（电力电子与电力传动专业论文）基于zigbee无线技术的电气火灾监控系统应用设计.pdf

li i ii iti i iii i ii i ii iiil y 17 9 013 6 原创性声明和关于论文使用授权的说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导 下，独立进行研究所取得的成果。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科 研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文 中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：j 伞址 日 论文作者签名：型乜峻 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留或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；本人授权山东大学可以将本学 位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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 糍：掣一名：咝日 期： 山东大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第l 章绪论1 1 1 背景及意义i l 2 电气火灾监控系统简介2 1 2 1 电气火灾监控系统概念2 1 2 2 电气火灾监控系统的参数要求2 1 3z i g b e e 技术发展概况3 1 4 本文的主要内容和结构4 第2 章z i g b e e 无线技术及z i g b e e 协议栈介绍7 2 1z i g b e e 技术特点及应用7 2 2z i g b e e 技术与其它几种短距离无线技术比较9 2 3z i g b e e 协议的构架1 l 2 3 1 物理层规范1 2 2 3 2m a c 层规范1 3 2 3 3 网络层规范1 5 2 3 4 应用层规范1 6 2 4z i g b e e 的网络组成1 6 2 4 1 设备功能类型1 6 2 4 2 网络拓扑结构1 8 2 4 3 路由流程2 0 2 4 4 工作模式2 1 第3 章z i g b e e 无线通信系统的设计与实现2 3 3 1 总体方案设计2 3 3 2 硬件电路的搭建2 4 3 2 1z i g b e e 芯片选择2 4 3 2 2 串口通信电路设计2 6 3 3z i g b e e 网络的组建2 7 山东大学硕士学位论文 3 3 1c o o r d i n a t o r 协调器( 主站) 工作流程2 7 3 3 2r o u t e r 路由器( 从站) 工作流程2 9 3 4 路由表的建立3 l 3 5 网络数据接收与发送3 2 3 6 实践中存在问题及解决方法3 5 第4 章电气火灾监控系统监控器的设计与实现3 7 4 1m s p 4 3 0 系列单片机简介3 7 4 2 剩余电流的采集3 8 4 3 温度的测量4 1 4 4 显示电路设计4 4 4 5 信息存储电路的设计4 7 4 6 声光故障报警电路设计4 9 4 7 通信电路设计5 0 4 8 实践中存在问题及解决方法5 1 第5 章上位机软件的编写与实现5 3 5 1q t 简介5 3 5 2q t 应用程序设计5 5 5 2 1q t 界面的设计5 5 5 2 2 数据库的管理6 1 5 2 3 通信管理6 2 5 3 实践中存在问题及解决方法6 5 第6 章总结与展望6 7 6 1 论文总结6 7 6 2 下一步工作设想6 8 附录6 9 参考文献7 1 致谢7 5 2 c h a p e r2d e s c r i p t i o no fz i g b e et e c h n o l o g ya n dz i g b e ep r o t o c o ls t a c k 7 2 1f e a t u r e sa n da p p l i c a t i o no fz i g b e et e c h n o l o g y 。7 2 2c o m p a r i s o nw i t ho t h e rs h o r t e r - r a n g ew i r e l e s st e c h n o l o g y 9 2 3f r a m e w o r ko f z i g b e ep r o t o c o l 11 2 3 1p h y s i c a ll a y e rs p e c i f i c a t i o n 1 2 2 3 2m a c l a y e rs p e c i f i c a t i o n 1 3 2 3 3n e t w o r kl a y e rs p e c i f i c a t i o n 15 2 3 4a p p l i c a t i o nl a y e rs p e c i f i c a t i o n 1 6 2 4c o m p o n e n to f z i g b e en e t w o r k 1 6 2 4 1d e v i c ef u n c t i o n 1 6 2 4 2n e t w o r kt o p o l o g y 18 2 4 3r o u t i n gp r