基于ZigBee技术的水质监测系统的设计-电路系统硕士论文

杭州电子科技大学 硕士学位论文 基于ZigBee技术的水质监测系统的设计 姓名：程春荣 申请学位级别：硕士 专业：电路与系统 指导教师：毛祥根 20091201 杭州电子科技大学硕士学位论文 I 摘 要 近年来水污染问题越来越严重，生产和生活排出的大量污水含有诸多有害因素，严重地 危害人类的健康。因此，对水质的检测和控制显得极其重要。但是传统的经验检测法已经不 能满足需要，有时甚至会带来巨大损失；化学检测法过程复杂、不具有实时性，还会带来二 次污染；现代仪器检测法是水质检测的最新方法，它通过相关传感器，将被测对象的化学量 或物理量转化为电信号，经高增益放大器放大、数字化处理后，输入到 MCU 后准确得到测 量参数。 对于湖泊和河流水质的测量，由于浮标常年位于水中，为它架设专门的通信线路显得不 合适；另外由于测试点多而杂使得监测系统的线路非常复杂，因此本文根据无线传感器网络 的基本理论和水质监测系统的实际需求，提出了基于 ZigBee 技术的在线水质监测方法，设计 了一个能够实时测量多种水质参数的监测系统，通过此系统可以方便直观地得到被测水样的 水温、PH、电导率等参数。 本文提出了水质监测系统的整体设计方案，并对系统的硬件和软件进行了详细的分析和 设计。在硬件设计方面，本文采用模块化设计，即无线传输模块和水质检测模块分开设计， 以方便系统的调试和扩展。无线传输模块采用了 TI 公司的单芯片 CC2430+低功耗功放 CC2591 解决方案。水质检测模块主要是通过各种水质传感器对水质参数进行采样，然后经过 信号调理电路是对采集到的电压信号或者电流信号进行放大处理。在软件设计方面，本文根 据 ZigBee 联盟所定义的标准，对 ZigBee 协议进行研究，然后移植和修改协议栈代码，再编 写水质监测系统的应用程序和相关驱动程序，给出了关键程序流程图和部分源代码。 经测试，本文的 ZigBee 无线模块点对点直接通信在可视距离为 300m 以内可以实现数据 的可靠传输，通讯距离能满足大部分水质监测的需求。本系统将各个水质检测终端组成测量 网络，实现了一级路由的 ZigBee 树型拓扑网络，并通过网络协调器与监控中心的 PC 机通信， 从而实现了自动化、网络化的无线水质监测系统。本系统较之传统的水质检测方法不仅可以 减轻劳动强度、提高检测精度，而且具有实时监测的连续性。本文对于自来水、污水处理等 其它需要对水质进行动态监测的场合都有借鉴意义。 关键词：ZigBee，水质，实时监测，CC2430，CC2591 杭州电子科技大学硕士学位论文 II ABSTRACT Water pollution has increased in recent years Production and living brought about a number of wastewater containing harmful factors，which seriously endangered human healthTherefore，the test and control of water quality seems to be quite criticalBut the traditional detection method by experience can no longer meet the needs，and sometimes result in a huge loss；chemical detection method not only makes the process complex and non real- time，but also bring about secondary pollution；modern instrument detection method is a new one，which through the relevant sensors， change the physical or chemical quantity of measured object into electrical signals，then amplify and digitalize the signals by high- gain amplifiers， finally input them to the MCU and parameters are measured accurately For the water quality measurements of lakes and rivers，as buoys are in the water all year round，it appears inappropriate to set up a special communication line；besides，more and miscellaneous test points make the wiring of monitoring system very complexThus，according to the basic theory of wireless sensor networks and the actual needs of water quality