（通信与信息系统专业论文）基于zigbee技术的井下人员定位系统设计.pdf

哈尔滨理工大学t 学硕十学位论文 基于z i g b e e 技术的井下人员定位系统设计 摘要 目前，我国煤矿工作环境恶劣，存在严重的安全隐患，煤矿事故经常发 生，造成大量的人员伤亡和严重的经济损失，现有的矿井安全监测系统不能 够满足安全生产需要。z i g b e e 是一种新兴的无线通信技术，它集数据采集、 数据处理以及无线通信功能于一体的自组织分布式信息采集网络，其具有低 功耗、低成本、网络容量大以及高可靠性等特点。本文采用z i g b e e 技术来实 现井下人员跟踪定位，此技术将大幅度提高矿井安全生产管理水平。 本文在分析现有定位技术的基础上，研究了现有井下人员定位以及 z i g b e e 技术在国内外的发展现状，深入探讨了z i g b e e 无线通信技术，其技术 是基于i e e e 8 0 2 1 5 4 标准的z i g b e e 协议和r s s i 的定位算法。同时根据系统的 设计要求和工作原理，制定了基- ：f z i g b e e 技术的井下人员定位系统总体方 案。该系统无线收发模块采用的核心为c c 2 4 3 1 和c c 2 4 3 0 芯片，在本文中对 其相应的硬件电路进行了详细的介绍。关于系统通信软件部分，设计了网 关、参考节点和定位节点的程序，并结合z i g b e e 技术建立一个无线通信网 络，将井下人员的位置信息实时传输到地面计算机的图形监控界面上，实现 定位节点的实时跟踪定位功能。最后，本文介绍了系统的测试过程并对数据 结果进行分析。经过分析得到，系统定位误差小于3 m ，满足设计要求。 本文实现了基于z i g b e e 技术的井下人员定位系统的软硬件设计，解决了 目前井下定位系统的弊端，真正实现了井下人员实时跟踪定位。该系统会在 煤矿安全监控中起到重要的作用，具有广阔的应用前景。 关键词井下定位系统；人员定位；z i g b e e 技术；c c 2 4 3 0 芯片 哈尔滨理工人学工学硕士学位论文 d e s i g no fu n d e r g r o u n dp e r s o n n e l p o s i t i o n i n gs y s t e mb a s e do rz i g b e e a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h e r ea r em a n ys e r i o u sp r o b l e m si nc o a lm i n e ss u c ha sp o o r w o r k i n gc o n d i t i o n s ，s e c u r i t yr i s k sa n dc o l l a p s ea c c i d e n t st h a tc a u s i n gal a r g e n u m b e ro fc a s u a l t i e sa n de c o n o m i cl o s s ，w h i c hm e a n ss a f t ym o n i t o rs y s t e mt h a t h a sb e e nu s e dc a nn o tb ea b l et os o l v et h e s ep r o b l e m s z i g b e ei s a ne m e r g i n g w 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 y , w h i c hc o n t a i n sd a t aa c q u i s i t i o n ，d a t a p r o c e s s i n g a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sj na s e l f - o r g a n i z i n g n e t w o r ko f d i s t r i b u t e dc o l l e c t i n gi n f o r m a t i o n l o w p o w e r , l o wc o s t ，l a r g ec a p a c i t yo f n e t w o r ka n dh i g hr e l i a b i l i t ya r ef e a t u r e so fz i g b e e m i n ep e r s o n n e l t r a c k i n g c o u l db er e a l i z e db yu s i n gz i g b e et e c h n o l o g y , w