（通信与信息系统专业论文）基于zigbee的城市照明监控系统的研制.pdf

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t i m ed e l a y , l a r g en e t w o r kc a p a c i t ya n dw i d e l yc o v e r e dr a n g e t h e s e f e a t u r e sm a k ez i g b e et e c h n o l o g yh a v eb r o a dp r o s p e c t si ne m b e d d e ds y s t e m s i t sm a i n l y a p p l i c a b l ef i e l di s a u t o m a t i cc o n t r o la n dr e m o t ec o n t r 0 1 i nt h i st h e s i s ，d e t a i l i n gt h e c h a r a c t e r i s t i c sa n di t sa p p l i c a t i o no fz i g b e ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y i n c o n t r a s t t oo t h e rl i g h t i n g m o n i t o r i n gt e c h n o l o g i e s a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g i e s ，a d o p tz i g b e e w i r e l e s s n e t w o r k i n gt e c h n o l o g y t ou r b a n l i g h t i n g m o n i t o r n i n gs y s t e m u r b a nl i g h t i n gm o n i t o r n i n gs y s t e mu s e st h r e e - t i e rs t r u c t u r eo f ”m o n i t o r i n gc e n t e r r o a d - s i d ec o m m u n i c a t i o nd e v i c e r o a d - s i d em o n i t o r i n gi n s t r u m e n to fs i g n a ll a m p ” r o a d - s i d em o n i t o r i n gi n s t r u m e n t sa n dr o a d - s i d ec o m m u n i c a t i o nd e v i c e sc a nb u i l d z i g b e ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kt o g e t h e r w h a t sm o r e ，r o a d - s i d ec o m m u n i c a t i o n d e v i c e sc a nc o m m u n i c a t ew i t hc e n t r a ls e r v e ro fm o n i t o r i n gc e n t e rb yg p r st e c h n o l o g y a sw e l l t h es t a t u so fl i g h t sc a nb em o n i t o r e db yu s i n gm o n i t o r i n gs o f t w a r ea n d c o m p u t e rc o n t r o l l i n gs o f t w a r eo ft h em o n i t o r i n gc e n t e rt o g e t h e r t h i sp a p e rm a i n l y p r e s e n t sh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g no ft h er o a d - s i d ec o m m u n i c a t i o nd e v i c e 基于z i g b