（电力电子与电力传动专业论文）基于无线传感器网络技术的牵引试验车检测系统研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第t t 页 a b s tr a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a la u t o m a t i o nt e c h n o l o g y , t h ed e m a n do fm o n i t o r i n g d a t ar e a l t i m et r a n s m i s s i o n o p e nd a t ai n t e r f a c ea n dd a t al i n k i n gs e c u r i t yi si n c r e a s i n g a n d t h el i m i t a t i o no fc o n t r o lb yw i r e dn e t w o r k si sm o r ea n dm o r ep r o m i n e n t s o t h ez i g b e e w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kt e c h n o l o g yd e v e l o p e df o rt h ed e m a n d i nw i r e l e s ss e n s o r t e c h n o l o g y , z i g b e ei s as t a n d a r dt h a td e f i n e sas e to fc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sf o r l o w d a t a - r a t e ，s h o r t r a n g e ，l o w p o w e r - c o n s u m p t i o nw i r e l e s sn e t w o r k i n g r e c e n t l y , z i g b e e t e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l yu s e di nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s i nat r a d i t i o n a lt r a c t i o nt e s tv e h i c l ei n s p e c t i o ns y s t e m t h e s er e a s o n sf o rm o r et y p e so f d a t ac o l l e c t e da n dd i f f e r e n c e sb e t w e e nl o c o m o t i v em a k et h ec o n n e c t i o nt o s i g n a lw i r e d i f f i c u l t ya n dt i m e c o n s u m i n gw h e nt e s te a c ht i m e a n dt h ec o n n e c t i o nc a b l e sa r ee a s i l y b r o k e nb e c a u s eo ft h ev i b r a t i o nc a u s e db yt h el o c o m o t i v er u n n i n g t h ef a c t o ra f f e c t st h e r e l i a b i l i t yo fd a t ac o l l e c t i o n i na d d i t i o n , t h et e s tl o c o m o t i v ei so f t e np u ti n t ou s ea ss o o na s p o s s i b l ea f t e rt e s t ，b u tt h ec a b l e s d i s a s s e m b l yi sv e r yt i m e c o n s u m i n g ，a n dr e s u l t si na w a s t eo fr a i l t r a n s p o r t n l ep a p e rp r e s e n t sap r e c e p tt h a tt h et r a c t i o nt e s tv e h i c l ed e t e c t i o n s y s t e mu s ew i r e l e s ss e n s o rt e c h n o l o g y , a n dt h ep r e c e p tw i l la c h i e v et r a c t i o nt e s tv e h i c l e d e t e c t i o ns y s t e mn e t w o r k i n g f i r s to fa l l ，t h ep a p e ra n a