（电路与系统专业论文）基于802154通信协议的无线传感器组网技术研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘 要 摘要 无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，w s n ) ，是目前无线技术领域最 流行最热门的研究对象，它具有自组织、快速展开、抗毁坏性强等特点，在军事、 环境监测、医疗健康、工业控制等方面有着十分广阔的应用前景，这种全新的信 息采集和处理技术，能够完成实时监测、采集各种环境或监测对象的信息，并进 行处理、传送给需要这些信息的用户。目前存在着多种近距离无线传输技术都可 应用于无线传感器网络，如蓝牙、w i f i 、u w b 和z i g b e e 等，这些技术各有优点 和缺点，传输速率和距离各不相同，也有着不同的功耗，适用于不同领域。而其 中的z i g b e e 技术是一种新兴的无线技术，由于其出现较晚，目前应用还不是很 广泛，但是z i g b e e 专注于近距离、低功耗、低数据速率传输，现在已经得到人 们越来越多的关注，成为当前无线技术研究的一个新热点。 目前，国内外对无线传感器网络的研究主要集中在m a c 算法、路由算法、 定位算法及数据融合算法上，在协议栈各层的功能定义上、在各层数据帧格式、 层与层之间的接口、每一层内的规范管理上都考虑较少。 最后，本文将结合桥梁监测这一工程背景，提出基于z i g b e e 无线传感器网 络的桥梁监测系统设计方案，设计桥梁无线网络监测系统数据采集与传输的软硬 件系统，实现监测信号的获取与无线传输。 本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 深入研究分析i e e e 8 0 2 1 5 4 标准通信协议及其组网算法； ( 2 ) 结合桥梁健康监测系统的实际需要，研究了振弦传感器的激振方法和 微弱电信号的拾取方法，设计开发了梁健康监测系统中基于振弦传感器测频模 块，并完成相应的调试和功能测试； ( 3 ) 结合微波电路的设计方法，自主设计实现z i g b e e 无线通信模块，并开 发了z i g b e e 无线传感器网络的软件系统，包括z i g b e e 网络协议栈的移植和上层 应用层程序设计，并完成相应的功能测试和性能测试； ( 4 ) 设计基于z i g b e e 无线传感器网络的桥梁健康监测系统，并完成其软硬 件系统设计。 关键词无线传感器网络；i e e e8 0 2 1 5 4 ；z i g b e e ；组网；桥梁健康监测 a b s t r a c t a bs t r a c t w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki st h em o s tp o p u l a rs u b j e c ti nw i r e l e s sn e t w o r k i th a s m a n yc h a r a c t e r i s t i c so ft h er a p i dd e p l o y m e n t ，f a u l tt o l e r a n c ea n ds e l f - o r g a n i z a t i o n t h ea b o v ed e s c r i b e df e a t u r e se n s u r eaw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n sf o rs e n s o rn e t w o r k s s u c ha s ：m i l i t a r y , e n v i r o n m e n t ，h e a l t h i n d u s t r yc o n t r o la n ds oo n i ti sa b l et om o n i t o r s e n s ea n dc o l l e c tt h ei n f o r m a t i o no fa l lc o n d i t i o n sa n dc o n t r o l l e do b j e c t s i tc a na l s o p r o c e s st h ei n f o r m a t i o nt ob et r a n s m i t t e dt ot h eu s e r sw h o n e e di t i nr e c e n ty e a r s ， t h e r ea r em a n yw i r e l e s st r a n s p o r tt e c h n o l o g i e si ns h o r td i s t a n c ew h i c hc a ns u p p o r t w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，s u c ha sb l u e t o o t h ，、矾f i ，u w b ，z i g b e ea n de t c t h o s e