（控制理论与控制工程专业论文）智能空间中的无线传感执行网络研究.pdf

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：垒宝垒= e t期：垄! ! ：竺：圣笙 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) 论文作者签名：垒坠导师签名： 山东大学硕士学位论文 目录 摘要1 a b s t a c t i 第一章绪论1 1 1 课题背景l 1 1 1 服务机器人智能空间技术1 1 1 2 无线传感器网络技术l 1 2 国内外研究现状2 1 3 本课题研究目的与意义4 1 4 本文主要研究内容5 第二章智能空间与z i g b e e 网络7 2 1 智能空间的网络模型建立7 2 1 1 智能空间的异构网络模型7 2 1 2 智能空间中z i g b e e 技术应用优势。8 2 2z i g b e e 技术概述9 2 2 1 网络连接方式9 2 2 2 协议栈架构分析。1 0 2 2 3 节点地址分配机制11 2 3 本章小结。1 2 第三章智能空间无线传感执行网络硬件系统设计1 3 3 1 无线通讯控制模块硬件实现。1 3 3 1 1z i g b e e 技术的硬件解决方案1 3 3 1 2c c 2 4 3 0 无线通讯控制模块设计1 4 3 2 串口通讯电路设计。1 6 3 3 传感器数据采集电路设计l7 3 4 智能设备控制器设计制作。19 3 5 本章小结2 2 第四章z s t a c k 软件系统分析2 3 4 1 网络拓扑结构的协议栈软件分析2 3 l 山东大学硕士学位论文 4 2o s a l 操作系统层软件分析2 5 4 3 应用层数据发送接收软件分析2 7 4 4 网络组建过程软件分析2 8 4 4 1 信道和网络标识符配置原则2 8 4 4 2 节点工作过程分析2 9 4 5 本章小结31 第五章z i g b e e 无线传感执行网络实现。3 2 5 1z i g b e e 网络的格式化配置3 2 5 1 1 拓扑结构设计3 2 5 1 2 网络节点容量设计。3 3 5 1 3 信道和网络标识符优化3 4 5 1 4 其它网络格式化配置3 7 5 2 无线传感执行网络软件设计3 9 5 2 1 传感器信息采集程序设计3 9 5 2 2 串口通讯处理程序设计4 0 5 2 3 协调器数据处理程序设计4 2 5 2 4 智能设备节点程序设计4 3 5 2 5 传感控制与z s t a c k 程序融合4 7 5 3 外部访问设计及服务器端程序设计4 8 5 3 1g p r s 终端数据发送及访问4 8 5 3 2c s 架构服务器控制平台5 0 5 4 无线传感执行网络定位系统5 4 5 4 1 定位系统工作原理5 4 5 4 2 定位系统硬件结构5 5 5 4 3 定位系统软件设计。5 5 5 5 本章小结5 9 第六章总结与展望6 2 6 1 本文主要研究结果6 2 6 2 进一步研究方向6 3 2 山东大学硕士学位论文 参考文献6 5 致谢7 l 硕士期间发表的论文和科研成果7 3 硕士期间参加的科研工作7 3 山东大学硕士学位论文 c o n t e n t s c h i n e s ea b s t r a c t 1 c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1b a c k g r o u n d 1 1 1 1s e r v i c er o b o t si n t e l l i g e n ts p a c e 1 1 1 2w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k 1 1 2r e a s e a r c hs t a t u so fw s n 2 1 3p u r p o s e so f t h i sp r o g r a m 4 1 4c o n t r i b u t i o n s 5 c h a p t e r2i n t e l l i g e n ts p a c ea n dz i g b e en e t w o r k 一7 2 1n e t w o r km o d e lf o u n d i n go fi n t e l l i g e n ts p a c e 一7 2 1 1i n t e l l i g e n ts p a c eh e t e r o g e n e o u sn e t w o r km o d e l 一7 2 1 2a d v a n t a n g e so f z i g b e ei ni n t e l l i g e n ts p a c e 8 2 2z i g b e eo v e r v i e w 9 2 2 1n e t w o r ks t r u c t u r e 9 2 2 2p r o t o c o la r c h i t e c t u r ea n a l y s i s 。