅4 5 美元。 ( 4 ) 网络容量大：每个z i g b e e 网络最多可支持6 5 0 0 0 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：有效覆盖范围1 0 - - 3 0 0 米之间，具体依据实际发射功率的 大小和各种不同的应用模式而定。 ( 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 1 5 m h z ( 美国) ， 均为免执照频段。 2 1 2z i g b e e 节能技术探讨 由于z i g b e e 应用的低带宽要求，z i g b e e 节点可以在大部分时间为睡眠 模式，以节省电池能量。当接收到广播信标时被唤醒并迅速发送数据，然后 重新进入睡眠模式。z i g b e e 可以在1 5 毫秒或更短的时间内由睡眠模式进入 活动模式，因此即使睡眠的节点也可以取得合适的低时延。z i g b e e 节省的大 部分能量归功于i e e e 8 0 2 1 5 4 技术，后者本身就是为低功率而设计的。例如， i e e e 8 0 2 1 5 4 采用d s s s ( 直接序列扩频) 技术取代f h s s ( 跳频扩频) ，因为后 者为保持同步跳频会消耗较多的功率为了尽可能多地节省能量。 z i g b e e 通过减少对相关处理的需要来进一步节省能量。一个简单的8 位 处理器就可以轻松地完成z i g b e e 的任务，而且z i g b e e 协议栈占用很少的内 存。例如，一个功能更强的全功能设备( f l l f u n c t i n o d e v i c e ，f f d ) 栈需要占用 大约3 2 k b 内存，而一个精简功能设备( r e d u c e d f u n e t i o n d e v i e e ，r f d ) 栈只需 要4 k b 内存。比它们复杂得多的蓝牙技术则需要占用约2 5 0 k b 内存。z i g b e e 相对简单的实现也节省了费用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 2 2z i g b e e 协议栈的体系结构 2 2 1z i g b e e 协议概述 z i g b e e 协议栈由一组子层构成，每层为其上层提供一组特定的服务。 z i g b e e 协议栈的体系结构如图2 1 所示。它虽然基于标准的七层开放式系统 互联( o s i ) 模型，但仅对那些涉及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 标准定义了最下面两层物理层( p h y ) 和介质接入控制子层( m a c ) 。而z i g b e e 联盟提供了网络层( n w k ) 和应用层( a p e ) 框架的设计，其中应用层的框架包 括了应用子层沁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【4 j 。 图2 - 1 z i g b e e 体系结构模型 2 2 2i e e e8 0 2 1 5 4 通信层 1 物理( p h y ) 层 z i g b e e 的通信频率在物理层规定，z i g b e e 根据不同的国家和地区为其提 供不同的工作频率范围，z i g b e e 所使用的频率范围分别为2 4 g h z 和 8 6 8 9 1 5 m h z 。因此，i e e e 8 0 2 1 5 4 定义了2 4 g h z 物理层和8 6 8 9 1 5 m h z 物 理层。由于2 4 g h z 波段为全球统一、无须申请的i s m 频段。故在本系统中 采用2 4 g h z 频段的z i g b e e 技术，所以着重介绍2 4 g h z 的物理层。 i e e e 在物理层中还规范了传输速率以及调制方式等相关要求。在 2 4 g h z 的物理层，数据传输速率为2 5 0 k b s ；数据传送速率精度为 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 + - 4 x 1 0 + _ 4 x 1 0 。；接收灵敏度为- - 8 5 d b 。m 或更高；最小抗干扰水平是临近 信道抗干扰电平，为0 d b 。m ，交替信道抗干扰电平为3 0 d b 。m ：采用的是 1 6 相位正交调制技术( o q p s k ) 。图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 同步荷帧同步，也有助于粗略的频率调整；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1 5 j 。 。4 子节。1 字节。1 子节。变量 、 帧长度预留位 前同步码帧定界符psd u ( 7 位)( 1 位) 、 同先囱i 斗 7、 物理犀匍l 婆 7 、胁珊日像棼 7 图2 - 2 物理层数据包格式 ， 2 介质接入控制子层( m a c 层) i e e e 8 0 2 系列标准把数据链路层分成逻辑链路控制( l l c ，l o g i c a l l i n k c o n t r 0 1 ) 和m a c 两个子层。l l c 子层在i e e e 8 0 2 6 标准中定义，为8 0 2 标准 系统所共用；而m a c 子层协议则依赖于各自的物理层。 i e e e 8 0 2 1 5 4 m a c 子层实现包括设备间无线链路的建立、维护和断开， 确认模式的帧传送与接收，信道接入与控制、帧校验与快速自动请求重发 ( a r q ) ，预留时隙管理以及广播信息管理等。m a c 子层处理所有的物理层无 线信道的接入，主要功能有：网络协调器产生网络信标；与信标同步；支持 个人局域网( p a n ) 链路的建立与断开；为设备的安全提供支持；信道接入方 式采用载波监听多址接入冲突避免( c s m a c a ) 机制；处理和维护保护时隙 ( g t s ) 机制等。在两个对等的m a c 实体之间提供一个可靠的通信链路。