（光学工程专业论文）基于ZigBee温室大棚监控系统的应用研究.pdf

哈尔滨掣大￥jr ) ! _ 卜学忙论文 摘要 信息资源共享是推进农业信息化中j t f 遍面临的审要川题之一。本论文采 用基于z i g b e e 的无线传感器网络技术斛决当前温室q 。散纷制系统的不足，实 现温室大棚的网络信息化管理，这将是九线传感器川络胁用n 农业信息化中 的一个新的尝试。 本文以z i g b e e 技术协议体系结构的 卅究和节点f f j 改i 为重点。首先，从 z i g b e e 网络拓扑结构出发，分析了星型和对等型这两种j 盘本的拓扑结构，在 此基础上介绍了网状网络的特点，提出j 采用改进，的例状m 络结构柬实现 温室大棚监控的方案。其次介绍了z i g b e e 技术的体系绝构，详细分析了 2 4 g h z 频带的物理层规范、m a c 层的i 峨绵构、c s m a c a 算沿、网络地址的 分配机制和网络路由的流程，为节点的设计提供了胖论毖础。最后，从硬件 和软件方面对节点的设计做了详细的i = i 明并给日； 体安现疗法，提出了 z i g b e c 氐功耗系统的设计规则，分析了q 寸频电路设；l 的j l 点汀意事项，给出 了z i g b e e 节点的调试方法。 关键词：网状网络：帧结构；c s m a 一( 1 a 算法；网络路：低功耗 哈尔滨1 稃大等自”十学何论文 a b s t r a c t i n f o r m a t i o nr e s o u r c es h a r i n gi so n eo l t h em o s ti m p o r t a n tq u e s t i o n sf a c e di n t h ea d v a n c e m e n to fa g r i c u l t u r a li n f o r m a t i o n t h ep a p e ru s e sw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r kt e c h n o l o g yb a s e do nt h ez i g b e et ( ) s o l v ec u r r e n tg r e e n h o u s ed i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e m si n s u f f i c i e n c ya n dr e a l i z et h eg r e e n h o u s en e t w o r ki n f o r m a t i o n m a n a g e m e n t ，a n dt h ep a p e rw i l l b ean e wa t t e m p ta b o u tt h ew i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k sa p p l i c a t i o ni nt h ea g r i c u l t u r a li n l b r m a t i o n t h ep a p e re m p h a s i z e so nt h es t u d ) o ft h ez i g b c et e c h n o l o g ya g r e e m e n t s y s t e ms t r u c t u r ea n dt h ed e s i g no fn o d e s1i r s t l y ，t h ep a p e rs t a r t sf r o mt h ez i g b e e n e t w o r kt o p o l o g ya n da n a l y z e ss t a ra n dc o o r d i n a t e dt h e s et w ok i n d so fb a s i c t o p o l o g ya n do nt h ea b o v ef o u n d a t i o nt h ep a p e ri n t r o d u c e st h em e s hn e t w o r k s c h a r a c t e r i s t i ca n dp r o p o s e sa ni d e aw h i c hu s e st h ea d v a n c e dm c s hn e t w o r kt o r e a l i z et h eg r e e n h o u s em o n i t o r i n g s e c o n d l y t h ep a p e ri n t r o d u c e st h es y s t e m s t r u c t u r eo fz i g b e et e c h n o l o g ya n da n a l ) z e st h ep h y s i c a ll a y e rs p e c i f i c a t i o no f 2 4 g h zf r e q u e n c yb a n d 。