（电路与系统专业论文）分布式测控网络中无线传输技术的研究与应用.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 随着政府推进信息化工作的开展 越来越多的信息化系统应用于各个与供水部 门相关的单位 传统抄表数据实时性差 准确率低的缺点显得越来越突出 这种 传统的抄表模式已经成为用水管理部门信息化的瓶颈 如何保证用户用水数据能 够实时 准确的送到相关部门数据库 为管理部门制定政策提供依据 且能最大 限度的减少抄表所需要的人力 物力代价 已经成为一个急待解决的问题 本文在对现有的人工 有线 无线抄表模式进行研究的基础上 提出了一种利 用z i g b e e 无线传输技术进行无线抄表的解决方案 在对z i g b e e 网络层和应用层 研究的基础上 设计并实现一个基于z i g b e e 的无线水表集抄系统 它能够满足多 种抄表模式要求 实现无线抄表功能 设计一个无线抄表系统必然涉及到硬件平台以及软件系统 其中硬件平台包括 芯片的选择以及硬件电路的设计 软件系统主要包括z i g b e e 网络中各个节点的软 件设计和上位机软件设计 包括数据库模块和前端管理界面 其中 如何定义 符合z i g b e e 标准的p r o f i l e 如何设计满足要求的z i g b e e 网络抄表方案及论证该 方案的可行性 是本文的主要工作 如何定义上位机和z i g b e e 网络的数据交互的 帧格式 数据交互模式 如何设计整个系统的框架也是本文的工作 本系统能够 自动发起z i g b e e 网络 自动进行网络维护 实时准确的把采集到的水表数据通过 z i g b e e 网络传送给上位机 上位机通过i n t e r n e t 网络把数据提交给市政用水管理 部门 当市政用水部门需要对某些水表进行管理时 命令还可以经由上位机传达 到z i g b e e 网络各节点进而控制各个水表 例如要求对z i g b e e 网络进行动态数据 采集等 关键词 无线抄表 z i g b e e p r o f i l e 上位机 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ei n f o r m a t i o nw o r k m o r ea n dm o r ei n f o r m a t i o ns y s t e m s w e r eu s e di nt h ew a t e r s u p p l y r e l a t e du n i t s t r a d i t i o n a lm e t e r r e a d i n g sd i s a d v a n t a g eo f b a dr e a l t i m e l o wa c c u r a c yr a t es e e m sm o r ea n dm o r ep r o m i n e n t a n dt h i st r a d i t i o n a l m e t e r r e a d i n gm o d eh a sb e c o m eab o t t l e n e c ko fi n f o r m a t i o nd e p a r t m e n t h o wc a nw e e n s u r et h a t t h eu s e r s d a t ar e a l t i m e a c c u r a t e l yb e i n gd e l i v e r e dt ot h er e l e v a n t d e p a r t m e n t sd a t a b a s e s p r o v i d e i n gab a s i sf o rt h em a n a g e m e n td e p a r t m e n tt of o r m u l a t e p o l i c y a n dm i n i m i z e i n gt h em e t e rr e a d i n g sh u m a n c o s t m a t e r i a l c o s t h a sb e c o m ea u r g e n tp r o b l e m t h i sp a p e rs t a n d so nt h eb a s i so fs t u d y i n gt h ee x i s t i n gm a n u a l w i r e d w i r e l e s s m e t e r r e a d i n gp a t t e r n s b r i n g sf o r w a r das o l u t i o n sf o rw i r e l e s sm e t e r r e a d i n gu s e i n g z i g b e et e c h n o l o g y o nt h eb a s i so ft h es t u d yz i g b e en e t w o r kl a y e ra n da p p l i c a t i o n l a y e r d e s i g na n di