h i c hw i l l g r e a t l yi m p r o v em i n e s a f e t yi np r o d u c t i o nm a n a g e m e n t t h i sp a p e ra n a l y z e st h ee x i s t e dp o s i t i o n i n gt e c h n o l o g y , s t u d i e su n d e r g r o u n d p e r s o n n e lp o s i t i o n i n ga n dz i g b e et r a c k i n gt e c h n o l o g ya th o m ea n da b r o a d a l s o z 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 yh a sb e e nd e e p l yd i s c u s s e dt h a tb a s e d o nz i g b e ep r o t o c o lo fi e e e 8 0 2 1 5 4s t a n d a r d sa n d p o s i t i o n i n ga l g o r i t h mo f r s s i a tt h es a m et i m eo v e r a l l l o c a t i n gp r o j e c to fu n d e r g r o u n dp e r s o n n e l p o s i t i o n i n gi sp r o p o s e dt h a tc o m b i n e dw i t ht h ed e s i g nr e q u i r e m e n t sa n dw o r k i n g p r i n c i p l eo fz i g b e ep o s i t i o n i n gt e c h n o l o g y c c 2 4 3 1a n dc c 2 4 3 0c h i pa r eu s e d a sw i r e l e s st r a n s c e i v e r , a n dd e s i g no fh a r d w a r ec i r c u i ti si n t r o d u c e di nd e t a i l p r o g r a m so fg a t e w a y , r e f e r e n c en o d e sa n di o c a t i o nn o d e sa r e d e s i g n e df o r s o f t w a r e s y s t e m an e t w o r ko fu n d e r g r o u n d p e r s o n n e l i n f o r r n a t i o nf o r p o s i t i o n i n gi se s t a b l i s h e dw i t hz i g b e ew i r e l e s st e c h n o l o g y t h ei n f o r m a t i o nw i l l b et r a n s m i t t e dt ot h e g r a p h i c a lg r o u n do fr e a l t i m em o n i t o r i n gs o f t w a r eo n c o m p u t e ri no r d e rt o r e a l i z er e a l - t i m e t r a c k i n go fn o d e s f i n a l l y , t h ep a p e r i n t r o d u c e st h es y s t e mo ft e s t i n ga n dr e s u l t so fd a t aa n a l y s i s a f t e rt h a tt h ee r r o r i i 哈尔滨理丁大学t 学硕士学位论文 o fs y s t e mp o s i t i o n i n gi sl e s st h a n3m e t e r s ，a n dm e e tr e q u i r e m e n t so fd e s i g n t h i sp a p e rr e a l i z e su n d e r g r o u n dp e r s o n n e lp o s i t i o n i n gf u n c t i o nb ys o f t w a r e a