o c e s s 2 0 2 4 4w o r km o d e 2 1 c h a p e r3d e s i g no f z i g b e e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m 2 3 3 1t o t a ld e s i g n 一2 3 3 2h a r d w a r ed e s i g n 2 4 3 2 1s e l e c t i o no f z i g b e ec h i p 2 4 3 2 2d e s i g no fs e r i a lc o m m u n i c a t i o nc i r c u i t 2 6 3 3b u i l d i n go fz i g b e en e t w o r k 2 7 3 山东大学硕士学位论文 3 3 1c o o r d i n a t o rw o r k f l o w 2 7 3 3 2r o u t e rw o r k f l o w 2 9 3 4t h ee s t a b l i s h m e n to f t h er o u t i n gt a b l e 3 1 3 5r e c e i v i n ga n ds e n d i n gn e t w o r kd a t a 3 2 3 6p r a c t i c ep r o b l e m sa n ds o l u t i o n s 3 5 c h a i r 4m o n i t o rd e s i g n 3 7 4 1m s p 4 3 0m c ui n t r o d u c t i o n 3 7 4 2r e s i d u a lc u r r e n tc o l l e c t i o n 3 8 4 3t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t 4 1 4 4d i s p l a yc i r c u i td e s i g n 4 4 4 5i n f o r m a t i o ns t o r a g ec i r c u i td e s i g n 4 7 4 6s o u n da n dl i g h ta l a r mc i r c u i td e s i g n 4 9 4 7c o m m u n i c a t i o nc i r c u i td e s i g n 5 0 4 8p r a c t i c ep r o b l e m sa n ds o l u t i o n s 51 c h a p e r5p r e p a r a t i o na n di m p l e m e n t a t i o no f p cs o f t w a r e 5 3 5 1a b o u tq t 5 3 5 2q ta p p l i c a t i o nd e s i g n 5 5 5 2 1q ti n t e r f a c ed e s i g n 5 5 5 2 2d a t a b a s em a n a g e m e n t 6 1 5 2 3c o m m u n i c a t i o nm a n a g e m e n t 6 2 5 3p r a c t i c ep r o b l e m sa n ds o l u t i o n s 6 5 c h a p e r6c o n c l u s i o na n dp r o s p e c t s 6 7 6 1c o n c l u s i o n 6 7 6 2p r o s p e c t s 6 8 a p p e n d i x 6 9 r e f e r e n c e 7 1 a c k n o w l e d g e m e n t 7 5 4 山东大学硕士学位论文 摘要 电气火灾监控系统是指：当被保护线路中的被探测参数超过报警设定值时， 能发出报警信号、控制信号并能指示报警部位的系统。随着经济的快速发展和人 们生活水平的大幅度提高，用电设备不断增多以及用电负荷的不断加大，随之因 电气原因导致的火灾事故也在逐年攀升。由于电气火灾监控系统能够准确实时监 控电气线路的故障和异常状态，及时发现电气火灾的隐患，及时报警、提醒有关 人员去消除这些隐患，避免电气火灾的发生，因此它的出现引起了社会的广泛 关注。但是在一些特殊情况下，对于传统的电气火灾监控系统，线路的铺设和维 护成本较高，且有线线路本身存在腐蚀现象，这将会影响通信质量。在这些情况 下，采用无线通信技术能够解决这方面的技术难题。 随着电子通讯业的迅速发展，无线通信技术也得到了长足的进步。本课题的 内容是从无线通信技术在电气火灾监控系统中的应用出发，经过对主要无线通信 协议特点的分析，选取了z i g b e e 协议作为底层通信协议。z i g b e e 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，用于近距离无 线连接，主要应用领域包括工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、农业自动 化和医用设备控制等。 论文首先介绍了电气火灾监控系统和z i g b e e 技术的相关基础知识，对z i g b e e 无线技术的协议栈结构进行了分析，研究了各个通信协议层的具体功能和作用， 并设计了符合z i g b e e 协议的软硬件平台。