t e c h n o l o g i e sh a v et h e i ro w na d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s t h e ya r ed i f f e r e n tf r o m t r a n s p o r ts p e e d ，t r a n s p o r td i s t a n c ea n dp o w e r , s ot h e ya r es u i tf o rd i f f e r e n tf i e l d s z i g b e ei sak i n do fn e w w i r e l e s st e c h n o l o g y i ti sn o tp o p u l a rb e c a u s eo fi t so l d e s t a p p e a r a n c e b u ti ti sb e c o m i n gan e wh o tp o i n to f w i r e l e s sr e s e a r c hb e c a u s eo fi t s s p e c i a lc h a r a c t e r so f s h o r td i s t a n c e ，l o wp o w e ra n dl o wv e l o c i t y c u r r e n t ，t h er e s e a r c hi nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kc o n c e n t r a t e sp r i m a r i l yi nt h e p r o t o c o lo fm a c ，r o u t i n ga l g o r i t h m s ，p o s i t i o na l g o r i t h m sa n d d a t af u s ea l g o r i t h m s e a c hl a y e r sf u n c t i o n ，d a t af r a m ef o r m ，t h eu n i f o r mi n t e r f a c ed e f i n i t i o nb e t w e e n d i f f e r e n tl a y e r sa n de a c hl a y e r sr e g u l a rm a n a g e m e n ti nt h ep r o t o c o ls t a c ka r e c o n s i d e r e df e w a tl a s t ，t h i sp a p e rd e s i g nas y s t e mo f b r i d g eh e a l t hm o n i t o r i n gb a s e d o nz i g b e e w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，w h i c hi n c l u d i n gt h es o f t - w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g no fd a t a a c q u i s i t i o na n dt r a n s m i s s i o nf o rm o n i t o r i n gi n f o r m a t i o n t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r e ： 1 r e s e a r c ha n da n a l y z ei e e e 8 0 2 15 4p r o t o c o la n dt h ea l g o r i t h mo fn e t w o r k f o r m a t i o n 2 i m p l e m e n tt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no fz i g b e ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nm o d u l e s 3 d e s i g nt h es o f t w a r es y s t e mo f z i g b e ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，i n c l u d i n gt h e p o r t i n go fz i g b e ep r o t o c o ls t a c k ，b o t t o mh a r d w a r ed r i v e r s ，t h ep r o g r a m so f a p p l i c a t i o nl a y e ra n dt e s t i n gt h ep r o t o c o ls t a c k 4 d e s i g nt h eb