t h ef r a m es t r u c t u r eo fm a cl a y e r t h ec s m a - c a a l g o r i t h m ，t h ea s s i g n m e n tm e c h a n i s mo fn e t w o r ka d d r e s sa n dt h ef l o wo fn e t w o r k r o u t i n gd e t a i l e d l ya n dp r o v i d e st h et h e o r yl b u n d a t i o nf o rt h en o d ed e s i g n f i n a l l y , t h ep a p e rg i v e sad e t a i l e de x p l a n a t i o nf r o mh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea s p e c t sa b o u t t h en o d ed e s i g n ，g i v e sac o n c r e t er e a l i z a t i o nm e t h o d ，p r o p o s c s & s i g nr u l e sa b o u t t h ez i g b e el o wp o w e rs y s t e m ，a n a l y z e ss e v e r a lm a t t e r sw h i c hs h o u l db eg i v e n a t t e n t i o n si nt h er a d i of r e q u e n c yc i r c u i td e s i g n s ，g i v e saz i g b e en o d ed e b u g g i n g m e t h o d k e yw o r d s ：m e s hn e t w o r k ；f r a m es t r u c t u r e ：c s m a c aa l g o r i t h m ：n e t w o r k r o u t i n g ；l o wp o w e r 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：鏊堕邋 日期：芦哆年夕月1 0 日 哈尔滨稃人学硕十学伊论文 第1 章绪论 1 1 课题背景 当前，随着农业科技的发展，高产高效的设施农业栽培技术在我国得到 了广泛的应用。从单个的简易同光温室，发展到大型连栋温室，生产规模越 来越大，特别是近年来一哆地方大规模兴建同光温室生产基地，实现了温室 生产的集约化、工厂+ 化5 。这些温室一般都配备有专门的温室环境参数调节 设备，如卷帘机、通风机等。随着大棚生产规模的r 益扩大，生产过程的科 学管理越来越重要。对于有几十个温室大棚的农业生产基地来说，要管理分 布于各个温室中的上百台设备，保持各温室的环境参数在给定范围之内，依 靠生产人员人工完成，费时费力而且很难保证对温室环境参数的及时、准确 调节，这就需要一套以计算机为核心的自动控制系统。目i j 的智能温室集散 控制系统可以在现场自动调节温室的各环境因子达到给定值，而且通过总线 将数据远距离传送到监控室的主控计算机，实时监测各个温室的环境变化， 并根据栽培作物的生长需要向各个温室的现场测控站发送控制信息；另外还 可以通过网络接入作物栽培信息系统，实现对农业种植的科学、准确、规范 管理。然而，目前农业信息数据采集中绝大多数是处于封闭环境的自成系统， 采集到的数据临时贮存在数掘采集器内，后经由导线自r s 2 3 2 4 8 5 串行导出， 这与当今以互联网为平台的网络技术有一定的距离。虽然有r s 2 3 2 转t c p i p 的相关产品以打补丁的方式解决网络化的问题，但这是不完美的。推进农业 信息化中普遍面临的一个重要问题就是信息资源的共享。信息共享是信息化 的核心问题。分向式异构资源的共享是网络时代的瓶颈，网格技术将是解决 应用层面的互联互通，消除信息孤岛，实现信息资源共享的一个重要发展方 向”1 。此外，这些系统由于采用有线传输导致现场安装困难：大大增加了电 气工程施工费用；系统中的每个监控点没有自组织功能和自愈能力，可能由 于某个节点出现故障导致某个子系统功能丧失，维护工作量大，也不利于系 统升级。鉴于在农业领域内的数掘采集大多数是在广域空阊内进行的，数据 源距目的地相对较远，不具有稳定的电源供给和安全可靠的环境。这就要求 哈尔滨f 。稃人学硕十学伊论文 数据采集单元具有低功耗、自备l 电源、无线数传、价格低廉、装卸简便等特 点。 因此，本论文采用基于z i g b e e 的无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s ，简称为w s n ) 技术解决当前温室集散控制系统的不足。z i g b e e 技术 是一种应用于短距离范围内，低传输数据速率下的各种电子设备之间的无线 通信技术。z i g b e e 名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂 通过2 ) l z i g z a g 形状的舞蹈束通知发现的新食物源的位置、距离和方向等信息， 以此作为新一代无线通讯技术的名称”1 。