在电气火灾监控系统的数据传输方面， 将z i g b e e 无线网络加入至u r s - 4 8 5 有线传输网络中，使其成为有线传输的一部分。 最终把有线、无线传输的各自优点进行有力结合。在布线受限的地方采用z i g b e e 无线通信方式；在无线信号屏蔽区域采用有线通信方式，二者相互弥补缺陷。在 z i g b e e 网络的数据传输中，采用点对点式通信。通过建立相应的监控器地址路由 表，并对传输数据进行分层判断来保证数据传输的实时性、完整性和准确性。其 次进行了剩余电流等数据信息的采集，以及其它显示、控制电路的设计。将电气 线路的三相线及中线通过零式电流互感器后，零式电流互感器会把剩余电流信号 转换为电压信号。本设计中，剩余电流的测量就是将零式电流互感器输出的交流 电压信号通过精密整流电路后，进入单片机的模数转换模块，并由单片机对最终 完成整个 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l a r ma n dc o n t r o ls y s t e mf o re l e c t r i cf i r ep r o t e c t i o ni so n es y s t e ms e n d i n g a l a r ma n dc o n t r o ls i g n a l s ，a n ds p e c i f y i n gt h ea l a r ml o c a t i o nw h e nt h ed e t e c t e dv a l u e o ft h ep r o t e c t e dc i r c u i ti sb i g g e rt h a nt h ep r e - s e ta l a r mv a l u e w i t he c o n o m i c d e v e l o p i n gr a p i d l ya n dl i v i n gs t a n d a r di m p r o v i n gg r e a t l y , e l e c t r i c a le q u i p m e n t sa r e c o n s t a n t l yi n c r e a s i n g ，a sw e l la st h eu s eo fe l e c t r i c i t yl o a d ，f o l l o w e db yt h o s ef i r e a c c i d e n t sa r e a l s oi n c r e a s i n gy e a rb yy e a r b e c a u s ea l a r ma n dc o n t r o ls y s t e mf o r e l e c t r i cf i r ep r o t e c t i o nc a nm o n i t o rf a i l u r e sa n da n o m a l i e so ft h ee l e c t r i c a lc i r c u i t , d e t e c tf i r eh i d d e nd a n g e r , s e n da l a r ms i g n a l sa n di n f o r mt h em o n i t o rt oe l i m i n a t et h e s e r i s k s ，i t se m e r g e n c eh a sa r o u s e dw i d e s p r e a dc o n c e m b u ti ns o m es p e c i a lc a s e s ，i t c o s t sh i 曲f o rl a y i n ga n dm a i n t e n i n gc i r c u i t si nt h et r a d i t i o n a ls y s t e m ，a n dt h ew i r e i t s e l fi so f t e nc o r r o d e d ，w h i c hw i l l a f f e c t t h ec o m m u n i c a t i o nq u a l i t y i n t h e s e c i r c u m s t a n c e s ，t h eu s eo fw 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 yc a ns o l v et h et e c h n i c a l p r o b l e m s w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r o n i cc o m m u n i c a t i o n s ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g yh a sa l s ob e e ni nc o n s i d e r a b l ep r o g r e s s t h ep a p e rb e g i n sw i t ht h ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi nt h ea l a r ma n dc o n t r o ls y s t e mf o re l