r i d g eh e a l t h ym o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nz i g b e ew i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k i m p l e m e n tt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r es y s t e m k e yw o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，i e e e8 0 2 15 4 ，z i g b e e ，n e t w o r kf o r m a t i o n ， b r i d g eh e a l t hm o n i t o r i n g i i i - 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j 匕塞王些太堂或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解j 量宝王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：蒸碰醯导师签名： 渤迪嗍翌芝：至：兰 筇1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 无线传感器网络( w s n ，w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k ) 是由多个节点组成的以 数据为中心的面向任务的自组织无线网络，它综合了传感器技术、嵌入式计算技 术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等多种领域技术，通过各类 微型传感器对目标信息进行实时监测，由嵌入式计算资源对信息进行处理，并通 过无线通信网络将信息传送至远程用户【i 】。这一技术具有十分广阔的应用前景， 在军事国防、工农业控制、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领域都有重要的科研价值和实用价值【2 】。 无线传感器网络的主要特点有：网络节点密集，数量巨大且部署在十分广泛 的区域；网络拓扑结构动态变化，网络具有自组织和自调整的特点。网络节点具 有成本低体积小，能量极其有限，计算能力、存储能力和通信能力有限的特点。 低成本、低功耗、应用简单的i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b e e 协议的诞生为无线传感 网络及大量基于微控制应用提供了互联互通的国际标准，也为上述的这些应用及 相关产业的发展提供了有力的契机。 i e e e8 0 2 15 4 z i g b e e 协议是由i e e e8 0 2 15 4 标准的物理层和m a c 层再加 上z i g b e e 的网络层和应用层所组成的【3 】，其突出的特点是网络系统支持极低成 本、易实现、可靠的数据传输、短距离操作、极低功耗、各层次的安全性等。随 着科学技术的发展，近几年无线通信组网技术受到了人们越来越多地关注，在短 距离的无线控制、监测和数据传输领域，通用的技术有w i f i 、蓝牙等，也有其 他一些技术，如无线u s b 、超宽带和w i m a x 等。这些近距离无线组网技术基于 自身特点，适用于不同领域。于2 0 0 4 年1 2 月中旬推出的基于i e e e 8 0 2 1 5 4 标 准的z i g b e e 技术不仅具有低成本、低功耗、低速率、低复杂度的特点；而且具 有可靠性高，组网简单、灵活的优势。现在该技术已经成为研究的新热点。 本课题将对z i g b e e 协议栈进行移植工作，从目前国内的情况来看，大多数 用户还只能借助于国外公司提供的z i g b e e 开发平台进行应用层开发。但这些平 台来自国外，开发工具、芯片选型都要受到较大的限制，并且核心协议层代码都 以l i b 库的形式提供，极大的束缚了国内z i g b e e 产业的发展，因此我们自行开 发实现z i g b e e 协议栈还是有很大实际意义的。 北京州p 人1 号：硕十；：伊论文 而针对桥梁健康监测这一技术领域，在过去十几年罩，我国已建成一批大跨 度的桥梁，但是仅有上海的黄浦江上就有南浦、杨浦和徐浦大桥等具有世界先进 水平的桥梁。为了确保大型桥梁结构的使用安全性和耐久性，减少和避免国家、 人民生命财产的重大损失，进行大型桥梁结构工作状态和结构特性参数的监测和 评估工作已迫在眉睫。为了确保这些耗资巨大、与国计民生密切相关的大桥的安 全耐久，许多研究人员都在致力于研究针对桥梁或其他结构的监测及其相应的数 据自动化采集系统，就是在大型桥梁上合适的位置安装合适的传感器，利用符合 桥梁数据采集要求的嵌入式采集设备，之后将数据收集到监测站，分析桥梁的结 构状态，对桥梁的健康状况做出评估，进行维护，这就是一个完整的桥梁健康监 测系统框架。 