e e 的城市照明监控系统的研制 英文摘要 a n dr o a d - s i d em o n i t o r i n gi n s t r u m e n to fs i g n a ll a m p b e s i d e s ，d e s i g nm e t h o d so fu p p e r c o m p u t e rm o i n t o r i n gs o f t w a r ea rea l s oi n t r o d u c e d t h i sp a p e rr e a l i z e sa na p p l i c a t i o no fz i g b e et e c h n i q u ei nu r b a nl i g h t i n gm o n i t o r i n g t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h i ss y s t e mi ss t a b l ea n dh a sh i g hp o t e n t i a lv a l u ef o rp r a c t i c a l a p p l i c a t i o n a l t h o u g ht h i sd e s i g ni sb a s e do nt h el i g h t i n gm o n i t o r i n gs y s t e m ，i ta l s o o f f e r sav a l u a b l er e f e r e n c ef o rd e s i g no fo t h e rs i m i l a rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s k e y w o r d s ：l i g h t i n gm o n i t o r i n g ；z i g b e e ；g p r s ；m o n i t o r i n gi n s t r u m e n to fs i g n a ll a m p ； r o a d - s i d ec o m m u n i c a t i o nd e v i c e m w r i t t e nb y ：s a ih e s u p e r v i s e db y ：x i a o p i n gc h e n 目录 第一章绪论1 1 1 我国城市照明现状1 1 2 智能照明监控技术研究现状1 1 3 短距离无线通信技术研究现状一3 1 4 本文研究内容4 1 5 论文结构安排5 1 6 本章小结5 第二章城市照踢监控系统总体设计6 2 1 城市照明监控系统设计要求6 2 2 监控系统架构设计6 2 3 系统z i g b e e 无线网络设计7 2 3 1z i g b e e 协议栈7 2 3 2z i g b e e 网络拓扑结构设计】1 2 3 3z i g b e e 路由设计1 3 2 4 系统g p r s 无线通信设计1 8 2 4 1g p r s 终端功能1 8 2 4 2g p r s 关键技术1 8 2 5 本章小结1 9 第三章城市照明监控系统的硬件设计方案2 0 3 1 系统硬件部分构成2 0 3 2 路端单灯测控器的硬件设计2 0 3 2 1 功能概述2 0 3 2 2 路端单灯测控器硬件结构2 0 3 ，2 3c c 2 5 3 0 主控芯片最小系统设计2 1 3 2 4 射频匹配电路2 4 3 2 5 电源模块电路2 4 3 2 6 采集模块电路2 5 3 2 7 控制模块电路j 。2 5 3 - 3 路端通信装置硬件设计2 6 3 3 1 功能概述2 6 3 3 2 路端通信装置硬件结构2 6 3 3 3l p c 2 3 6 8 主控芯片最小系统设计：2 7 3 3 4 电源模块电路3 0 3 3 5 液晶接口电路3 l 3 3 6 按键接口电路3 1 3 3 71 2 c 接口电路3 2 3 | 3 8g p r s 接口电路3 3 3 4 本章小结3 4 第四章城市照明监控系统的嵌入式软件设计方案3 5 4 。