（检测技术与自动化装置专业论文）基于zigbee技术的无线煤矿安全信息系统.pdf

论文题目：基于z i g b e e 技术的无线煤矿安全信息系统 专业：检测技术与自动化装置 硕士生：张文平 指导教师：宋柏 摘要 ( 签名) 盈盘至 ( 签名) 伴随着当前我国经济的增长，煤炭产业规模迅速扩大，但是煤矿安全事故频出，严 重影响了正常的生产工作和入员的生命安全，进而显示了煤矿安全信息系统对于煤矿安 全生产的重要性。 现今的煤矿安全信息系统都是以工业总线为基础，构成有线的通信传输鼹络。这种 传输方式对矿井真正具有瓦斯、一氧化碳气体的聚集区如：综采工作面、采空区等死角 的安全参数监测却无能为力，从而无法进行预测报警。为了解决这一问题，在传统的矿 井监测手段基础上，利用更加先进、更有优势的技术来构造井下安全监测系统是必然的 发展趋势。 本文提出了个基于z i g b e e 技术的煤矿井下无线传感器网络的平台。设计了系统 的总体结构包括硬件结构、软件结构以及通讯接口等，并实现了两个煤矿井下的典型应 用。该平台中使用新兴的z i g b e e 协议来作为无线传感器网络的通信协议，使得该无线 传感器网络平台可组成高容错性、低能耗、低成本的多跳分布式传感器网络。结合矿井 的实际情况，用z i g b c e 技术解决了综采工作面和采空区数据传输问题。 最后，构建了网络节点的软硬件平台；完成了嵌入式节点的硬件设计、协议栈的开 发和应用软件的实现；并对所构建的无线传感器网络进行了部署和试验，对试验数据进 行了分析和整理，给出了系统测试结果。 关键词：煤矿安全信息系统；z i g b c e ；无线传感器网络； 研究类型：应用研究 s u b j e e t ：aw i r e l e s sc o l l i e r ys e c u r i t yi d f o r m a t i o ns y s t e mb a s e do r z i g b e et e e l m o l o g y s p e c i a l i t y ：1 ) e t e c t i n gt e c h n o l o g ya n d a u t o m a t i ce q u i p m e n t n a m e ：z l a a n gw e n p i n g i n s t r u c t o r ：s o n gb a i a b s t r a c t w i t ht h ec o n s t a n t l ye x p a n d i n go ft h ee c o n o m y , o u re o u n u ye n l a r g e st h ee x p l o i t a t i o no f c o a l i nt h eb a c k g r o u n d , t h ec o l l i e r ys a f e t ya c c i d e n t so c c l l r , w h i c ha f f e c t st h en o r m a lw o r k a n d s h o w st h ei m p o r t a n c eo f c o l l i e r ys e c u r i t yi n f o r m a t i o ns y s t e m n o w a d a y s ，c o l l i e r ys e c u r i t yi n f o r m a t i o ns y s t e mi sb a s e d0 1 1i n d u s 舡yb u s , a n dc o m p o s e d o fc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k t h i sk i n do fi n f o r m a t i o ns y s t e mi su n r e a c h a b l ei ns o m eb l i n d c o r n e l s u c ha sf u l l ym a e h a n i z a mc o a lf a c ea n dg o a t a l e aw h i c ha t ed a n g e r o u sf o rf i l l i n go f g a sa n dc o ，am o r ea d v a n c e da n ds u i t a b l et e c h n o l o g yi sn e e d e dt oc o n s t r u c tt h ec o l l i e r y s e c u r i t yi n f o r m a t i o ns y s t e m i nt h i st h e s i s , w ep r o p o s e 跹i n t e g i g e n te o n t r o | p l a t f o r mf o rw i r e l e s ss e n s o l n e t w o r kb a s e d o nz i g b e ep r o t