m p l e m e n taz i g b e e b a s e dw i r e l e s sw a t e r m e t e r r e a d i n gs y s t e m i t c a nm e e tt h er e q u i r e m e n t so faw i d er a n g eo fm e t e r r e a d i n gm o d e a n dt h ef u n c t i o no f w i r e l e s sm e t e r r e a d i n g t od e s i g naw i r e l e s sm e t e r r e a d i n gs y s t e mi n e v i t a b l yi n v o l v eh a r d w a r ep l a t f o r m s a n ds o f t w a r es y s t e m s h a r d w a r ep l a t f o r m s i n c l u d i n gc h i p ss e l e c t i o na n dh a r d w a r e c i r c u i td e s i g n s o f t w a r es y s t e m s i n c l u d i n ga l lz i g b e en e t w o r kn o d e ss o f t w a r ed e s i g n a n dp cs o f t w a r ed e s i g n i n c l u d i n gad a t a b a s em o d u l ea n df r o n t e n dm a n a g e m e n t i n t e r f a c e a m o n gt h e m h o wt od e f i n e t h ep r o f i l ei nl i n ew i mt h ez i g b e es t a n d a r d h o wt od e s i g nt h ez i g b e en e t w o r km e t e r r e a d i n gp r o g r a m m e e t i n gt h er e q u i r e m e n t s a n dd e m o n s t r a t et h ef e a s i b i l i t yo ft h i sp r o g r a m a l et h em a i nj o t o ft h i sa r t i c l e h o w t od e f i n ed a t af r a m ef o r m a tb e t w e e nn e t w o r kh o s tc o m p u t e ra n dt h e z i g b e e d a t a i n t e r a c t i v em o d e h o wt od e s i g naf r a m e w o r kf o rt h ee n t i r es y s t e ma l s oa r et h e w o r ko ft h i sa r t i c l e t h es y s t e mc a na u t o m a t i c a l l yl a u n c h e sz i g b e en e t w o r k a u t o m a t i c m a i n t a i nn e t w o r k a n dd e v i l e rt h em e t e rd a t ac o l l e c t e dr e a l t i m ea n da c c u r a t e l yt h r o u g h 2 山东大学硕士学位论文 t h ez i g b e en e t w o r kt ot h eh o s tc o m p u t e r h o s tc o m p u t e rs u b m i t t e dt h ed a t at ot h e m u n i c i p a lw a t e rm a n a g e m e n td e p a r t m e n tt h r o u g ht h ei n t e r n e tn e t w o r k w h e nt h e m u n i c i p a lw a t e rd e p a r t m e n tn e e d st ot h em a n a g ec e r t a i nw a t e rm e t e r s o r d e r sc a na l s o b ec o m m u n i c a t e dt ot h eh o s tc o m p u t e rt h r o u g hz i g b e en e t w o r kn o d e st oc o n t r o la l l w a t e rm e t e r s s u c ha so r d e rz i g b e en e t w o r k st oc o l l e c