z i g b e e 过去又称为“h o m e r fl i t e ”、 “r f e a s y l i n k ”或“f i r e f l y ”无线电技术，目前统一称为z i g b e e 技术。 无线传感器网络是当前备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集 成的| j 沿热点研究领域。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、无线通讯 技术、网络技术、电子技术、自动控制技术和分布式信息处理技术等领域的 技术成果，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，这些信息通过无线方式被发送，并以自组多跳 的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算世界以及人类社会三 元世界的连通。与传统的无线a dh o c 网络( w a n e t ) 相比，它呈现以下明显 的特征：( 1 ) 网络节点密度高，传感器节点( s e n s o rn o d e ) 数量众多，单位面 积所拥有的网络节点数远大于传统的a dh o c 网络”。；( 2 ) 网络拓扑变化频繁； ( 3 ) 与基于p 2 p 的a dh o c 网络不同，它的节点采用广播方式；( 4 ) 节点的功率， 计算能力和数掘存储能力有限，且节点失败后对网络影响甚微；( 5 ) 传感器 节点由电池供电，节点能量有限：( 6 ) 网络具备容错能力。无线传感器网络具 有十分广阔的应用前景，在军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境 监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多重要领域都有潜在的 实用价值，已经引起了许多国家学术界和工业界的高度重视，被认为是继 i n t e r n e t 以后，对2 l 世纪人类生活方式产生巨大影响力的技术之一，2 0 0 3 年的 m i t 技术评论也将无线传感器网络称为是改变世界的十大高新技术之一，2 0 0 3 年的美国商业周刊在其“未柬技术专版”中指出：无线传感器网络是未来的 四大高新技术产业之一，将形成一个新的产业链条。 典型的无线传感器网络体系结构如图1 1 所示。其中，传感器网络节点( 简 称为节点、网络节点或传感器节点) 是构成无线传感器网络的基础和核心。在 喻尔滨f 群人孚硕十学忙论文 温室大棚中，传感器节点自主形成一个多跳网络。处于传感器网络边缘的节 点必须通过其它节点向网关发送数据。每个传感区域都有一个网关负责搜集 传感器发送来的数据。所有网关都连接到传输网络上。传感器网络通过基站 与远程数据中心连接。在温室大棚中拟用r s 4 8 5 总线或远距离无线模块连接 基站与远程数掘中心。 幽1 i 典型的无线传感器网络体系结构 传感器节点是本论文研究的重点，节点功能模块如图1 2 所示，主要采 集温湿度、光照、c 0 2 等环境因子，通讯距离1 0 0 米以内，电池供电。无线 传输手段多种多样，应用于不同的场合。从功耗、成本、传输速率和工作频 段等方面考虑，采用z i g b e e 技术是实现温室大棚监控网络的最佳方案。 哈尔滨i 稗人学硕十学伊论文 幽12 节点功能模块 1 2 方案可行性分析 目前，短距离无线通信技术已经成为无线通信技术的一个重要分支，这 是因为在现实生活中，存在着许多这样的应用情况，系统所传输的数据通常 为小量的突发信号，如采用传统的无线技术，虽然能满足上述要求，但存在 着设备成本高、体积大和能源消耗较大等问题。为此，针对这样的场合，人 们希望利用具有成本低、体积小、能量消耗小和传输速率低的短距离无线通 信技术。 z i g b e e 技术形是针对这样的应用需求而产生，作为专为低速率控制网络 设计所制定的无线传输标准，j 下逐渐被设计师重视并采用。该标准的物理层、 m a c 层和链路层采用了i e e e8 0 2 1 5 4 协议，网络层、应用会聚层和高层应用 规范( a p i ) 由z i g b e e 联盟制定。目前，z i g b e e 联盟在不断完善并拓展其协议和 应用，以求得更大的发展。当日i f z i g b e e 技术具有如下特点： 数据传输速率低：只有1 0 2 5 0 k b i t s ，专注于低传输应用。 时延短：通常时延为1 5 3 0 m s 。 安全：z i g b e e 提供了数掘完整性检查和鉴权功能，加密算法采用 a e s 一1 2 8 ，同时可以灵活确定其安全属性。 工作频段灵活：使用的频段分别为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。基于上述特点，z i g b e e 主要应用在短距离范围之内并 且数据传输速率不高的各种电子设备之问。其典型的传输数据类型有周期性 数据( 如传感器数掘) 、间歇性数据( 如照明控制) 和重复性低反应时间数据( 如 鼠标) 。 