o c o l , i n t r o d u c e 缸i n t e g r a t e da r c h i t e c t u r ei n c l u d i n gh a r d w a r ea r c h i t e c t u r e s o t t w a r ea r c h i t e c t u r ea n dn e t w o r ki n t e r f a c ed e s i g n , a n dt h e nd e v i s et w ot y p i c a lm h l y 印p l i e a t i o n s w eu t h ez i g b e ep r o t o c o l 勰t h ew i r e l e s sn e t w o r kp r o t o c o lo ft h es 廿i s o r n e t w o r k , w h i e l a 锄m a k et h ew i r e l e s ss y s t e mm o l er e l i a b l e ，c o s t - e f f e c t i v e ，l o w - p o w e ra n d m a k et h ea r c h i t e c t u r eo fn e t w o r km o 嵋f l e x i b l ea n dr e e o n t i g u r a b l e c o n s i d e r i n ga c t u a lm i n y c i r c u m s t a n c e ，t h ez i g b e et e c h n o l o g yi su t i l i z e dt os o l v et h ed a t at r a n s m i s s i o np r o b l e mi nt h e f u l l ym a e h a n i z a mc o a lf a c ea n dg o a t a r e a t h i st h e s i sf i n i s h e st h ef o l l o w i n gt a s k s ：t h et o p o l o g yo ft h en e t w o r ka n dh i e r a r c h i c a l p r o t o c o ls t a c k sa l ed e s i g n e d t h ee m b e d d e dn e t w o r kn o d e sa l ed e s i g n e da n dd e v e l o p e d , a n d t h eh a r d w a r ea n ds o i l - w a r ea i bi m p l e m e n t e d a ne x p e r i m e n t a lw s ni sd e p l o y e da n dt h e e x o e r i m e n t a ld a t ai sc o l l e c t e da n da n a l y z e d k e yw o r d s ：c o l l i e r ys e c u r i t yi n f o r m a t i o ns y s t e m z i g b w t r e l e s ss e l l l n e t w o r k t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r e l a 要拜技大肇 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：；衣又幸日期：职) 7 6 ，胗 l 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权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。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 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、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名： 张支耳 l 指导教师签名：葛 穆 年6 月pe l l 绪论 1 1 研究背景及意义 l 绪论 伴随着经济的快速发展，我国对煤炭能源的需求量越来越大，使得近几年来煤炭产 业发展迅速，大大小小的煤矿不断涌现。但是由于缺乏正确的管理和严格的安全措施， 煤矿伤亡事故不断。仅以1 9 9 7 年为例，全国矿山企业( 有证矿山) 共发生职工伤亡事 故6 6 8 1 起，死亡9 5 7 6 人，重伤1 3 6 5 人，一次死亡1 0 人以上的特大事故近百起，可以 说是触目惊心，造成巨大损失和不良影响。 根据有关数据显示，中国煤炭产量占世界的百分之三十一，但煤矿死亡人数却占到 世界的百分之七十九【1 1 。