无线通信部分研究方案(MX).doc

引黄灌溉无线通信部分研究方案 关于ZIGBEE1、zigbee网络组网方案从网络配置上，ZigBee网络中有3种类型的节点:ZigBee协调点、ZigBee路由节点和ZigBee终端节点ZigBee协调点：A ZigBee协调点在IEEE 802.15.4中也称为PAN协调点，在无线传感器网络中叫做汇聚节点。B ZigBee协调点必须是全功能设备FFD（ Full-Function Device ）。C一个ZigBee网络只有一个ZigBee协调点，它往往比网络中其它节点的功能更强大，是整个网络的主控节点。D它负责发起建立新的网络、设定网络参数、管理网络中的节点以及存储网络中节点信息等，网络形成后也可以执行路由器的功能。E ZigBee协调点是3种类型ZigBee节点最为复杂的一种,一般由交流电源持续供电。 Zigbee的三种地址长地址（物理地址）64位（8字节）IEEE MAC 地址（由IEEE分配管理）短地址（网络地址）16位（4字节）当设备加入网络后分配协调器的网络地址为0x00网络标识符PANID（Personal Area Network ID）32位（4字节）用于区别不同的Zigbee网络，即在一个网络中的所有节点的PANID相同2、ZIGBEE组网 3、ZIGBEE协议栈为了弥补上述协议的不足,ZigBee联盟于2004年12月中旬推出基于IEEE 802.15.4的ZigBee协议栈. ZigBee短距离低速无线个域网（Low Rate-Wireless Personal Area Network,LR-WPAN）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.本文将介绍ZigBee协议栈并提出网络层的具体实现方案.ZigBee协议栈体系结构本节将在介绍IEEE 802.15.4标准和ZigBee协议的基础上,重点分析ZigBee协议栈的网络层关键技术及其工作机制. IEEE 802.15.4标准IEEE 802.15.4标准1于2003年5月制定完成,它满足国际标准化组织 (ISO)开放系统互连(OSI)参考模型,主要包括物理层、数据链路层.IEEE 802.15.4协议与其他无线网络相比,突出的优点是:组网能力强,适应面广,可靠性高,节能性好. ZigBee协议栈完整的Zigbee2,3协议栈由物理层、介质访问控制层、网络层、安全层和高层应用规范组成.ZigBee协议栈的网络层、安全层和应用程序接口等由ZigBee联盟制定.其中安全层（Security）主要实现密钥管理、存取等功能.应用程序接口负责向用户提供简单的应用软件接口（API）,包括应用子层支持（Application Sub-layger Support,APS）、ZigBee设备对象（ZigBee Device Object,ZDO）等,实现应用层对设备的管理. 网络层关键技术ZigBee协议栈的核心部分在网络层.网络层主要实现节点加入或离开网络、接收或抛弃其他节点、路由查找及传送数据等功能,支持Cluster-Tree,AODVjr,Cluster-TreeAODVjr等多种路由算法,支持星形（Star）、树形（Cluster-Tree）、网格（Mesh）等多种拓扑结构4.Cluster-Tree（簇树）是一种由网络协调器（Coordinator）展开生成树状网络的拓扑结构,适合于节点静止或者移动较少的场合,属于静态路由,不需要存储路由表.AODVjr算法是针对AODV5,6（Ad hoc按需距离矢量路由协议）算法的改进,考虑到节能、应用方便性等因素,简化了AODV的一些特点,但是仍然保持AODV的原始功能.Cluster-TreeAODVjr路由算法汇聚了Cluster-Tree和AODVjr的优点.网络中的每个节点被分成四种类型:Coordinator、RN+、RN、RFD（RN:Routing Node,路由节点;RFD:Reduced Function Device）.其中Coordinator的路由算法跟RN+相同,Coordinator、RN+和RN都是全功能节点（FFD: Full Function Device）,能给其他节点充当路由节点;RFD只能充当Cluster-Tree的叶子（Leaf Node）.如果待发送数据的目标节点是自己的邻居,直接通信即可;反之,如果不是自己的邻居时,三种类型的节点处理数据包各不相同:RN+可以启动AODVjr,主动查找到目标节点的最佳路由,且它可以扮演路由代理（Routing Agent）的角色,帮助其他节点查找路由;RN-只能使用Cluster-Tree算法,它可以通过计算,判断该交给数据包请自己的父节点还是某个子节点转发;而RFD只能把数据交给父节点,请其转发.网络层实现作者已在符合IEEE 802.15.4的硬件平台上实现ZigBee协议栈,成功研发出ZigBee开发包（ZigBee Development Kit,ZDK）,验证了其可行性.同时,根据一些特定的应用将算法改进,取得良好的运用效果.