e c t r i cf i r ep r o t e c t i o n t h r o u g hr e s e a r c h i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c o fm a i nw 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 ， z i g b e ei sc h o o s e na sl o w e rc o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 z i g b e ei san e wt e c h n o l o g y w i t hl o wc o m p l e x i t y , l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，l o wd a t ar a t e ，l o wc o s tw i r e l e s s n e t w o r k i n gf o rs h o r tr a n g ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t h em a i na r e a so f i t sa p p l i c a t i o n i n c l u d ei n d u s t r i a lc o n t r o l ，c o n s u m e re l e c t r o n i c s ，a u t o m o t i v ea u t o m a t i o n ，a g r i c u l t u r e a u t o m a t i o n 。m e d i c a le q u i p m e n tc o n t r o la n ds oo n t h ep a p e rd e s c r i b e st h eb a s i ck n o w l e d g er e l a t e dt ot h ea l a r ma n dc o n t r o ls y s t e m f o re l e c t r i cf i r ep r o t e c t i o na n dt h ez i g b e et e c h n o l o g y , i n t r o d u c e st h eg e n e r a l k n o w l e d g eo fz i g b e ew i r e l e s st e c h n o l o g ya n da n a l y s e si t sp r o t o c o l s t a c ks t r u c t u r e ， r e s e a r c h sv a r i o u sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o ll a y e r f u n c t i o n sa n dr o l e s i nz i g b e e n e t w o r k ，d e s i g n st h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ep l a t f o r mi nk e e p i n gw i t hz i g b e ep r o t o c o l ， d e v e l o p sz i g b e ep r o t o c o ls t a c k i nt h ed a t at r a n s m i s s i o no fa l a r ma n dc o n t r o ls y s t e m f o re l e c t r i cf i r ep r o t e c t i o n ，z i g b e ew i r e l e s sn e t w o r kb e c o m e sap a r to fr s - 4 8 5c a b l e t r a n s m i s s i o n n e t w o r k e v e n t u a l l y t h er e s p e c t i v em e r i t so fw i r e da n dw i r e l e s s t r a n s m i s s i o na r ec o m b i n e dp o w e r f u l l y z i g b e ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni su s e di nt h e i i i s y s t e m t h ee x p e r i m e n th a sd e m o n s t r a t e dt h i sa l a r ma n dc o n t r o ls y s t e mf o re l e c t r i cf i r e p r o t e c t i o nb a s e do nz i g b e ew i r e l e s st e c h n o l o g yc a l lm o n i t o rf a u l t sa n da n o m a l i e so f e l e c t r i c a lc i r c u i t s ，a n dc a ni n f o r mt h em o n i t o rt or e m o v et h eh i d d e nd a n g e r s k e yw o r d s ：z i g b e e ，a l a r ma n dc o n t r o ls y s t e mf o re l e c t r i cf i r ep r o t e c t i o n ，q t ， s c m i v 山东大学硕士学位论文 - 1 1 背景及意义 第1 章绪论 随着社会的进步，建筑智能化、电气化的发展，建筑物内部各种电气线路越 来越多。