在 m a c 子层与l l c 子层的接口中用于管理目的原语仅有2 6 条，相对于蓝牙技 术的1 3 1 条原语和3 2 个事件而言，i e e e 8 0 2 1 5 4 子层的复杂度更低，不需要 高速处理其，所以降低了功率和成本1 4 j 。 图2 3 给出了m a c 子层的数据包格式。m a c 数据包由m a c 子层帧头 ( m h r ，m a ch e a d e r ) 、m a c 子层载荷和m a c 子层帧尾( m f r ，m a cf o o t e r ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 组成。m a c 子层帧头由2 字节帧控制域、1 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，用于匹 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。此6 4 位的m a c 地址用来 标识集装箱的信息，以免混乱。而8 位的z i g b e e 网络地址是集装箱节点加入 结点站后协调器分配的网络号。具体的组网方式将在第4 章具体介绍。 m a c 子层载荷，其长度可以变化，不同的准类型包含不同的信息，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( 信标) 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控制 命令或者数据，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。 。2 字节。1 1 字节。1 0 2 挪l ，o z t s 戢 o 1 2 字葭! o a s 戢可变。2 字节。 帧控序列 目的 目的 源 源帧 p a n p a nf c s 制号地址 地址载荷 标识符 标识符 1 m h r ( m a c 层帧头) 7、m a c7 m f r 2 2 3z i g b e e 网络层 图2 - 3m a c 层数据包格式 z i g b e e 网络层的主要功能就是提供一些必要的函数，确保z i g b e e 的 m a c 层正常的工作，并为应用层提供合适的服务接口。为了向应用层提供 其接口，网络层提供了两个必须的功能服务实体，它们分别是数据服务实体 和管理服务实体【6 1 。如图2 4 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 图2 - 4 网络层参考模型【6 1 网络层数据实体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；网络管理层实体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。网络层管理实体提供网络管理服务，允许应用与堆栈相互 作用，其所提供的服务如下： 配置一个新的设备 初始化一个网络 连接、复位和断开网络 路由发现 邻居设备发现 接收控制 网络层数据实体为数据提供服务。在两个或多个设备之间传送数据时， 它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，即在同一个内部个局域网中。网络层数据实体可提供如下服务： 生成网络层协议数据单元( n p d u ) 指定拓扑传输路由 安全：确保通信的真实性和机密性 2 2 4z i g b e e 应用层 z i g b e e 应用层框架包括应用支持层( a p s ) 、z i g b e e 设备对象( z d o ) 和制 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 造商所定义的应用对象。其中应用支持子层的功能包括维持绑定表，在绑定 的设备之间传送消息。而z i g b e e 设备对象的功能包括定义了设备在网络中的 角色，发起和响应绑定请求，在网络中建立安全机制。z i g b e e 设备对象还负 责发现网络中的设备，并决定向它们提供何种应用服务。z i g b e e 应用层除了 提供一些必要的函数以及为网络层提供合适的服务接口外，一个重要的功能 就是应用者可在这层定义自己的应用对象1 6 j 。 2 3z i g b e e 传感器网络的关键技术 2 3 1 网络拓扑结构 对于无线的自组织的传感器网络而言，网络拓扑控制具有特别重要的意 义。通过拓扑控制自动生成的良好的网络拓扑结构，能够提高路由协议和 m a c 协议的效率，可以为数据融合、时间同步和目标定位等很多方面奠定 基础，有利于节省节点的能量来延长网络的生存期。 除了传统的的功率控制和层次拓扑控制，人们也提出了启发式的节点唤 醒和休眠机制。在铁路集装箱信息采集系统中，即采用这种拓扑结构。该机 制能够使装在集装箱中的r f d 节点在没有事件发生时设置通信模块为睡甘民 状态，而在有事件发生的时候及时自动醒来并唤醒邻居节点，形成数据转发 的拓扑结构1 9 j 。具体的网络拓扑结构将在第四章介绍。 2 3 2 网络安全 在铁路站场中，无线传感器网络作为任务型的网络，要进行数据的采集 和传输，此时如何保证任务执行的机密性、数据产生的可靠性以及传输的安 全性，就成了无线传感器网络安全问题需要全面考虑的内容。 在z i g b e e 技术中，采用对称密钥的安全机制。密钥由网络层和应用层根 据实际应用需要生成，并对其进行管理、存储、传送和更新等。大部分的 z i g b e e 解决方案将需要某种级别的安全性。z i g b e e 提供了一套基于1 2 8 位 a e s 算法的安全软件，并集成了8 0 2 1 5 4 标准的安全元素。z i g b e e 协议栈为 m a c 层、网络层和应用层定义了安全性。但是开发人员还必须决定在哪个 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 层上施加安全机制：在m a c 层、网络层还是应用层。