本节将重点介绍ZigBee网络层的实现. 无线模块的设计根据不同类型节点功能不同的特点,作者在不同的硬件平台设计模块.设计制作的ZigBee系列模块完全满足IEEE 802.15.4和ZigBee协议的规范要求,符合ISM/SRD规范,通过美国FCC认证.模块集无线收发器、微处理器、存储器和用户API等软硬件于一体,能实现1.0版ZigBee协议栈的功能.Coordinator可以连接使用ARM处理器开发的嵌入式系统,功能较多的路由节点（RN+,RN-）由高档单片机充当,功能较少的叶子节点（RFD）使用普通的单片机.模块还可以根据实际需要,工作在不同的睡眠模式和节能方式.射频芯片采用Chipcon公司生产的符合IEEE 802.15.4标准的模块CC2420;控制射频芯片的微处理器,可以根据需要选择Atmel公司的AVR系列单片机或者Silicon Labs公司的8051内核单片机.单片机与射频芯片之间通过SPI进行通信,连接速率是6Mbps.单片机与外部设备之间通过串口进行通信,连接速率是38.4kbps.单片机自带若干ADC或者温度传感器,可以实现简单的模数转换或者温度监控.为了方便代码移植到不同的硬件平台,模块固件采用标准C语言编写代码实现. 网络的建立ZigBee网络最初是由协调器发动并且建立.协调器首先进行信道扫描（Scan）,采用一个其他网络没有使用的空闲信道,同时规定Cluster-Tree的拓扑参数,如最大的儿子数（Cm）、最大层数（Lm）、路由算法、路由表生存期等.协调器启动后,其他普通节点加入网络时,只要将自己的信道设置成与现有的协调器使用的信道相同,并提供正确的认证信息,即可请求加入（Join）网络.一个节点加入网络后,可以从其父节点得到自己的短MAC地址,ZigBee网络地址以及协调器规定的拓扑参数.同理,一个节点要离开（Leave）网络,只须向其父节点提出请求即可.一个节点若成功地接收一个儿子,或者其儿子成功脱离网络,都必须向协调器汇报.因此,协调器可以即时掌握网络的所有节点信息,维护网络信息库（PIB,PAN Information Base）. 路由设计与实现在传输数据时,不同类型的的节点有不同的处理方法,协调器的处理机制与RN+相同.网络层路由设计分为RN+,RN-和RFD三个模块.因为实际点对点通信是通过MAC地址进行数据传输的,所以每个节点在接收到信息包时,都要维护邻居表,邻居表主要起地址解析（Address Resolution）的作用:将邻居节点的网络地址转换成MAC地址.另外,类型是RN+的节点在接收到信息包或者启动AODVjr查找路由时,还必须维护路由表.邻居表和路由表的记录都有生存期,超过生存期的记录将被删除. 测试方法无线通信有其特殊性质,每个节点发送的数据包既是信号源,同时又可能是干扰源,因此无线网络的测试是一大难题.为了能在室内方便测试网络性能,引入黑名单机制,强制让一些节点对黑名单节点发送的数据包视而不见,以测试十几点甚至几十点的特殊网络.在实际应用时,去掉黑名单并不影响网络的工作性能.测试时,还可以采用符合IEEE 802.15.4的包（Sniffer）,记录测试过程中空气中所传输的无线数据.每个模块还可以通过I/O输出自己的收发状态等信息.通过多种手段对测试过程进行分析,才能提高开发测试效率.在现在的网络科技中，ZigBee协议栈的应用感觉对是最为火热的。那么我们现在就来认识一下ZigBee协议栈。随着科学技术的发展,无线技术逐渐取代有线技术,仅支持静态固定拓扑的无线网络也逐渐被支持动态变化拓扑的无线网络取代.在短距离的无线控制、监测、数据传输领域,通用的技术有802.11、蓝牙、HomeRF等,它们各有自己的优势,但仍然存在功耗大、组网能力差等劣势.为了弥补上述协议的不足,ZigBee联盟于2004年12月中旬推出基于IEEE 802.15.4的ZigBee协议栈. ZigBee短距离低速无线个域网（Low Rate-Wireless Personal Area Network,LR-WPAN）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.本文将介绍ZigBee协议栈并提出网络层的具体实现方案.4、ZIGBEE的每个节点的功能都有所差异，为降低成本，系统中的大部分节点为子节点，从组网通信上来说，它指示器功能的一个子集，称为半功能设备（RFD），而另外一些节点负责控制这些子节点通信、汇集数据和发布控制，或起到通信路由的作用，成为全功能设备（FFD）。无论是哪种网络拓扑结构，每个独立的网络都有一个唯一的标志符网络号（PAN标识符）。利用PAN标识符采用16位的短地址码进行网络间的通信，并可激活网络设备之间的通信。每个网络都有一个唯一的协调器，它相当于有线局域网中的服务器，具有对本网络的管理能力。网络中的全功能节点能做路由器、协调器以及终端节点来使用，半功能节点只能做终端点来使用。