每年由电气事故引发的火灾数量不断增加。据我们在每年国家消防局以 及省、市的消防管理部门对火灾数据的统计分析，电气火灾占火灾总的3 6 1 ， 且有逐年上升的趋势，这就要求我们查原因、找根源，再采用行之有效的科学方 法来减轻这些灾害。在这种情况下，电气火灾监控系统【l 】应运而生，它能够准确 实时监控电气线路的故障和异常状态，及时发现电气火灾的隐患，及时报警、提 醒有关人员去检查隐患所在并及时消除隐患，因此它能够很大程度上减少由电气 事故引发的火灾。我们国家也己出台了相应的法律法规，对电气火灾早期预警、 预报做了强制性规定。当前我国的电气火灾监控系统主要是以有线传输为主，大 多采用r s - 4 8 5 总线、c a n 总线等进行数据传输，这些传输方式简单易行，且数 据传输误码率低，因此成为了当今电气火灾监控系统信息传输的主流。但是在布 线困难乃至受限的情况下，有线数据传输出现了局限性。建筑物内的线路错综复 杂，比如只有一墙之隔的距离，可能要绕很长距离才能完成布线，这不但需要消 耗很多材料，而且还增加了安装人员的工作量。甚至有些工程，考虑到实际情况， 不允许采用有线传输方式，因此传统的有线传输遇到了挑战。 近年来，随着无线通信、集成电路、传感器以及微机电系统等技术的飞速发 展，使得低成本、低功耗、多功能的微型无线传感器的大量生产成为可能，这些 微型传感器具有无线通信、数据采集和处理、协同合作等功能，无线传感器网络 就是由众多无线传感器节点组织起来的。可以如下定义无线传感器网络：无线传 感器网络是由一组无线传感器以自组织方式构成的无线网络，其目的是协作地感 知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并发送给观测者【2 j 。无 线传感器网络的突飞猛进，一定程度上加快了电气火灾监控系统无线通信的发展 步伐。z i g b e e 技术诞生后，为研发新的电气火灾监控的无线信息传输提出了新的 研究思路。z i g b e e 技术的一些特点，能够满足电气火灾监控系统通信方面的要求。 在这种背景下提出基于z i g b e e 无线技术的电气火灾监控系统设计研制。通过 设计、研制、实验，成功将z i g b e e 技术应用到电气火灾监控系统中，克服了布 动报警系统不同的是，电气火灾监控系统早期报警是为了避免损失，而传统火灾 自动报警系统是为了减少损失。电气火灾监控系统应能准确监控电气线路的故障 和异常，并及时记录和保存，能发现电气火灾的隐患，及时报警提醒相关人员消 除这些隐患【1 】【3 】【4 1 。 1 2 2 电气火灾监控系统的参数要求 ( 1 ) 通用要求 监控设备主电源应采用2 2 0 v ，5 0 h z 交流电源，电源线输入端应设接线端 子。 监控设备应设有保护接地端子。 监控设备应具有中文的功能标注和信息显示。 ( 2 ) 监控报警功能 监控设备应能接受来自探测器的监控报警信号，并在3 0 s 内发出声、光报 警信号，指示报警部位，记录报警时间，并予以保持，直至手动复位。 报警信号应手动消除，当再次有报警信号输入时，应能再次启动。 ( 3 ) 控制输出功能 2 山东大学硕士学位论文 监控设备在报警状态下应有用于控制被保护线路的控制输出。 监控设备可设置用于电气设备通断电的控制输出，每一控制输出应有对应 的手动直接控制按钮。 不应使用同一控制输出接点同时控制报警监控设备内部和外部电路。 ( 4 ) 故障报警功能 当监控设备发生下述故障时，应能在l o o s 内发出与监控报警信号有明显 区别的声光故障信号。 木监控设备与探测器之间的连线短路、断路。 ，i c 监控设备主电源欠压。 木给备用电源充电的充电器与备用电源间连线的断路、短路。 ，i c 备用电源与其负载间短路、断路。 故障声信号应能手动消除，再有故障信号输入时，应能再启动；故障光信 号应能保持至故障排除。 故障期间，非故障回路的正常工作不应受影响。 ( 5 ) 自检功能 监控设备应具有主、备电源转换装置。当主电源断电时，能自动转换到备用 电源。当主电源回复时，能自动转换到主电源。主、备电源的工作状态应有指示， 主电源应有过流保护措施。 1 3z i 曲o a 技术发展概况 z i g b e e 一词源自蜜蜂群在发现花粉位置时，通过跳z i g z a g 形舞蹈来告知同 伴，达到交换信息的目的。可以说是一种小的动物通过简捷的方式实现“无线 的沟通。在现实意义上，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，主要用于近距离无线连接瞪l 。在标准规范制订方面，主要是i e e e 8 0 2 1 5 4 小组与z i g b e ea l li a n c e 两个组织分别制订硬件与软件标准。