究其原因，主要是因为我国煤矿安全技术落后，安全信息化 技术不高，井下安全信息不能及时传送到井上生产控制中心，选成井下与井上的信息不 对称，从而引发各种灾难。为了解决这一问题，必须在传统的矿井监测手段基础上，利 用更加先进、更有优势的技术来构造井下安全监测系统。 当前煤矿安全监测、监控系统中的各类环境参数，如瓦斯、一氧化碳、温度、氧气 等均是采用传统的有线电缆传输方式。因而对矿井真正具有瓦斯、一氧化碳气体的聚集 区综采工作面、采空区等死角无法进行有线电缆安全参数监测，从而无法预测 报警。陕西陈家山煤矿的瓦斯大爆炸就是由于采空区集聚了大量的高浓瓦斯，由综采工 作面放炮引起的大型瓦斯爆炸事故。 本课题利用当前新兴的无线传感器网络技术组建井下安全监测系统，解决了因有线 电缆传输存在死角而引起的安全问题。针对目前各种煤矿安全产品的多样性以及煤矿开 采过程中井下空间的多变性，煤矿安全无线网络应该具有兼容现行煤矿安全系统数据传 输方式的功能，具有很好的灵活性，可扩展性，自组网络的能力。由于矿井下有其特殊 的应用环境，要求传感器网络协议简单，组网容易，具有自组织、自修复能力。基于以 上原因，结合低功耗的设计思想，本文选用z i g b e e 无线传输技术来构建井下无线传感器 网络。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 煤矿监测系统研究现状 我国矿井监控从安全监控起步，经过多年的开发研究，目前己有多种型号的系统通 过了技术鉴定，其中有不少系统已经在煤矿中得到应用。 在国内使用比较多的是u 系列的煤矿安全系统。这些系统的特点是信息和被控设 西安科技大学硕士学位论文 备在空间上是分散的，在局部地区又是相对集中的。为适应这一特点，必须选择合理的 结构，以获得最佳性、价比。 国外煤矿采用大型自动化、机械化、智能化成套机械设备，以及现代的高科技手段， 将事故的发生率大大降低。我国大多数煤矿是井下采掘，而且随着开采深度的不断增加。 开采强度的不断提高，井下情况变得更为复杂，一旦发生事故，救助工作难以开展。 综合国内外煤矿安全系统的特点，我们研究发现，现阶段随着矿井开采深度的增加， 系统的扩展性和现行通信网络灵活性不强，造成了已经存在的信息安全系统的更新速度 不够。由于开采计划随井下煤炭的分布情况而变化，有线网络的扩展跟不上开采的实际 要求，使得网络的数据可靠性和实时性得不到保证，难以确保重要的安全数据、控制数 据和井下仪表的检测数据及时的传输。因此，煤矿安全无线网络的可行性和重要性就提 到一个比较高的层面上来讨论。 z i g a e e 技术作为一个最近新出现的w p a n 通信技术，以其协议简单、成本低、功 耗低、组网容易等特点，在家用系统控制、楼宇自动化、工业监控领域具有广阔的市场 空间。因此，z i g b e e 技术的应用研究引起越来越多的国内外学者的关注。就其在煤矿安 全监测领域来说，由于煤矿井下的特殊环境，一直没有找到一种能够很好解决井下数据 无线传输和人员定位的方法，而z i g b e e 技术的出现给致力于解决矿井安全监测问题的科 技人员提供了方向，相信在不久的将来，z i g b e e 技术将得到更加广泛的应用。 1 2 2 传感器网络研究现状 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。进入到2 1 世纪，随着技术水平的大规模提高，对 无线传感器网络的研究与开发已成为目前信息领域的一个热点，有越来越多的研究机构 和公司正加入到这方面的研究工作中来。国际上的一些大型研究项目包括有：加州大学洛 杉矶分校的w i n s 网络，几乎涵盖了从信号处理到网络协议的所有研究；加州大学伯克 利分校的p i c o r a d i o 项目，专注于信道选择，冲突避免的媒介访问层( m a c ) 协议；麻省 理工大学的l a m p s 项目，利用节点簇算法来尽量降低功耗。还有其它众多的研究项目 如t e r m i n o d e s ，m a n e t 等 2 1 。 2 0 0 2 年夏天， i n - s i t u 研究组在大鸭岛上部署了由4 3 个传感器接点组成的传感器网 络。传感器节点用了b e r k e l e y 的m o t e 节点，节点上运行的软件是b e r k e l e y 开发的 t m y o s 3 】f 4 】。节点上装有多种传感器以监测海岛上不同类型的数据。使用光敏传感器、 数字湿度传感器和压力传感器监测海燕地下巢穴的微观环境；使用低能耗的被动红外传 感器监测巢穴的使用情况。为了将节点放置在海燕的巢穴中，需要严格控制节点的体积。 传感器都集成在传感器板上，从而大大减小节点的体积以满足监控要求。传感器节点还 包含一个1 2 位a d 转换器，以减少或消除模拟测量值中的噪声，得到精度更高的传感 2 1 绪论 数据。 我国现代意义的无线传感器网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动，首次正式 出现于1 9 9 9 年中国科学院知识创新工程试点领域方向研究的“信息与自动化领域研 究报告”中，作为该领域提出的五个重大项目之一。