monitoring system，an on- line water quality monitoring method based on ZigBee technology is proposedThe system can measure a variety of water quality parameters such as water temperature，PH， conductivity conveniently and intuitively In this paper， the systems overall design scheme is presented and the hardware and software of system is analyzed and designed in detailThe hardware design of this paper is a modular one，thus the system included wireless transmission module and sensor node moduleThe wireless node used TIs single- chip CC2430 and low- power amplifier CC2591 solutionThe sensor node module was used to sample various water quality parameters through corresponding sensors，and then amplify the collected voltage signal or current signal through the signal conditioning circuitZigBee protocol was researched and reduced ZigBee protocol stack is modified and planted based on the standards defined by ZigBee Alliance， and applications and related drivers are programmed， the key program flow chart and some source code is given Experimental results show that two ZigBee modules can realize a reliable data transmission with 300meters through point to point derect communication，which can meet the real- time requirements of water quality monitoringTo realize a ZigBee network，this system used various water quality monitoring terminals to build the measuring network， communicated with PC through a coordinatorCompared with traditional detection methods，the system of water quality can not only reduce labor intensity and improve detection accuracy，but also has real- time monitoring of 杭州电子科技大学硕士学位论文 III continuityThis paper represents a useful effort for the water supply，sewage treatment and other needs of the dynamic monitoring of water quality situations Keywords：ZigBee，water quality，real- time monitoring，CC2430，CC2591 杭州电子科技大学 学位论文原创性声明和使用授权说明 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，独立进行研究工作所取得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过 的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文使用授权说明 本人完全了解杭州电子科技大学关于保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属杭州电子科技大学。本人保证毕业离校后，发表论文或 使用论文工作成果时署名单位仍然为杭州电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件， 允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其 它复制手段保存论文。 （保密论文在解密后遵守此规定） 论文作者签名： 日期： 年 月 日 指导教师签名： 日期： 年 月 日 杭州电子科技大学硕士学位论文 1 第 1 章 绪论 1.1 引言 随着人们对于环境问题的关注程度越来越高，需要采集的环境数据也越来越多，无线传 感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）的出现为获取随机性的研究数据提供了便利，并 且还可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。 如图1.1所示的无线传感器网络1- 8 是由大量的、具有无线通信与计算能力的微小传感器节点构成的自组织分布网络系统，能够 实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，并具有控制、监视、计算等功能。近年 来，无线传感器网络发展迅速，技术已逐渐成熟。其中 ZigBee 技术被誉为最有可能实现无线 传感器网络的一种新兴的短距离无线通信技术，该技术具有低成本、低功耗和低速率的特点， 有效弥补了低速率无线通信市场的空缺，在军事、家居、工业、环境等多个领域都有广泛的 应用前景9- 11。 图 1.1 WSN 系统结构图 水是生态环境系统中最活跃、影响最广泛的要素，它既是生命的源泉，也是工农业生产 中不可替代的重要资源。然而，随着各种自然资源的滥开滥用，环境污染愈演愈烈，生产和 生活排出的大量污水含有诸多有害因素，严重地危害人类的健康。为了减轻水污染带来的危 害，对水质的监测和控制显得极其重要。但是对于湖泊和河流中心水质的测量，由于装有传 感器的浮标常年位于水中12，为它架设专门的通信线路不仅会使成本大幅度增加，还会使监 测系统的线路变得非常复杂，在此背景之下，研制与开发一套无线水质自动监测系统具有重 大的社会意义和现实意义。 1.2 水质监测系统概述 水质监测系统（WQMS：Water Quality Monitoring System）是一个综合利用传感器、人 工智能、电子和计算机理论与技术对水质进行监测的系统，通过组建监测网络可以对大范围 的水体进行实时在线远程检测。如图 1.2 所示，水质监测系统13主要由采水单元、配水单元、 水质监测分析单元、控制单元、辅助单元等部分组成。 杭州电子科技大学硕士学位论文 2 配水单元采水单元检测单元数据采集单元 数据传输单元控制单元 辅助单元基站 总站中心站 控制流程样品信息流 图 1.2 水质监测系统结构示意图 本文根据无线传感器网络的基本理论和水质监测系统的实际需求， 提出了基于 ZigBee 技 术的在线水质监测方法，设计了一个能够在线测量多种水质参数的监测系统，该系统具有如 下功能和特点： 1) 设计水质监测系统的检测单元、数据采集单元、数据传输单元，侧重于无线网络的组 网以及实现数据的无线传输。 2) 按功能采用模块化设计，这就使得系统的各模块保持相对的独立性，不仅有利于系统 的优化和扩展，还可把这些模块应用于其它需要的场合。 3) 可以方便直观的得到被测水样的水温、PH、电导率等参数。 4) 能够实现 24 小时对水质进行连续自动监测，并将数据传送到水质监测中心。 5) 以 ZigBee 技术为基础组建无线传感器网络，使得该系统不仅具有低成本、低功耗等 优点，而且具有自组网功能，可适用于 RTU（Remote Terminal Unit）移动的场合。 本系统改变了传统的水质监测方式，将水质分析仪与中心控制室连接就可以监视水质状 况，特别是对人员无法接近的危险、恶劣的环境进行在线检测，在出现事故时能够及时采取 补救措施，真正做到了远距离在线监测。所获得的数据能够真实地反映水质和污染变化趋势， 充分发挥了实时监测在水质管理中的作用。 1.3 水质监测技术的发展现状 1.3.1 水质分析仪的研究现状 要实现水质的自动监测，首先必须对被测水样的各参数进行测量。但是传统的经验检测 法已经不能满足需要，有时甚至会带来巨大损失；化学检测法过程复杂、不具有实时性，还 会带来二次污染；现代仪器检测法是水质检测的新方法，它通过相关传感器，将被测对象的 化学量或物理量转化为电信号，经高增益放大器放大、数字化处理后，输入到 MCU 后准确 得到测量参数。因此现代水质分析仪是我国重点发展的环境监测仪器之一14。 目前市场上进口的水质分析仪器主要是日本、德国、意大利、美国等国家的产品，大多 美观坚固，测量项目较多，但是价格很高，检测单项水质指标仪器的价格在 2000 元8000 杭州电子科技大学硕士学位论文 3 元之间，检测多项指标的仪器价格则达到一万至十几万元，这样的价格国内的企业很难接受， 同时，进口产品的售后服务也让使用者难以完全放心，而国产仪器的售后服务完全有保障， 无论是技术支持还是配件的维修、更换，都非常方便、及时。 国内的水质检测分析仪器起步于 70 年代，随着我国环境保护工作的发展，我国水质环境 监测技术也取得了较大的进步，水质检测分析仪器生产形成了一定的规模，生产技术也有了 很大发展，产品主要集中在水质常规五参数的分析检测方面，五常参数包括温度、PH、溶解 氧（DO）、电导率和浊度。 由于目前国产的传感器中，除了温度、PH 等少数传感器质量较好外，多数传感器性能不 稳定，质量较差，而进口传感器过于昂贵（浊度传感器和溶解氧传感器单只价格在 1000 元以 上），因此目前电极法水质分析仪的普及率不是很高。