也就是说，桥梁健康监测是通过测量桥梁的环境参数和自身的结构参数来监 测桥梁的健康状态，同时对于检验设计参数，进行桥梁方面的科学研究等有着重 要意义。稳定可靠的数据采集和传输系统对于保证监测系统的长期运行有着重要 意义，同时是获取有效、可靠的监测数据的前提。桥梁健康监测系统一般包括采 集测量系统( 传感器系统) 、数据传输系统、数据分析和控制系统等三个部分， 分别实行数据的采集、传输、管理分析等功能。数据采集和传输子系统是整个桥 梁健康监测系统的通信平台，其主要功能是对各种传感器信号进行采集、传输和 保存。这其中的数据传输系统采取基于z i g b e e 技术的无线传感器网络做其底层 传输基础，将大大减小现场布线的工作量，使监测施工变得十分方便快捷。 1 2 国内外研究现状 传感器技术、微机电系统、现代网络和无线通信等技术的进步，推动了具有 现代意义的无线传感器网络的产生和发展。无线传感器网络涉及众多学科，成为 i t 领域中的研究热点之一。现在，互联网络为人们提供快捷的通信平台，极大 地方便了人们的信息交流。无线传感器网络扩展了人们的信息获取能力，将客观 世界的物理信息同传输网络连接在一起，在下一代互联网络中将为人们提供最直 接、最有效、最真实的信息。美国在2 0 世纪9 0 年代就开始了传感器网络的研究 工作，并首先在军方应用和推广。“w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k ”最开始在美国的加 州大学伯克利分校( u n i v e r s i t yo f c a l i f o r n i a ，b e r k e l e y ) 、加州大学洛杉矶分校 ( u n i v e r s i t yo f c a l i f o m i a ，l o sa n g e l e s ) 和康奈尔大学( c o m e l lu n i v e r s i t y ) 等几 所大学开始有很丰富的研究结果。 国外对z i g b e e 技术的研究起步较早，研究也较为成熟。z i g b e e 联盟成立于 2 0 0 2 年8 月，为了推动z i g b e e 技术的发展，c h i p c o n ，e m b e r ，f r e e s c a l e ，h o n e y w e l l ， m i s m 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 e 茆1 审绪论 a l l i a n c e ) ，如今已经i 吸引了上白。家芯片公司、无线设备公一j 和开发商的加入，包 括有许多i c 设计、家电、通讯设备、玩具等厂商，目前该联盟已经包含1 5 0 多 家会员。 目前国内外已经出现了许多种网络节点的设计，它们在实现原理上是相似 的，只是分别采用了不同的微处理器或者不同的通信或协议方式，比如采用自定 义协议、8 0 2 1 l 协议、z i g b e e 协议、蓝牙协议以及u w b 通信方式等。我国也开 展了这一领域的研究工作：无线传感器结点的硬件设计、操作系统、节能技术、 覆盖控制技术等。它是一个从理论到实践都需要大量研究的课题。 不过国内z i g b e e 的研究起步还是较晚一些，国内市场主要由国外仪器所占 领。现在国内未见成熟的自主研制的z i g b e e 产品，只有一些研究性和简单应用 的文章出现于期刊杂志，不过随着无线技术大趋势的发展，很多高校和研究机构 已经着手无线组网、无线技术应用方面的研究，特别是与我们同常生活息息相关 的近距离无线组网技术的研究与应用。如中科院计算所的宁波分所就在专门从事 无线技术的研究，主要侧重于无线网络化智能传感器，计算所自行开发了低功耗 的c p u 、多点网络动态组网拓扑协议、网络节点管理软件和无线网络化智能传 感器操作系统。国内的一些大学，如浙江大学、山东大学也在进行z i g b e e 组网 和应用的研究，利用国外厂商的丌发平台和芯片建立z i g b e e 网络，并应用于智 能家居、无线抄表和物流管理方面。相信随着无线技术研究的深入，会有更多的 国产z i g b e e 和其他无线产品投入市场。 1 3 本论文的主要任务 本文的主要任务是在深入研究i e e e8 0 2 1 5 4 标准和z i g b e e 协议的基础上， 深入探讨基于该标准的无线传感器网络组网算法，设计开发一个z i g b e e 硬件平 台，并在该平台上实现上述协议、算法。最后，结合桥梁监测这一工程背景，提 出基于z i g b e e 无线传感器网络的桥梁监测系统方案，开发完成其软硬件系统， 实现监测信号的获取与无线传输。 具体内容主要包括以下四个方面： ( 1 ) 深入研究分析i e e e 8 0 2 15 4 标准通信协议及其组网算法； ( 2 ) 实现z i g b e e 无线通信模块的软硬件设计； ( 3 ) 开发z i g b e e 无线传感器网络的软件系统，包括z i g b e e 网络协议栈的移 植和上层应用层程序设计，并完成相关测试； ( 4 ) 设计基于z i g b e e 无线传感器网络的桥梁监测系统，并完成其软硬件系 统设计。 