功耗低：工作模式情况下，z i g b e e 技术传输速率低，传输数据量很小， 4 哈尔滨1 拌人学硕十学付论文 因此信号的收发时问很短，其次在非工作模式时，z i g b e e 节点处于休眠模式。 设备搜索时延般为3 0 m s ，休眠激活时延为1 5 m s ，活动设备信道接入时延为 1 5 m s 。由于工作时间较短、收发信息功耗较低且采用了休眠模式，使得z i g b e e 节点非常省电，z i g b e e 节点的电池工作时间可以长达6 个月到2 年左右。同时， 由于电池时间取决于很多因素，例如：电池种类、容量和应用场合，z i g b e e 技术在协议上对电池使用也作了优化。对于典型应用，碱性电池可以使用数 年，对于某些工作时间和总时间( 工作时间+ 休眠时间) 之比小于1 的情况， 电池的寿命甚至可以超过1 0 年。 数据传输可靠：z i g b e e 的媒体接人控制层( m a c 层) 采用t a l k w h e n r e a d y 的碰撞避免机制。在这种完全确认的数据传输机制下，当有数据传送需求时 则立刻传送，发送的每个数据包都必须等待接收方的确认信息，并进行确认 信息回复，若没有得到确认信息的回复就表示发生了碰撞，将再传一次，采 用这种方法可以提高系统信息传输的可靠性。同时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。同时z i g b e e 针对时延 敏感的应用做了优化，通信时延和休眠状念激活的时延都非常短。 网络容量大：z i g b e e 低速率、低功耗和短距离传输的特点使它非常适宜 支持简单器件。z i g b e e 定义了两种器件：全功能器件( f f d ) 和简化功能器件 ( r f d ) 。对全功能器件，要求它支持所有的4 9 个基本参数。而对简化功能器 件，在最小配置时只要求它支持3 8 个基本参数。一个全功能器件可以与简化 功能器件和其他全功能器件通话，可以按3 种方式工作，分别为：个域网协调 器、协调器或器件。而简化功能器件能与全功能器件通话，仅用于非常简单 的应用。一个z i g b e e 的网络最多包括有只2 5 5 个z i g b e e 网络节点，其中一个是 主控( m a s t e r ) 设备，其余则是从属( s l a v e ) 设备。若是通过网络协调器( n e t w o r k c o o r d i n a t o r ) ，整个网络最多可以支持超过6 4 0 0 0 个z i g b e e 网路节点，再加上 各个n e t w o r kc o r d i n a t o r 可互相连接，整个z i g b e e 络节点的数目将十分可观。 兼容性：z i g b e e 技术与现有的控制网络标准无缝集成。通过网络协调器 ( n e t w o r kc o o r d i n a t o r ) 自动建立网络，采用载波侦听冲突检钡i j ( c s m a c a ) 方 式进行信道接入。为了可靠传递，还提供全握手协议。 安全性：z i g b e e 提供了数据完整性检查和鉴权功能，在数据传输中提供 了三级安全性。第一级实际是无安全方式，对于某种应用，如果安全并不重 哈尔滨i 群入学硕十导：付论文 要或者上层已经提供足够的安全保护，器件就口丁以选择这种方式来转移数据。 对于第二级安全级别，器件可以使用接入控制清单( a c l ) 来防止非法器件获 取数据，在这一级不采取加密措施。第三级安全级别在数据转移中采用属于 高级加密标准( a e s ) 的对称密码。a e s 可以用来保护数据净荷和防止攻击者冒 充合法器件。 实现成本低：模块的初始成本估计在6 美元左右，很快就能降到1 5 2 5 美元，且z i g b e e 协议免专利费用。目f j 低速低功率的u w b 芯片组的价格至少 为2 0 美元。而z i g b e e 的价格目标仅为几美分。 由于具有低功耗和低成本等独特优势，以及低延迟、可实现1 2 8 位的a e s 加密和灵活的组网方式( 星型、树型以及网格状网) 等特性，z i g b e e 正在不断 扩大其在工业控制( 如无线传感器网络) 、家庭智能控制和楼宇自动化( 如照明 控制) 等领域的应用。 近期在北京举行的2 0 0 6 中国无线技术大会上，z i g b e e 联盟主席b o bh e i l e 对z i g b e e 网络需求和应用进行了分析“1 。他表示z i g b e e 将被内嵌到一系列消 费、商业，工业和政府的产品和应用当中，使他们之间真正实现基于标准的 无线平台。这个平台可根掘远程监控和控制应用的特殊需求进行优化，具有 简单、可靠、低成本和低功耗等优势。z i g b e e 联盟由全球多家技术公司组成， 根据b o b h e i l e 介绍，目前，该联盟已经有2 0 0 多家成员公司，近期，中国的华 为公司成为该联盟新的董事公司。目| j ，华为公司j 下在和意大利电信合作将 z i g b e e 技术植入手机和信用卡当中，以实现更为灵活、低成本更低，保密性 更高的应用。