l y s e sf r a m ea g r e e m e n to fz i g b e et e c h n o l o g y , a n di n t r o d u c e d t h ez i g b e en e t w o r k i n gt e c h n o l o g yi nd e t a i l a n dt h e n , t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft e s tv e h i c l e d e t e c t i o ns y s t e ma n dt h ec o m p a r i s o nt os e v e r a lw i r e l e s ss e n s o rs o l u t i o n s ，t h ep a p e rp r e s e n t s t h a tu s i n gc c 2 4 3 0c h i pw h i c hi sm a d eb yc h i n p o n t ia c h i e v et h ep r e c e p tt h a tt h et r a c t i o n t e s tv e h i c l ed e t e c t i o ns y s t e mu s ew i r e l e s ss e n s o rt e c h n o l o g y n ep a p e rd e s i g n st h e c o m p o s i t es c e n a r i of o rt h et r a c t i o nt e s tv e h i c l ed e t e c t i o ns y s t e m ，d e s i g n st h ed i s t r i b u t i o n w i r e l e s ss e n s o rn o d e si nt h el o c o m o t i v ea n dt e s tv e h i c l e 。a c h i e v e st h eh a r d w a r ed e s i g na n d s o f t w a r ed e s i g np r o c e s sa b o u tw i r e l e s ss e n s o rn o d e s f i n a l l y , t h ep a p e rm e a s u r e st h et e s t d a t ao np ci nt h es y s t e m k e y w o r d ：z i g b e e ：w ir e i e s ss e n s o rn o d e ：t r a c t i o nt e s tv e h i c i e ：0 c 2 4 3 0 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 不保密留，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“v ”) 学位论文作者签名： 灵产磊 指导老师签名： 日期：加| 0 j 弓1 日期： 柳| 【 卅j 侈。 v 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 本文是以西安局牵引试验车为平台，首次将无线传感器网络技术运用于机车牵引 试验车检测系统中，设计出适合本系统的传感器节点，将这些节点布置于系统需要检 测信号的位置，以自组网的方式形成无线传感器网络，实现数据的采集与传输。这是 本课题的创新性所在。 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说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：冲。 婶为 5 、31 l 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 问题的提出 第1 章绪论 本课题来源于西安铁路局的在研项目，是实现牵引试验车检测系统网络化的重要 部分。 利用牵引试验车进行机车牵引综合检测试验是路局在新线投运、旅客列车提速、 货物列车提高牵引吨位、牵引机型变化、列车运行方式变化、机车交路变化等情况时 所进行的一项基础性技术工作，为铁路局经营决策、制定运输方案、挖潜提效提供科 学依据。在进行机车( 列车) 牵引试验时，需要通过牵引试验车实时采集机车运行数据。 采集的数据包括：区间运行速度、区间运行时分、机车牵引力、机车缓冲力( 动力制动 力) 、列车管压力、制动缸压力、牵引电机电压、牵引电机电流、励磁电流、牵引( 制动) 转换信号、电力机车主变压器原边电压( 接触网网压) 、内燃机车主发电机电压、电流、 转速等。牵引试验车通过其采集系统实时采集、记录、传输、显示上述数据。试验完 毕后，通过采集系统的数据处理可以打印出试验数据和运行曲线。 目前牵引试验车检测系统采集牵引试验数据的方式是采用专用隔离通道与本务机 车和重联机车的数据源连接，将需要采集的相关数据通过大量电缆连接至牵引试验车。 