笫2 章z i g b c c 协议概述及关键技术介绍 第2 章z i g b e e 协议概述及关键技术介绍 2 1 概述 随着通信技术的迅速发展，人们提出了在自身附近几米范围内通信的要求， 这样就出现了个人局域网络( p e r s o n a l a r e a n e t w o r k ，p a n ) 和无线个人局域网 络( w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ，w p a n ) 的概念。w p a n 网络为近距离范围 内的设备建立无线连接，把几米到几十米范围内的多个设备通过无线方式连接在 一起，使他们可以相互通信甚至接入l a n 或者i n t e m e t 。 2 0 0 2 年8 月成立的z i g b e e 联盟就是一个针对w p a n 网络而成立的产业联 盟。该联盟致力于近距离、低复杂度、低数据速率、低成本的无线网络技术。他 们丌发的技术被称为z i g b e e 技术，该技术希望被部署到商用电子、住宅及建筑 自动化、工业设备监测、p c 外设、医疗传感设备、玩具以及游戏等其他无线传 感和控制领域当中。 z i g b e e 联盟已于2 0 0 5 年6 月2 7 同公布了第一份z i g b e e 规范“z i g b e e s p e c i f i c a t i o nv 1 0 ”。这个标准定义了在i e e e8 0 2 1 5 4 2 0 0 3 物理层和标准媒体接 入控制层上的网络层及支持的应用服务。z i g b e e 联盟的长期目标是能够建立基 于互操作平台和配置文件的可伸缩、低成本嵌入式基础架构。 在w p a n 中有三种网络角色：p a n 网络协调器、协调器和设备。这三种角 色在i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 规范中分别对应z i g b e e 协调器、z i g b e e 路由器和设备。 p a n 网络协调器可以看作是一个p a n 的网关节点( 也即s i n k 节点) 。它是网络 建立的起点，负责p a n 网络的初始化，确定p a n 的i d 号和p a n 操作的物理信 道并统筹短地址分配。协调器在加入网络之后获得一定的短地址空间。这个空间 内，他有能力允许其他节点加入网络，并分配短地址。当然协调器还具备路由和 数据转发的功能。p a n 协调器和协调器周期发出信标帧( b e a c o nf r a m e ，将在 2 4 节中介绍) ，它们必须是全功能设备( f f d ) 。设备是整个网络的叶结点，它 只能与它的父节点通信，也没有加入其他任何节点的能力。设备是全功能设备 ( f f d ) 或简化功能设备( r f d ) 。 2 1 1i e e e 8 0 2 15 4 z i g b e e 协议框架 i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 协议采用分层结构。每一层为上层提供一系列特殊的 e 柬1 业人学i 学硕十学位论文 服务：数据实体提供数掘传输服务，管理实体则提供所有其他的服务。所有的服 务实体都通过服务接 点( s a p ) 为上层提供一个接口，每个s a p 都支持一定 数量的服务原语来实现所需的功能。 i e e e 8 0 21 54 z i 曲e e 协议栈架构是在o s i 七层模型的基础上根据市场和应 用的实际需要定义的，如图2 - 1 所示。其中，i e e e 8 0 2 1 542 0 0 3 标准定义了底层： 物理层( p h y s i c a ll a y e r ，p h y ) 和媒体访问控制层( m e d i u m a c c e s s c o n t r o l s u b l a y e r ，m a c ) 层。z i 9 8 c c 联盟在此基础上定义了网络层( n e t w o r k l a y e r n w k ) ，应用层( a p p l i c a t i o nl a y e r ，a p l ) 架构。其中应用层包括应用支持子层 ( 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 口p l i c a t i o nf r a m e w o r k ，a f ) 、 z i g b 设备对象( z i g b d e v i c e o b j e c t s ，z d o ) 以及用户定义应用对象 ( m a n u f a c t u r e c - d e f i n c d a p p l i c a t i o no b j e c t s ) 。 应屡( a p l ) ； _ 一一一_ 一一一一一一一一- 一- 一_ 。_ - 一- - 一- _ 一一一 幽2 - 1i e e e s 0 21 54 z i g b 协议栈架构幽 i e e e s 0 21 54 - 2 0 0 3 工作在工业科学医疗( i s m ) 频段，定义了两个物理层 ( p h y ) ，分别工作在两个频段上：8 6 8 9 1 5 m h z 和24 g h z 。其中低频段物理层 覆盖了8 6 8 m h z 的欧洲频段和9 1 5 m h z 的美国与澳大利亚等国的频段。