1 系统嵌入式软件部分构成3 5 4 2c c 2 5 3 0 程序设计3 5 4 2 1c c 2 5 3 0 软件开发环境3 5 4 2 2z - s t a c k 协议栈3 6 4 2 3 程序设计流程3 7 4 2 4z i g b e e 网络监控协议设计3 9 4 3l p c 2 3 6 8 程序设计：4 2 4 3 1l p c 2 3 6 8 软件开发环境4 2 4 3 2 基本任务实现4 3 4 3 3 中断处理函数流程4 4 4 3 4g p r s 通信协议设计4 5 4 4 本章小结4 6 第五章城市照明监控系统的监听软件设计方案4 7 5 1 系统监听软件设计概述4 7 5 2 监听软件实现4 7 5 2 1 接口表的结构4 7 5 2 2t c p s e r v e r 类的实现4 8 5 2 3 监听软件编程环境4 9 5 3 监听软件界面4 9 5 4 本章小结5 0 第六章城市照明监控系统测试j 5 1 6 1c c 2 5 3 0 模块通信距离测试5 1 6 2 系统组网测试5 1 6 3 系统功能测试5 3 6 4 本章小结5 7 第七章总结与展望5 8 7 1 总结5 8 7 2 展望5 8 参考文献6 0 缩略词6 3 攻读硕士学位期问公开发表的论文。6 5 附录1 实物照片6 6 附录2 城市照明监控系统电路图6 8 致谢7 0 基于z i g b e e 的城市照明监控系统的研制 第一章绪论 第一章绪论 1 1我国城市照明现状 随着我国社会经济的迅速发展，人们对城市照明系统的要求越来越高。城市照 明设施的控制和管理水平体现了一个城市的现代化程度。提供一种有效而合理的照 明设施远程监控方案对城市建设十分重要。但目前，我国的城市照明监控技术还比 较落后，存在诸多问趔1 1 ，主要体现在以下几点： 1 超负荷运行，电能消耗严重。目前我国照明用电量占总用电量的1 1 左右， 这其中，城市道路照明占了一定的比重。但照明设施的电能利用率不到6 5 ，电能 浪费严重。这其中最主要的弊端就是路灯和景观灯后半夜超功率运行。由于我国的 电网技术落后，造成线路的电压波动大大超过国际标准，许多地区的电压波动甚至 超过额定电压的1 5 左右，特别是后半夜民用电基本停止以后，电负荷减少使电网 电压有时接近2 4 5 v ，这将大量耗费电能。 2 控制方式落后，造成电力浪费。目前我国大多数城市照明系统的灯光控制 采用定时和人工的方式。由于一年四季的时差，采用定时器控制方式时要经常对定 时器进行人工调整，不但耗费大量的人力物力，还经常由于人工调整不及时造成电 能浪费。 3 监控管理滞后，维修十分困难。目前大多数的照明管理中心无法实时监控 照明设施的运行情况，只能通过定期人工巡检的方式来确定照明设施是否损坏。这 不但浪费大量人力物力而且经常导致照明设施修理不及时。 1 2 智能照明监控技术研究现状 智能照明监控技术现在已经广泛应用于工业及人们的日常生活中。随着现今人 们生活品质的不断提高，对城市照明智能化监控的要求也越来越高。智能照明监控 系统要求能够根据照明需求进行自动调光，能够实时监控照明设施的状态。目前现 有的智能照明监控协议有如下几种： 1 r s - 4 8 5 ，它是典型的串行通讯标准，其最大通信速率可以达到1 0 0 m b p s ， 第一章绪论 基于z i g b e e 的城市照明监控系统的研制 最长传输距离可以达到1 2 0 0 米，完全满足小型照明系统智能控制的要求。 采用r s - 4 8 5 技术进行通信成本低、设计简单，它在电气控制领域中得到了广 泛应用。但r s 4 8 5 只支持主从结构，不支持环型或星型网络，因此只适合于对简单 照明系统进行集中控制。此外，由于r s - 4 8 5 只有物理层的标准，因此采用它来互 联不同厂商的设备比较困难1 2 。 2 e i b 协议【3 】，它是欧洲占主导地位的楼宇自动化标准，是一个两线制的总线 智能控制系统，采用对等控制方式。e i b 技术的总线采用了四芯屏蔽双绞线，其中 总线使用其中的两芯，另外两芯备用。 e i b 网络可以进行点对点通信，最多支持6 5 0 2 5 个节点，其网络容量与z i g b e e 相当。e i b 技术的总线电缆铺设方式有线型、树型或星型，组网的方式不灵活，这 导致它的应用范围有所局限。此外，由于e i b 设备的价格较高，一般的家庭或居民 楼不会采用该技术进行智能照明监控。 3 c b u s 协议【4 l ，它是澳大利亚在9 0 年代初制定的照明数字化管理系统。c b u s 控制系统的核心是主控制器和总线连接器。主控制器可存储主控程序、实现模块间 总线通信。它通过控制总线采集各个输入单元信息，根据预先编制的程序控制所有 输出模块。其r s - 2 3 2 标准接1 2 1 用来与编程计算机进行连接【5 1 ，在计算机上通过专用 软件进行编程，当完成编程并将程序下载至主控制器后，计算机就仅作为监视设备 使用，即c b u s 的运行完全不需要计算机的干预。