ZIGBEE路由选择是在网络中的设备相互合作的条件下选择的，并建立路由的一个流程，该流程通常与特定的源地址和目的地址相对应，路由选择过程如下：路由搜索的初始化接收路由请求命令帧接收路由应答命令帧关于GPRS1.GPRS网络组网方案可行的GPRS组网方案有三种：1.公网静态IP方案；2.动态域名解析方案；3.APN专线接入方案。公网静态IP方案GPRSDTU设备连接上GPRS网络时,移动公司分配的IP是动态的,无法事先知道。DTU设备可以实现自动连接公网静态IP地址的数据中心的功能。所以提出这种GRRS网络组网方案。这种方案需要数据中心分配到静态IP地址,并把静态IP地址设置到DTU设备中。这样DTU设备上电后,就可以自动去连接数据中心。数据中心律立与该DTU设备的连接后,两者之间就可以实现通信和数据传输。具体实现,可以先向电信申请一个静态IP地址,并在电信IDC机房托管一台服务器,作为数据中心。然后把申请到的静态IP地址设置到DTU设备中。这种方案的优点是构成GPRS一取TERNET网络,可以使得通信信道较为稳定!可靠,传输速度较快。缺点是:申请静态护地址,在电信IDC机房托管服务器需要花费相当的费用,会增加系统的成本。动态域名解析方案由于申请公网静态IP需要相当的费用,数据中心可以采用动态护方式接入Internet(如ADSL拨号)。因此,在实际应用中,动态IP结合DNS域名解析的组网方式更为常见。在这种方式中,服务器端每次上线的IP可能不同,但可以通过DNS动态域名解析在两者之间建立关联。采用动态域名解析方案,需要首先联系DNS服务商,为数据中心申请一个域名,并把这个域名设置到GPRSDTU设备中。数据中心接Internet后,与DNS服务器进行连接,将当前获得的动态IP报告给DNS服务器。GPRSDTU设备上电后,首先采用域名寻址方式连接DNS服务器,再由DNS服务器找到数据中心公网动态IP,这样就可以在两者之间建立通讯。此种方式可以减少申请和使用公网静态护的开支,但其稳定性受制于DNS服务器的稳定性,所以必须确保所选择的DNS服务器的可靠性。APN专线接入方案这种方案不需要连接到Internet网络,而是数据中心通过一条ZMAPN专线接入移动公司GPRS网络,双方互联路由器之间采用私有固定IP地址进行广域连接,在GGSN与移动公司互联路由器之间采用GRE隧道。为客户分配专用的APN,普通用户不得申请该APN。用于GPRS专网的SIM卡仅开通该专用APN,限制使用其他APN。得到APN后,给所有监控点及中心分配移动内部固定护。移动终端和服务器平台之间采用端到端加密,避免信息在整个传输过程中可能的泄漏。双方采用防火墙进行隔离,并在防火墙上进行IP地址和端口过滤。此种方案无论时时性,安全性和稳定性较前两种方案都有大大提高,适合于安全性要求较高!数据点比较多!时时性要求较高的应用环境。在资金允许的情况下之最佳组网方式。各个实际项目的实施可考虑具体情况相应选择组网方案。2. GPRS 数据终端(DTU)MD-609G 是它们公司生产的 MD-600 系列中一款可以大幅度降低用户 DTU 采购成本和集成成本而又兼顾该系列稳定性的 GPRS DTU 产品如图 5-2 所示。该产品兼容多种数据中心软件，使得已经有 DTU 成熟应用系统的用户不必更改已有的数据中心软件，即插即用，从而达到全面大幅度降低扩容成本的目的。MD-609G 具有如下技术特点： 采用低功耗高性能的嵌入式处理器，可高速处理协议和大量数据。 内嵌标准的 TCP/IP 协议栈，数据终端永远在线。 支持全透明方式下多中心数据传输。 支持根据域名和 IP 地址访问中心。 多种工作模式选择，使用方便、灵活。 软硬件看门狗设计，保证系统稳定。 采用 5V35V 电压，供电电源适应性更宽。 抗干扰设计，适合电磁环境恶劣的应用需求。 方便的系统配置和维护接口。MD-609G 基于 ARM 平台、嵌入式操作系统，内置工业级 GPRS 无线模块，可以快速与 RTU、PLC、工控机等设备相连，通过 GPRS 网络将与 MD-609 相连的用户设备数据传输到 Internet 上的一台主机上，实现数据远程透明传输，它的典型应用有点到点和点到中心两种应用方式。3.GPRS DTU 配置和联网我们在使用MD-609G的时候首先要通过公司给定的硬件配置平台配置好GPRS DTU，只有这样才能实现DTU和Internet数据服务器的链接。硬件配置平台是通过串口配置的，在接通电源之前首先把电脑的串口和DTU连接起来，设置好串口波特率和端口号，再给DTU上电。在DTU上电一开始就会与电脑通信完成自己的初始化，接下来我们就可以根据提示一步步设置好硬件，再重启之后设备就会自动与服务器链接，它的配置过程，如图5-3所示，配置参数主要有以下几点（北科驿唐，2010）： 数据中心域名或IP(219.218.197.120)：就是我们服务器的IP地址。 数据中心端口(9000)：是指我们想通过服务器的哪一个端口来监听发送来的数据，此监听端口必须是服务器的开放端口。 链接模式：它分为三种链接模式：永远在线，唤醒在线，按需在线。在这个系统中我们使用的是永远在线模式，因为只有这样才能省去上线链接时间，保证系统的