由于采集的数据种类较多，机型的差异大，使得每次牵引试验时信号采集线的电路连 接、电缆线的捆扎固定都很费力费时，而且连接电缆在机车的运行振动中容易断线损 坏，影响了数据采集的可靠性。此外，做完试验后，被试机车往往要尽快投入运用， 而试验电缆的拆卸很费时，造成了铁路局机车动力的浪费。现阶段全路所有的机车牵 引试验车检测系统都是采用这种电缆连接方式采集机车牵引实验数据。为了解决以上 问题，本文以西安铁路局的机车牵引试验车为操作平台，提出一种将无线传感器技术 在牵引试验车检测系统中的应用，目前在牵引试验车检测系统中运用这种技术还是首 例。 1 2 国内外现状 为了得到机车运行过程中的牵引力与制动力，国内主要由两种方式：一是通过牵 引试验直接检测法，即采用机车挂接专门的牵引试验车的方式，在机车后面试验车的 牵引力测量头上，用具有弯曲和温度补偿的应变片测定传递给列车的牵引力；另外一 种是建立机车运行的动力学模型，通过采集牵引电机电压、电流和运行速度，计算出 机车牵引力。 在国外，还有利用测量轮对方法、空心轴的方法以及借助列车运行阻力测量机车 牵引性能的方法。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 3zlg b e e 无线传感器技术 本文主要研究将无线传感器技术运用到牵引试验车检测系统中，以无线传感器技 术z i g b e e 技术为平台，在机车中设置无线传感器节点，以无线通信方式组织成网 络，传感器节点完成各机车数据量的采集，包括变压器网侧电流与电压、电机电流与 电压、温度、管压、速度等物理量的采集工作，传感器节点通过无线传感器网络将各 采集数据发送到网络中，并最终由特定的应用接收，将数据发送到上位机显示与处理。 1 3 1zig b e e 无线传感器技术的起源 目前，短距离无线通信技术已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， 即数据特征为数据量小，要求进行实时传送，如果采用传统的无线技术，虽然能满足 上述要求，但存在着设备的成本高、体积大和能源消耗较大等问题，针对这样的应用 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通信技 术，z i g b e e 技术应运而生【。 z i g b e e 是一种短距离、低功耗、低传输速率的无线通信技术，以2 4 g h z 为主要频 段，采用扩频技术。z i g b e e 被业界认为是最有可能应用在工业监控、传感器网络、家 庭监控、完全系统等领域的无线技术。z i g b e e 这个名称来源于蜜蜂( b e e ) 在蜂群中通 过跳z i g z a g 型的舞蹈来向同伴传达花粉的位置等等信息这种方式，取词根z i g 和b e e 组合而成【2 1 。 z i g b e e 技术特点主要包括以下几个部分1 3 j 1 4 j 【别： 1 ) 数据传输速率低。只有1 0 k b p s 到2 5 0 k b p s ，专注于低速传输应用。 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6 个月到2 年，免 去了充电或者频繁更换电池的麻烦。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。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。模块 的初始成本估计在6 美元左右，很快就能降到1 5 美元到2 5 美元之间，且z i g b e e 协 议是免收费的。 4 ) 网络容量大。一个z i g b e e 网络可以容纳最多2 5 4 个从设备和一个主设备，一个 区域内可以同时存在最多1 0 0 个z i g b e e 网络。 5 ) 时延短。针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都 非常短。设备搜索时延典型值为3 0 m s ，休眠激活时延典型值是1 5 m s ，活动设备信道 接入时延为1 5 m s 。 6 ) 安全。z i g b e e 提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用a e s 1 2 8 ，同 时可以灵活确定其安全属性。 7 ) 可靠。采用了碰撞避免机制，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。m a c 层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 的数据包都必须等待接收方的确认信息。 8 ) 有效范围小。有效覆盖范围1 0 - - 7 5 m 之间，具体依据实际发射功率的大小各种 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。 9 ) i 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。 由此可见，z i g b e e 技术特别适合于数据吞吐量小、网络建设投资少、网络安全要 求较高、不便频繁更换电池或充电的场合，预计将在消费类电子设备、家庭智能化、 工控、医用设备控制、农业自动化等领域获得广泛应用。 