但是该协议并不支持其他厂商的 设备，这在一定程度上限制了其发展。 4 l o n w o r k s 协议1 6 1 ，也称为现场总线，它可以利用互联网的资源来远程控 制局域网内的设备。原有设备间的主要配线方式是开关信号及模拟信号。通过该 协议数字化的通信，可以更加可靠方便地控制现场的设备。该技术可用于商场、写 字楼、超市等照明设施分布的比较广且需要进行集中控制的区域。 5 x 一1 0 协议【_ 7 1 ，它是采用电力线对电子设备进行远程控制的通信协议。x 一1 0 系统由发送控制盒及多个接受控制的组件组成，各组件均设定不同编码以示区别。 该协议中，电力线可以提供电源并传送信号，大大简化了照明控制网络的网络结构 并且降低了应用成本。x 一1 0 技术在家庭自动化中得到广泛的应用，但由于在电力线 传输中信号传输的速度及抗干扰性均不理想，因此它的发展前景不是很广阔。 2 基于z i g b e e 的城市照明监控系统的研制 第一章绪论 上述现有的智能照明监控技术均采用有线通信的方式传输数据，该种通信方式 布线困难、成本较高、适用范围小、维护困难，因此考虑引入短距离无线通信技术。 它能大大降低建立通信网络所需要的成本，减少了资源的浪费，且节省空间、便于 维护。 1 3 短距离无线通信技术研究现状 短距离无线通信技术的通信距离有限，具有布线成本低、节省资源、使用方便 等优点【8 1 。随着通信以及信息技术的不断发展，它在人们的日常生活及工业、国防、 医学等领域之中得到了越来越广泛的应用【9 1 。目前最常用的短距离无线通信技术主 要有如下几种： 1 i r d a 1 0 1 ，即红外线数据协议，它的传输范围为l m 左右，支持两个具有k d a 端口的设备进行可视化传输，传输角度只有1 5 度到3 0 度。当两个设备之间有遮挡 物时，再采用k d a 进行无线通信将难以实现。 2 蓝牙( b l u e t o o t h ) t 1 1 】，支持设备之间的短距离无线通信，能在移动电话、p d a 、 无线耳机、笔记本电脑等设备之间进行无线信息交换。 3 w i f i l l 2 l ，它可以将个人电脑、手持设备等终端以无线方式互相连接，目的是 改善基于i e e e8 0 2 1 1 标准的无线网络产品之间的互通性。 4 z i g b e e ，它是基于i e e e8 0 2 1 5 4 标准的无线通信技术【1 3 】1 1 4 ，具有如下特点： ( 1 ) 功耗低。z i g b e e 通信速率较低，信号收发所需时间短。此外，z i g b e e 模块 具有休眠模式，因此使用其进行无线通信可大大降低功耗。 ( 2 ) 数据传输可靠安全。z i g b e e 采用c s m a c a 碰撞避免机制，网络中发送的 每一个数据包都需等待接收方的确认信息，若得到则确认回复信息，反之则再传送 一次数据，这很大程度上保证了网络中信息传输的可靠性。此外，z i g b e e 具有基于 a e s 一1 2 8 的算法c c m 模式，它保证了网络中数据传输的保密性和完整性。 ( 3 ) 工作频段可选择。它可以工作在8 6 8 m h z 、9 1 5 m h z 或2 4 g h z ，可根据实 际应用环境灵活选择。 ( 4 ) 网络可容纳节点数量多。一个z i g b e e 网络包括一个主控设备及多个从属设 备，最多可以有6 5 5 3 5 个网络节点。 ( 5 ) 成本低。z i g b e e 通信模块成本一般只有几美元，此外，z i g b e e 协议免专利 3 第一章绪论基于z i g b e e 的城市照明髓控系统的研制 费，可以大大减少开发成本。 依据z i g b e e 具有的特点，它主要应用于自动控制和远程控制领域，还可以嵌 入各种设备，非常适合有大量终端设备的网络1 5 】。 上述几种短距离无线通信方式均有各自的优缺点及应用领域，表1 - 1 所示的是 几种通信技术的比较16 1 。 表1 1几种短距离无线通信技术的比较 比较项目i r d a监牙w i f i z i g b e e 8 6 8 侈1 5 m h z 或 工作频率9 8 0 r i m 红外线2 4 g h z2 4 g h z 2 4 g h z 有效通信距离 2 0 c m - 1 2 m1 0 m - 1 0 0 m2 5 m - 1 0 0 m5 0 m - 3 0 0 m 传输速率 1 6 m b p s 1 m b p s 11 m b p s - 3 0 0 m b p s 2 5 0 k b p s 网络容量28 5 0 6 5 5 3 5 最人功耗 数m w1 0 0 m w1 0 0 m w3 0 m w 参考成本 5 美元2 0 美元1 0 0 - 2 0 0 美元6 美元 语音数据支持数据语音、数据数据数据 对于城市照明监控系统的无线通信网络来说，从开发成本、功耗、通信距离、 网络可容纳节点数量等各个方面综合考虑，z i g b e e 是最合适的无线通信技术。 