2 0 0 1 年中国科学院依托上海微系统 所成立微系统研究与发展中心，在无线传感器网络方向上陆续部署了若干重大研究项 目，初步建立了传感器网络系统的研究平台，在无线智能传感器网络通信技术、微型传 感器、传感器端机、移动机系统站等方面的研究和应用取得了重大的进展。 无线传感器网络无论是在国家安全，还是国民经济诸方面均有着广泛的应用前景。 未来，传感器网络将向天空、海、陆、地下一体化综合传感器网络的方向发展，最终成 为现实世界和数字世界的接口，深入到人们生活的各个层面，像互联网一样改变人们的 生活方式。微型、高可靠、多功能、集成化的传感器，低功耗、高性能的专用集成电路， 微型、大容量的能源，高效、高可靠的网络协议和操作系统，面向应用、低计算量的模 式识别和数据融合算法，低功耗、自适应的网络结构以及在现实环境的各种应用模式等。 1 3 本论文研究的主要内容 本论文主要是研究设计一种基于z i g a e e 技术的短距离无线数据传输系统，用于构 造矿井下无线传感器网络，从而解决煤矿采空区及综采工作面的数据传输难题。其主要 工作有一下几个方面： ( 1 ) 对课题研究的背景、意义以及国内外研究发展动态作了论述。 ( 2 ) 介绍了z i g b e e 技术的起源及其技术特点，深入研究了z i g b e e 技术规范，并讨 论了z i g b e e 技术中独特的网络拓扑功能，为z i g a e e 技术的实际应用提供了理论基础。 ( 3 ) 提出了基于z i g b e e 技术的矿井无线传感器网络平台，阐述了平台的硬件设计和 软件设计流程，给出了两个矿井下的典型应用的设计过程。 ( 4 ) 探讨了矿井下环境对无线传输的影响，以通信频率为讨论的中心，对矿井下各 种因素对无线传输的影响做了一个大致的定量估计，并以之为理论基础提出了矿井采空 区的传感器部署方案。 ( 5 ) 通过对矿井无线传感器平台进行模拟环境测试，给出了测试结果，分析了设计 中出现的一些问题，并给出了解决方案。最后，对本论文工作做了总结，并指出了本论 文的不足和将来的工作方向。 3 西安科技大学硕士荦住论文 _ _ _ - _ _ _ _ _ _ j i i _ _ i e - - _ | 目_ _ 一 2z i g b e e 无线传输技术 2 1z i g , b e e 技术起源及其技术特点 z i g b e e 是一种短距离、低速率的无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙 之问的技术方案。z i g b c c 技术的命名来自于人们对蜜蜂采蜜的过程的观察，蜜蜂在采蜜 过程中，跳着优美的舞蹈，其舞蹈轨迹像“z ”的形状。蜜蜂自身体积小，所需要能量小， 又能传送所采集的花粉，因此，人们用z i g s e e 技术来代表具有成本低、体积小、能量 消耗小和传输速率低的无线通信技术，中文译名通常称为“紫蜂技术, , 1 5 1 。 z i g b e e 标准的基础是i e e e8 0 2 1 5 4 ，i e e e8 0 2 1 5 4 是i e e e 无线个人区域网 ( p e r s o n a la r e an e t w o r k p a n ) i 作组的一项标准。i e e e 仅处理低级m a c 层和物理层协 议，因此z i g b e e 联盟扩展了i e e e ，对其网络层协议和a p i 进行了标准化，定义了一个 灵活、安全的网络层，支持多种体系结构来提供高可靠性的无线交流动态r f 环境。 2 1 1i e e e 8 0 2 1 5 4 标准 2 0 0 2 年，i e e e 8 0 2 1 5 工作组成立，专门从事w p a n 标准化工作，它的任务是开发一 套适用于短程无线通信的标准，通常我们称之为无线个人局域网( w p n s ) 。而8 0 2 1 5 4 工作组则试图建立一个标准，把低能量消耗、低速率传输、低成本作为重点目标，髫在 为个人或者家庭内不同设备之间低速率无线互连提供统一标准。该标准定义的 l r - w p a n 网络的特征与无线传感器网络有很多相似之处，很多研究机构把它作为无线 传感器网络的通信标准。i e e e 8 0 2 1 5 4 己经被z i i g b 联盟采用，成为整个z i g b e e 无线 解决方案的一部分。 i e e e 8 0 2 ，1 5 4 标准包括两个部分：物理层规范和媒体访问控制层( m a c ) 规范 旧。 物理层：i e e e 8 0 2 1 5 4 提供两种物理层的选择( 8 6 8 9 1 5 m h z 和2 4 g h z ) ，物理层 与m a c 层的协作扩大了网络应用的范畴。这两种物理层都采用直接序列扩频( d s s s ) 技术，降低数字集成电路的成本，并且都使用相同的包结构，以便低作业周期、低功耗 地运作。2 4 ( 3 物理层的数据传输率为2 5 0 k b p s ，8 6 8 9 1 5 m h z 物理层的数据传输率分别 是2 0 k b p s 、4 0 i c b | c , s 。 