国内的电极法水质分析仪的价格大致 在 4000 元到 8000 元之间，和某些化学法的费用相比，一次性的支出是比较多，但如果按一 年或两年的支出来算，水质分析仪的价格是非常合理和经济的。 随着生产技术和人们文化水平的不断提高，水质检测的手段也在不断的更新，利用电极 法的水质分析仪检测水质，正逐渐成为广大企业和个人的首要选择。本文设计的水质检测模 块就是通过温度传感器、 PH 电极和电导率电极辅以相应的调理电路来实现对水样的温度、 PH 值、电导率的测量。 1.3.2 水质监测技术的发展现状 早在 1970 年， 美国和日本等发达国家15对河流、湖泊等地表水就开展了水质自动在线监 测。而我国也在 2000 年 9 月起，开始实施在全国主要流域重点断面水质自动监测站的建设项 目，已形成了覆盖全国十大流域、拥有 200 多个子站、能够及时反映主要断面水质状况和变 化的能力。然而我国的水质监测体系2仍然存在自动化程度低、信息处理不及时等问题，主 要表现在以下几方面：首先，各种水质参数的检测仍以人工采样和实验室分析为主，不但工 作量大，监测效率低，而且很难在短时间内提供水质参数的信息，实时掌握水质的变化情况； 其次，水质监测网络的信息化程度偏低，使得众多部门的监测数据客观上无法共享。因此， 我国的水质监测现状满足不了现代环境管理对水质监测技术的要求。 目前水质监测技术正在向自动化、智能化、网络化为主的方向发展。受制于水质传感器 的发展，水质自动监测项目主要为水质常规五参数和高锰酸盐指数、总有机碳（TOC）、总 氮（TN）、总磷（TP）、氨氮（NH3- N）等。随着无线技术的不断发展，移动实验室作为一 种应急的监测形式出现，它能够提供及时、可靠、定点或非定点的连续水质信息，从不同的 时空角度及时发现污染问题。本文把专注于低功耗、自组网的 ZigBee 无线网络技术运用到水 质监测的实际应用中，不仅可以作为现有水质监测技术的有益补充，更是区域性水质监测技 术的发展方向。 杭州电子科技大学硕士学位论文 4 1.4 课题的研究意义 目前，GPRS、GSM 和数传电台等在水质监测中都有一定范围的应用，但是它们都有一 些适用的局限性。随着无线传感器网络概念的提出，以及水文监控信息化、网络化的需求， ZigBee 无线网络技术在水文监测领域的应用成为了可能，并具有其它几种无线技术不可比拟 的优势16。 首先，使用 GPRS、GSM 技术存在以下缺点： 1) 与无线专网相比，成本不算低，性价比优势不大；而通信协议比专网复杂很多，入门 有一定难度，不如无线专网简单易用。 2) 受公网业务开通状况及信号覆盖范围的影响较大，能否在某处使用，完全取决于运营 商的系统建设情况，不如无线专网灵活。 3) 运行费用较高，GPRS 是按流量计费，那样通过网络侵入的无用信息也会被计费。 4) 实时性差，尤其是节假日系统的负荷会达到高峰，系统及网络堵塞严重，信息不畅， 不能及时发送或收到有用信息，贻误大事。 其次，数传电台的无线频段也属于国家非开放频段，且不同频段之间容易发生串扰。到 目前为止，数传电台还没有统一的国际标准，且通常不具备路由功能，在实际应用中功能非 常有限。 GPRS、GSM 和数传电台的缺点限制了这些技术在水质监测领域的应用，现代化的水质 监测迫切需要使用一种低功耗、免执照（ISM）频段且易于开发的无线网络技术。在无线传 感器网络快速发展的背景下，本课题综合了传统水质监测系统的不足后，结合新的 ZigBee 技 术及其成功应用的经验，有效解决了传统技术存在的问题，并提出了更高的应用要求。该方 案的设计和系统的完成，能够满足水质监测信息化、网络化的要求，同时具有费用低、功耗 低、可靠性高、使用方便等优点，可带来强大的经济和社会效益。 此外，本课题涉及面较广，包括无线远程控制、无线远程监测、无线远程通信、数据采 集、自动控制以及管理等，水质监测网络是一个完整的系统，又是更复杂的无线传感器网络 应用系统的基础，故具有一定的代表性。本文侧重于研究 ZigBee 技术的实际应用，因此本课 题的研究成果还可以推广到类似的项目，如森林防火信息采集系统、无线路灯控制系统、无 线抄表系统、矿井无疑监控系统、城市污水无人值守管理系统、城市供电监控管理系统以及 其它类似项目，可以说，研究水质监测系统会对今后开展其它工作和项目具有指导意义。 1.5 论文的组织结构 本课题研究的目的在于设计一个基于 ZigBee 技术的水质监测系统， 实现水质监测的网络 化、智能化，使其更加适应社会发展的需要。本文的主要研究内容是按照以下章节展开的： 第 1 章 绪论。通过分析水质监测的国内外研究现状及无线传感器网络的发展概况，指出 了信息化、网络化是今后水质监测的发展趋势；通过与传统无线传输技术对比，指出了该课 题的优越性以及研究的意义。 杭州电子科技大学硕士学位论文 5 第 2 章 ZigBee 技术。介绍 ZigBee 技术由来、发展情况以及 ZigBee 网络中的三种网络拓 扑模型，并比较三种模型各自的优缺点，最终采用了树型网络作为水质监测系统的网络拓扑。 详细分析了 ZigBee 协议的体系结构及各个层的模型及其主要功能和介绍了 ZigBee 网络的形 成过程。最后提出了水质监测系统的 ZigBee 网络架构。 