1 4 本文研究内容 在进行系统设计时，所需考虑的首要问题是采用何种通信技术实现单灯之间的 通信。本文介绍了现有的智能照明技术及短距离无线通信技术，从丌发成本、功耗、 通信距离及通信方式等方面综合考虑，最终选用z i g b e e 技术进行组网通信。 城市照明监控系统的设计包括系统硬件设计及嵌入式软件设计，上位机软件包 括监听软件和城市照明控制系统软件。单灯之间的z i g b e e 组网是本次毕业设计重 点，因此详细介绍了z i g b e e 协议栈、z i g b e e 网络拓扑结构设计及路由算法设计的 相关内容。 对于路端单灯测控器详细说明了所使用的通信芯片c c 2 5 3 0 的相关内容，包括 其内部构架以及无线通信模块等。并在此基础上进行了单灯测控器的硬件设计，包 4 基于z i g b e e 的城市照明临控系统的研制 第一章绪论 括协调器、路由器及终端设备的设计。三种设备硬件相同，仅在软件上加以区别。 对于路端通信装置主要介绍了l p c 2 3 6 8 相关内容，包括其内部结构以及外部接 口电路等，此外还详细介绍了g p r s 通信模块g t m 9 0 0 c 。并在此基础上进行了路 端通信装置硬件设计及嵌入式软件编程。 系统监听软件运行在监控中心的服务器上，保持和路端通信装置进行通信，文 中简要介绍了该监听软件的设计方案。 1 5 论文结构安排 本文分七章对基于z i g b e e 的城市照明监控系统进行了分析和设计，主要章节 内容安排如下： 第一章：绪论，本章主要介绍了我国城市照明的现状，照明监控技术及短距离 无线通信技术的研究现状。 第二章：介绍城市照明监控系统的总体设计方案。主要包括监控系统的设计要 求，总体架构设计，z i g b e e 无线传感网络拓扑结构设计及路由协议设计等，最后介 绍了g p r s 通信技术在本系统中的应用。 第三章：介绍城市照明监控系统的硬件设计方案。主要包括路端单灯测控器及 路端通信装置的硬件电路设计。路端单灯测控器由路由节点或终端节点加上外围采 集控制模块构成。路端通信装置则主要包括协调器和g p r s 通信模块。 第四章：介绍城市照明监控系统的嵌入式软件设计方案。主要包括c c 2 5 3 0 及 l p c 2 3 6 8 两种芯片的嵌入式软件编程。 第五章：介绍系统监听软件的设计方案。 第六章：主要介绍了整个系统的测试结果。 第七章：总结与展望。对本论文的研究工作进行总结，提出目前系统中尚存在 的一些问题，并对系统今后进一步的研究方向进行了展望。 1 6 本章小结 本章首先介绍了国内城市照明的发展现状，说明其存在的问题。然后概述了智 能照明监控技术及短距离无线通信技术的研究现状，通过对比体现在城市照明监控 系统中运用z i g b e e 技术的优势。最后介绍了本文的研究内容及论文的结构安排。 第二章城市照明监控系统总体设计基于z i g b e e 的城市照明监控系统的研制 第二章城市照明监控系统总体设计 2 1城市照明监控系统设计要求 目前城市照明建设越来越注重于城市的形象，对道路照明和景观照明的要求也不 断提升。要求采用城市照明监控系统以后，可以自动控制全市范围的路灯和景观灯的 开关。同时，要求照明监控系统可以自动报警，这样当有照明设施出现故障时维修 人员可以第一时间得知故障发生的地点。最终设计出的城市照明监控系统应满足以下 几条原则： 1 可靠性。照明设施是夜晚维持城市正常生活的必需设施，其重要性不言而喻， 因此对系统可靠性要求较高。要求城市照明监控系统能够长时间稳定正常工作。在监 控系统个别设备出现问题情况下要求系统仍能够正常工作，并且不影响照明设施的按 时开关。 2 可维修性。当系统各单元或照明设施发生故障时要求可以分析定位故障类型， 以便于及时维修设备。 3 通用性。硬件设备应具有尽可能广的适用范围，通过监控中心不同的软件参 数设置，系统可以实现不同的功能。 4 经济性。城市照明监控系统可以节省电能，带来巨大的经济效益，其丌发及 维护成本也是所需考虑的主要问题之一。因此应采用成熟稳定并已实际应用的技术， 选择高性价比的监控方案。 