n dh a r d w a r ed e s i g nb a s e do nz i g b e et e c h n o l o g y a n di ts o l v e sp r o b l e m s e x i s t i n gi nc u r r e n tu n d e r g r o u n dp o s i t i o n i n gs y s t e m t h es y s t e mm u s tp l a y a n i m p o r t a n tr o l ei nt h ec o a lm i n es a f e t ym o n i t o r i n g ，a n dh a se x t e n s i v ea p p l i c a t i o n p r o s p e c t s k e y w o r d su n d e r g r o u n dp o s i t i o n i n gs y s t e m ，p e r s o n n e lp o s i t i o n i n g ，z i g b e e t e c h n o l o g y , c c 2 4 3 0c h i p i i i 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的及意义 我国煤炭资源丰富，煤炭产量居世界首位，煤矿数量巨大，大多数煤炭 采用地下的方式进行开采，因而需要大量的井下工作人员。目前，我国的矿 难频发，我国煤炭安全生产现状与世界一些发达和发展中国家相比差距较 大，我国的每年矿井事故死亡人数是其它采煤国家事故死亡人数的4 倍。 我国煤矿生产的工作环境差，人员和机械作业的空间小，随时都有发生 事故的危险【1 1 。煤矿发生井下矿难事故后，常因救援不及时，导致死亡人数 增多。矿难的发生不仅造成严重的经济损失，而且对事故的受害者、家属以 及广大人民群众的心理造成严重的创伤。煤矿安全，尤其是井下人员安全是 十分重要的安全生产问题【2 】。因而，正确处理经济效益、安全和生产之间的 关系，实时准确地监测每个井下人员的位置，发生事故时保证第一时间准确 抢救矿工，确保煤矿安全生产【3 1 。 本文在分析最近煤矿事故时发现以下问题：地面人员不能实时动态定位 井下人员的地理位置分布，发生矿难营救时不能准确掌握井下人员所在位 置；抢险救灾速度慢、安全救护的效率低，搜救方法差。 因此，井下人员的定位系统在煤矿安全生产中具有重要意义【4 1 。本文设 计的井下人员定位系统是采用新型z i g b e e 无线通信技术，地面的上位机管理 系统可以准确接收井下所有工作人员的实时动态的数据信息参数，地面上的 管理人员可以准确定位每个井下人员的位置状况并实时跟踪其运动轨迹，以 便于更加了解井下人员的工作情况，加强作业管理。井下人员的定位系统不 仅能够大幅度提高生产率，同时监控整个系统的煤矿安全生产过程，预防事 故的发生，事故发生时进行抢险救援管理，使煤矿管理系统向着智能机械化 的方向发展，符合目前煤矿管理发展的需求 s , 6 l 。当井下发生事故时，地面 人员就可根据无线定位系统的计算机软件提供的信息和数据，准确掌握井下 人员的地理位置，立即实施相关正确的救援措施，提高决策方案的正确率， 使救援工作的效率大幅度提高，不仅节省了救援的经济成本，而且大量降低 了井下人员的死亡数量，具有一定的优越性和实用性，对加强煤矿的安全生 产有着深远的意义【7 8 j 。 哈尔滨理t 大学t 学硕l 学位论文 1 2 国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 国外井下人员定位的发展现状 国外主要的一些产煤国家( 如英国、波兰、德国、前苏联、美国等) 从 2 0 世纪5 0 年代开始研究煤矿安全监控系统，以保证煤矿的安全作业，并陆续 将研制的安全监控系统应用到矿井安全生产上【9 1 。 1 9 9 1 年南非德比尔公司研制出地下矿铲运机自动测位系统，并将其应用 到芬什矿井安全生产中。该系统主要是将红外线邻近效应探测器安置在井下 的一些重要的巷道口，当矿井下的车辆经过探测器的附近时，该探测器就会 接收到来自车辆上红外线发射器发射的识别数码，最后通过泄漏电缆将该机 的数码传输到控制中心的计算机系统上。该系统使用的红外线邻近效应探测 器需要建立起识别环路网络，整个组建过程需要很高的经济成本，同时系统 的组网灵活性差。1 9 9 5 年澳大利亚芒特艾萨矿业公司研制出基于射频识别技 术人员监测系统，该系统主要用来监测井下人员所处的位置是否安全。该系 统将一个小型的无源信标安装在矿工的安全帽上，采用顶板安装的天线，能 够监测到天线所覆盖范围内各个矿工的数据信息。但该系统还不够完善，存 在人员漏检、可靠性低以及定位精度低的缺点【1 0 1 。 