第 3 章 水质监测系统的硬件设计。按模块划分，分析了基于 ZigBee 技术的水质监测系 统的结构模型，完成了 ZigBee 方案和水质传感器的选型；介绍了网络协调器节点和终端设备 节点的硬件总体设计方案，并对各个功能模块进行了分析和硬件设计，给出了原理图，搭建 起了水质监测系统的硬件平台。 第 4 章 水质监测系统的软件设计。首先简要介绍了系统的软件开发平台和 ZigBee2006 协议栈，然后详细介绍了网络协调器和传感器节点的程序流程，并给出了关键应用程序的部 分代码，最后实现了水质监测系统的上位机监测界面。 第 5 章 系统测试结果及分析。给出了本系统的一些硬件实物图，并对系统的软硬件做了 相应的测试。 第 6 章 总结与展望。总结了自己的主要工作，并分析相关领域的发展趋势及未来工作的 重点。 杭州电子科技大学硕士学位论文 6 第 2 章 ZigBee 技术 ZigBee 是一种新兴的无线网络技术，具有传输速率低、功耗低等优点，主要用于近距离 的无线连接。ZigBee 为传感器网络提供了一种互连互通的平台，可以在多达 65000 个微小的 传感器之间相互协调实现通信，十分类似现有移动通信的 CDMA 网或 GSM 网。 2.1 ZigBee 的演变与进展 在蓝牙技术的使用过程中，人们发现对于工业、家庭自动化控制和遥测遥控领域而言， 蓝牙技术显得太复杂，且功耗大、距离近、组网规模小。正因为如此，经过人们的长期努力， ZigBee 协议于 2004 年正式制定。 ZigBee是一种功能介于无线标记技术与蓝牙之间的技术提案， 此前被称作 “HomeRF Lite” 或者“FireFly” ，直到 2002 年下半年， “ZigBee 联盟”才开始研发名为“ZigBee”的下一代无 线通信标准，其寓意为蜜蜂（Bee）通过 Zigzag 的路径形状在发现花粉后进行交换的动作， 实际上指的是一种简捷的交换信息的方式17- 19。 ZigBee是以 IEEE802.15.4 标准为基础发展起来的无线通信技术，它是 IEEE 无线个域网 （Personal Area Network, PAN）工作组的一项标准。但 ZigBee 不只是 802.15.4 的名字，因为 IEEE802.15.4 仅规范了低级媒体存取控制层（MAC）和物理层（PHY）协议，ZigBee 联盟对 其网络层（NWK）协议和 API（Application Programming Interface，应用程序编程接口）进行 了标准化。 “ZigBee 联盟”是以英国 Invensys 公司、日本 Mitsubishi 公司、美国 Motorola 公司及荷 兰 Philips 半导体公司四大巨头为首的致力于 ZigBee 技术研究的国际组织。到目前为止， ZigBee 联盟已有 200 多个企业成员，其中不乏 TI、Freescale 这样的国际知名公司。ZigBee 技术自问世以来就倍受青睐，在短短几年的时间里，已经突现出其巨大的生命力和竞争力。 目前各大芯片公司都推出了自己的 ZigBee 解决方案，在硬件方面、软件方面以及开发平台上 都取得了长足的发展20。 在硬件方面，TI、Ember、Freescale、Jennic 等各大芯片公司陆续推出支持 ZigBee 的无线 收发芯片及单片机射频芯片集成在一起的 SOC。尤其是各大公司新近推出的 SOC 节点方案， 进一步缩小了节点的功耗和体积，降低了成本，进一步满足市场应用的需求。集成 SOC 方面， 现在市场比较成熟的有 EM250、 CC2430。 其中又以 TI 公司 CC2430 集成 SOC 方案最为成熟， 应用最为广泛。 在软件方面， 国际上已经有许多公司提供 ZigBee 协议栈， 例如： Freescale、 Jennic、 Ember、 AirBee、 TI 等， 其中以 TI 设计提供的 Z- Stack 最为适用， 它提供了完全开源的解决方案。 ZigBee RF 芯片另一巨头供应商 Freescale 也是搭配了相应的 Z- Stack。 杭州电子科技大学硕士学位论文 7 在开发平台方面，各大 ZigBee 芯片供应商均提供相应的开发平台，目前市场上反映较为 成功的有 Freescale 公司提供的 SARD 应用参考板、Microchip 公司提供的 PICDEM Z Demonstration Kit 开发板、Helicomm 提供的 EZ- Net DevKit，而 TI 则能提供关于 CC2420 和 CC2430 的一系列开发工具。 2.2 ZigBee 的技术特征及其应用 ZigBee 技术被誉为最有可能实现无线传感器网络的一种新兴的短距离无线通信技术，这 是因为 ZigBee 具有如下诸多优点： 1) 数据传输速率低：本着够用就好的原则，速率控制在 10KB/秒250KB /秒，专注于低 速率传输应用。 2) 功耗低：装置可以在使用电池供电的情况下，运行数月甚至数年，低功耗意味着较高 的可靠性和可维护性；而非电池供电装置都需要考虑能量的问题，因为功耗还关系着 成本等一系列的问题。 3) 成本低：ZigBee 数据传输速率很低，ZigBee 协议在国际范围内通用且免收专利费， 所以大大降低了开发成本； 此外技术发展使得 ZigBee 朝一体化方向发展， 自带 CPU， 成本有望控制在 3 美金左右。 