目前，在手机中采z i g b e e 技术还是比较新颖的应用，这与 d x p ( 原飞利浦半导体) 公司力推的手机n f c 技术比较相似，通过手机实现购 物、购票和公交刷卡等功能。与n f c 相比，z i g b e e 在该应用中的成本和功耗 会具有一定的优势。 为了推动z i g b e e 技术的发展，c h i p c o n ( 已被t i 收购) 与e m b e r 、f r e e s e a l e 、 h o n e y w e l l 、m i s t u b i s h i 、m o t o r o l a 、p h i l i p s 和s a m s u n g 等公司共同成立了 z i g b e e 联盟( z i g b e ea l l i a n c e ) ，目前该联盟已经包含1 3 0 多家会员。该联盟主席r o b e r t f h a i l e 曾于2 0 0 4 年1 1 月亲自造访中国， 加入。据市场研究机构预测，低功耗、 以免专利费的方式吸引中国本地企业 低成本的z i g b e e 技术将在未来两年内 得到快速增长，2 0 0 5 年全球z i g b e e 器件的出货量将达到1 0 0 力个，2 0 0 6 年底超 呤尔溟1 群人。￥：硕十宁何论文 过8 0 0 0 i 丁个，2 0 0 8 年将超过1 5 亿个。这一预言正在从z i g b e e 联盟及其成员近 期的一系列活动和进展中得到验证。在标准林立的短距离无线通信领域， z i g b e e 的快速发展可以说是有些令人始料不及的，从2 0 0 4 年底标准确立，到 2 0 0 5 年底相关芯片及终端设备总共卖出1 5 0 0 亿美元，应该说比被业界“炒” 了多年的蓝牙、w i h 进展都要快。z i g b e e 技术在z i g b e e 联盟和i e e e 8 0 2 1 5 4 的推动下，结合其他无线技术，可以实现无所不在的网络。它不仅在工业、 农业、军事、环境、医疗等传统领域有具有巨大的运用价值，在未来其应用 可以涉及到人类同常生活和社会生产活动的所有领域。由于各方面的制约， z i g b e e 技术的大规模商业应用还有待时同，但已经展示出了非凡的应用价值， 相信随着相关技术的发展和推进，一定会得到更大的应用。但是，还应该清 楚的认识到，基于z i g b e e 技术的无线网络彳谓0 刚丌始发展，它的技术、应用 都还远谈不上成熟，国内企业应该抓住商机，加大投入力度，推动整个行业 的发展。 目前已经得到应用的短距离无线通信技术很多，如红外( i r d a ) 技术就、 家庭无线电射频( h o n e r f ) 技术、蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术，射频识别( r f i d ) 技 术。z i g b e e 技术的研究在国际和国内乃处于起步和发展的阶段。这些短距离 无线电通信技术的性能参数和应用对象相差很大，见表1 1 所示”1 。 表l1 儿种短距离无线通信技术的比较 传输速率传输方连接 规范i 作频段最人功耗安全措施 ( m b p s ) j l 设备数 8 6 8 9 15 m h zo 0 2 0 0 4 点剑多3 2 6 4 ，1 2 8 z i g b e e l 一3 m w2 1 6 _ 2 “ 2 4 g h zo2 5 密钥 1 5 2 1 短距离、小角度 红外8 2 0 n m数m w 点剑点 2 4 1 6传输保证安全 1 8 8 1 9 9 点剑多 d e c t 11 5 2几十m w 1 2鉴权及密钥 g h z 点剑多 h o m e r f2 4 g h z 1 ，2 1 0 0 m w1 2 7 5 0 次秒跳频 占 哈尔滨l 稃人学硕十学付论文 点剑多 1 6 0 0 次秒跳 蓝牙 2 4 g h z i ，2 ，3 1 1 0 0 m w7 点频，1 2 8 位密钥 点剑多 r f i d5 8 g h zo 2 1 2 不需供电 2密钥 占 通过以上介绍可知，z i g b e e 具有低功耗，成本低，网络功能强等特点， 是温室大棚监控系统的最佳选择。 1 3 论文研究内容 设计基于z i g b e e 的温室大棚监控系统旨在解决当前温室监控设备工程 施工繁琐，成本高等问题，提高系统的稳定性，减少日常的维护，实现温室 管理的网络信息化。z i g b e e 技术的研究，节点的设计是系统功能实现的前提 和基础，也是本论文研究的重点。本课题的主要研究内容包括以下几点： 1 、系统方案的可行性分析； 2 、z i g b e e 技术网络拓扑结构分析及温室大棚网络构建； 3 、z i g b e e 技术协议体系结构分析； 4 、z i g b e e 协议栈研究与设计； 5 、基于c c 2 4 3 0 实现节点的硬件设计，研究节点的功耗问题； 6 、z i g b e e 网络性能测试手段的研究； 7 、对设计的温室大棚监控系统进行测试，分析实验结果。 哈尔滨l 稃人学硕十学倚论文 第2 章z i g b e e 技术网络拓扑结构 z i g b e e 规范定义了三种类型的设备，每种都有自己的功能要求：z i g b e e 协调器p a n ( p a nc o o r d i n a t o r ) 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z i g b e e 网络只允许有一个z i g b e e 协调器。