td a t ad y n a m i c l y k e yw o r d s w i r e l e s sm e t e r r e a d i n g z i g b e e p r o f i l e h o s tc o m p u t e r 3 q o s r f d f f d d s s s f h s s r f m c u 山东大学硕士学位论文 符号说明 q u a l i t yo fs e r v i c e r e d u c e df u n c t i o nd e v i c e f u l lf u n c t i o nd e v i c e d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m f r e q u e n c y h o p p i n gs p r e a ds p e c t r u m r a diof r e q u e n c y m i c r oc o n t r o lu n i t 服务质量 精简功能设备 全功能设备 直接序列展频 跳频扩频 射频 微控制单元 c s m a c ac a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s c o l l i s i o na v o i d a n c e 载波监听 多路访问 s a p a c l m i c a e s 4 s e r v i c ea c c e s sp o i n t a c c e s sc o n t r o ll is t m e s s a g ei n t e g r i t yc o d e a d v a n c e de n c r y p ti o ns t a n d a r d 服务接入点 访问控制列表 信息完整码 高级加密标准 原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独 立进行研究所取得的成果 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科研成果 对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本声明 的法律责任由本人承担 论文作者签名 辫日期 彳i 一上 争 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留 使用学位论文的规定 同意学 校保留或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 本人授权山东大学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 缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文 保密论文在解密后应遵守此规定 畔新硌膨 期 山东大学硕士学位论文 1 1 项目背景 第一章绪论 党的十六大提出了 信息化带动工业化 工业化促进信息化 的战略指导方针 于是 信息化建设进入前所未有的高潮 在这种大形势下 国内供水部门纷纷展 开了信息化建设工作 与此同时 居民对生活的安全性 快捷性也提出了更高的 要求 这就迫使房地产商 物业管理部门加快信息传输的智能化 数字化建设的 步伐 现在市政供水部门和用水管理部门都有了自己的信息化管理系统 居民可 以在相关的部门非常方便的查询到自己的用水情况 用水交费管理也有了较大进 步 有的地方用户可以用磁卡来刷卡交费 也可以直接在个人账户充值交费 在 交费管理这一块也越来越信息化 从上面的分析可以看到整个用水的信息化建设这一块瓶颈出现在了水表数据 的集抄上 这么多年虽然产生过一些新的抄表方式 详见本章第二节介绍 但 是在抄表方式上还是以人工抄表为主 人工抄表不仅需要花费大量的人力 更重 要的是由于是人工抄录 抄表数据不能保证及时 准确 在用水管理部门的数据 库中 最新用水量数据可能是几天前甚至是十几天前的数据 而且这些数据由于 是人工抄录 不免有错误和遗漏 另外一个原因是随着社会的发展 城市高层建 筑的普及 传统水表的操作给抄表人员带来越来越多的麻烦 综合考虑了以上出现的问题 可以看出 传统的人工抄表模式已经不能满足当 前信息化发展的要求 如何采用当前新兴的各种无线传输技术设计出一种新的抄 表模式 引起了许多人的关注 本项目为山东三龙实业有限公司和山东大学合作项目 1 2 国内外研究现状 依据通信媒介的不同现在的自动抄表系统大致可分为有线自动抄表系统和无 线自动抄表系统 传统的有线自动抄表系统需要布线 许多小区布线难度很大或 根本不允许布线 且布线的成本费用不菲 限制了有线自动抄表系统的推广和应 5 山东大学硕士学位论文 用 而无线自动抄表方式采用先进的无线通信技术 实现集中抄表 相对于有线 自动抄表系统有着先天的优势 在有线和无线抄表的发展过程中 主要有以下几种典型的方案 1 有线自动抄表系统 1 f 2 l 3 1 分线制集中抄表 每户的水表单独出线连接至数据采集器 然后由数据采集器统一收集与处理数 据 分线制自动抄表系统在普通水表的基础上加装传感器件 将机械式读数信号 