4) 时延短：针对时延敏感的应用做了优化。典型搜索设备时延仅为 30ms，休眠激活时 延和活动设备信道接入时延都只有 15ms。 5) 网络容量大：ZigBee 技术实现的网络所包含的网络节点数，理论上可实现 65535 个 节点的组网， 并且在实际应用中从 ZigBee2006 开始就能支持 300 节点以上， ZigBeePro 更是支持 1000 个节点以上。 6) 有效范围大：有效覆盖范围为 1075 米，通过功放可在低功耗条件下实现 1000 米以 上的通信距离，通过 ZigBee 路由节点帮助节点进行数据转发从而延伸扩展成为更大 覆盖面积的无线网络。 7) 可靠性高：IEEE802.15.4 的物理层采用直接序列展频（DSSS，Direct Sequence Spread Spectrum）技术，以化整为零方式，将一个讯号分为多个讯号，再经由编码方式传送 讯号避免干扰。 在 MAC 层方面， 主要是沿用 WLAN 中 802.11 系列标准的 CSMA/CA 方式，以提高系统兼容性，所谓的 CSMA/CA 是在传输之前，会先检查信道是否有数 据传输，若信道无数据传输，则开始进行数据传输动作，若有产生碰撞，则稍后重新 再传。 8) 安全性好：ZigBee 提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用 AES- 128 加密算法，可 灵活确定各个应用的安全属性，AES- 128 加密算法是美国新加密算法，是目前最好的 文本加密算法之一。 9) 工作频段相当灵活：使用免执照频段，在中国使用 2.4GHz 频段、欧洲使用 868MHz 频段、美国使用 915MHz频段，均为免费频段。 杭州电子科技大学硕士学位论文 8 ZigBee 技术目前仍处于应用的初级阶段，但已经展示出了超乎寻常的应用价值，随着相 关技术的不断发展和推进，ZigBee 一定会在很多领域和场合得到更大的应用，如无线传感器 网络、工业控制、无线监测、家居无线监控等，这些场合并不需要太高的通信速率，而是在 成本、功耗、体积、可靠性等方面有着更苛刻的要求。 ZigBee 初期主要面向家庭和商业楼宇自动化市场，随着更多公司和专业人员投身于 ZigBee 并进一步了解了其功能和差异，ZigBee开始进入更广阔的市场。除了关注与老年护理 及生活辅助、医疗、电信、资产追踪、娱乐和其他用途的产品外，ZigBee 还进入了先进抄表 基础设施（AMI）领域。随着泛在网络设想和普适计算理念的提出，无所不在的无线通信 （Wireless Anywhere）需求变得越来越迫切，低速、近距离的无线通信技术和产品有着广阔 的市场前景21。 在具体应用方面，ZigBee 技术已经涉足消费性电子设备、智能家居和楼宇自动化设备、 工业控制装置、农业自动化、电脑外设、医用传感器、玩具和游戏机等领域，并都有较为成 功的研发项目。要实现口号“Wireless Anywhere”，ZigBee 技术的广泛应用将是一个重要的 前提22。 2.3 ZigBee 的网络拓扑结构 2.3.1 ZigBee 网络中的设备类型 ZigBee 规范按设备的角色确定了三种不同的设备类型， 分别是网络协调器 （Coordinator） 、 路由器（Router）和终端设备（End Device）。每个网络都必须包含一台协调器，因为网络协 调器是整个网络的中心，它负责的功能包括建立、维持和管理网络，分配网络地址等。路由 器作为远程设备之间的中继器来进行通信、能够扩展网络的覆盖范围。终端设备没有路由功 能，只能选择加入已经形成的网络，可以收发信息，但是不具备路由器的路由和转发功能。 ZigBee 网络的设备类型按其功能的完整性又可以划分为全功能设备（FFD）和精简功能 设备（RFD）。FFD 附带由标准指定的全部 802.15.4 功能和所有特征，具备控制器的功能， 可提供信息双向传输，在 ZigBee 网络中既可以担任网络协调器，也可以担任路由器或者终端 设备。而 RFD 只附带了有限的功能以控制成本和复杂性，它只能传送信息给 FFD 或从 FFD 接收信息，在 ZigBee 网络中通常用作终端设备。 RFD可以使用简单的 8 位处理器和小的协议 栈，并且省掉了内存和其他电路，因此降低了 ZigBee 射频模块的成本。 ZigBee 网络协调器又被称作为 ZigBee 网络的“大脑”。由于这个“大脑”担负了许多任 务，负责管理这个“大脑”的控制器的性能必须高于网络中其他类型的设备。因此，ZigBee 网络协调器应该使用与其他设备不同的控制器，ZigBee 路由器和终端设备可以采用较低成本 的控制器。对于简单的网络和应用，ZigBee 网络中的三种设备可以使用相同的控制器。本文 设计的 ZigBee 网络较为简单，信息吞吐量不大，三种设备都使用相同的控制芯片 CC2430。 杭州电子科技大学硕士学位论文 9 2.3.2 ZigBee 网络拓扑 ZigBee 网络信息是由 ZigBee 网络层管理的，它的网络拓扑结构必须是基于 IEEE802.15.4 的星型（Star）或者对等网络（Peer to Peer）拓扑。根据不同的应用需求，ZigBee 的网络拓扑 结构有三种：星型网络，树型网络（Tree），网型网络（Mesh）。 