2 2 监控系统架构设计 基于z i g b e e 的城市照明监控系统采用“监控中心一路端通信装置一路端单灯 测控器的三层结构【1 7 1 。系统的总体架构如图2 1 所示。图中的路端单灯测控器l 至n 实现了单灯通信的网络结构，路端通信装置则是该z i g b e e 网络的主控节点。 单灯的状态信息可通过g p r s 和z i g b e e 无线通信上传至监控中心服务器，并存入 数据库中。监控中心则可以在后台实现对单灯状态的监测和控制。 6 基于z i g e e e 的城市照明监控系统的研制 第二章城市照明监控系统总体设计 路端单灯测控器 ，、 ( i ) o u 廊 服务器监控中心 图2 1 城市照明监控系统总体架构 2 3 系统z i g b e e 无线网络设计 根据本系统的设计要求，需搭建z i g b e e 无线通信网络。所设计的城市照明监 控系统中每个路段的单灯测控器和路端通信装置中的协调器共同组建z i g b e e 无线 通信网络。 2 3 1zig b e o 协议栈 2 3 1 1 zig b e e 协议栈结构 z i g b e e 协议基于开放系统互联参考模型o s i ( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t ) 来定义， o s i 是国际标准化组织i s o ( i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r do r g a n i z a t i o n ) $ 1 j 定的计算机网络通 信协议的标准模型，自上而下包括七层：物理层、链路层、网络层、传输层、会话 层、表示层、应用层。有了这个标准化的参考模型，能够很方便地实现各种设备之 间的互连。z i g b e e 协议在o s i 网络模型的基础上仅对涉及z i g b e e 的层次进行了定 义，保证了z i g b e e 协议的精简。i e e e 8 0 2 1 5 4 定义了物理层p h y ( p h y s i c a ll a y e r ) 和m a c 层( m e d i u m a c c e s sc o n t r 0 1 ) 的规范，在此基础上，z i g b e e 联盟定义了网络层 n w k ( n e t w o r k ) 和应用层a p l ( a p l i c a t i o nl a y e r ) ，应用层中规范了应用支持子层及 z i g b e e 设备对象。z i g b e e 标准协议栈架构如图2 2 所示。 7 第二二章城市照明监控系统总体设计基于z i g b e e 的城市照i 】监控系统的研制 塞 ；孳 应用层( a p l ) 应用框架 应用对象2 4 0i i 应用对象l z i g b e e 设备对象( z d o ) a p s 数据实体la p s 数据实体 一” 1 二二i 服务访问点i 服务防问点 a p s n f r a pa d 0 n ocad a p s 数据实体 服务访阀点 蔓盯支荇碉a p s ) e 巫塑受口 巫巫圃 夔 塞参孳 害盈 景攀 翠咒 s 蒜 言疆 ) 爵 网络层数据宴体 服务访问点 n l d e - s a p 网络层管理实体 服务访问点 n l m e s a p 面面= 一壤 m a c 层数据实体 服务访问点 m l d e s a p m a c 层管理实体 服务访问点 m l m e s a p 物珲层数据服务 访问点p d s a p 物理层管理实体 服务访问点 p l m e - s a p 2 3 1 2物理层 图2 2 z i g b e e 标准协议栈架构 i e e e 8 0 2 1 5 4 定义了8 6 8 m h z 、9 1 5 m h z 及2 4 g h z 物理层，它们均采用直接序 列扩频d s s s ( 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 ) 技术1 羽。3 个物理层数据帧的格式是 相同的，但在数据传输的速率和采用的调制技术上有所区别：8 6 8 m h z 及9 1 5 m h z 物理层采用了带有二进制移相键控的d s s s 技术，前者数据传输的速率为2 0 k b p s ， 后者的则为4 0 k b p s t l9 】；2 4 g h z 物理层则采用了1 6 相的调制技术，数据传输的速率 为2 5 0 k b p s 。 