转换成电信号后传送出去 再由数据采集器定时顺序采集来自多路分线连接的水 表信号并进行数据处理 存储 故障记录等 各数据采集器可通过r s 2 3 2 串口 或 红外接口 单独与手持抄表器通信 也可采用总线连接至单元管理机 再由单元 管理机与手持抄表器通信进行批量数据的抄录 总线制集中抄表 总线制自动抄表系统中使用的水表是一种智能水表 水表本身具有数据计量和 处理功能 多个水表通过同一条数据总线将数据传送至中心计算机 每户的水表 通过一条总线挂接 手持抄表器或计算机与智能水表进行数据通信 读取水表数 据后进行计算 以上两种方式都属于有线方式 都属于基于r s 4 8 5 总线的通信方式 r s 4 8 5 总 线方式抄表结构简单 易于实现 通信可靠性高 但缺点是都需要铺设专门的通 信电缆 存在布线的问题 使得安装 尤其改装 任务繁重 也存在许多隐患 短路 断路等错综复杂的线路更使得维护工作困难重重 安装以及维护成本全部 上升 最主要的一点是r s 4 8 5 总线节点数受限 不适于大规模的集中抄表 4 2 无线智能水表 无线智能水表不仅具有进行数据计量和处理的功能 无线通讯模块还可以对数 据通过无线方式实现接收和发送 此类水表无需铺设线路 维护与安装方便 大 多数使用国际标准业余无线频率和自制的专用通信协议 但由于单表加装无线收 发装置 成本相应提高 并且经常需要更换电池 更因为有些标准占用收费的无 线频点 还需交纳一定的租金和管理费 此外存在数据通信的安全问题 所以目 前家用水表市场上应用很少 电力载波抄表是无线智能抄表常见的一种形式 5 通 过上面的介绍可以看见限制无线技术在智能抄表系统中应用的主要原因是成本方 山东大学硕士学位论文 面的考虑 如果能把改装水表的成本包括运行成本降低到居民可以接收的程度 无线抄表将会有更广阔的市场 随着z i g b e e 技术的出现 z i g b e e 低功耗 低成本的特点弥补了上述无线智能 水表中的缺陷 因此把z i g b e e 技术应用在无线抄表领域已经越来越引起国内外的 关注 一些关于z i g b e e 无线抄表的论文和方案在国内外的杂志和会议上发表 但 是这些方案都只是基于某种单片机简单的实现了z i g b e e 的组网功能 其所依赖的 协议栈大多并没有完全实现z i g b e e 联盟制定的规范 不符合z i g b e e 标准 不能 完全发挥z i g b e e 技术在无线测控领域的优点 因此这些方案其实还是不是很成熟 例如m i c r o c h i p 公司现在推出的协议栈对于z i g b e e 技术规定的部分安全规范并没 有得到实现 6 7 这种协议栈用在抄表系统会有很大的隐患 基于对水表实际应用场合的考察和分析 并结合当前计算机技术 网络技术的 最新发展状况 我们提出了采用j e n n i cz i g b e e 协议栈来实现z i g b e e 无线传感器 网络和i n t e r n e t 网络相结合的混合网络结构 实现低成本 可扩展的远程水表管 理网络 该协议栈严格遵循z i g b e ea l i a n c e 的规范 该网络系统具有远程抄表功 能 并可在该结构上方便扩展如用水异常信息报警 线损分析等功能 1 3 论文安排 本文结合对z i g b e e 规范的网络层和应用层的研究 设计符合项目要求的抄表 方案 结合项目采用的j n 5 1 3 9 芯片及j e n n i cz i g b e e 协议栈 实现该方案的软件 功能 并对该方案迸行测试和分析 论证方案的可行性 搭建了整个抄表系统的 框架 对下位机和上位机的数据交换模式进行研究 设计数据交互的帧格式 设 计小区管理中心上位机用户管理系统 本论文的主要章节内容安排如下 第一章为绪论 讨论了项目背景意义 国内外研究现状和本文的主要研究目标 和论文安排 第二章简单介绍了什么是z i g b e e 技术 z i g b e e 技术的特点以及z i g b e e 协议 栈的层次架构 对z i g b e e 物理层和m a c 层做了简单的论述 主要对z i g b e e 网络 层和应用层进行了研究 7 山东大学硕士学位论文 第三章为系统的总体方案的设计 提出了基于z i g b e e 技术和i n t e r n e t 技术的 无线抄表系统的整体框架设计和各个模块的概要设计 第四章为智能水表z i g b e e 网络的具体设计与实现 制订了符合z i g b e e 规范的 无线抄表的p r o f i l e 设计并实现了z i g b e e 网络中协调点 路由器 终端节点三 种不同设备的软件功能 第五章为上位机功能机软件的实现 介绍了上位机在整个系统中的作用 设计 并实现了上位机的软件功能 第六章为系统的实现和结果分析 实验搭建整个系统并对系统中的通信状况进 行分析 证明项目设计的可行性 第七章对本文的工作进行了总结 指出了存在的不足 并对下一步工作进行了 展望 最后是参考文献和致谢 8 山东大学硕士学位论文 第二章z i g b e e 技术研究 近年来 z i g b e e 技术越来越受到人们的关注 它是一种得到迅速发展和受到普 遍重视的新型无线网络传输技术 它的出现和发展对现代无线通信技术产生了极 其深刻的影响 本章比较详细地介绍了z i g b e