i e e e 于 2 0 0 0 年1 2 月成立了8 0 2 1 5 4 小组，负责制订媒体存取控制层( m a c ) 与物理层( p h l f ) 规范，于2 0 0 3 年5 月通过i e e e8 0 2 1 5 4 标准【6 】；z i g b e e 联盟于2 0 0 1 年8 月成 立，于2 0 0 5 年6 月2 7 日公布了z i g b e e s p e c i f i c a t i o n v e r s i o n1 0 ，它采用了 山东大学硕士学位论文 i e e e 8 0 2 1 5 4 作为其底层的物理层和媒体存取控制层标准，定义了z i g b e e 网络 层、应用支持子层和应用层规耐。i e e e8 0 2 1 5 4 规范是一种经济、高效、低 数据速率( 2 5 0k b p s ) 、工作在2 4g h z 和8 6 8 9 1 5m h z 的无线技术，它是z i g b e e 应用层和网络层协议的基础。z i g b e e 协议依据i e e e8 0 2 1 5 4 标准，在数千个 微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的 方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率 非常高。 z i g b e e 技术自被提出以来，得到广泛应用。在z i g b e e 联盟展览会上，t i 、飞 思卡尔、n e c 等多家供应商展示了 z i g b e e 技术的美好应用前景。z i g b e e 的初期应 用领域有家庭自动化应用，楼宇自动化，工业自动化，以及能源管理等。在z i g b e e 联盟的推动下，z i g b e e 技术结合其他无线技术，将可以实现无所不在的网络，非 常适合用于需要传输周期性数据、间歇性数据的场合：在比如p c 外设( 鼠标、键 盘、游戏操控杆) 、消费类电子设备( t v 、v c r 、c d 、v c d 、d v d 等设备上的遥控装 置) 、家庭内智能控制( 照明、煤气计量控制及报警等) 、玩具( 电子宠物) 、医护( 监 视器和传感器) 、工控( 监视器、传感器和自动控制设备) 、带负载管理功能的自 动抄表( a m r ) 系统、油气生产遥测遥控通信系统、农田耕作、环境监测、工业制 造过程遥测遥控、照明监控、安防报警系统等等。 z i g b e e 硬件平台具有很强的实际应用价值，能够在任何时间，任何地点有效 地获取和发送物理数据，是无线自动数据采集和监控系统的一种非常灵活的解决 方案。z i g b e e 技术方兴未艾，还处于发展之中，不仅在工业、农业、军事、环境、 医疗等传统领域具有巨大的运用价值，而且其应用将来还可以涉及更多领域【引。 1 4 本文的主要内容和结构 本文首先介绍了电气火灾监控系统及z i g b e e 协议栈的基本内容。并采用英国 捷力公司生产的j n 5 1 3 9 作为z i g b e e 无线模块的主芯片，设计开发了基于z i g b e e 协议栈的网状网络。并在传统的r s 一4 8 5 总线基础上，融合了z i g b e e 无线通信技 术，使其形成了一种全新的有线无线混合通信机制，解决了电气火灾监控系统中 遇到的布线受限难题。在参考国家有关电气火灾监控系统硬性规定的基础上，设 计开发了剩余电流、温度的测量监控系统。并采用开源式q t 开发平台开发了电 4 山东大学硕士学位论文 气火灾监控系统的上位机软件。 本论文共分为六章，各章内容简介如下： 第1 章介绍了论文研究的背景。并引出了电气火灾监控系统和z i g b e e 技术 的简单介绍。最后给出了本论文的主要内容及论文章节安排。 第2 章介绍- r z i g b e e 技术的特点及应用，并和其他的几种无线通信技术做了 比较。之后，简述- r z i g b e e 协议的分层结构及其相应功能，最后讨论了z i g b e e 技术的星型、树簇型、网型网络拓扑结构。 第3 章给出了z i g b e e 无线通信系统的设计。从硬件、软件方面介绍了z i g b e e 无线系统的设计方案。并将z i g b e e 无线传输与r s 一4 8 5 总线结合到一起，实现信息 的有线无线混合传输。 第4 章介绍了电气火灾监控系统中监控器的设计。包括剩余电流、温度采集 系统的设计，以及数据显示、存储等设计。整个监控器以m s p 4 3 0 单片机作为主芯 片，能够及时准确地监控线路的实际状况，并将这些状况加以反映。 第5 章介绍了电气火灾监控系统的上位机系统设计。上位机软件采用q t 开 发平台，与电气火灾监控器通过r s - 4 8 5 总线连接。可以通过轮询或是单个读取、 设置的方式与监控器通信。并能将信息及时显示到界面上。 第6 章为总结与展望。总结全文工作，并对系统的进一步完善提出展望，以 及对今后的工作做了计划。 6 山东大学硕士学位论文 山东大学硕士学位论文 第2 章z i g b e e 无线技术及z i g b e e 协议栈介绍 z i g b e e 是一个由可多到6 5 0 0 0 个无线数传模块组成的个无线数传网 络平台，在整个网络范围内，每一个z i g b e e 网络数传模块之间可以相互通 信【9 1 。z i g b e e 基于i e e e8 0 2 1 5 4 无线标准，i e e e8 0 2 1 5 4 仅处理m a c 层和物 理层协议。z i g b e e 具有i e e e8 0 2 1 5 4 强有力的无线物理层所规定的全部优点： 省电、简单、低成本。