1 物理层功能 物理层提供了物理层的数据服务及管理服务，它可实现以下功能： ( 1 ) 使无线模块射频收发器进入休眠或激活状态并进行数据收发； ( 2 ) 信道能量检测e d ( e n e r g yd e t e c t ) ，它为网络层进行信道选择提供了依据。 ( 3 ) 空闲信道评估c c a ( c l e a rc h a n n e la s s e s s m e n t ) ，它用来判断目前无线信道 r 基于z i g b e e 的城市照明豁控系统的研制 第二章城市照明监控系统总体设计 是否处于空闲状态，每次在发送数据帧前都要进行此项评估。 ( 4 ) 数据链路质量指示l q i ( l i n kq u a l i t yi n d i c a t i o n ) 。在接收无线数据包时l q i 提供了信号的强度及质量信息。与e d 有所区别的是，l q i 需要对接收到的信号进 行解码得到一个信噪比指标，并将该信噪比指标提交给网络层进行处理。 2 物理层帧格式 物理层帧同步头包括4 个字节的前导码及1 个字节的帧起始分隔符s f d 。s f d 的值固定为0 x a 7 ，它标识着一个物理帧的开始。帧长度的值就是物理帧负载的长 度，其大小低于1 2 7 。物理层数据协议单元的格式如表2 1 所示。 表2 - 1 物理层帧格式 同步头 物理层帧头物理层帧负载 引导序列帧起始符帧长度保留位物理层数据服务单元 字节数：4 l1 可变 2 3 1 3媒体访问控制层m a c m a c 层提供了物理层与特定的服务汇聚子层之间的接口，它主要负责为一个 节点与其近邻节点之间的可靠通信提供帮助。此外，它也负责数据帧的组装与分解。 1 m a c 层功能 m a c 层提供两种服务：m a c 层数据服务及管理服务1 2 0 l ，它可实现以下功能： ( 1 ) 协调器的m a c 层产生并发送信标帧，其他设备与协调器通过该信标帧进行同 步； ( 2 ) 采用c s m a c a 机制访问信道； ( 3 ) 支持时隙保障g t s ( g u a r a n t e e dt i m es l o t ) 机制； ( 4 ) 支持不同设备m a c 层之间数据的可靠传输。 2 m a c 层帧格式 m a c 层帧通常包括帧头、负载和帧尾。帧头包括帧控制字段、帧序号字段及地 址信息域。m a c 帧负载包括超帧配置字段、g t s 字段、待处理地址及信标有效负载 等，它的长度是可变的。帧尾的f c s 字段则是对帧头和负载进行1 6 位c r c 校验得到的 序列。m a c 帧的具体格式见表2 - 2 。 9 第二章城市照明监控系统总体设计 基于z i g b e e 的城市照明监控系统的研制 表2 - 2m a c 层帧格式 帧头负载 帧尾 帧控制序号 地址信息 超帧配置 g t s 待处理地址信标有效负载 f s 字节数：2 14 1 02可变可变可变 2 2 3 1 4网络层 网络层应能确保i e e e 8 0 2 1 5 4 的m a c 层的正确操作，此外，它还需提供合适 的服务接口给应用层使用。为了提供所需的功能，网络层采用了数据服务( n l d e ) 和管理服务( n l m e ) 这两个服务实体【2 1 】。 1 网络层数据实体 n l d e 通过提供数据服务以支持应用在同一网络中的对等实体之间传输应用协 议数据单元。它可提供的服务包括：在应用支持子层的基础上产生网络协议数据单 元；根据的拓扑路由发送网络协议数据单元。 2 网络层管理实体 n l m e 通过提供管理服务以支持应用与协议栈连接。它可提供的服务包括：建 立一个网络；加入或离开一个网络；配置一个新加入的设备；分配设备地址；进行 邻居表发现。 3 网络层帧格式 网络层帧包含帧头和有效负载，其一般格式如表2 - 3 所示。 表2 - 3 网络层帧一般格式 网络层帧头网络层帧负载 路由字段 帧控制字段帧负载 目的地址 源地址半径序列号 字节数：2 2211 可变 2 3 1 5应用层 应用层包括应用支持子层a p s ( a p p l i c a t i o ns u p p o r t ) ，z i g b e e 设备对象z d o ( z i g b e e d e v i c eo b i e c t ) 及用户定义的应用对象。 1 0 基于z i g b e e 的城市照明监控系统的研制 第二章城市照明临挡系统总体设计 1 应用支持子层( a p s ) a p s 为网络层和应用层之间相互通信提供了一个接口。该接口提供一组z d o 和制造商定义的设备均可以使用的服务，这些服务则由a p s 数据实体和a p s 管理 实体提供。 2