z i g b e e 路由器f f d ( f u l l f u n c t i o nd e v i c e ) 是一种支持关联的设备，能够将消息转发到其它设备。 z i g b e e 网格或树型网络町以有多个z i g b e e 路由器。z i g b e e 星型网络不支持 z i g b e e 路由器。z i g b e e 终端设备r f d ( r e d u c e df u n c t i o nd e v i c e ) 可以执行它 的相关功能，并使用z i g b e e 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。 在一个l r w p a n 网络中，可同时存在两种不同类型的设备，一种是具 有完整功能的设备( f f d ) ，另一种是简化功能的设备( r f d ) 。在网络中，f f d 通常有三种工作状态：( 1 ) 作为个人区域网络( p a n ) 的主协调器；( 2 ) 作为一个 协调器；( 3 ) 作为一个终端设备。一个f f d 可以同时和多个r f d 或多个其他 的f f d 通信，而对于一个r f d 来说，它只能和一个f f d 进行通信。r f d 的 应用非常简单、容易实现，就好象一个电灯的丌关或者一个红外线传感器， 由于1 d 不需要发送大量的数据，并且一次只能同一个f f d 连接通信，因 此，r f d 仅需要使用较小的资源和存储空间，这样，就可以非常容易地组建 一个低成本和低功耗的无线通信网络。 在z i g b e e 网络拓扑结构中，最基本的组成单元是设备，这个设备可以是 一个r f d ，也可以是一个f f d ；在同一个物理信道的p o s ( 个人工作范围) 通 信范围内，两个或者两个以上的设备就可以构成一个w p a n 。但是，在一个 网络中至少要求有一个f f d 作为p a n 主协调器”1 。 2 1 网络拓3 1 、结构分析 z i g b e e 技术有两种纠络拓扑结构：星型的拓扑结构和对等的拓扑结构， 这两种结构如图2 1 所示。 哈尔滨i 拌人。学硕十学伊论文 oo 星删拓扑 o f f d o r f d 对等拓扑 p a nh 信息流 幽2 1z i g b e e 网络拓扑基本结构 2 1 1 星型拓扑结构 星型拓扑网络结构有个叫做p a n 主协调器的中央控制器和多个从设 备组成。主协调器必须为一个完整功能的的设备，从设备可以为一个完整的 设备也可以是一个简化设备。在实际应用中，应该根据具体情况采用不同功 能的设备，合理构造通信网络。在网络通信中，通常将这些设备分为起始设 备或者终端设备。p a n 主协调器既可以作为起始设备、终端设备，也可以作 为路由器，它是p a n 网络的主要控制器。在任何一个拓扑网络上，所有设备 都有唯一的6 4 位的长地址码，陔地址码可以在p a n 中用于直接通信，或者 当设备之间已经存在旌接时，可以将其转变为1 6 位的短地址码分配给p a n 设备，因此，在设备发起连接时，应采用6 4 位的长地址码，只有在连接成功 后，系统分配了p a n 的标识符后，才能采用1 6 位的短地址码进行连接，因 此，短地址码是一个相对的地址码，长地址码是一个绝对的地址码。在z i g b e e 技术应用中p a n 主协调器是主要的耗能设备。星型网络是最容易实现的，只 要简单的实现i e e e 8 0 2 1 5 4 协议就可以了，因此，许多厂家宣称他们的产品 实现z i g b e e ，其实只是能够实现简单的星型网络而已。在星型网络中，是不 能够实现z i g b e e 的高级特色功能，即路由功能的，每个z i g b e e 设备只能和 p a n c o o r d i n a t o r 直接通讯。由于星型拓扑结构简单，在家庭自动化、p c 外围 o 哈尔滨拌人学硕十学何论文 设备、玩具、游戏以及个人健康检查等方面得到应用。 当一个完整功能的设备( f f d ) 第一次被激活后，它就会建立一个自己的 网络，将自身成为一个p a n 主协调器。所有星型网络的操作独立于当前其他 星型网络的操作，也就是说在星型网络结构中只有唯一的p a n 主协调器，通 过选择一个p a n 标识符确保网络的唯一陛，目前，其他无线通信技术的星型 网络没有采用这种方式。因此，一旦选定了一个p a n 标识符。p a n 主协调 器就会允许其他设备加入它的网络中，无论是具有完整功能的设备，还是简 化功能的设备都可以加入到这个网络中。 2 1 2 对等拓扑结构 在对等的拓扑网络结构中，同样也存在一个p a n 主设施，但该网络不同 于星型拓扑网络结构，在该网络中的任何一个设备只要是在它的通信范围之 内，就可以和其他设备进行通信。对等拓扑网络结构能够构成较为复杂的网 络结构。例如，网孔拓扑网络结构，这种对等拓扑网络结构在工业监测和控 制、无线传感器网络、供应物资跟踪、农业智能化，以及安全监控的方面都 有广泛的应用。