如果应用需要尽可能 强大的安全保护，那么就在应用层保护它。在m a c 层和网络层的安全性是 指服务于相同的目的：确保单跳传输的安全性。m a c 层仲裁对共享媒介的 访问并控制相邻设备之间的单跳传输。z i g b e e 联盟添加了一个网络层安全选 项以便加入在m a c 层无法实现的功能，包括了拒绝不能被验证的数据帧的 能力。m a c 层和网络层的安全性适合需要防止对特定基础设施攻击的应用。 例如放置一个非法设备恶意侵入网络。在本系统中，对由于对安全性没有特 别的要求。暂不需要在应用层做特殊的安全处理。 2 3 3 路由技术 z i g b e e 以一个个独立的工作节点为依托，通过无线通信组成星状、串状 或者网状网络，因此每个结点的功能并非相同。我们将站场中的节点分为两 大类：全功能节点( f f d ) 和半功能节点( r f d ) ，为了降低成本，系统中大部分 的节点为叶子节点，即集成了集装箱信息的车载终端节点。而全功能节点 ( f f d ) 负责与所控制的子节点通信、汇集数据和发布控制，或起到路由的作 用。 z i g b e e 协调器和路由器应提供如下的功能： 为上层中继数据帧； 为其他z i g b e e 路由器中继数据帧； 参与路由选择，为后续数据帧建立路由； 为终端设备参与路由选择； 参与端到端的路由修复： 参与本地路由修复； 在路由选择和路由修复中，使用所规范的z i g b e e 路由成本进行度量。 2 3 4 路由表 z i g b e e 路由器和协调器可对路由表进行维护。存储在路由表中的信息如 表2 - 2 所示。z i g b e e 路由器和协调器也可保存一定数量的入口，仅仅在路由维 护时使用这些入口，或者在耗尽所有其他的路由容量的情况下，使用这些入 口。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 表2 2 路由表信息 域名大小描述 d e s t i n a t i o na d d r e s s2 字节 路由的1 6 位网络地址 s t a t u s3 比特 路由的状态 n e x t 。h o pa d d r e s s 2 字节 下一跳的网络地址 表2 3 枚举了路由状态所对应的值。“路由表能力 常用来描述一个设备 使用自身的路由表来建立一条到达指定目的设备的路由能力。如果设备满足 以下条件，则设备具有路由表能力： 表2 3 路由状态值阳1 数字值状态 0 x 0 0 a c 兀v e 0 x 0 1d i s c o v e r y 二u n d e r a y 0 x 0 2 d i s c o v e r y 二f a i l e d 0 x 0 3i n a c t i v e 0 x 0 4r e s e r v e d 1 为z i g b e e 路由器或协调器； 2 具有路由表维护能力； 3 具有一个空闲的路由表入口，或者已经具有一个到目的地的路由表入 口； 如果z i g b e e 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 选择表。路由表入口是长期存在的和不变的，而路由选择表的入口仅仅是在 路由选择的过程中存在，并且可重新生成。 由于终端节点，即集装箱终端节点不直接与协调器进行通信，而是通过 路由器来完成通信功能。在路由选择和路由维护时，z i g b e e 的路由算法使用 路由成本的度量方法来比较路由的好坏。成本即众所周知的链路成本，与路 由中的每一条链路相关，组成路由的链路成本之和为路由成本。 路由选择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址相对应。z i g b e e 基本的路由算法 如图2 5 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 2 3 5 定位技术 图2 5 路由算法图示 位置信息是传感器节点采集数据中不可缺少的部分，没有位置信息的检 测消息通常是毫无意义的。确定事件发生的位置或者采集数据的节点位置是 传感器网络最基本的功能之一。为了提供有效的位置信息，随即部署的传感 器节点必须能够在布置后确定自身的位置。由于传感器节点存在资源有限、 随即部署、通信易受环境干扰甚至节点失效等特点，定位机制必须满足自组 织性、健壮性、能量高效、分布式计算等要求1 9 j 。 根据节点位置是否确定，传感器接点分为信标节点和位置未知节点。信 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 标节点的位置式已知的，位置未知节点需要根据少数信标节点，按照某种定 位机制确定自身的位置。对于z i g b e e 网络，每一个无线信标将自动组织一个 z i g b e e 通信网络。这个通信网络实际上就是一个定位网络，每一个网络节点 就是一个定位点。移动中的无线定位传感器可以由一个z i g b e e 网络进入另一 个z i g b e e 网络中，由接收到无线定位传感器信号的路由节点决定其位置。 采用的定位算法主要是基于信号强度r s s i ( r e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t h i n d i c a t o r ) 的测距法，r s s i 值由路由节点在接收到无线定位传感器的信号后得 出，位置判断的精度取决于路由节点分布的密度。在铁路站场的无线网络中。 路由器即为信标节点，车载模块即为位置未知节点。当集装箱进入站场无线 网络时，路由器通过测算其r s s i 值，并通过三边测量法简单的进行定位计 算，如图2 6 所示。其简单的计算过程如下： 图2 6 三边测量法图示 测量方法如图3 3 所示，已知a 、b 、c 三个路由器节点的坐标分别为 ( x 。，y 口) 、( 吃，y b ) 、( t ，y 。) ，以及他们到未知节点d 的距离分别为吃，吃，畋， 假设节点d 的坐标为( x ，y ) 。 那么存在下列公式： 乒可石可口 厄可可；吃 压虿i 虿c ( 3 - 1