国外最典型井下定位系统是由澳大利亚矿通公司开发的人员及车辆定位 系统。该系统主要是利用编码发射器和读卡器之间进行数据传输。但该系统 也存在一些弊端，如不具备方向识别的性能，定位精度低，功能单一化等问 题。如果矿难真正发生，该系统不能准确定位被困井下人员的具体位置，给 营救工作带来很大的困难【儿1 。 2 0 0 1 年美国9 1 1 事件中，救援人员在双子楼中由于使用双通道不兼容无 线电设备而彼此失去联络，因而消防总署要求加利福利亚大学伯克利分校研 发火灾信息和救护设备系统( f i r e ) ，该系统能够准确显示位于大楼中或者 井下被困人员的详细位置信息。该系统是采用z i g b e e 无线通信技术构建网 络，定位功能是利用射频识别技术实现的，同时以f i r e 系统为整合平台， 从而构建成监测、定位、井下通信集于一体的功能强大的综合系统。该项目 的研究已经获得很好的效果，在此基础上进行改进即可应用到其它场合，其 应用前景十分广阔f 1 2 i 。 z i g b e e 技术是新一代双向无线通信技术，主要应用于距离短、功耗低、 哈尔滨理工大学t 学硕上学位论文 传输速率低的自动控制系统中。随着z i g b e e 技术的创新，国外有很多学者和 专家把该项技术应用在井下人员定位中。2 0 0 7 年，由韩国y o n s e i 大学的 h y u n g g ic h o 等人通过使用最大似然估计算法来分析z i g b e e 网络信号，提高 定位的准确性【1 3 1 。2 0 0 8 年b r u n e l l i ，d 等人提出一种改进z i g b e e 网络的音频质 量，为定位人员的进行语音传输提供了很好的方法【1 4 1 。2 0 0 8 年y a n g 等人提出 模糊逻辑学在z i g b e e 人员定位中的应用 1 5 1 。2 0 0 9 年l i uc h u n g h s i n 等人提出 了利用z i g b e e 和r f 相结合的方法，已提高定位系统的实时性和准确性【1 6 1 。 由此可见，z i g b e e 技术在并下定位中有着广泛的应用与研究。 因此，国外对井下人员定位系统的研究相对来说比较成熟，但也存在一 些弊端，如设备成本高、可靠性不高以及性能不够稳定等。 1 2 2 国内井下人员定位的发展现状 我国的井下人员监控系统起步较晚，2 1 世纪开始逐渐由国外引进技术， 但因为有很大的市场需求，所以其技术迅速发展。最初，矿井的监控主要通 过有线通信的方式来实现的。其有线通信主要采用数字数据网( d d n 专 线) 、公用电话网( p s t n ) 和通信电缆等。在井下各个巷道安置有线电缆， 再利用c a n 总线或4 8 5 总线将井下信息参数传输到地面监控中心。该监控系 统的数据传输快、性能稳定，但线路铺设的工程巨大，导致投资经济成本 高，一旦发生煤矿事故，几乎所有的有线通信处于瘫痪状态，导致井下通信 传输系统的中断，严重影响救援工作，更不能实现对人员的定位。 近几年来，国内开发的监控系统几乎全是采用r f i d 射频识别技术来实 现的，该系统能够在各种恶劣的环境下工作，通过空间耦合( 电感或电磁耦 合) 和射频信号，完成对监控目标的自动识别。其中比较典型的有天地科技 公司开发的k j 6 9 型人员监测系统，上海秀派电子科技有限公司研发的k j l 9 型井下人员和设备跟踪系统，焦作工学院研发的k j 9 3 型矿井安全监控系 统，北京凌天世纪自动化研究所研发的k j l 5 5 型矿工跟踪考勤系统，武汉七 坏电气有限公司研发的k _ j 1 5 0 型井下移动目标监测系统和霍尼韦尔k j 2 9 7 型 矿工管理系统等。 目日i 国内所研发的井下人员定位系统，应用到实际中只能粗略对井下人 员定位，即只能估算出井下人员所在位置的某一区域范围，并不能准确算出 矿工具体位置，因而，该系统并非真正实现井下移动人员定位的功能。同时 r f i d 无线射频识别技术存在如下弊端：通信频率低，导致抗干扰性差；射 哈尔滨理工大学工学硕b 学位论文 频卡读写距离较短，导致覆盖范围非常小；读卡器附近有多人同时迅速通过 时，会出现人员漏读现象；只在矿井的关键巷道口和进出口处安装读卡器， 导致整个矿井存在许多盲区：该技术不能实现无线自动组网，同时还要求读 写器天线方向与r f i d 卡的方向位置相匹配，因此系统灵活性较差【1 7 1 。 由此可见，在国内井下人员定位系统的发展，主要经历了3 个发展阶 段： 第一阶段主要是靠引进国外定位设备，价格昂贵，费用高，没有被大范 围使用。 第二阶段是我国自主研发的以无源射频识别技术为主的井下人员定位系 统，给每个矿工分发一个射频卡，每次经过井下基站时需要工人自己将其拿 到井下阅读基站上进行识别，从而实现井下数据交换。