1 3 2 z i g b e e 技术与其它无线技术的比较 i e e e 8 0 2 1 5 委员会制定了3 种不同的w p a n 标准，区别在于通信速率、o o s 能力 ( 服务质量，是网络的一种安全机制，是用来解决网络延迟和阻塞等问题的一种技术) 等。8 0 2 1 5 3 标准是高速率的w p a n 标准，适合于多媒体应用，有较高的q o s 保证。 8 0 2 1 5 1 标准即蓝牙技术，具有中等速率，适合于从蜂窝电话到p d a 的通信，其q o s 机制适合于话音业务。8 0 2 1 5 4 标准和z i g b e e 技术完全融合，目标市场是工业、家庭 以及医学等需要低功耗、低成本无线通信的应用，对数据速率和q o s 的要求不高。 除了z i g b e e 技术，其它短距离无线通信技术还有红外、i e e e 8 0 2 1 1 ( w i f i ) 、蓝 牙( b l u e t o o t h ) 、h o m r f 、h i p e r l a n 等等，他们各有特点，适用于不同的业务领域。 他们各自的特点如表1 1 所示【6 】1 7 】f 8 j ： 表1 1 几种无线技术的特点比较 从以上数据可以看出，h i p e r l a n 较适合于家庭娱乐，用于传输视频音频等传输 数据量比较大的网络；h o m r f , 蓝牙、w i - f i 较适合于传输文件数据和语音数据；z i g b e e 则较适合于低速数据传输的网络，是无线传感器网络和监控网络的首选。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 4 本文工作安排 本文工作安排如下： 第1 章，对本文的研究情况做一个简单的描述，结合国内外的发展状况，分别 对几种无线网络的比较，最后提出将z i g b e e 技术运用于牵引试验车检测系统中。 第2 章，对z i g b e e 技术做重要研究，主要研究z i g b e e 技术的网络拓扑与z i g b e e 协议栈。 第3 章，对z i g b e e 技术的网络实现做了重要分析，主要研究z i g b e e 技术网络 的路由算法和路由机制。 第4 章，根据具体需求，设计出将z i g b e e 技术运用于牵引试验车检测系统的 总体方案，设计出信号前端调理电路与接口电路。 第5 章，根据总体方案的设计，设计出各无线传感器节点的硬件电路。 第6 章，设计出各无线传感器节点的软件设计流程。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章z i g b e e 协议概述 z i g b e e 通信协议的基础是i e e e8 0 2 1 5 4 。这是i e e e 无线个人区域网工作组的一 项标准，被称作i e e e8 0 2 1 5 4 标准。该标准定义了物理层( p h y ) 和媒体访问控制层 ( m a c ) 的标准。z i g b e e 联盟则定义了z i g b e e 协议的网络层( n w k ) 、应用层( a p l ) 和安 全服务规范。其中，应用层包含应用支持子层( a p p l i c a t i o ns u p p o r ts u b l a y e r ，a p s ) 、应 用架构( a p p l i c a t i o nf r a m e w o r k ，a f ) ，z i g b e e 设备对象( z i g b e ed e v i c eo b j e c t s ，z d o ) 和厂商定义的应用对象。 整个z i g b e e 协议栈如图2 1 所示一j ： 翻蜥。雌l o n a p t ) l 砷_ r a p p l i c a t i o nf r a m e w o r k = 左= k ：驺。i n e t w o r k ( n w k ) t a y e 。_ e r _ j ；愀k i * j 兰；r 。- _ li 斟州 邑r 3 e f 基晷髯 - i e qi q x e 1 ；_h-_i_n_-_ 、 l h e s 二尊 - _ = _ = j m 翻出岬a 端sc o 瞻o l ( m a c ) 哪霄 。4 j 磊善爵一 i _ j p 嘶暑i c 捌l a y e r ( p h y ) 、。 图2 - 1z i g b e e 协议栈框架图 ，d o f i n e d b y s ： z i g b e e w i r o i e s e n b t w o r k i r 略 z i g b e e 协议采用分层结构。每一层都包括数据实体和管理实体两种服务实体，并 且为其上一层提供一套明确的服务：数据实体提供数据传输服务，管理实体则提供其 他所有的服务。每个服务实体都通过服务接入点( s e r v i c ea c c e s sp o i n t ，s a p ) 为上层提 供一个接口，每个服务接入点都提供一定数量的服务原语命令来实现所需功能。 z i g b e e 规范中包括以下四种原语： 请求( r e q u e s t ) 。请求原语由服务用户层指向服务提供层( 下一层) ，请求启动 项服务。 指示( i n d i c a t i o n ) 。