m a c 层：i e e e 8 0 2 1 5 4 m a c 层的特征是：联合，分离，确认帧传递，通道访问机 制，帧确认，保证时隙管理，和信令管理【5 】m a c 子层提供两个服务与高层联系，即 通过两个服务访问点( s a p ) 访问高层。通过m a c 通用部分子层s a p ( m c p s s a p ) 访问m a c 数据服务，用m a c 层管理实体s a p ( m l m e - - s a p ) 访问m a c 管理服务。 4 2z i 9 8 e e 无线传输技术 这两个服务为网络层和物理层提供了一个接口。 2 1 2z i g b e e 联盟 z i g b e e 标准由z i g b e e 联盟创建，z i g b e e 联盟成立于2 0 0 1 年8 月。2 0 0 2 年下半年， 英国l n v e n s y s 公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司 四大巨头共同宣布，它们将加盟 z i g b e e 联盟”，以研发名为 z i g b e e ”的下一代无线通信 标准，这一事件成为该项技术发展过程中的里程碑。 到目前为止，除了i n v e n s y s 、三菱电子、摩托罗拉和飞利浦等国际知名的大公司外， 该联盟大约已有7 6 家成员企业，并在迅速发展壮大。其中涵盖了半导体生产商、m 服 务提供商、消费类电子厂商及o e m 商等，例如h o n e y w e l l ，e a t o n 和i n v e n s y sm e t e r i n g s y s t e m s 等工业控制和家用自动化公司，甚至还有像m a t t e l 之类的玩具公司。所有这些 公司都参加了负责开发z i g b c e 物理和媒体控制层技术标准的i e e e8 0 2 1 5 4 工作组。 z i g a e e 是一组基于i e e e 批准通过的8 0 2 1 5 4 无线标准研制开发的有关组网、安全 和应用软件方面的技术标准。它不只是i e e e 8 0 2 1 5 4 的名字，i e e e 仅处理低级m a c 层和物理层协议，z i g b e e 联盟对其网络层协议和a p i 进行了标准化。每个协调器可连 接多达2 5 5 个节点，而几个协调器则可形成一个网络，对路由传输的数目则没有限制。 z i g b c e 联盟还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用 网络的远距离传输不会被其它节点获得。 2 1 3z i g b e e 技术特点 z i g b e e 技术从标准提出时起，就专注于解决工业、家庭等领域的无线数据传输，对 应工业监控领域的一些特殊的要求，z i g b e e 主要有如下特点【口：低功耗：由于z i g b e e 的传输速率低，发射功率仅为l m w ，而且采用了休眠模式，功耗低，因此z i g a e e 设备非 常省电。据估算，z i g b e e 设备仅靠两节5 号电池就可以维持长达6 个月到2 年左右的使 用时间，这是其它无线设备望尘莫及的。 ( 1 ) 工作频段灵活：使用的频段分别为2 4 g i z ，8 6 8 m h z ( 欧洲) 及9 1 5 m n z ( 美国) ， 均为免执照频段。 ( 2 ) 成本低：z i g b e e 模块的初始成本在6 美元左右，估计很快就能降到1 5 2 5 美元，并且z i g b e e 协议是免专利费的。低成本对于g i g a e e 也是一个关键的因素。 ( 3 ) 时延短：通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延为 3 0 m s ，休眠激活的时延是1 5 m s ，活动设备信道接入的时延为1 5 m s 。因此z i g b e e 技术 适用于对时延要求苛刻的无线控制( 如工业控制场合等) 应用领域。 ( 4 ) 网络容量大；一个星型结构的z i g b e e 网络最多可以容纳2 5 4 个从设备和一个 主设备，而且网络组成灵活。 5 西安科技大学硕士学位论文 j ii i | j ；i i i i i 目i 目_ ( 5 ) 数据传输率低：只有1 0 k b p s 到2 5 0 k b p s 的传输速率，专注于低传输率应用。适 用于工业监控领域。 ( 6 ) 可靠：采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙， 避开了发送数据的竞争和冲突。m a c 层采用了完全确认的数据传输模式，每个发送的 数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。 ( 7 ) 安全：z i g b c e 提供了基于循环冗余校验( c r c ) 的数据包完整性检查功能，支持 鉴权和认证，采用了a e s 1 2 8 的加密算法，各个应用可以灵活确定其安全属性。 为了对z i g b e e 的技术特点有更加深入的了解，下表2 1 对各种无线传输技术的优势、劣 势作了比较。 