e 技术的由来 特点 z i g b e e 协议栈 的框架 2 1zig b e e 技术 2 1 1z ig b e o 技术由来 在蓝牙技术的使用过程中 人们发现蓝牙技术尽管有许多优点 但仍存在许多 缺陷 对传感和测控领域而言 蓝牙技术显得太复杂 功耗大 距离近 组网规 模太小等 类似的 现存的其他无线网络协议当应用到传感和测控领域时也显出 了这样或那样的问题 传感和测控设备的通信不需要很高的带宽 但对反应时间 和能耗以及成本比较敏感 并且网络中节点数目庞大 8 1 基于上述原因 许多的无 线设备生产者已开始致力于解决无线网络的问题 出现了许多的通信协议 但这 些协议都并不能完全适应无线传感器网络的要求 而z i g b e e 协议以其特有的特点 为无线网络中传感和控制设备之间的通信提供了一个极好的解决方法 z i g b e e 技 术是z i g b e e 联盟制定的一种无线通信技术 被业界认为是最有可能应用在工控场 合的无线传输方式 2 1 2 各种无线协议的比较 表2 1 为z i g b e e 技术与现存的几种无线网络的对比 包括了应用的范围 协 议栈所占系统的资源 网络规模的大小 传输距离 带宽以及电池的寿命 通过 表中的比较 像b l u e t o o t h 和w l a n 这样的标准是不适合用于低功率嵌入式传感 器网络应用中的 这是因为这些标准都需要较高的节点成本及复杂且耗电的r f 芯 片和协议 而z i g b e e 却是唯一一个明确定位于低速率传感器和控制网络应用需求 的标准 它满足如下无线测控网络应用的要求 1 需要大量节点 传感器的无线解决方案 9 山东大学硕士学位论文 2 极低的系统 节点成本 使用廉价的电池就可工作数年 这需要极低功 耗的r f 芯片和协议 节点间的链路必须安全可靠 3 网络必须易于配置 4 传感器节点所发出的信息总量有限 因此所需通信链路的数据传输速率 也处于较低或中等水平 5 低占空比的定期发送或间歇性发送 低功耗 是该网络通信的特点 传感器 节点通常会保持长时间的休眠状态 市场标准名g p r s g s m w i f i b l u e t o o t h z i g b e e 1 x r t r c d m a8 0 2 1 l b8 0 2 1 5 18 0 2 1 5 4 应用重点广阔范围w e b e m a i l 图电缆替代品监测 控制 声音 数据像 系统资源 1 6 m b 1 m b 2 5 0 k b 4 k b 一3 2 k b 网络大小 节 l3 272 5 5 6 5 5 3 5 点数 传输距离不限 1 1 0 0 1 1 0 米 1 1 0 0 米 带宽 k b s 6 4 1 2 8 1 1 0 0 0 7 2 02 0 2 5 0 电池寿命1 至70 5 至51 至71 8 啦 0 0 0 天 成功尺度覆盖面大 质量速度快 灵活价格便宜 方可靠 低功 好便耗 价格便宜 表2 1 z i g b e e 与几种无线网络标准的比较 针对各种无线网络标准应用的领域的不同 下面主要通过比较b l u e t o o t h 与 z i g b e e 技术的特点来阐述为什么在无线抄表领域选择z i g b e e 技术 b l u e t o o t h 适合于a d h o c 网络 多跳无线网络 可以取代电缆 而且手机的无 线手持解决方案需要传输中等大小的图形 图片和文件 w l a n 适用于传输或下载 大数据量的文件 而z i g b e e 适用于传输以静态为主 节点繁多 但每个节点仅需 以较低的占空比发射有限数据的网络 在技术指标上 蓝牙当初的定位是所谓 c a b l er e p l a c e m e n t 的技术 与之相 1 0 山东大学硕士学位论文 应的平台则己有高计算性能和高资料量需求的p c 或高级手机为主 所以在无线芯 片的设计上门槛较高 通信速率也较高 以满足人类的通信需求 所以蓝牙技术 当初对语音以及m o d e m 连接的要求是列为第一优先的 而z i g b e e 所想要切入的 市场是所谓m 2 m m a c h i n e t o m a c h i n e 的应用 运用z i g b e e 通信技术的仅仅是一 颗2 美元至5 美元的8 位m c u z i g b e e 技术所需要传输的资料量或速率 相对蓝 牙的目标来得低 协议也相对简单 这样一种设计理念 对整个z i g b e 贮产业链产 生了一个加速的作用 从芯片设计周期 通信协议固件的开发一直到产品整合及 应用 各个产业都以更快的速度 更好的品质展开起来 z i g b e e 的优势 一般业 界的分析不外乎是能耗 所需资源及灵活组网和自适应路由功能等 这几项优势 若是单一地和蓝牙相比较起来 都只能说是相对优势 不算什么石破天惊的突破 单一方向作比较 都没有非用z i g b e e 不行的理由 但是一旦许多小的优势汇集在 一起之后 又能以很实惠的价格提供给市场客户 那这个解决方案的优越性就很 明显了 9 z i g b e e 可支持数百节点 n o d e s 的大规模应用 而蓝牙则只能支持八节 z i g b e e 适用于广泛区域的网络 因z i g b e e 节能组成无线网状网络以互相传送数据 所以 