z i g b e e 是由z i g b e ea 1 1 l a n c e 所主导的标准，定义了网 络层( n e t w o r k l a y e r ) 、安全层( s e c u r i t yl a y e r ) 、应用层( a p p l i c a t i o nl a y e r ) 、 以及各种应用产品的资料( p r o f i l e ) 1 10 。 2 1z i g b e e 技术特点及应用 z i g b e e 技术填补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空白，其使用的 便捷性是该技术成功的关键。其主要技术特剧8 1 如下： ( 1 ) 数据传输速率低 只有l o k b s - 2 5 0 k b s ，专注于低传输应用。无线传感器网络不传输语音、 视频之类的大数据量的采集数据，仅仅传输一些采集到的温度、湿度之类的数据， 所以无线传感器网络对传输速率的需要不是那么高。 ( 2 ) 功耗低 在休眠状态下耗电量仅仅只有1l aw ，通信距离短的情况下工作状态的耗电 为3 0 r o w ，在低耗电待机模式下，两节普通5 号干电池可使用6 个月以上。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。无线传感器网络的节点对功耗 的需求极其苛刻，传感器节点需要在危险( 比如战场、核辐射) 的区域持续工作 数年而不更换供电单元。z i g b e e 的耗电符合这一需求。 ( 3 ) 成本低 因为z i g b e e 数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本，这也正是 蓝牙系统所不具备的。无线传感器网络中可以具有成千上万的节点，如果不能严 格地控制节点的成本，那么网络的规模必将受到严重的制约，从而将严重地制约 无线传感器网络的强大功能。 ( 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 个节点，也就是说每个z i g b e e 节点可 7 山东大学硕士学位论文 以与数万节点相连接【l l 】。由于w s n 的能力很大程度上取决于节点的多少，也就是 说可容纳的传感器节点越多，无线传感器网络的功能越强大。所以z i g b e e 的网 络容量大的特点非常符合无线传感器网络的需要。 ( 5 ) 有效范围小 有效覆盖范围在1 0 7 5 m 之间，但是可以扩展到数百米，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，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室 环境。降低无线传感器网络节点的能量消耗和平衡所有节点的能量，有必要缩小 节点r f 模块的覆盖范围。 ( 6 ) 工作频段灵活 使用的频段分别为2 4 6 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，具有1 6 个扩频通信信道。相应的，采取2 4 g h z 工作频段的特性将会更 有利于无线传感器网络的发展。 ( 7 ) 安全 z i g b e e 提供了数据完整性检查和鉴权功能，硬件本身支持c r c 和a e s 一 1 2 8 。这一安全特性能很好地适应军事需要的无线传感器网络【1 2 】。 ( 8 ) 自动动态组网、自主路由 w s n 网络是动态变化的，无论是节点的能量耗尽，或者节点被敌人俘获， 都能使节点退出网络，而且网络的使用者也希望能在需要的时候向已有的网络中 加入新的传感器节点。这就希望无线传感器网络能具有动态组网、自主路由的功 能，而z i g b e e 技术就正好能解决了无线传感器网络的这一需要。 鉴于z i g b e e 技术的上述特性，z i g b e e 在今后有望成为无线通信的主流技 术之一，而且支持z i g b e e 的设备的价格会越来越低【1 3 】。z i g b e e 在工业、办公以 及家庭自动化等领域将得到广泛的应用。在工业领域，利用传感器和z i g b e e 网 络，使得数据的采集、分析和处理变得更加容易，可以作为决策辅助系统的重要 组成部分。例如危险化学成分的检测，火警的早期检测和预报，高速旋转机器的 检测和维护。这些应用不需要很高的数据吞吐量和连续的状态更新，重点在低功 耗，从而最大程度地延长电池的寿命，减少z i g b e e 网络的维护成本；在医学领 域，将借助于各种传感器和z i g b e e 网络，准确而且实时地监测每个病人的血压、 体温和心跳速度等信息，从而减少医生查房的工作负担，有助于医生做出快速的 山东大学硕士学位论文 反应，特别是对重病和病危患者的监护和治疗；在办公自动化领域，可以借助 z i g b e e 传感器进行照明控制，使用传感器检测周围环境，只有检测到人来的时 候才将照明开关打开。该系统还可以通过z i g b e e 网络进行集中控制；在家庭自 动化领域，z i g b e e 可用于安全系统，温控装置等方面，还可以将z i g b e e 用于遥 控装置，优点在于不像目前采用的红外装置那样受到角度的限制【l 引。而且z i g b e e 能够自组织网络并支持各种网络结构，己广泛用于无线传感器网络，同时由于 z i g b e e 设备功耗低，电池的使用寿命也和红外装置的差不多。另外，由于z i g b e e 的低延迟特性，z i g b e e 可以用于p c 机的外设。例如带反馈的无线游戏挚或手柄 可以