高频段则 全球通用。 i e e e s 0 21 5 4 2 0 0 3m a c 层采用c s m a - c a 机带4 来控制信道接入，主要负责 传输信标帧，同步以及提供可信赖的传输机制。 第2 章z i g b e e 协议概述及关键技术介鲥 网络崖的丰要职责包括提供设各用柬加入网络和离开网络的机制，提供数据 帧传输的安全机制和路由机制。另外，发现并保持设备白j 的路由，发现一跳邻居 并存储潜在邻居信息也是由网络层( n w k ) 完成的。z i g b e e 协调器的n w k 层 还必须负责启动一个新的网络，给新的关联设备分配地址等工作。 i e e e s 0 21 5 4 z i g b e e 应用层包括a p s ，a f ，z d o 以及用户定义应用对象。 应用支持子层( a p s ) 负责维护设备绑定表以及在绑定的设备自j 传输数据。设 备绑定表用于根据设备削提供的服务和需求来匹配设备并储存相关设备的信息。 z i g , b e e 设备对象( z d o ) 负责定义设备在网络中的角色( 如z i g b 协调器或中 断设备) ，提出或响应绑定请求，以及建立网络设备自j 的安全关系。z i 面设备 对象( z d 0 ) 还要负责网络设备的发现及判定对方提供哪类服务。 2 1 2i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 网络拓扑 i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b e e 协议中明确定义了三种拓扑结构：星型结构( s t a r ) 、 簇树结构( c l u s t e r t r e e ) 和网状结构( m e s h ) ，如图2 - 2 所示。 图2 - 2 几种基本的阿络模型 在星型拓扑中，网络由一个z i 邸协调器控制。蜀啦协调器要负责初始 化井维护网络以及网络中的所有其他设各，这些设各均作为终端设各直接与 z i 庐协调器通信。在m e s h 或簇树网络中，z i g a 协调器负责启动网络并设置 某些关键参数，但是网络可以通过z i g b e e 路由器进行扩展。在簇树网络中，路 由器采用分级路由策略传送数据和控制信息。树状网络通常使用基于信标的通信 模式。m e s h 网络允许完全的点对点通信，在m e s h 网络中z i g b e e 路由器不会发 送常规i e e e 8 0 21 5 4 - 2 0 0 3 信标。 北京f 、i ，人学i 学硕- b 9 伊论文 2 1 3 关键概念 2 1 3 1 通信原语 在分层的通信协议中，层与层之间是通过服务接入点s a p 相连接的。每一 层都可以通过本层与下一层的s a p 调用下层所提供的服务，同时通过与上层的 s a p 为上层提供相应服务。s a p 是层与层之间的唯一接口，而具体的服务是以 通信原语的形式供上层调用的。在调用下层服务时，只需要遵循统一的原语规范， 并不需要去了解如何处理原语。这样就做到了数据层与层之间的透明传输。 层与层之间的通信原语可分为以下四种，它们之间的关系如图2 3 所示。 服务提供者 缀务使婀寿 ( 本层) 驻务使周者 ( 上层 r e q u e s t c o n 髓1 1 1 1 ) ( 上层 i n d i c a t i o n 图2 - 3 通信原语 r e q u e s t ：请求原语用于上层向本层请求指定的服务。 c o n f i r m ：确认原语用于本层响应上层发出的请求原语。 i n d i c a t i o n ：指示原语由本层发给上层用来指示本层的某一内部事件。 r e s p o n s e ：响应原语用于上层响应本层发出的指示原语。 本文中原语遵循了“s a p 名称原语功能原语类型”的书写规则，如 “m l m e a s s o c i a t e r e q u e s t ”表示m l m e s a p 上提供的关联请求原语。 2 1 3 2 数据单元 i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 标准包含两种数据单元：协议数据单元( p r o t o c o ld a t a u n i t ，p d u ) 和服务数据单元( s e r v i c ed a t au n i t ，s d u ) 。 所谓协议数据单元就是在不同节点的各层对等实体间，为实现该层协议所交 换的信息单元。通常将第n 层的数据单元记为n p d u 。它由两部分组成，即本 单元的用户数据( n ) 和本层的协议控制信息( p r o t o c o lc o n t r o li n f o r m a t i o n ，p c i ) 。 从上层用户的角度来看，它并不关心下面的p d u ，实际上也看不见p d u 的 大小。上层用户关心的是：第n 层实体为了完成该用户的请求，需要传输多大 菊2 帝z i g b e e 协议概述及关键技术介乡，j 的数据单元。这种数据单元称为服务数据单元，也n i 以说是第n 层的数据净倚。 