10 2 2 3n o d e sa d d r e s sd i s t r i b u t i o nm e c h a n i s m 11 2 3s u m m a r y “1 2 c h a p t e r3h a r d w a r es y s t e md e s i g no fw s a n i ni n t e l l i g e n ts p a c e 13 3 1h a r d w a r eo f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n dc o n t r o lm o d u l e 1 3 3 1 1h a r d w a r es o l u t i o no f z i g b e e 1 3 3 1 2d e s i g no f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n dc o n t r o lm o d u l e 1 4 3 2s e r i a lc o m m u n i c a t i o ni m p l e m e n t a t i o n 16 3 3h a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o no fs e n s o rd a t ac o l l e c t i o n 17 3 4d e s i g no fi n t e l l i g e n td e v i c e sc o n t r o l l e r 19 3 5s u m m a r y 。2 2 c h a p t e r4a n a l y s i so fz - s t a c k s o f t w a r es y s t e m 2 3 4 1s o f t w a r ea n a l y s i so fn e t w o r kt o p o l o g y 2 3 i 4 2s o f t w a r ea n a l y s i so fo s a l 2 5 4 3s o r w a r ea n a l y s i so fa p p l i c a t i o nl a y e rd a t at r a n s f e r ”2 7 4 4s o 行w a r ea n a l y s i so fn e t w o r kc o n s t r u c t i o n 2 8 4 4 1d i s p o s i t i o np r i n c i p l eo fc h a n n e la n dp a n i d 2 8 4 4 2n o d e sw o r kp r o c e s sa n a l y s i s ”2 9 4 5s u m m a r y “3 1 c h a p t e r5i m p l e m e n t a t i o no fz i g b e e w i r e l e s ss e n s o ra n da c t o rn e t w o r k 3 2 5 1n e t w o r ki n i t i a l i z a t i o no fz i g b e e 3 2 5 1 1d e s i g no f n e t w o r kt o p o l o g y 3 2 5 1 2d e s i g no fn e t w o r kc a p a b i l i t y 一3 3 5 1 3o p t i m i z ec o n f i g u r a t i o no fn e t w o r kc h a n n e la n d p a n i d “3 4 5 1 4o t h e rn e t w o r ko p t i m i z ec o n f i g u r a t i o n 3 7 5 2s o r ，a r ed e s i g no fw i r e l e s ss e n s o ra n da c t o rn e t w o r k 3 9 5 2 1s e n s o rc o l l e t i o np r o g r a md e s i g n 3 9 5 2 2s e r i a lc o m m u n i c a t i o np r o g r a md e s i g n “4 0 5 2 3d a t ap r o c e s s i n gp r o g r a md e s i g no fz i g b e ec o o r d i n a t o r ”4 2 5 2 4i n t e l l i g e n td e v i c e sn o d e sp r o g r a md e s i g n 4 3 5 2 5i n t e g r a t i o no fs e n s o rd a t ac o l l e c t i n gp r o g r a m sa n dz - s t a c k “4 7 5 3e x t e 眦la c c e s sa n dp r o g r a md e s i g no