一个对等网络的路由协议可以是基于a dh o c 技术的，也可以 是自组织式的和自恢复式的，并且，在网络中各个设备之间发送消息时，可 以通过多个中间设备中继的传输方式进行传输，即通常称为多跳的传输方式， 以增大网络的覆盖范围。其中，组网的路由协议，在z i g b e e 网络层中没有给 出，这样为用户的使用提供了更为灵活的组网方式。 无论是星型拓扑网络结构，还是对等拓扑网络结构，每一个独立的p a n 都有个唯一的标识符，利用该p a n 标识符，可采用1 6 位的短地址码进行 网络设备日j 的通信，并且可激活p a n 网络设备之i 日j 的通信。 在对等拓扑结构中，每个设备都可以与在无线通信范围内的其他任何设 备进行通信。任何一个设备都可以定义为p a n 主协调器。例如，可将信道中 第一个通信的设备定义成p a n 主协议器。未柬的网络结构很可能不仅仅局限 为对等的拓扑结构，而是在构造网络的过程中，对拓扑结构进行某些限制。 例如，树簇拓扑结构是对等网络拓扑结构的一种应用形式，在对等网络 中的设备可以为完整功能设备，也可以简化功能设备。而在树簇中的大部分 设备为f f d ，r f d 只能作为树枝术尾处的叶结点，这主要是由于r f d 一次 晗尔滨f 拌人学硕十宁何论文 只能连接一个f f d 。任何一个f f d 都可以作为主协调器，而且，为其它从设 备或主设备提供同步服务。在整个p a n 中，只要该设备相对于p a n 中的其 他设备具有更多计算资源，比如具有更快的计算能力、更大的存储空间以及 更多的供电能力等，这样的设备都可以成为该p a n 的主协调器，通常称该设 备为p a n 主协调器。在建立个p a n 时，首先，p a n 主协调器将其自身设 置成一个簇标识符( c i d ) 为0 的簇头( c l h ) ，然后，选择一个没有使用的p a n 标识符，并向邻近的其他设备以广播的方式发送信标帧，从而形成第一簇网 络。接收到信标帧的候选设备可以在簇头中请求加入该网络，如果p a n 主协 调器允许该设备加入，那么主协调器作为它的父结点加到邻近表中，成为该 网络的一个从设备；唰样，其他的所有候选设备都按照同样的方式，可请求 加入到该网络中，作为网络的从设备。如果原始的候选设备不能加入到该网 络中，那么它将寻找其他的父结点。在网络路由这一节介绍了如何让设备加 入到网络中。在树簇网络中，最简单的网络结构是只有一个簇的网络，但是 多数网络结构由多个相邻的网络构成。一旦第一簇网络满足预定的应用或网 络需求时，p a n 主协调器将会制定一个从设备为另一簇新网络的簇头，使得 该从设备成为另一个p a n 的圭协调器，随后其他的从设备将逐个加入，并形 成一个多簇网络。 2 2 网状网络 2 2 1 网状网络技术特点 无线传感器网络的网络拓扑结构中，最复杂的拓扑结构也是最终实现的 目标是网状网络( m e s h n e t w o r k ) 。在这种结构中，节点与节点之间的结构 是”p o i n t t o p o i n t - t o p i n t ”结构，或者被称为 p e e r - t o p e e r ”系统。它是一个a d h o e ，m u l t i h o p 网络”。目酊掘资料的查阅来看，能实现网状网络( m e s h n e t w o r k ) 结构的有两家厂商，一家是与m i t 合作的e m b e r 公司，另外一家是 f r e e s c a l e 公占j 提供的解决h 案。而基于z i g b e e 的网状网络技术也是近期才得 到这些厂商的关注。 无线局域网( w l a n ) 的快速发展为企业和公众带来了极大自由。但随着 哈尔滨i 拌人学硕十学忙论文 布网区域的扩大，w l 。a n 对每个接入点的线连接要求使得其在某些缺乏有线 基础架构的环境中遇到了诸多挑战和不便。为了满足不断增长的w l a n 覆盖 的要求，同时也为了让用户在更大范围内享受到安全、稳定的无线网络接入， 一种全新的、灵活的广域w l a n 解决方案一无线网状网络解决方案已经问世。 无线网状网络解决方案是一种全新的增强型体系结构，它重新对无线网络技 术进行了界定，结合了无线和有线解决方案的最佳性能特点，而随着无线网 络技术的不断发展，网状网络技术已经由概念转入了实际应用。由于无线网 状网络技术具有很好的及时性和延展性等优点，使得这一技术非常受业界的 欢迎。网状网络( m e s hn e t w o r k ) 既便于安装、又能提高可靠性。无线网状网 络能够自我构建一把节点放在合适的位置，它们就会组成网络，开始发送数 据。如果一些节点由于某种原因出了故障，网络甚至能够“自愈”，继续正 常工作。 可靠性和节能性：无线网状网络中的每个节点和路由器都能接收和传送 数据，通过中继处理，数据包用可靠的通信链路，贯穿于中间的各节点，达 到制定目标。网状网络之所以有这么高的可靠性，主要有赖于多跳技术一多 跳是指数据不断从一个节点跳到另一个节点。由于数据从一个节点不断传送 到另一个节点，且网状网络有好多节点，所以任何一个节点到另一个节点之 间的路径总是不止一条。无线网状网络拥有多个冗余的通信路径，如果一条 路径中断，网状网络将自动选择另一条路径维持正常通信。一般情况下，网 状网络能自动地选择最短路径，提高了连接的质量。实践证明，如果距离减 小两倍，则接收端的信号强度会增加四倍，不增加节点发射功率的同时还使 链路更加可靠。