2 2i e e e 8 0 2 15 4 2 0 0 3 i e e e 8 0 2 15 4 2 0 0 3 包括用于低速无线个人局域网( l r w p a n ) 的物理层 ( p h y ) 和媒体接入控制层( m a c ) 两个规范。图2 4 给出了i e e 8 0 2 1 5 4 2 0 0 3 的分层参考模型。 图2 - 4i e e e 8 0 2 15 4 2 0 0 3 分层参考模型 2 2 1i e e e 8 0 2 1 5 4 2 0 0 3 物理层 i e e e 8 0 2 15 4 2 0 0 3 的物理层定义了物理信道和m a c 层间的接口，提供数据 服务和物理层管理服务。物理层数据服务从无线物理信道上收发数据，物理层管 理服务维护一个物理层相关数据组成的数据库。图2 4 中物理层各个功能实体和 s a p 的具体描述如下： p l m e ：p h y 层管理实体，处理与物理层管理相关原语。 p h yp i b ：p h y 层信息数据库，存储物理层p a n 相关属性。 p d s a p ：p h y 数据服务接入点，接受将要发送的m a c 帧，向m a c 层报 ，i t 京i 、l p 人学t 学硕十7 7 ：伊论文 曼鼍皇! 曼! 皇曼量曼曼曼曼量皇曼皇曼曼i ii i ；i 一 ；i 量! 曼! 曼曼曼曼曼舅皇曼曼舅曼曼曼 告接收到的m a c 帧，为m a c 层提供p h y 数据服务。 p l m e s a p ：p l m e 服务接入点，接受m a c 层的管理请求原语，向m a c 层报告管理指示原语和确认原语，为上层m a c 层提供p h y 管理服务。 根据标准的定义，物理层实现了如下功能：激活关闭射频收发单元、对当前 信道进行能量检测( e n e r g yd e t e c t ，e d ) 、对收发的包进行链路质量指示( l i n k q u a l i t yi n d i c a t i o n ，l q i ) 、接收发送数据、空闲信道评估( c l e a rc h a n n e l a s s e s s m e n t ，c c a ) 等。 信道能量检测为网络层提供信道选择依据。它主要测量目标信道中接收信号 的功率强度，由于这个检测本身不进行解码操作，所以检测结果是有效信号功率 和噪声信号功率之和。 链路质量指示为网络层和应用层提供接收数据帧时无线信号的强度和质量 的信息，与信道能量检测不同的是，它要对信号解码，生成的是一个信噪比指标。 这个信噪比指标和物理层数据单元一起提交给上层处理。 空闲信道评估判断信道是否空闲。i e e e 8 0 2 1 5 4 2 0 0 3 定义了三种空闲信道 评估模式：第一种，简单判断信道的信号能量，当信号能量低于某一个门限值就 认为信道空闲；第二种是通过判断无线信号的特征，这个特征主要包括两个方面， 即扩频信号特征和载波频率特征；第三种模式是前两种模式的综合，同时检测信 号强度和信号特征，给出信道空闲判断。 2 2 2i e e e 8 0 2 15 4 2 0 0 3 媒体访问控制层 m a c 层提供两种服务：m a c 层数据服务和m a c 层管理服务。前者保证 m a c 协议数据单元在物理层数据服务中正确收发，后者维护一个存储m a c 层 协议相关信息的数据库。图2 4 中m a c 层各功能实体和s a p 的具体描述如下： m a cc o m m o np a r ts u b l a y e r 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、解封装和执行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，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( s u p e r f r a m e ) 、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，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。 菊2 章z i g b e e 协议概述及关键 支术介? “ 根据标准的定义，m a c 层完成如下六个方面的功能：协调器产生并发送信 标帧，普通设备根据协调器的信标帧与协调器同步；支持p a n 网络的关联 ( a s s o c i a t i o n ) 和取消关联( d i s a s s o c i a t i o n ) 操作；支持无线信道通信安全；使 用c s m a c a 机制共享物理信道；支持时隙保障( g u a r a n t e e dt i m es l o t ，g t s ) 机制；为两个对等的m a c 实体提供可靠的数据链路。 关联操作是指个设备在加入一个特定p a n 时，向协调器注册以及身份认 证的过程。l r w p a n 网路中的设备有可能从一个网络切换到另一个网络，这时 就需要进行关联和取消关联操作。 时隙保障机制和时分复用( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，t d m a ) 机制相 似，但它可以动态地为申请的设备分配时隙。