ns e r v e r - 4 8 5 3 1d a t at r a n s f e rb a s e do ng p r s “4 8 5 3 2c sa r c h i t e c t u r ep r o g r a md e s i g no ns e r v e r ”5 0 5 4w i r e l e s ss e n s o ra n da c t o rn e t w o r kl o c a t i o ns y s t e m ”5 4 5 4 1w o r k i n gp r i n c i p l eo fl o c a t i o ns y s t e m 5 4 5 4 2h a r d w a r es t r u c t u r eo fl o c a t i o ns y s t e m ”5 5 5 4 3s o f t w a r ed e s i g no fl o c a t i o ns y s t e m 5 5 5 5s u m m a r y “5 9 c h a p t e r6c o n c l u s i o n s 6 2 6 1r e a s e a r c hs u m m a r y 6 2 6 2d i r e c t i o n so ff u r t h e rr e s e a r c h 6 3 l i 1 1 1 山东大学硕士学位论文 摘要 智能空间技术扩展了服务机器人的感知能力和服务能力，智能空间中各种 传感器、执行器之间的感知数据与命令数据的交换需要一种低速率、低功耗、 低复杂度的无线传感执行网络。论文采用z i g b e e 协议构建了智能空间中的无线 传感执行网络，完成智能空间环境感知数据的传输、智能空间决策控制命令的 发布与反馈，从而将智能空间和服务机器人紧密结合。论文围绕智能空间中的 无线传感执行网络构建开展了如下研究工作。 首先提出了一种智能空间异构网络模型，分析了在智能空间中使用z i g b e e 技术构建无线传感执行网络的优势、必要性和可行性，在此基础上简介了z i g b e e 技术，分析了z i g b e e 协议栈框架。 针对服务机器人智能空间中的具体应用环境，论文对现有常用z i g b e e 硬件 解决方案进行了综合比较，在此基础上选用美国t e x a si n s t r u m e n t s 公司的 c c 2 4 3 0z i g b e e 芯片设计制作了z i g b e e 无线数据收发模块、无线路由节点、设 备控制网关、环境数据采集传感器节点和其它无线传感执行网络硬件系统配套 设备。 针对智能空间中的数据采集和控制指令传输需求，论文详细分析了z s t a c k 协议栈软件的工作过程，并基于z s t a c k 协议栈软件设计完成了无线传感执行网 络的软件系统。该系统包括智能空间环境监测，控制命令发布与反馈，基于c s 架构的智能空间状态访问和g p r s 智能空间信息发布系统。 基于智能空间中搭建的无线传感执行网络，利用c c 2 4 3 1 的硬件定位引擎， 论文设计开发完成了无线传感执行网络定位系统。该系统可以为服务机器人提 供2 5 m 左右的定位精度，从而为机器人的定位和导航提供了更为丰富的位置信 息。 关键词：智能空间，服务机器人，无线传感执行网络，z i g b e e ，z - s t a c k 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep e r c e p t i o na n ds e r v i c ec a p a b i l i t i e so fs e r v i c er o b o t sh a v eb e e ng r e a t l y e x t e n d e db yt h ei n t e l l i g e n ts p a c et e c h n o l o g y an e wk i n do fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k , w h i c hi so fl o w e rs p e e d ，l o w e rp o w e ra n do fl e s sc o m p l e x i t y , i sn e e d e dt oe x c h a n g e s e n s o ra n dc o n t r o l l i n gd a t aa m o n gd i f f e r e n ts e n s o r sa n da c t u a t o r s i nt h i st h e s i s ，t h e w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ko fi n t e l l i g e n ts p a c e ，b a s e do nz i g b e ep r o t o c o l ，c a nb eu s e d t ot r a n s f e rt h ee n v i r o n m e n