指示原语由服务提供层指向服务用户层，告知与其相关的 拿堰亭审 篱+ 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 服务提供层事件信息。该事件可能与远端服务请求逻辑相关，也可能是服务提供层内 部事件。 响应( r e s p o n s e ) 。 启动的过程。 证实( c o n f i r m ) 。 的结果。 响应原语由服务用户层指向服务提供层，完成此前提示原语 证实原语由服务提供层指向服务用户层，传递此前服务请求 图2 2 描述了数据从设备的应用层发送到另一个设备的应用层的流程【1 0 1 。但是数 据并不是必须来源于设备的应用层，它们也可以在m a c 层产生。数据在层与层之间的 传输过程中，每层都会增加它们的帧头和帧尾到数据中，然后传输数据到下一个低层。 图2 3 描述了各层数据单元之间的联系。 a p sd a t as e r v i c e n w kd a t as e r v i c e m a cd a t as e r v i c e p h yd a t as e r v i c e 图2 2 两个设备之间数据传输服务 t r a n s m i t t e df i r s t n 薯n s m i t t e dl a s t 图2 3 各层数据单元 一瑚，一，刚- u 一靶 忡咧 u ( 胂刚 ) 啪 一一一、肿 。 _ii l i r 一一h 一 一p 1 3 | l 、 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 1le e e8 0 2 15 4 zig b e e 协议规范 i e e e8 0 2 1 5 4 标准规定的低速个域网络( l r w p a n ) 具有如下特点【1 1 】： 在8 6 8 m h z 频带内定义了1 个通道，在9 1 5 m h z 频带内定义了1 0 个通道，在 2 4 5 0 m h z 频带内定义了1 6 个通道； 分别实现2 0 k b i t s ，4 0k b i t s ，2 5 0k b i t s 三种传输速率； 支持星型或者点对点两种网络拓扑结构； 具有1 6 位短地址或者6 4 位扩展地址； 支持冲突避免载波多路侦听技术( c a r d e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s 谢t hc o l l i s i o n a v o i d a n c e ，c s m a c a ) 【1 2 】： 用于可靠传输的全应答协议； 能量检测( e n e r g yd e t e c t i o n ，e d ) ； 链路质量指示( l i n kq u a l i t yi n d i c a t i o n ，l q i ) 。 2 1 1zig b e e 设备规范 为了使供应商能够提供最低可能功耗的设备，i e e e ( i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n d e l e c t r o n i c se n g i n e e r s ，电气及电子工程师学会) 定义了两种不同类型的设备：一种是全 功能设备( f u l lf u n c t i o n a ld e v i c e ，f f d ) ，另一种是简化功能设备( r e d u c e df u n c t i o n a l d e v i c e ，r f d ) 【6 j 。全功能设备( f f d ) 实现了i e e e8 0 2 1 5 4 协议的全集，而简化功能 设备( i 强d ) 则根据特定的应用需要只实现i e e e8 0 2 1 5 4 完整协议的一部分。 全功能设备( f f d ) 实现了i e e e8 0 2 1 5 4 协议的全集，而r f d 则根据特定的应用 需要只实现i e e e8 0 2 1 5 4 完整协议的一部分。具有以下几个特点： 能够在任何拓扑结构中工作； 能够成为网络中的p a n 协调器( p a nc o o r d i n a t o r ) ： 能够成为网络中的协调器( c o o r d i n a t o r ) ； 能够同任何其他设备进行通信。 简化功能设备( i 疆d ) 具有以下几个特点： 不能够成为网络中的协调器或者p a n 协调器； 只能同网络中的协调器或者p a n 协调器通信，不能和网络中其他r f d 设备通 信； 功耗非常低，一般处于休眠模式。 i e e e8 0 2 1 5 4 中规定在一个p 删中有且只有一个p a n 协调器，可以有若干个协 调器和r f d 设备。i e e e8 0 2 1 5 4 中定义的p a n 协调器对应着z i g b e e 规范中的协调器， i e e e8 0 2 1 5 4 中定义的协调器对应着z i g b e e 规范中的路由器，而i e e e8 0 2 1 5 4 中定 义的一般设备( r f d ) 对应着z i g b e e 规范中的终端设备( e n dd e v i c e ，e d ) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 1 2 网络拓扑结构 i e e e 8 0 2 1 5 4 定义的l r w p a n 网络中具有两种拓扑结构：星型网拓扑和对等网 拓扑【1 3 】【1 4 1 。