在对等网络中每个 FFD 都能成为网络协调器，一种选择网络协调器的方法就是把第一个 启动的 FFD 作为 PAN 协调器。对等网络中所有参与信息中继的设备都是 FFD。RFD不具备 路由功能，但可以作为网络的一部分加入 ZigBee 网络，且只能与特定的设备通信（网络协调 器或者路由器）。一个对等网络可以通过对能够相互通信的设备定义约束条件来组成不同的 形状，如树型网络。但如果没有约束的话，该对等网络就被称为 Mesh拓扑。 （1）星型网络 如图 2.1 所示，星型网络是一个辐射状系统，数据和网络命令都通过中心节点（网络协 调器）传输。如果用通信节点设备构造星型网络，只需要把一个 FFD 设备配置成协调器，其 他设备可以全部配置成终端设备。所有终端设备都与唯一的网络协调器通信，终端设备之间 的通信通过网络协调器的转发来完成。 COORD END ROUTER END END ROUTER COORD ROUTER END 网络协调器 路由器 终端设备 图 2.1 星型网络拓扑 星型拓扑是目前最常见的网络配置结构，被大量应用在远程检测和控制中，它的最大优 点是结构简单，因此只需要执行很少的上层协议和上层路由信息。但是在星型拓扑中，网络 中的每个设备只能和 PAN 协调器通信，并且每个终端设备放在网络协调器的通信范围之内， 因此灵活性不够好，这个缺点对于需求较大网络覆盖范围的情况下是致命的。一个星型网络 形成的典型环境就是这样：给一个 FFD 加载程序使之成为 PAN 网络协调器，启动后就开始 组建网络。PAN 协调器首先做的事情就是选择一个 PAN 标志，该标志不能被周围射频环境的 其他网络使用。也就是说，网络协调器必须保证该标志在附近的无线网络中是唯一的。 （2）树型网络 树型拓扑也可称作簇形拓扑（Cluster），是多个星型拓扑的集合，如图 2.2 所示。从技术 的观点看，树型拓扑是可以实现网络范围内“多跳”信息服务的最简单的拓扑结构。例如设 备 A 需要向设备 B 发送一条信息，但是在它们之间有个信号很难穿透的障碍物。通过树形拓 杭州电子科技大学硕士学位论文 10 扑的中继功能可以帮助信息越过障碍达到设备 B。因为信息从一个节点跳到另外一个节点， 一直到它的目标节点，因此被称作是多跳传输。这样显然是能够大幅增加网络范围甚至翻越 障碍的目的，但同时也会导致信息的高度延迟。 COORD END END END END ROUTER ROUTER END END 图 2.2 树型网络拓扑 树型拓扑既保持了星型拓扑的简单性，又能够增大网络范围，实现多跳传输，网络的扩 展性很强。但是树型网络不能很好的适应外部的动态环境：在信息源与目标节点之间，有且 仅有一条传输路径，因此任何一个节点的中断或者故障都可能会使部分节点脱离网络。 （3）网型网络 网型网络又称混合星型网络（Hybrid Star），它是一个自由设计的拓扑，具有很高的适 应环境的能力。网型网络中也有一个网络协调器，它负责建立最基本的网络，路由器形成枝 干并转发信息，终端设备作为叶设备加入网络而不参加路由。但与星型网络不同的是，网型 网络中的任何两个设备只要彼此都在对方的无线辐射有效范围之内，就可以直接通信。在网 型网络中，如果器件之间的距离足够近，使得设备之间能够建立通信链接，那么每个设备都 能直接和其他设备通信。因此网络中任意两个节点的通讯路径不是唯一的，这就保证了通信 的可靠性。 COORD ROUTER ROUTER ROUTER ROUTER ROUTER END END 图 2.3 网型网络拓扑 网型网络的路由拓扑是动态的，这样信息传输时间更加依赖瞬时网络连接质量，因而难 以预计。即使对一个经验丰富的网络设计师来说，定性地分析网型算法也不是一件轻松的事 情。 杭州电子科技大学硕士学位论文 11 另外， 直接使用 IEEE802.15.4 底层还有两种方式， 即点对点模式 （P2P） 和点对多点 （P2M） 模式，这在实际应用中使用比较广泛，因为只需要点对点通信，程序开发比较简单。 2.3.3 水质监测系统的网络拓扑选择 要建立一个无线传感器网络，首先必须选择一个合理的网络拓扑，因为网络拓扑的结构 可以决定网络的成本、速度、特点以及实现的功能。为了选择合适的网络拓扑，可以考虑接 入点或网关的位置，以及从网络设施到端节点或设备间的最大距离。星型网络拓扑中的一个 中央接入点可连接多个端设备，如果接入点和设备间距离小于 100 米，那么该拓扑可以说是 ZigBee 网络的理想的拓扑结构。如果要求更大的传输距离，可通过 ZigBee 路由器构建树型拓 扑来拓展传输距离。如果要求更高的网络可靠性，那么网型网络能够提供冗余路径，使端节 点到网关间有多条路由，这种结构的网络拓扑可以提供更高的可靠性以应对路由器失效情况 的发生。 综合考虑，本文最终选择树型网络作为水质监测系统的网络拓扑结构。这是因为水质监 测系统的 RTU可能处于环境复杂，障碍物较多的场合，因此需要较大的网络覆盖范围，但复 杂的地形使得某些地方的节点部署较为困难，因此必须增加路由功能。而网状网络的研究较 为复杂，特别是节点的部署不当容易导致网络连接质量出现问题。 2.4 ZigBee 协议的体系结构 2.4.1 ZigBee 与 IEEE802.15.4 的关系 建立一个无线或者有线的通信网络，通常都需要用到协议分层的概念，即每一层在网络 中指负责特定的功能，并只能与该层相邻的上层或下层进行数据传输。