t a ls e n s o rd a t a , t h ei n t e l l i g e n ts p a c ec o m m a n d sa n dt h e i r s ot h a tt h ei n t e l l i g e n ts p a c ea n ds e r v i c er o b o t sc a nb ec l o s e l yc o n n e c t e d t h em a i nc o n t r i b u t i o n so ft h i st h e s i sa r es h o w na sf o l l o w s ： f i r s t ，an e wh e t e r o g e n e o u sn e t w o r km o d e lo fi n t e l l i g e n ts p a c ei sp u tf o r w a r d t h ea n a l y s i sa b o u tt h ea d v a n t a g e s ，n e c e s s i t ya n df e a s i b i l i t yo fb u i l d i n gz i g b e e w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki sa l s os t a t e d a c c o r d i n gt ot h et e c h n i q u e sj u s tm e n t i o n e d ， z i g b e et e c h n o l o g ya n dt h ef r a m eo fz i g b e ep r o t o c o la r ei n t r o d u c e d s e c o n d ，c o n s i d e r i n go ft h es p e c i f i ca p p l i c a t i o no fs e r v i c er o b o t si ni n t e l l i g e n t s p a c e ，c o m m o n l yu s e ds o l u t i o n sf o rz i g b e eh a r d w a r ea r es u m m a r i z e da n dc o m p a r e d i nt h et h e s i s c o r r e s p o n d i n g l y , c c 2 4 3 0z i g b e ec h i pp r o d u c e db yt e x a si n s t r u m e n t s c o l t di sc h o s e nt om a k et h ed e v i c ec o n t r o lg a t e w a y , t h ee n v i r o n m e n td a t a c o l l e c t i o ns e n s o rn o d e s ，t h ew i r e l e s sn o d e sf o rs e n d i n ga n dr e c e i v i n gd a t a , a n do t h e r w i r e l e s sn e t w o r kh a r d w a r es u c ha ss o m es e n s o r sa n da c t u a t o r s t h i r d ，t om e e tt h ed e m a n d so fd a t ac o l l e c t i o na n dc o m m a n d st r a n s m i t t i n gi n i n t e l l i g e n ts p a c e ，t h et h e s i sd e s c r i b e st h ew o r k i n gp r o c e s so fz - s t a c kp r o t o c o l s p e c i f i c a l l y m o r e o v e r , t h es o f t w a r es y s t e mf o rw i r e l e s ss e n s o ra n da c t o rn e t w o r ki s c o m p l e t e da c c o r d i n g t ot h e p r o t o c o l ，w h i c hc o u l d m o n i t o ri n t e l l i g e n t s p a c e e n v i r o n m e n ta n ds e n dc o m m a n d sa n dt h e i rf e e d b a c ka sw e l l i na d d i t i o n , c s a r c h i t e c t u r es y s t e mi sc o n s t r u c t e do nt h es e r v e r t h