这两种网络拓扑结构如图2 4 所示： - 多一一 星型网拓扑点对点对等拓扑 图2 4l , r - w p a n 网络拓扑 在星型网拓扑结构中，在网络中的每个设备都只能与唯一的中央控制设备一一 p a n 协调器通信，终端设备之间的通信通过p a n 协调器的转发来完成。p a n 协调器 一般使用持续电力系统供电，而其他设备采用电池供电。 点对点对等拓扑网络中，也只有一个p a n 协调器，但与星型网拓扑不同的是，p a n 协调器的功能不再是为其它设备转发数据，而是实现设备注册和访问控制等基本的网 络管理功能。对等网络可以构建成更复杂的网状网络，可以加大网络覆盖面积，适合 于工业控制与检测、无线传感网络等分布式较广的应用。 图2 - 5z i g b e e 簇树网络 点对点对等网络可以配置成一个特例网络z i g b e e 簇树网络【1 5 】。如图2 5 所示， 在簇树网络中，f f d 设备就如树枝，而r f d 设备总是作为簇树的叶设备连接到网络中， 任何一个f f d 都可能成为z i g b e e 路由器，为其子设备( 可以是终端设备或者子路由器) 提供同步服务，但在这些路由器中，只有一个成为z i g b e e 协调器。z i g b e e 协调器首先 y ) 宙 、 ， k ， p 、 一 ，够 一q， 冬l 、 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 选择一个未被使用的p a n 标识符和未被使用的信道形成网络，并向其邻居设备广播信 号帧，邻居设备收到信号帧后，就可以作为z i g b e e 协调器的子设备加入该网络【16 1 。图 中实箭头表示的是数据从a 节点传到b 节点的路由。 2 2 物理层( p h y ) i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b e e 物理层主要完成以下几项任务：开启和关闭无线收发信机、 能量检测( e d ) 、链路质量指示( l q i ) 、信道评估( c c a ) 、信道选择、数据发送和接 收。物理层定义了物理无线信道和m a c 子层之间的接口，提供物理层数据服务 ( p d s a p ) 和物理层管理服务( p l m e s a p ) ，主要是在驱动程序的基础上，实现数据 传输和管理。物理层数据服务从无线物理信道上收发数据，管理服务包括信道能量监 测( e d ) ，链接质量指示( l q i ) 和空闲信道评估( c c a ) 等1 1 7 j ，维护一个由物理层相关数据 组成的数据库。 其中c c a 功能是通过网络中的信号强度来判断信道是否空闲，在进行c c a 检测 时必须满足两个先决条件：接收器接收的无线信号e d 阀值必须大于1 0 d b ，且c c a 检 测信道的时间需花费8 个符码周期( s y m b o lp e r i o d ) 。c c a 提供了三种工作模式： 1 ) c c a 检测期间任何能量大于e d 阀值就判断信道忙碌； 2 ) 检测到信号具有与自身相同的调制和扩频特征，则判断信道忙碌； 3 ) 结合前面两种模式，在同时满足两种模式下均为空闲时，信道为空闲状态。 2 2 1 物理层信道 i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b e e 物理层定义了8 6 8 m h z 、9 1 5m h z 和2 4g h z 三个频段，共 2 7 个信道【18 1 。2 7 个信道的中心频率和对应的频带见公式2 1 【19 】： 8 6 8 3 m h z z = 【9 0 6 + 2 ( 七一1 ) m h z ，其中七= 1 , 2 ，1 0 式( 2 1 ) 2 0 4 5 + 5 ( k 一1 ) m h z ，其中七= 1 1 , 1 2 ，2 6 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 2 2 2 物理层数据单元( p p d u ) 物理层协议数据单元( p p d u ) 由三部分组成【2 】：同步头( s h r ) 允许接收设备同 步并锁定比特流；物理层帧头( p h r ) 包含的是帧长信息；有效载荷部分是p s d u 。 表2 2 物理层协议数据单元 p p d u 的格式如表2 2 ： 引导序列字段：收发信机用来获得码片和符号同步，它是3 2 位长度的全0 序列。 帧开始符( s f d ) 字段：表示引导序列的结束和数据帧的开始，它是8 位的二进 制序列11 l00l01 。 帧长字段：它用7 位表示物理层有效载荷p s d u 的长度，取指范围是0 到 a m a x p h y p a c k e t s i z e 之间的整数。 p s d u 字段：可变长度的字段，它是物理层要发送的数据包，即m p d u 。 2 3 媒体访问控制层( m a c ) 2 3 1 媒体访问控制层( m a g ) 结构 m a c 层位于n w k 层与p h y 层之间，需要处理两层间发送过来的数据，并将处 理结果转发给这两层。