使用时隙保障机制需要设备问的时 间同步，i e e e 8 0 2 1 5 4 中的时间同步通过“超帧( s u p e r f r a m e ) ”机制实现的。 在i e e e 8 0 2 1 5 4 的m a c 层中引入了超帧结构和信标帧的概念。这两个概念 的引入极大地方便了网络管理，可以选用以超帧为周期实现l r w p a n 网络内设 备间的通信。每个超帧都以网络协调器发出信标帧为始，在这个信标帧中包含了 超帧将持续的时间以及对这段时间的分配等信息。网络中的普通设备接收到超帧 开始时的信标帧后，就可以根据其中的内容安排自己的任务，例如进入休眠状态 直到这个超帧结束。 2 2 2i e e e 8 0 2 15 4 2 0 0 3 主要特点 i e e e 8 0 2 15 4 2 0 0 3 能支擀肖耗功率最少，一般在个人活动空间( 1 0 m 直径或 更小) 工作的简单器件。8 0 2 1 5 4 支持两种网络拓扑，即单跳星状或当通信线路 超过1 0 m 时的多跳对等拓扑。但是对等拓扑的逻辑结构由网络层定义。l r w p a n 中的器件既可以使用6 4 位i e e e 地址，也可以使用在关联过程中指配的1 6 位短 地址。一个i e e e 8 0 2 1 5 4 2 0 0 3 网可以容纳最多2 1 6 个器件。以下介绍 i e e e 8 0 2 15 4 2 0 0 3 的主要特点： ( 1 ) 工作频段和数据速率 在i e e e 8 0 2 1 5 4 2 0 0 3 中，总共分配了2 7 个具有三种速率的信道：在2 4 g h z 频段有1 6 个速率为2 5 0 kb i f f s ( 或2 5 0 ks y m b o y s ) 的信道，在9 1 5 m h z 频段有 1 0 个4 0 k b i f f s ( 或4 0 ks y m b o l s ) 的信道，在8 6 8 m h z 频段有1 个2 0 k b i t s ( 或 2 0 ks y m b o l s ) 的信道。i s m 频段全球通用的特点不仅免除了i e e e 8 0 2 1 5 4 2 0 0 3 器件的频率许可要求，而且还给许多公司提供了开发可以工作在世界任何地方的 标准化产品的难得机会。这将减少投资者的风险，与专门解决方案相比可以明显 降低产品成本。在保持简单性的同时，i e e e 8 0 2 1 5 4 2 0 0 3 还试图提供设计上的 灵活性。一个i e e e 8 0 2 1 5 4 2 0 0 3 网可以根据可用性、拥挤状况和数掘速率在2 7 北京川p 人字：t 导? 7 ，员十7 产伊论文 i i i l u - - _ _ 个信道中选择一个工作信道。从能量和成本效率来看，不同的数据速率能为不同 的应用提供较好的选择。例如，对于有些计算机外围设备与互动式玩具，可能需 要2 5 0 kb i t s ，而对于其他许多应用，如各种传感器、智能标记和家用电器等， 2 0 kb i t s 这样的低速率就能满足要求。 ( 2 ) 支持简单器件 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。在 i e e e 8 0 2 1 5 4 2 0 0 3 中定义了1 4 个物理层基本参数和3 5 个媒体访问控制层基本 参数，总共为4 9 个，仅为蓝牙的三分之一。这使它非常适用于存储能力和计算 能力有限的简单器件。在i e e e 8 0 2 1 5 4 2 0 0 3 中定义了两种器件：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，可以按三种方式工作，即 用作个人局域网协调器、协调器或器件。而简化功能器件只能与全功能器件通话， 仅用于非常简单的应用。 ( 3 ) 信标方式和超帧结构 i e e e 8 0 2 15 4 2 0 0 3 网可以工作于信标使能方式或非信标使能方式。在信标 使能方式中，协调器定期广播信标，以达到相关器件同步及其他目的。在非信标 使能方式中，协调器不定期地广播信标，而是在器件请求信标时向它单播信标。 在信标使能方式中使用超帧结构，超帧结构的格式由协调器来定义，一般包括工 作部分和任选的不工作部分。 ( 4 ) 数据传输和低功耗 在i e e e 8 0 2 1 5 4 2 0 0 3 中对等网络中从一方到另一方，有三种不同的数据转 移：从协调器到协调器：从器件到协调器；从协调器到器件。为了突出低功耗的 特点，把数据传输分为以下三种方式： ( i ) 直接数据传输：适用于以上所有三种数据转移。而采用无槽载波扫描 多址与碰撞避免( c s m a c a ) 或丌槽c s m a c a 的数据传输方法，视使用非信 标使能方式还是信标使能方式而定。 ( i i ) 问接数据传输：仅适用于从协调器到器件的数据转移。在这种方式中， 数据帧由协调器保存在事务处理列表中，等待相应的器件来提取。通过检查来自 协调器的信标帧，器件就能发现在事务处理列表中是否挂有一个属于它的数据分 组。有时，在非信标使能方式中也可能发生间接数据传输。在数据提取过程中也 使用无槽c s m a c a 或开槽c s m a c a 。 (