表2 1 各种无线传输技术的特点比较 之前，在工业领域，为了解决一些特殊的无线传输的要求，一直找不到合适的无线 传输方案。而z i g b e e 出现以后，凭着其独特的市场定位和技术优势，使其在业界己被认 为是无线传感器网络的非正式标准，其必将带来工业无线网络领域的一次革命。 2 2 z i g b e e 技术规范 在上一节中讲到，z i g b e e 标准是基于i e e e s 0 2 1 5 4 标准的，所以z i g a e e 协议栈分 成两个部分，i e e e 8 0 2 1 5 4 处理低级m a c 层和物理层协议，而z i g b e e 联盟对其网络 层和a p i 进行标准化，图2 1 为z i g b e e 协议栈架构i s 。图中，各层之间通过服务接入点 ( s a p ) 来实现层与层之间的数据通信与协议栈管理，一般来说，层与层之间有两个服 务接入点，一个提供数据传输服务，另一个实现管理。 6 2z i g a e e 无线传输技术 图2 1 z i g b e e 协议栈架构 2 2 1 物理层 物理层由i e e e 8 0 2 1 5 4 标准规定，它定义了两个物理层标准，分别在8 6 8 9 1 5 m h z 和2 4 g h z 频段上工作。物理层的主要作用是定义了物理信道和m a c 子层之间的接口， 提供物理层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 2 中描述了物理层的接口模 型，可以看到物理层提供了两个服务接入点，一个是p d s a p ，其提供数据服务；另一 个是p u 伍s a p ，提供管理服务。 图2 2物理层接口模型 7 西安科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 物理层功能 物理层提供以下五各方面的功能： 收发数据。 激活和休眠射频收发器。 信道能量检测( e n e r g yd e t e c t ，e d ) 。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。 空闲信道评估( c l e a rc h a n n e la s s e s s m e n t , c c a ) 。链路质量指示为网络层或者应 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道提交给 土层处理。 数据链路质量指示( l i t l kq u a l i t yi n d i c a t i o n ，l q i ) 。空闲信道评估判断信道是否 空闲。i e e e s 0 2 1 5 4 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时就认为信道空闲；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：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 ) 物理层帧结构 物理帧的第一个字段是四个字节的前导码，收发器在接收前导码期间，会根据前导 码序列的特征完成片同步和符号同步。帧起始分隔符( s t a r t - o f - f r a m ed e l i m i t e r , s f d ) 字段 长度为一个字节，其值固定为0 x a 7 ，标识一个物理帧的开始。收发器接收完前导码后 只能做到数据的位同步，通过搜索s f d 字段的值0 x a 7 才能同步到字节上。帧长度( f l a m e l e n g t h1 由一个字节的低7 位表示，其值就是物理帧负载的长度，因此物理帧负载的长度 不会超过1 2 7 个字节。物理帧的负载长度可变，称之为物理服务数据单元。物理层帧结 构如下表2 1 所示。 表2 1 物理层帧结构 4 字节 1 字节 i 字节 长度可变 前导码( p r e a m b l e ) s f d 帧长度保留位 p s d u 同步头物理帧头 p h y 负载 2 2 2m a c 层 在i e e e8 0 2 系列标准中，o s i 参考模型的数据链路层进一步划分为m a c 和l l c 两个子层。m a c 子层使用物理层提供的服务实现设备之间的数据帧传输，而l l c 在 8 i 三二喜耋彗茎：笔! ：! ! ：! 三。一 - j ；i i i i 自| | | | 一 m a c 子层的基础上，在设备问提供面向连接和非连接的服务，它提供传输可靠性保障和 控制数据包的分段与重组。i e e e 8 0 2 ，1 5 a 的m a c 层能支持多种l l c 标准，通过s s c s ( s e r v i c e - s p e c i f i cc o n v e r g e n c es u b l a y e r ，业务相关的会聚予层) 协议承载i e e e 8 0 2 2 类 型的l l c 标准，同时允许其他l l c 标准直接使用i e e e s 0 2 1 5 4 的m a c 层服务。 