m a c 层主要功能有：协调器产生网络信标；信标同步；支持p a n 关联和解关联；c s m a c a 信道访问机制：处理和维护保证时隙( g t s ) 机制；在两个 对等m a c 实体间提供可靠链路f 2 0 】【2 l 】。 m a c 子层组成及接口见图2 - 6 。 图2 - 6m a c 层模型 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 其中，各功能实体和服务接入点( s a p ) 描述如下： m a c 公共部分子层：m a c 公共部分子层( m c p s ) ，实现m a c 层一般概念功能。 包括m a c 帧的封装、解封装；执行c s m a c a 算法共享物理信道。 m l m e ：m a c 层管理实体( m l m e ) ，处理除数据原语之外的所有管理原语，以实 现标准规定的m a c 层功能，如超帧管理、信标帧同步、创建网络、建立释放网络关联 等等。 m a cp i b ：m a c 层p a n 信息数据库( m a cp a ni n f o r m a t i o nb a s e ) ，存储m a c 层 p a n 相关属性。 m c p s s a p ：m c p s 服务接入点，接收上层的协议数据单元、向上层报告m a c 层 服务数据单元，为上层提供m a c 数据服务。 m l m e - s a p ：m l m e 服务接入点，接收发送除数据原语以外的管理服务原语，为 上层提供m a c 管理服务。 2 3 2m a c 层帧结构 介质访问控制层( m a c ) 帧被称为m a c 协议数据单元( m p d u ) ，其长度不超 过1 2 7 个字节。它具有四种不同的帧形式：信标帧、数据帧、确认帧和命令帧。 z i g b e e 标准中允许使用超帧结构。在超帧结构中，网络协调器在预先规定的时间 间隔内发送超帧信标，这个时间间隔可以短至1 5 m s 或者长至2 4 5 s 。超帧被分成1 6 个 相等的时隙，与超帧的持续时间无关【2 2 1 。超帧结构可以包括活动期( a c t i v ep e r i o d ) 和 睡眠期( i n a c t i v ep e r i o d ) 。在睡眠期，协调器不会同p a n 发生信息交换，它会进入一 个低功耗模式。超帧结构如图2 7 所示。 信标 一卜 c a pc f p i 卜 卜一 信标 1r 卜 黟叼黟零帮邓鄹锋礴聊鬻，删翠澎；孽秽攀7 _ 霹甲雾 燎 g t sg t s ：非活动区间 匕巍盘蕊碰熬蠡簇盛蔬黛瀛龇。跳槛赫。矗盘结k 磁硅蒯荛 0123456 7 8 91 0l l1 21 3 1 4 1 5 图2 7 超帧结构 从图中可以看到，它的第一个时隙为信标帧。如果协调器不希望使用超帧结构， 它可以关掉信标帧的传输。信标帧的传输主要用于使各从设备与协调器进行同步、识 别黝蝌和描述超帧结构。如果任何设备希望在两个信标之间的竞争访问期( c o n t e n t i o n a c c e s sp e r i o d ，c a p ) 进行通信，就需要使用时隙c s m a c a 机制同其他设备进行竞争 通信【2 3 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 在些应用中要求低延迟或要求满足一定的数据带宽的情况下，可以通过采用超 帧中的部分时隙来完成。这部分称为保障时隙( g u a r a n t e e dt i m es l o t ，g t s ) 。在超帧 结构中，竞争访问期( c a p ) 之后是免竞争时期( c o n t e n t i o nf r e ep e r i o d ，c f p ) ，它由 保障时隙( g t s ) 构成，一般情况下，最多为7 个保障时隙。在超帧结构中必须保证 有足够的c a p 空间用来向网络中的设备提供竞争接入的机会。任何设备的信息传输必 须在下一个g t s 开始前或者c f p 结束前完成。 下面介绍四种m a c 层帧格式1 2 4 j ： 信标帧：在信标网络中，协调器通过向网络中的所有从设备发送信标帧，以保 证这些设备能够同协调器进行同步，从而使得网络运行的成本最低。其结构如表2 3 所示，信标帧数据单元( m p d u ) 由m h r 、m s d u 和m f r 三部分构成。其中m h r 是m a c 层帧头，m s d u 是m a c 层服务数据单元，表示m a c 层载荷，m f r 是m a c 层帧尾，m f r 中包含1 6 位帧校验序列( f c s ) 。 表2 3 信标帧格式 数据帧：在z i g b e e 设备之间进行数据传输的时候，要传输的数据由应用层生 成，经过逐层数据处理后发送给m a c 层，形成m a c 层服务数据单元( m s d u ) 。通 过添加m a c 层帧头信息和帧尾，便形成了完整的数据帧，其帧结构如表2 4 所示。 表2 4 数据帧格式 确认帧：为了保证设备之间通信的可靠性，发送设备通常要求接收设备在接收 到正确的帧信息后返回一个确认帧，向发送设备表示已经正确的接收了相应的信息。 其帧结构如表2 5 所示。 