eg p r sm o d u l ec o n n e c t e dt o s e r v e rc a na l s os e n dt h ed a t ao fi n t e l l i g e n ts p a c et ou s e r s m o b i l ep h o n e s 山东大学硕士学位论文 w h a t sm o r e ，al o c a t i o ns y s t e mi sc o n s t r u c t e db a s e db o t ho nt h ez i g b e e w i r e l e s ss e n s o ra n da c t o rn e t w o r ka n do nt h el o c a t i o ne n g i n eo fc c 2 4 31 b yt h i s s y s t e m ，t h ep o s i t i o n i n ga c c u r a c yo ft h es e r v i c er o b o t sc a nb ea sn e a ra s2 5 m ，w i t h w h i c hs e r v i c er o b o t sc a ng e tm o r ei n f o r m a t i o nd u r i n gl o c a t i o na n dn a v i g a t i o n k e y w o r d s ：i n t e l l i g e n ts p a c e ；s e r v i c er o b o t s ；w i r e l e s ss e n s o ra n da c t o rn e t w o r k ； z i g b e e ；z s t a c k h 山东大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 1 1 1 服务机器人智能空间技术 二十世纪九十年代，日本东京大学h a s h i m o t o 实验室提出了“智能空间 的概念。他们提出将计算机、c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 摄像机、麦克风、 显示器等设备在空间中分布放置，并通过网络连接在一起，构建智能空间【l 】， 从而更加有效的采集环境中的有用数据，实现对空间环境无处不在的感知。 随着科技的发展和社会的进步，移动服务机器人日益受到人们的重视。服 务机器人多是工作在办公室、家庭居室等非确定性环境，环境的复杂和多样性， 以及人和障碍物的动态移动造成的移动机器人工作环境的变化，使得服务机器 人的研究面临更大的困难和挑战。 应用于服务机器人领域的智能空间技术，就是把各种感知器件、执行器件 分布式的安装在空间中的相应位置，实现对空间内部机器人和物的全面感知和 控制，进而将这些感知信息和控制信息与机器人进行交互。这可以使得服务机 器人在非确定环境下更好的适应空间环境，更高效的工作和完成服务任务【2 1 。 智能空间作为一种连接机器人与周围环境信息的桥梁，使得机器人的信息 获取能力和任务执行能力得到了极大的增强。服务机器人智能空间技术的应用， 为服务机器人应用范围的扩展带来了广阔的前景。 1 1 2 无线传感器网络技术 自2 0 世纪9 0 年代以来，具有感知、计算和无线网络通信能力的传感器以 及由其构成的无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k ，w s n ) 引起了人们的 极大关注【引。 无线传感器网络是计算机、通信和传感器等多领域技术相结合的产物，它 山东大学硕士学位论文 由大量的密集分布的传感器网络节点组成。与其它无线网络相比，无线传感器 网络具有很多其自身的特点：无线传感器节点电源能量、通信能力以及节点的 存储和处理能力都十分有限；作为一种微型的嵌入式设备，传感器节点要求价 格低、能耗小、存储器容量小、处理器的能力较弱；同时，由于无线传感器网 络容易受电池能源耗尽、环境复杂多变、网络拓扑结构的动态变化等影响，网 络的拓扑结构具有较高的自组织性、容错性、可靠性和扩展性。 无线传感器网络具有十分广阔的应用前景【4 】，在国防、军事、工农业、城 市管理、医疗护理、环境监测与保护、抢险救灾、危险区域远程控制等许多重 要领域都有潜在的使用价值，已经引起了各国学术界和工业界的高度重视1 5 】。 无线传感执行网络( w i r e l e s ss e n s o ra n d a c t o r n e t w o r k s ，w s a n ) 是近年来 提出的新型网络模型，它是在无线传感器网络的基础上引入各类执行器而衍生 出来的分布式传感与控制系统，可以实现分布式信息采集并执行预定任务【6 】。 在无线传感器网络中引入各类执行器大大增加了系统的复杂性：诸如传感 器与执行器的异构性，系统结构的动态性，传感器与执行器、执行器与执行器 之间的通信与协作，通信的实时性和可靠性等。这些问题给无线传感执行网络 的研究和应用带来了新的机遇和挑战。 