因此协议的软件实现 被称为协议栈软件。ZigBee 协议栈是建立在 OSI（Open System Interconnect，开放系统互联） 基本参考模型的基础上的。这样做的好处是：如果一段时间内需要对协议作出修正，只需要 更换或者修改相应的层，而不需要对整个协议层进行修改。此外，由于协议的低层独立于应 用程序且可从第三方获得，因此在开发应用程序时，只需要修改应用层的协议。而自定义的 好处是可以实现较小的网络层/应用层。 IEEE802.15.4 标准是针对于低速无线个人区域网（LR- WPAN，Low- rate Wireless Personal Area Network） ，把低能量消耗、低速率传输、低成本作为重点目标44，其宗旨是为个人或者 家庭范围内不同设备之间的低速互连提供统一的标准。IEEE802.15.4 标准是由 IEEE802标准 委员会制定并在 2003 年公布的，该标准只定义了物理层和 MAC 层的无线网络规范，而没有 对其他的层作出规定。但这些规定不局限于物理层和 MAC 层的协议功能和相互作用，还包 括最低的硬件要求，如接收机的灵敏度及发射器输出功率等。 ZigBee 标准使用 IEEE802.15.4 的物理层和 MAC 层协议作为 ZigBee协议栈的一部分， 并 且自己定义了网络层和应用层以及安全协议， 因此任何 ZigBee 设备都和 IEEE 标准是兼容的。 杭州电子科技大学硕士学位论文 12 2.4.2 ZigBee 协议栈结构 ZigBee 无线网络的实现，是建立在软件 ZigBee 协议栈的基础上的，软件 ZigBee 协议栈 是 ZigBee 技术的核心。协议栈采用分层的结构，协议分层的目的是为了使各层相对独立，每 一层都提供一些服务，服务由协议定义，程序员只需关心与他的工作直接相关的那些层的协 议。ZigBee 协议是建立在 IEEE 802.15.4 标准基础之上的 OSI 七层模型的精简网络模型，如 图 2.4 所示。IEEE 802.15.4 定义了其中的物理层和 MAC 层，位于最底层，且与硬件相关； ZigBee 联盟在此基础上定义了网络层（NWK）和应用层（APL） ，建立在物理和 MAC 层之 上，并且完全与硬件无关。分层的结构脉络清晰、一目了然，给设计和调试带来极大的方便。 应用层 网络层 介质访问层 物理层 Z i g B e e 联盟 I E E E 图 2.4 ZigBee 的结构和分工 从上图中不难看出5，ZigBee 技术的协议层比蓝牙或者其他网络结构都要简单得多，仅 有物理层、MAC 层、网络层以及应用层 4 层。和其他通信网络一样，在 ZigBee 体系结构中 每一层负责完成所规定的相应的任务，并且向上层提供服务。层与层之间的接口是通过所定 义的逻辑链路来提供服务的。 从图 2.5 所示的 ZigBee 协议栈结构图中可以看出，ZigBee协议栈由一组子层构成，不同 层之间通过服务接入点（Service Access Point, SAP）进行通信，SAP 是一个层向另外一个层 进行服务请求的概念层。ZigBee 协议栈的大多数层有两个接口：数据实体接口和管理实体接 口。数据实体接口的目标是向上层提供所需的常规数据服务。管理实体接口的目标是向上层 提供访问内部层参数、配置和管理数据的服务。 图 2.5 ZigBee 协议栈框架 杭州电子科技大学硕士学位论文 13 ZigBee 联盟于 2004 年 12 月通过了 ZigBee1.0（也称 ZigBee2004）标准，之后于 2005 年 9月公布并提供下载。 2006年12月ZigBee联盟又推出ZigBee1.1 （也称ZigBee2006） 。 ZigBee1.1 较原有的 ZigBee1.0 做了比较大的改进，例如新增 ZCL（ZigBee Cluster Library）、集团装置 （Group Device） 、 多播 （Multicsat） 功效及更丰富的网络拓扑， 并可以直接通过无线方式 （Over The Air，OTA）进行组态配置和软件更新。本文使用了较新的 ZigBee2006 协议栈。 2.4.3 ZigBee 协议分析 对ZigBee各子层协议的分析是应用的基础，只有充分了解这些层的结构和功能，才能更 好地理解ZigBee协议栈源程序，达到应用的目的。在实际使用中，用户只需要着重对ZigBee 协议栈的网络层和应用层进行分析和理解，对于IEEE802.15.4所规定的物理层和MAC层只需 了解其基本结构和功能。 （1）物理层结构和功能23- 30 物理层不仅定义了物理层无线信道和 MAC 子层之间的接口，还提供物理层管理服务和 物理层数据服务。物理层管理服务维护一个由物理层相关数据组成的数据库，物理层数据服 务从无线物理信道上收发数据。物理层的结构及参考模型如图 2.6 所示。 PD- SAP 数据服务接入点 PLMESAP 管理服务接入点 PHY PIB 物理层个域网 信息数据库 RF- SAP射频服务接入点 物理管理实体 物理层 图 2.6 物理层结构模型 物理层是最接近硬件的层，可以直接控制无线收发器并通信。物理层主要负责下列事件： 1) 启动和关闭无线收发器。 2) 通过物理媒体发送和接收数据。 3) 选择信道的频率（收发器工作的确切频率）。 4) 进行能