这种定位方式的优点 是系统硬件成本比较低，软件系统开发也比较简单。缺点是系统使用不方 便，灵活性不强，而且在人员上下班高峰时能造成数据堵塞。 第三阶段是我国自主设计和研发的新型有源井下人员定位系统，由于我 国射频技术不断的发展，我国新型的有源井下人员定位系统也正处于不断完 善的阶段。 近年来，由于科技水平的高速发展，人们在自动控制领域、计算机领 域、电子领域以及无线传感器等方面取得突出的贡献，推动井下人员的定位 系统朝着性能稳定、安全性高、定位精度高的方向发展。由于无线传输技术 具有安全可靠、成本低等突出的特点，所以它在井下移动目标定位管理系统 中应用越来越广泛【1 8 】。在国内，目前井下人员定位技术主要停留在z i g b e e 技 术基础理论研究上，例如，2 0 0 8 年辽宁工程技术大学李文江教授提出基于 z i g b e e 技术的煤矿井下人员定位系统，该系统中采用定位分站和读卡器对人 员进行定位和身份识别。定位分站i d 信息通过无线z i g b e e 网络传送到地面 1 1 9 1 ，但该系统主要是理论研究，还不能进行实际应用。2 0 0 8 年沈阳航空工 业学院，田丰等人提出基于z i g b e e 技术的煤矿井下g i s 辅助定位算法。该方 法可以有效地提高井下定位的覆盖面积【2 0 1 ，但定位精度低，还有待改进。 这些研究方法的提出和定位算法准确度的改进，进一步促进z i g b e e 在井下人 员定位中的应用。 1 2 3z i g b e e 技术背景和发展现状 在现实中生活中存在着这一问题：系统传输数据量小的突发信号时，可 哈尔滨理工人学工学硕士学位论文 以采用传统的无线通信技术进行实时接收，但此方法具有设备体积大、成本 高和功耗高的弊端，针对这一问题，人们设法研究一种新的无线通信技术， 它具有体积小、成本低、功耗低等特点。在这种背景下，经过人们长期努 力，z i g b e e 技术适时地产生了。z i g b e e 技术名称的由来是人们发现蜜蜂采蜜 过程中，跳着优美的“z 字形舞蹈来表达信息，又因为蜜蜂体积小，消耗 能量低，人们就将这种体积小、低成本、功耗低的无线传输技术称之为 z i g b e e 技术。近年来无线通信技术使人们的生活发生了巨大的变化，在工业 领域中，为了达到数据采集的自动化和数据处理与分析，可以利用z i g b e e l 丽l 络与传感器相结合，做为系统决策辅助系统的重要组成部分。在汽车领域 中，主要是通过多个安装在汽车轮胎或发动机内部的传感器来获得监测信 息，并通过z i g b e e 网络把监测系统传递给我们。在农业方面，可以通过 z i g b e e 网j 络远程控制设备进行耕种。在家庭和楼字自动化领域中，也被广泛 应用。在医学方面，通过各种传感器与z i g b e e 网络相结合，可以进行人体生 命特征的监护。在消费品方面，z i g b e e 技术可以代替红外遥控，可以应用在 家庭保姆以及家庭各种电器的控制。在这样的环境下，z i g b e e 技术迅速发展 以满足人们的需求1 2 1 i 。 为了推动z i g b e e 技术的发展，c h i p c o n 公司( 已被t i 公司收购) 和 e m b e r 、m o t o r a l a 等公司共同成立了z i g b e e 联盟。目前该联盟共有1 3 0 多家会 员。该联盟主席r o b e r teh a i l e 曾于2 0 0 4 年访问中国，以免除专利费的方式 吸引中国的企业加入。2 0 0 5 年全球z i g b e e 器件的出货量已达到1 0 0 万件， 2 0 0 6 年底超过8 0 0 0 万件，预计2 0 1 0 年底将达到1 0 亿件。z i g b e e 技术在2 0 0 4 年 就被称为世界上发展最具市场前景的十大新技术之一1 2 2 l 。 在国外许多国际知名的大企业如l n v e n s y s 、p h i l i p s 、m o t o r o l a 和三菱电 子等都加入了z i g b e e 联盟，并迅速的发展壮大。其中包括l p 服务提供商、半 导体生产商、消费类电子商及o e m 商等，例如h o n e y w e l l 、e a t o n 和i n v e n s y s m e t e r i n gs y s t e m s 等工业控制和家用自动化公司。这些公司都积极地投入到 z i g b e e 技术开发中，并取得很大的成就。 尽管国内不少人已经开始关注z i g b e e 技术，也有一些单位开始进行 z i g b e e 技术的研发，但由于z i g b e e 是一种全新的无线通信技术，因此丌发过 程中必须结合网络传输、软硬件控制和射频技术，这就给国内的研发工作带 来很大的阻力【2 引。 