表2 - 5 确认帧格式 命令帧：在z i g b e e 网络中，为了对设备的工作状态进行控制，同网络中的其 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 他设备进行通信，m a c 层将根据命令类型生成相应的命令帧。其帧结构如表2 - 6 所示。 表2 - 6 命令帧格式 2 4 网络层( n w k ) 2 4 1 网络层结构 图2 - 8 网络层结构 z i g b e e 的网络层被要求提供功能以确保i e e e 8 0 2 1 5 4 规定的m a c 子层的正确操 作并为应用层提供一个合适的服务接口【1 】【引。为了给应用层提供合适的接1 2 ，网络层包 括了两个服务实体来提供必需的功能，这两个服务实体就是数据服务实体和管理服务 实体。网络层数据实体( n l d e ) 通过相关的服务接入点( s a p ) 来提供数据传输服务， 即n l d e s a p 。网络层管理实体( n l m e ) 通过相关的服务接入点( s a p ) 来提供管理服 务，即n l m e s a p 。n l m e 利用n l d e 来完成一些管理任务和维护管理对象的数据库， 通常称作网络信息库( n e t w o r ki n f o r m a t i o nb a s e ，n i b ) 。其结构模型如图2 8 所示。 网络层数据实体( n l d e ) 为数据单元( a p p l i c a t i o np r o t o c o ld a t au n i t s ，a p d u ) 提 供传输服务： n l d e 可以通过附加适当的一个协议头形成网络层协议数据单元( n p d u ) ； 形成路由，n l d e 能够传输n p d u 给一个适当的设备，这个设备可以是最终的 传输目的地，也可以是链路中通往最终目的地的下一个设备。 网络层管理实体( n l ) 提供一个管理服务，允许个应用和协议栈相连接。 n l m e 提供以下服务： 配置一个新设备，n l m e 可以完全的配置栈依据应用操作的要求，设备配置包 括开始设备作为z i g b e e 协调器或加入一个存在的网络； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 建立一个新的网络； 加入或离开一个网络，n l m e 可以加入或离开一个网络，使z i g b e e 的协调器 和路由器能够让终端设备离开网络： 分配地址，使z i g b e e 的协调器和路由器可以分配地址给加入网络的子设备； 临近表( n e i g h b o r ) 发现，去发现、记录和报告设备的下一跳临近表的相关信 息； 路由的发现，可以通过网络来发现及记录传输路径，而信息也可被有效的路由； 接收控制，当接收者活跃时，n l m e 可以控制接收时间的长短并使能m a c 子 层同步或直接接收。 2 4 2 网络层( n w k ) 帧结构 n w k 层定义了两种类型的帧：数据帧和命令帧，分别如表2 7 和表2 8 描述。 表2 7 数据帧格式 说明：n w k 数据帧头部分的帧控制字段中，帧类型子域的值为0 0 ，路由信息部 分包含的是地址和广播字段的适当组合，这些字段的设置与帧控制字段有关。 表2 8 命令帧格式 说明：n w k 命令帧头部分的帧控制字段中，帧类型子域的值为0 1 ，路由信息部 分包含的是多个地址和广播字段的适当组合，这些字段的设置与帧控制字段有关。 2 5 应用层 z i g b e e 应用层由应用支持子层( a p s ) 、z i g b e e 设备对象( z d o ) 和制造商所定义的应 用对象组成【2 5 】。 2 5 1 应用支持子层( a p s ) 应用支持子层( a p s ) 通过一系列常规服务提供网络层和应用层之间的接口，同时被 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 z i g b e e 设备对象( z d o ) 和生产商定义的应用对象使用。这些服务通过两个实体来提供 一一数据服务实体( a p sd a t ae n t i t y , a p s d e ) 和管理服务实体( a p sm a n a g e m e n t e n t i t y , a p s d e ) 来提供。如图2 - 9 所示。 图2 - 9a p s 层结构 应用支持子层数据实体( a p s d e ) 通过a p s d e s a p 服务接入点提供数据传输服务。 而应用支持子层管理实体( a p s m e ) 通过a p s m e s a p 来提供管理服务，同时负责维护 a p s 信息库【2 6 】。 应用支持子层数据实体( a p s d e ) 通过a p s d e s a p 为网络层及z d o 和应用对象提 供数据传输服务，允许应用数据单元在同一网络中的两个或多个设备间传输。 应用支持子层管理实体( a p s m e ) 通过a p s m e s a p 提供管理服务，允许应用程序 与协议栈进行交互。a p s m e 根据设备的需求及功能匹配两个设备，这被称为绑定服务。 a p s m e 利用a p s d e 完成一部分管理服务，还要建立并维护一个存储绑定信息的数据 库应用支持子层信息数据库( a p si n f o r m a t i