应用范围可伸延至数百 甚至数千米 而蓝牙则只为十至一百米范围内的短程网 络而设 就制造成本而言 z i g b e e 芯片现在远比蓝牙芯片为便宜 b l u c t o o t h 中等的任务周期 次要的电池能耗考虑 电池持续时间和控制单元 相同 半静态星型网络 接近7 个节点 主要针对需要中等数据传输率 高q o s 以及低反应时间的无线网络 z i g b e e 非常低的任务周期 很长的电池寿命 静态及动态的星型及网状结构 可以有非常多的节点单元 最多约6 5 5 3 5 个 在没有网络问通信时能够保持长时间 静止状态 2 2z i g b o o 技术的特点 z i g b e e 技术的主要特点包括以下几个部分 数据传输速率低 只有1 0 k 字节 秒到2 5 0 k 字节 秒 专注于低传输应用 功耗低 在低功耗待机模式下 两节普通5 号干电池可使用乱2 4 个月 山东大学硕士学位论文 成本低 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 夺网络容量大 网络最多可容纳6 5 5 3 5 个设备 时延短 典型搜索设备时延为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15 m s 数据安全 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 网络的自组织 自愈能力强 通信可靠 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 15 m h z 美国 均为免执照频段 由于z i g b e e 节点工作时通常是干电池供电 因此采取一些降低能耗的技术在 项目中是值得探讨的 由于z i g b e e 应用的低带宽要求 z i g b e e 节点可以在大部分时间内休眠 以节 省电池能量 然后苏醒并迅速发送数据 然后再去休眠 z i g b e e 可以在1 5 毫秒或 更短的时间内由休眠模式进入活动模式 因此即使休眠的节点也可以取得合适的 低时延 在实际应用中根据数据采集时间的周期的设定还可以在应用级别增加节 点休眠的时间从而来达到更节能的目的 z i g b e e 节省的大部分能量归功于 i e e e 8 0 2 1 5 4 技术 其本身就是为低功率而设计的 例如 i e e e 8 0 2 1 5 4 采用 d s s s 直接序列展频 技术取代f h s s 跳频扩频 因为后者为保持同步跳频 会消耗较多的功率 为了尽可能多地节省能量 z i g b e e 采用一种 准备好才发送一的通信策略 它只在有数据要发送时才发送数据 然后再等待自动确认 准备好才发送 是 一种 面对面 式的方案 是一种能量效率非常高的方案 而且 这种 面对面 式策略导致r f 干扰非常低 这主要是由于z i g b e e 节点具有非常低的占空因数 只偶尔发射信号且只发送小量的数据 不过 z i g b e e 的 准备好才发送 方案并 不是万能的 例如 在一条由成千上万个微型传感器构成的网络中 这种方案节 省的能量可能仍不够用 由于每个网络节点都定期发送数据 而且数据必须经过 附近其他网格式分布的节点多次反复传送才能到达网络控制器 大量的数据包冲 突和重复传送会浪费能量 大大缩短传感器节点的电池寿命 因此在实际的应用 过程中 z i g b e e 网络的路由深度应该尽量控制在小于3 级以内 1 2 山东大学硕士学位论文 z i g b e e 通过减少对相关处理的需要来进一步节省能量 一个简单的8 位处理 器就可以轻松地完成z i g b e e 的任务 而且z i g b c e 协议栈占用很少的内存 例如 一个功能更强的f f d f u l lf u n c t i o nd e v i c e 协议栈需要占用大约3 2 k b 内存 而一个精简功能设备r f d r e d u c e df u n c t i o nd e v i c e 协议栈只需要4 k b 内存 比它们复杂得多的蓝牙技术则需要占用约2 5 0 k b 内存 z i g b c e 相对简单的实现也 节省了费用 r f d 由于省掉了内存和其他电路 自然降低了z i g b e e 部件的成本 而简单的8 位处理器和小协议栈也有助于降低成本 2 3z ig b e 8 协议框架 z i g b e e 协议栈也是按照层次结构来组织的 每层为其上层提供特定的服务 一个数据实体提供数据传输服务 一个管理实体提供全部其他服务 每个服务实 体通过一个服务接入点 s a p 为其上层提供服务接口 并且每个s a p 提供了一系列 的基本服务接口来完成相应的功能 z i g b e e 协议栈的体系结构如图2 1 t 所示 它虽然是基于标准的七层开放式系 统互联 o s i 模型 但仅对那些涉及z i g b e e 的层予以定义 i e e e 8 0 2 1 5 4 标准定 义了最下面的两层 物理层 p h y 和介质接入控制子层 m a c z i g b e e 联盟提供了 网络层和应用层 a p l 框架的设计 其中应用层的框架包括了应用支持子层 a p s z i g b e e 设备对象 z d 0 和由制造商制定的应用对象 