m a c 子层提供两种服务；m a c 层数据服务和m a c 层管理服务( m a cs u b l a y e r m a n a g e m e n te n t i t y , m l m e ) 。前者保证m a c 协议数据单元在物理层数据服务中的正确 收发，后者维护一个存储m a c 子层协议状态相关信息的数据库。对应于m a c 层的服 务，m a c 层提供两个服务接入点： 一数据传输服务，通过m a c 通用部分子层( m c p s ) 数据服务接入点( s a p ) 访问。 一管理服务，通过m a c 层管理实体( m l m e - s a p ) 访问。 m a c 层接口模型如图2 3 。 图2 3m a c 层接口模型 ( 1 ) m a c 层功能 m a c 层主要功能包括以下六个方面： 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 机制访问信道。 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。 支持不同设备的m a c 层间可靠传输。 关联操作：它是指一个设备在加入一个特定网络时，向协调器注册以及身份认证的 过程。l r - w p a n 网络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：它与时分复用( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e 嬲，t d m a ) 机制相似，但它 可以动态地为有收发请求的设备分配时隙。使用时隙保障机制需要设备问的时间同步， i e e e8 0 2 1 5 4 中的时间同步通过下面介绍的“超帧”机制实现。 9 西安科技大学硕士学住论文 ( 2 ) 超帧 在i e e e8 0 2 1 5 a 中，可以选用以超帧为周期组织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( b e a c o l l ) 为起始，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。 超帧将通信时间划分为活跃和不活跃两个部分。在不活跃期间，w 鼢n 网络中的设 备不会相互通信，从而可以进入休眠状态以节省能量。超帧有活跃期间划分为三个阶段： 信标帧发送时段、竞争访问时段( c o n t e n t i o n a c c e 船p 甜o d ，c a , o ) 和非竞争访问时段 ( c o n t e n t i o n - l i c ep e r i o d ，c e p ) 。超帧的活跃部分被划分为1 6 个等长的时隙，每个时隙的 长度、竞争访问时段包含的时隙数等参数，都由协调器设定，并通过超帧开始时发出的 信标帧广播到整个网络。 在超帧的竞争访问时段，i e e e8 0 2 1 5 4 网络设备使用带时隙的c s m a - c a 访问机 制，并且任何通信都必须在竞争访闯时段结束前完成。在非竞争时段，协调器根据上一 个超帧w p a n 网络中设备申请g t s 的情况，将非竞争时段划分成若干个g t s 。每个 g t s 由若干个时隙组成，时隙数目在设备申请g t s 时指定。如果申请成功，申请设备 就拥有了它指定的时隙数目。每个g t s 中的时隙都指定分配给了时隙申请设备，因而 不需要竞争信道。难e e8 0 2 1 5 4 标准要求任何通信都必须在自己分配的g t s 内完成。 超帧中规定非竞争时段必须跟在竞争时段后面。竞争时段的功能包括网络设备可以 自由收发数据，域内设备向协调者申请g t s 时段，新设备加入当前w p a n 网络等。非 竞争阶段由协调者指定的设备发送或者接收数据包。如果某个设备在非竞争时段一直处 在接收状态，那么拥有g t s 使用权的设备就可以在g t s 阶段直接向该设备发送信息。 具体的超帧结构见图2 4 。 信标 非竞争访阃时段 m 标# l l t ，竞争请同时段 一 _ g t sg t s 不活跃时段 l 图2 a超帧结构 ( 3 ) m a c 层帧结构 每个m a c 子层的帧都由帧头、负载和帧尾三部分组成。帧头由帧控制信息，帧序 列号和地址信息组成。m a c 子层负载具有可变长度，具体内容由帧类型决定。在后面 会根据不同的帧类型来描述帧的结构。帧尾是帧头和负载数据的1 6 位c r c 校验序列。 具体结构见表2 2 。 1 0 2z i g a e e 无线传输技术 表2 2 m a c 层帧结构 字节：2 lo 陀o 2 so 陀0 1 2 撼可变2 帧控帧序列号 目的目的地址源源地址 制域 域p l a n i d p a n i d 帧挣荷 f c s 地址域 m h rm s d um f r 帧控制域由2 个字节1 6 b i t 组成，包含帧类型、安全使能位、帧等待位、确认帧请 求位、内部p a n 位，源地址和目的地址模式等控制标志位。 帧序列号域由一个字节8 b i t 组成，它为该m a c 帧标识了唯一的序列号，以防止帧 的重复发送或接收。