1 2 国内外研究现状 2 0 0 9 年，物联网引起了世界各国广泛关注，并有望成为计算机、互联网、 移动通信之后的又一次信息化产业浪潮。物联网，就是利用无线射频标签技术 和无线传感网络技术，把所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接 起来，实现现有各种传感信息与互联网的连接。无线传感器网络是物联网实现 的关键技术之一，正是无线传感器网络的技术基础推动了物联网产业浪潮的前 进，而物联网的应用热潮又一次把无线传感器网络的研究推上了一个新的高峰。 无线传感器网络一直被认为是2 1 世纪最重要的技术之一：1 9 9 9 年，美国的 著名商业周刊将无线传感器网络列为2 1 世纪最具影响的2 l 项技术之一； 2 0 0 3 年2 月份的美国技术评论杂志评出对世界产生深远影响的十大新技术， 2 山东大学硕士学位论文 无线传感器网络被列为第一。可以预见，无线传感器网络的发展和应用必将给 人类未来的生活方式和产业革命带来深远的影响和巨大的推动。 无线通讯协议栈的研究是无线传感器网络研究的关键技术之一。由于传感 器节点的计算能力、存储能力、电源供电能力都非常有限，这就要求其通讯协 议栈不能太复杂。而无线传感器网络拓扑结构和网络资源的动态变化，又对通 讯协议栈提出了更高的要求。 然而，许多的无线通信协议标准是来定义声音、视频等领域的数据传输。 传感和控制设备的通信并不需要高的带宽，但是它们要求很小的反应时间，非 常低的能量消耗，以及大范围的设备分布【刀。 1 9 9 8 年3 月，i e e e 标准化协会正式批准成立了i e e e 8 0 2 1 57 - 作组，这个 工作组致力于无线个人区域网络( 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 物理层( p h y s i c a ll a y e r ，p h y ) 和媒体访问子层( m e d i u ma c c e s sl a y e r ，m a c ) 蠢 的标准化工作。该工作组针对低速无线个人区域网络( l o w r a t ew i r e l e s s p e r s o n a la r e an e t w o r k ，l r w p a n ) ，以低能耗、低速率传输、低成本作为目标， 制定了i e e e 8 0 2 1 5 4 标准，旨在为个人或家庭范围内不同设备之间低速互连提 供统一标准。目前，i e e e 8 0 2 1 5 4 标准被广泛应用于无线传感器网络领域。 无线传感执行网络是近年来在无线传感器网络的基础上，添加反应装置和 执行装置而提出来的新型网络模型【引。与无线传感网络相比，无线传感执行网 络具有异构节点组网、以事件为中心、以任务为向导、实时性高等特点9 1 ，不 仅能够采集、传输和处理传感数据，而且能够根据检测到的数据做出相应的动 作。因此这种网络具有广阔的应用前景，例如应用于核生化攻击检测系统【l o l ， 家庭自动化系统等【l l 】【12 1 。 目前，无线传感器网络的研究已经成为热门的研究课题，而无线传感执行 网络的研究才刚刚起步。对于无线传感执行网络的研究主要是协调方式和协调 机制的研究，包括传感器节点之间的协调，传感器节点与执行器节点的协调和 执行器节点之间的协调。其中，传感器节点之间的协调问题与无线传感器网络 中的研究是一致的，而传感器节点与执行器节点的协调以及执行器节点之间的 协调方式研究则是当前国内外w s a n 领域研究的热点问题。 3 山东大学硕士学位论文 而在服务机器人研究过程中，由于服务机器人自身携带的传感器感知范围 具有很大的局限性，同时机器人的工作环境经常动态变化，这使得服务机器人 的研究面临着很大的困难。服务机器人智能空间为服务机器人的研究和应用开 辟了一个新的领域。 服务机器人智能空间中分布着各种感知器件和执行器件，机器人正是需要 借助这些感知器件和执行器件，才能更好的适应动态变化的工作环境，完成服 务任务。因此智能空间中的信息如何在这些感知器件之间、感知器件和执行器 件之间、以及各种感知器件执行器件与机器人之间进行可靠稳定的传递成为了 一个迫切需要解决的问题。 1 3 本课题研究目的与意义 本课题针对服务机器人智能空间领域中低数据量的传感数据信息和控制指 令传输要求，将无线传感执行网络和服务机器人智能空间技术相结合，在智能 空间中搭建无线传感执行网络，不仅可以辅助机器人感知空间中的环境信息， 而且分布式的执行器件能够辅助机器人完成一些服务任务，从而使得智能空间 更好的减轻了机器人的负担，扩展了机器人的服务范围，同时也大大提高了机 器人服务任务完成的实时性和可操作性。 本课题在对z i g b e e 技术进行详细深入的研究基础上，基于t i 公司的z i g b e e 协议栈软件，设计并构建了能够采集、传输传感器信息和传送控制指令，并且 能够辅助机器人定位，帮助机器人完成特定服务任务的无线传感执行网络。 总体说来，本课题所研究的无线传感执行网络用以完成以下功能： ( 1 ) 采集并传输智能空间中的环境信息、各种智能设备以及机器人的状态信 息，并将这些信息传送到智能空间的服务器端，保存在数据库中，以便于服务 器融合利用这些信息以及日后的历史数据查询。 ( 2 ) 传送控制指令，实现智能家居控制系统，包括台灯控制、窗帘控制、空 调控制、电视机控制、风扇控制等。 ( 3 ) 通过无线传感执行网络将服务器、机器人和顶棚投影器三者联系起来， 4 山东大学硕士学位论文 特别是当机器人在遇到动态障碍物并无法躲避时，对服务机器人进行辅助导航。 ( 4 ) 通过无线传感执行网络将机器人与空间中的分布式r f i d 读写器和天线 系统结合起来，辅助服务机器人在智能空间环境中的物品搜寻任务的完成【1 3 】【1 4 1 。 ( 5 ) 利用智能空间中的无线传感执行网络和r s s i 技术，可以为机器人提供 区域位簧信息，辅助机器人完成定位过程。 1 4 本文主要研究内容 无线传感器网络协议栈的研究是无线传感器网络研究的关键技术之一，也 是影响无线传感执行网络工作效果好坏的关键技术之一。 为了更好的实现智能空间中各种信息的传递，本文深入的研究了 z i g b e e 2 0 0 6 协议架构，详细剖析了t i 公司所提供的符合z i g b e e 联u , 明z i g b e e 2 0 0 6 协议标准的z s t a c k 协议栈程序，旨在通过对本协议栈程序的研究，为无线传感嗲 执行网络的构建与信息传递提供详细、简便、可行的解决方案。 针对服务机器人智能空间中的无线传感执行网络构建问题，本文主要做了：， 以下几个方面的工作： ( 1 ) 构建智能空间中的网络模型，分析了在智能空间中使用z i g b e e 技术构。 建无线传感执行网络的优势与必要性。对z i g b e e 技术、z i g b e e 协议栈框架、 z i g b e e 节点的地址分配机制等进行了分析，对各版本z i g b e e 协议栈进行了概述 和比较。 ( 2 ) 对现有的常用的基于z i g b e e 技术的硬件解决方案进行综述和比较，设 计实现了基于t i 公司c c 2 4 3 0 c c 2 4 3 1 的z i g b e e 无线收发控制模块，制作了可 以与此模块接口的串口通讯底板、传感数据采集底板以及各智能设备的控制底 板，搭建了无线传感执行网络硬件系统。 ( 3 ) 对z s t a c k 协议栈软件进行了深入的分析和研究，分析了该协议栈软件 建立网络，子节点加入网络，数据的发送、接收及处理的各个过程，并对 z i g b e e 2 0 0 6 协议栈进行网络构建的整个过程进行了详细的分析与研究。 ( 4 ) 详细叙述了配置使用z s t a c k 协议栈软件构建智能空间中的无线传感器 5 山东大学硕士学位论文 网络的过程，同时对在智能空间中实际应用z i g b e e 网络时的频段与信道的优化 配置问题，网络容量设计问题，以及终端节点的休眠问题等进行了分析研究。 ( 5 ) 构建了基于z i g b e e 技术的智能家居系统、顶棚投影辅助导航系统和分 布式物品搜寻系统，设计制作了电视机、风扇、空调、台灯和窗帘的控制器， 编写了服务器端的控制平台，实现了智能家居设备和智能空间中的其它智能设 备的数据和控制指令的传送与集中控制。同时，本文还搭建了较为完善的外部 访问系统，可以通过手机终端来控制和查询智能空间中的智能设备状态信息以 及传感信息。 ( 6 ) 对基于无线传感执行网络和r s s i 的定位技术进行了研究，使用c c 2 4 3 1 的硬件定位引擎，构建了无线传感执行网络定位系统，可以在实验室环境中提 供2 5 m 左右的定位精度。 6 山东大学硕士学位论文 第二章智能空间与z i g b e e 网络 智能空间能够为机器入提供更加完整的环境信息，包括房间中的静态障碍 物信息：如大型家具、大型物品的静态位置；动态障碍物信息：如人、移动的 桌椅等的动态位置；还有服务环境的实时地图信息、机器人的定位导航信息、 空间环境的温度、湿度及光照强度等传感器信息等。上述各种信息的传输，是 通过各种网络来实现的。可见，应用于服务机器人的智能空间，需要建立通信 可靠、易于搭建的网络来实现上述要求。 2 1 智能空间的网络模型建立 为了满足在服务机器人智能空间中各种数据信息和控制指令的传输需求， 构建无线传感执行网络，本文对智能空间中的网络模型进行了研究。智能空间 中各种各样的信息是以各种网络作为载体而实现的，包括w i f i 、t c p i p 、g p r s 和z i g b e e 等。 2 1 1 智能空间的异构网络模型 在智能空间的网络结构模型中，各种网络承担着不同的作用：w i f i 网络主 要用于与服务机器人传送视频及控制指令，t c p i p 网络主要用于分布式网络摄 像机的视频传输，以及提供互联网外部访问。g p r s 网络主要用于向手机、p d a 等传送各种指示信息。服务机器人智能空间的异构网络模型如图2 1 。 在智能空间中，无线传感执行网络起着十分重要的作用。它主要被用来传 输环境监测传感器数据，智能家居设备的控制指令等，辅助实现空间的智能化； 还被用来配合服务器和服务机器人传送控制指令，辅助服务机器人完成服务任 务。 通过建立网状结构的无线传感执行网络，可以实现更大覆盖范围的传感与 控制信息的传递，从而使得智能空间和服务机器人的工作范围得到扩展和延伸。 7 要重新布线。 ( 2 )