相比于常见的无线通信标准 z i g b e e 协议紧凑而简单 具体实现的要求很低 以下是z i g b e e 协议的需求估计 硬件需要8 位处理器 如8 0 c 5 1 软件最大需要 3 2 k b 的r o m 最小软件需要4 k b 的r o m 网络主节点 协调点 需要更多的r a m 以 容纳网络内所有节点的设备信息 数据包转发表 邻接表 设备关联表 与安全 相关的密钥存储等 1 3 山东大学硕士学位论文 图21 z i g b 协议栈结构图 2 3 1i e e e s 0 2 1 54p h r 层 来自i e e e 8 0 2 1 5 4 物理层 1 协议数据单元 p p d u 的二进制数据被依次 按 字节从低到高 组成4 位二进制数据符号 每种数据符号 对应1 6 状态组中的一 组 被映射成3 2 位伪噪声码片 c h i p 以便传输 然后这个连续的伪噪声c h i p 序列被调制 采用最小键控方式 到载波上 即采用半正弦脉冲波形的偏移正交 相移键控 0 0 p s k 调制方式 8 6 8 9 1 5 m h z 频段物理层使用简单的直接序列扩频 d s s s 方法 每个p p b u 数 据传输位被最大长为1 5 的c h i p 序列所扩展 即被多组 1 一1 构成的n r 序列编 码 然后使用二进制相移键控技术调制这个扩展的位元序列 不同的数据传输 速率使用于不同的场合 例如 8 6 8 9 1 5 m h z 频段物理层的低速率换取较好的灵敏度和较大的覆盖面积 从而减少覆盖给定物理区域所需的节点数 2 4 g h z 频段物理层的较高速率适用于 较高的数据吞吐量 低延时或低作业周期的场合 山东大学硕士学位论文 2 3 2i e e e 8 0 2 1 54m a c 层 i e e e 8 0 2 1 5 4 m a c 层吲同样提供两种服务 m a c 层数据服务和m a c 层管理服务 管理服务动过m a c 层管理实体 眦旺 服务接入点 s a p 访问高层 m a c 层数据 服务使m a c 层协议数据单元 啪u 的收发可以通过物理层数据服务 i e e e 8 0 2 1 5 4 m a c 层的特征有信标管理 信道接入机制 保证时隙 g t s 管理 帧确认 确认帧传输 节点接入和分离 2 3 2 1 超帧结构 低速率的无线个域网允许使用超帧结构洲 超帧的格式由传感器网络的协调器 定义 如图2 2 所示 超帧被分为1 6 个大小相等的时隙 由协调器发送 每个超 帧之间由网络信标分割 信标帧在超帧的第一个时隙被传输 如果协调器不想使 用超帧结构 它将会停止信标的传输 信标主要用于使各从设备与主协调器同步 识别p a n 以及描述超帧的结构 任何想要在竞争接入期间 c a p c o n t e n t i o n a c c e s s p e r i o d 通信的设备都要使用有时隙的载波监听多址接入一冲突避免 c s m a c a 所有的传输要在下一个信标到来之前结束 为减少设备的功耗 将超帧结构分为活跃和静止两个部分 在静止部分 协调 器将不和网络联系 进入低功率模式 己达到减少设备功耗的目的 对于低延迟应用或需要特殊带宽的应用来说 网络协调器为它贡献出超帧的 活跃部分 这部分叫做保护时隙g t s 如图2 3 所示 多个保护时隙构成一个免竞 争时期c f p c o n t e n t i o nf r e ep e r i o d 它总是紧跟着c a p 在活跃的超帧尾部 网络协调器可以分配7 个6 t s 每个g t s 可以占用一个以上的时隙 而c a p 有充足 的时间留给基于竞争的接入的网络设备或想加入网络的设备 所有基于竞争的传 输都要在c f p 开始前结束 同样 g t s 的传输也要确保在下一个g t s 开始前结束 图22 无g t s 的超帧结构图23 有g t s 的超帧结构 2 32 2c s m ac a 机制 低速率的无线个人区域网络依据网络的结构不同 使用两种信道接入机制 无 山东大学硕士学位论文 信标网络使用无时隙的c s m a c a 信道接入机制 每当设备想要传输数据帧或m a c 命令时 它将等待随即的一段时间 在随即退避之后 如果信道被检测为空闲 设备将传输数据 如果信道被检测为忙 设备在再次尝试接入信道之前 要重新 等待随即的一段时间 确认帧的发送不使用c s m a c a 机制 有信标网络使用有时隙的c s m a c a 信道接入机制 退避时隙在信标传输的开始 排列好 每当设备在竞争接入时段要传输数据时 它需要确定下一个退避时隙的 界限 之后等待随即的几个退避时隙 在随即退避之后 如果信道被检测为忙 设备在再次尝试接入信道之前 要重新等待随即的几个退避时隙 如果信道被检 测为空闲 设备将在下个退避时隙传输数据 确认帧和信标帧的发送将不需要 c s m a c a 机制 2 3 2 3 安全模式 在低速率无线个人区域网络中设备可根据自身的需要选择不同的安全模式 无 安全模式 访问控制列表 a c l 模式和安全模式 无安全模式是m a c 子层默认的安全模式 处于这种模式下的设备不对接收到的 帧进行任何安全检查 当某个设备接收到一个帧时 只检查帧的目的地址 如果 目的地址是本设各地址或广播地址 这个帧就会被转发给上层 否则丢弃 