每发出一帧后，该域的值加l 。 地址域包括源、目的p a n i d 和源、目的地址。由于i e e e 8 0 2 1 5 4 定义了两种地址 类型：6 4 b i t 的i e e e 地址和1 6 b i t 的短地址。地址类型由帧控制域中地址模式标志位指定。 帧净荷就是协议的上一层传给m a c 层的负荷，i e e e 8 0 2 1 5 4 标准中把其称为m a c 层服务数据单元( m s d u ) 。服务数据单元( s d u ) 是与协议数据单元( p d u ) 相对应 的。在m a c 层，协议数据单元是指表2 2 中的所有帧内容，而m a c 服务数据单元是 指帧结构中的帧净荷。最后一个单元f c s 是m a c 帧的c r c 校验码，用来保障帧的可 靠传输，校验码为1 6 位。 在i e e e 8 0 2 1 5 4 协议中规定了种m a c 帧类型，分别是信标帧、数据帧、确认帧和 命令帧。 信标帧 信标帧的负载数据单元由四部分组成：超帧描述字段、发数据目标地址字段和信标 帧负载数据。分配字段、待转发数据目标地址字段和信标帧负载数据。其帧结构见表2 3 。 表2 3 信标帧结构 字节数：2 l4 ，1 02 kmn2 帧控制字序列号地址信息超帧描述g t s 分待转发数据 信标帧f c s 段字段字段配字段目标地址 负载 帧头m a c 服务数据单元m f r 帧 尾 信标帧中超帧描述字段规定了这个超帧的持续时间，活跃部分持续时问以及竞争访 问对段持续时间等信息。g t s 分配字段将无竞争时段划分为若干个g t s ，并把每个g t s 具体分配给了某个设备。 转发数据目标地址列出了与协调者保存的数据相对应的设备地址。一个设备如果发 现自己的地址出现在待转发数据目标地址字段里，则意味着协调器存有属于它的数据， 西安科技大学硕士学位论文 所以它就会向协调器发出请求传送数据的m a c 命令帧。 信标帧负载数据为上层协议提供数据传输接口。例如在使用安全机制的时候，这个 负载域将根据被通信设备设定的安全通信协议填入相应的信息。通常情况下，这个字段 可以忽略。在信标不使能网络里，协调器在其他设备的请求下也会发送信标帧。此时信 标帧的功能是辅助协调器向设备传输数据，整个帧只有待转发数据目标地址字段有意 义。 数据帧 数据帧用来传输上层发到m a c 子层的数据，它的负载字段包含了上层需要传送的 数据。数据负载传送至m a c 子层时，被称为m a c 服务数据单元。它的首尾被分别附 加了m h r 头信息和m f r 尾信息后，就构成了m a c 帧。数据帧结构如下表2 4 所示。 表2 4 数据帧结构 l 字节数：2 l4 - 2 0n2 l 帧控制字段序列号地址信息字段数据帧负载 f c s i帧头m a c 服务数据单元m f r 帧尾 m a c 帧传送至物理层后，就成为了物理帧的负载p s d u 。p s d u 在物理层被“包装”， 其首部增加了同步信息s h r 和帧长度字段p h r 字段。同步信息s h r 包括用于同步的 前导码和s f d 字段，它们都是固定值。帧长度字段的p h r 标识了m a c 帧的长度，为 一个字节长而且只有其中的低7 位有效位，所以m a c 帧的长度不会超过1 2 7 个字节。 确认帧 如果设备收到目的地址为其自身的数据帧或m a c 命令帧，并且帧的控制信息字段 的确认请求位被置1 ，设备需要回应一个确认帧。确认帧的序列号应该与被确认帧的序 列号相同，并且负载长度应该为零。确认帧紧接着被确认帧发送，不需要使用c s m a - c a 机制竞争信道。确认帧结构见表2 5 。 表2 5 确认帧结构 命令帧 m a c 命令帧用于组建w p a n 网络，传输同步数据等。目前定义好的命令帧主要完 成三方面的功能：把设备关联到p a n 网络，与协调器交换数据，分配g t s 。命令帧在 格式上和其他类型的帧没有太多的区别，只是帧控制字段的帧类型位有所不同。帧头的 帧控制字段的帧类型为o i i b 表示二进制数据) 表示这是一个命令帧。命令帧的具体 功能由帧的负载数据表示。负载数据是一个变长结构，所有命令帧负载的第一个字节是 1 2 2z i g a e c 无线传输技术 命令类型字节，后面的数据针对不同的命令类型有不同的含义。命令帧结构见表2 6 。 表2 6 命令帧结构 l 字节数：2 l舢2 01n2 l 帧控制字段 序列号地址信息字段命令类型数据帧负载 f c s i帧头m a c 服务数据单元 m f r 帧尾 2 2 3网络层 ( 1 ) 网络层功能 z i g a e e 的网络层被要求提供足够多的功能以确保i e e e 8 0 2 1 5 4 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。为了给应用层提供合适的接口，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和管理服务。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