网状网络罩，只要增加节点数目，就可以增加可及范围， 或从冗余链路的增加上，带来更多的可靠性。多跳还大大延长了网状网络节 点的电池寿命。传送所需功率与距离的立方大致成比例。所以三次短距离传 输跳( 每段距离为x ) 所耗功率仅为单次远距离传输跳( 距离为缸) 的1 9 。在较 远距离上跳数越多，节能效果越是惊人。 自我构建能力：除了可靠性和节能特点外，提供与邻近节点通信的功能是 网状网络能够自我构建的关键所在。在传统星型网络中，新节点可能并不是 随时都能与中心节点进行通信。可能两者之i 日j 距离过远，可能隔着物理障碍， 也可能该节点处在多路径干扰造成的盲点。在无线网状网络中，一旦有了为 哈尔滨f 群人学硕十学仲论文 数不少的节点，一个新节点几乎总是能够找到邻近节点进行通信。它能收听 邻近节点，如果它找到了一个或若干个，就会要求加入网络，并获得准入， 前提是要满足准人标准，譬如安全状况。节点加入网络后，这些节点和目的 地节点之间就会自动生成路径，这往往为构建更庞大的网络提供了一条途径。 节点本身就能够建立路由，只要发送信息、邻近信号收到信息后，转发出去。 这个转发过程会逐个节点地重复下去，直到信息到达目的地。目的地节点提 供的确认信号告诉始发节点：一条完全路径已建成；信息己成功抵达。 高带宽：无线通信的物理特性决定了通信传输的距离越短就越容易获得 高带宽，因为随着无线传输距离的增加，各种干扰和其他导致数据丢失的因 素随之增加。因此选择经多个短跳来传输数据将是获得更高网络带宽的一种 有效方法，而这正是网状网络的优势所在。在网状网络中，一个节点不仅能 传送和接收信息，还能充当路由器对其附近节点转发信息，随着更多节点的 相互连接和可能的路径数量的增加，总的带宽也大大增加。此外，因为每个 短跳的传输距离矩，传输数掘所需要的功率也较小。既然多跳网络通常使用 较低功率将数掘传输到邻近的节点，节点之间的无线信号干扰也较小，网络 的信道质量和信道利用效率大大提高，因而能够实现更高的网络容量。比如 在高密度的城市网络环境中，网状网络能够减少使用无线网络的相邻用户的 相互干扰，大大提高信遁的利用效率。目酊，有几家公司生产网状网络节点， 有些节点还内置了传感器。除t d u s t 9 b ，这个领域的知名厂商还包括c r o s s b o w t e c h n o l o g y 、m i l l e n i a ln e t 和z e n s y s 。e m b e r 不生产节点，不过向生产节点的 公司销售节点部件芯片。网状网络己经取得了一些成功。在明尼阿波利斯， s u p e r v n u 超市在使用d u s t n e t w o r k s 的网状网技术，收集及分析来自制冷设备 的能耗数据。在韩因，采用e m b e r 所提供技术的网状网络能够自动读取水电 煤气表读数，有个网络女装在一幢高层公寓大楼，另一个则覆盖了半个城市 街区州。 2 2 2 温室大棚网络构建 温室监控系统分布面积广，节点多， 那么将增加维护1 一作龟，提高生产成本。 如果系统的可靠性，稳定性不理想， 从以上介绍可知网状网络是性能最 哈尔演 稃人学硕+ 学伊论文 好的网络。本温室监控系统采用如图2 2 所示的网状嘲络结构“3 。在该网 络中，将适当增加节点冗余柬降低系统的功耗，提高系统的可靠性。 幽2 2 温室监控网络结构 该网状网络有如下特点： 1 、该网状网络是一种特殊的、按接力方式传输的点到点的网络结 构，其路出可自动建立和维护。 2 、一个z i g b e e f x 络只有一个网络协调器，但可以有若干个路由器。 3 、协调器负责整个网络的建网，同时它也可作为与其它类型网络的 通讯节点( 网关) 。 4 、构成协调器和路由器的器件必须是全功能器件( f f d ) ，而构成终 端设备的器件可以是全功能器件，也可是简约功能器件( r f d ) 。 5 、z i g b e e 采用按需路由算法a o d v ，在节能和网络性能上都有着很 大的优势。( 1 ) a o d v 路由协议是一种基于距离矢量的按需路由算 法，只保持需要的路由，而不需要节点维持通信过程中未达目的 节点的路由。节点仅记住下一跳，而非像源节点路由那样记住整 个路【 i ，它能存网络中的各移动节点之i 日j 动念地、自启动地建立 迩跳路由。( 2 ) 当链路断丌时，a o d v 会通知受影响的节点，从而 使这些节点能被确认为无效路由。a o d v 允许移动节点响应链路 哈尔滨i 群人学硕十学伊论文 的破损情况，并以一种及时的方式更新网络拓扑。a o d v 操作是 无环的，并避免了当a dh o c 网络拓扑变化时快速收敛的无限计 算问题( 特别是当一个节点进入网络时) 。 2 4 本章小结 本章从总体上分析了z i g b e e 网络拓扑结构。首先，介绍了星型拓扑 和对等拓扑产生的原理以及它们各自的特点；然后详细分析了网状网络的优 势及国内外应用状况；最后给出了温室监控系统的网状网络模型。 6 哈尔滨i 科人学硕十学付论文 第3 章z i g b e e 技术协议体系结构 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。各层之问的接口通过所定 义的逻辑链路来提