在设 备被设置为混杂模式 p r o m i s c u o u s 的情况下 它会向上层转发所有接收到的帧 访问控制列表模式为通信提供了访问控制服务 高层可以通过设置m a c 子层的 a c l 条目指示m a c 子层根据源地址过滤接收到的帧 因此这种方式下m a c 子层就没 有提供加密保护 高层有必要采取其他机制来保证通信的安全 安全模式对接收或发送的帧提供全部的四种安全服务 访问控制 数据加密 帧完整性检查和顺序更新 2 3 3 网络层 n w k 层 z i g b e e 网络层 1 5 1 1 6 将主要功能包括 设备连接和断开网络时所采用的机制 以及在帧信息传输过程中所采用的安全性机制 此外还包括设备之间的路由发现 和路由维护和转交 并且 网络层完成对一跳 o n e h o p 邻居设备的发现和相关 节点信息的存储 z i g b e e 网络层支持星型 树型 和网状型拓扑结构 由于使用的网络中节点 1 6 山东大学硕士学位论文 可能众多 且路由情况复杂 在此我们主要比较3 种基本网络拓扑结构 并选出 比较适合大型传感器网络使用的拓扑结构 基本的星状网拓扑结构是一个单跳 s i n g l e h o p 系统 依据星状网的特点可 以看出 当各个终端节点距离数据汇聚中心比较远 终端节点分布范围大时 这 种拓扑结构是行不通的 因为终端传感器节点能量有限 如果每个节点都要保证 数据正确接收的信噪比 s n r 值 则终端传感器节点必须以较大功率向数据汇聚 中心发送数据 能量很快就会耗尽 因此这种网络适合终端传感器节点距离数据 汇聚中心比较近的情况 簇一树型状网拓扑结构是一种多跳的网络系统 簇一树型网络中的终端节点负责 数据的采集 并把数据转交给上一级的路由设备 通过路由设备的转发最终传送 到z i g b e e 网络的协调点达到数据的汇聚 通信过程中可能通过多级路由来实现 网状网拓扑结构各个节点设备之间是一种完全对等的通信方式 路由方式比较 负责但是网络的自愈性和鲁棒性较好 尤其适合节点数量众多的无线传感器网络 应用 但是就目前的协议支持力度来讲网状网络拓扑结构还不够成熟 也没有相 关的成熟案例可以借鉴 综上所述 实际情况中网络拓扑结构的选择是根据网络中节点与数据汇聚中心 的相对位置 以及网络中的无线参数的不同而定的 当网络中数据汇聚中心的位 置比较靠近终端节点 甚至处终端节点中间 同时整个网络的分布范围比较小的 时候 星形网络有其相应的优势 而簇一树型状网与网状网络比较适用于数据汇聚 中心远 终端节点比较分散的情况 在现在的实际的环境下 经常是采用簇一树型 拓扑结构来搭建传输网络 z i g b e e 网络层处于m a c 层与应用层之间 功能还包括提供一些必要的函数 确保z i g b e e 网络m a c 层正常工作 并且为应用层提供合适的服务接口 为了向应 用层提供其接口 网络层提供了两个必须的功能服务实体 它们分别是数据服务 实体和管理服务实体 网络层数据实体 n l d e 通过网络层数据实体服务接入点 n l d e s a p 提供数据传输服务 网络层管理实体 n l m e 通过网络层管理实体 服务接入点 n l m e s a p 提供网络管理服务 下面分别对它们的功能进行介绍 a 网络层数据实体 n l d e n l d e 为数据提供服务 在两个或者更多的设备之间传送数据时 将按照应用 1 7 山东大学硕士学位论文 协议数据单元 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 的格式进行传送 并 且这些设备必须在同一个网络中 即在同一个内部个域网中 n l d e 会提供以下服务类型 1 生成网络层协议数据单元 n p d u n l d e 通过增加一个适当的协议头 从 应用支持子层协议数据单元a p d u 生成n p d u 2 制定拓扑传输路由 n l d e 能够发送一个网络层的协议数据单元到一个合适 的设备 该设备可能是最终的目的通信设备 也可能是在通信链路中的一 个中间通信设备 b 网络层管理实体 n l m e n l m e 提供网络管理服务 允许应用与堆栈相互作用 n l m e 提供如下服务 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 初始化一个网络 n l m e 可以建立一个新的网络 连接或断开一个网络 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 3 4 应用层 a p l 层 z i g b e e 的应用层 1 8 由应用子层 a p s s u b l a y e r 设备对象 z d o 包括z d o 管理平台 以及制造商定义的应用设备对象组成 a p s 子层的作用包括维护绑定表 绑定表作用是基于两个设备的服务和需要把它们绑定在一起 在绑定的设备 之间来传输信息 山东大学硕士学位论文 z d 0 的作用包括在网络中定义一个设备的作用 如定义设备为协调器或为路由 器或为终端设备 发现网络中的设备并确定它们能提供何种应用的服务 发起 或回应绑定需求以及在网络设备中建立一个安全的连接 2 3 4 1 应用支持子层 a p s 层 应用支持子层在网络层和应用层之间提供了