随着z i g b e e 技术不断发展，国内有的公司开始研发，例如成都无线龙等 几家公司 2 4 , 2 5 1 。但是随着无线龙z i g b e e 开发模块在市场的投入，许多高校引 哈尔滨理工大学t 学硕上学位论文 入其开发系统并加入到研发行列中，因此推动了z i g b e e 技术的快速发展，使 其更早的应用到我们的日常生活中和工业生产中，现在已经有许多科研单位 研究z i g b e e 技术在井下定位中的应用。2 0 0 9 年安葳鹏等人在提出基于z i g b e e 井下人员定位系统关键问题研究，为z i g b e e 技术在井下人员定位中提供了很 好理论指导与借鉴。 2 0 0 9 年张治斌等人在煤炭学报中提出了基于z i g b e e 井下无线传感器 网络的定位方法，根据定位系统的要求，提出了基于r s s i ( r e c e i v e ds i g n a l s t r e n g t hi n d i c a t o r ) 的加权质心定位算法。2 0 1 0 年，高媛提出基于z i g b e e 的 井下人员定位系统路由算法研究，这些算法研究有利于进一步提高井下人员 定位精度。由此可见，目前国内基于z i g b e e 技术的井下人员定位系统主要是 算法的理论研究，如何在实际中应用是众多学者研究和努力的方向，也是本 文主要讨论的问题。 1 3 本文的研究内容及结构安排 本文主要的内容是研究基于z i g b e e 技术的井下人员定位系统。首先设计 了基于z i g b e e 技术定位系统的硬件部分；然后深入分析z i g b e e 通信协议以及 技术规范，在此基础上设计了网络中各类节点的程序；最后将井下人员的运 动轨迹在上位机的图形定位软件上实时显示出来，实现了井下人员的无线跟 踪定位功能。 本文的结构安排如下： 第一章主要对井下人员定位系统和z i g b e e 技术国内外的研究现状进行分 析。 第二章是z i g b e e 无线通信技术及定位算法，重点介绍z i g b e e 网络拓扑结 构、协议栈结构体系以及基于r s s i 的无线定位算法。 第三章主要介绍系统的硬件设计，主要包括系统方案的选择、设计的原 则、系统的组成结构以及一些硬件电路的设计。 第四章是系统的软件设计，首先介绍网络平台的建立，其次介绍网关、 参考节点以及定位节点软件的设计。 第五章主要介绍系统的调试过程并对实验结果进行误差分析。 哈尔滨理f t 大学工学硕士学位论文 第2 章z i g b e e ：无线通信技术及定位算法 2 1z i g b e e 技术概述 2 1 1z i g b e e 概要 z i g b e e 技术是新一代双向无线通信技术，主要应用于距离短、功耗低、 传输速率低的自动控制系统中。它主要工作在无需注册全球通用2 4 g h z 的 i s m ( i n d u s t r i a l 、s c i e n t i f i c 、m e d i c a l ，工业、科研、医学) 的免费频段。 z i g b e e 技术传输距离是1 0 1 0 0 m ，典型距离是3 0 m ，数据传输速率范围是 2 0 2 5 0 k b s 。 z i g b e e 网络最多可由6 5 0 0 0 个无线通信模块组成，其构成类似于现在的 移动通信的c d m a ( 码分多址连接网) 或g s m ( 全球移动通信系统网) ，每 一个z i g b e e 无_ ；线通信模块相当于移动通信网络中的一个基站，在整个z i g b e e 网络内，各个z i g b e e 无线通信模块之间可以互相通信，网络节点之间通信的 标准距离为7 5 m ，但也可以扩展到几百米，甚至几千米。目f i l j z i g b e e ! 网络能 够与其它各种网络进行全球连接，实现信息共享【2 6 i 。 z i g b e e 网络与移动通信网不同点在于，z i g b e e 网络实现的主要是数据信 息传输的自动化控制，而移动通信网实现的主要是语音通信；每个移动基站 的价格昂贵，通常都不低于百万元人民币，但每个z i g b e e 基站价格便宜，通 常都不超过一千元人民币；z i g b e e 网络节点可以实现自身与监控对象( 如温 湿度传感器) 之间的信息采集，同时还能够自动中转网络中其它节点的信息 参数；另外，在信号覆盖z i g b e e 网络的范围内，全功能节点能够与多个孤立 的无通信中转功能的半功能节点进行无线连接。 z i g b e e 无线网络中的所有节点最多可以监控3 1 个受控设备和传感器，它 们的接口方式均有8 种，用来实现数据信息的采集和传输。 2 1 2z i g b e e 的网络拓扑结构 z i g b e e 技术以独立的工作节点为依托，其网络拓扑结构有三种，分别是 星状、串( 树) 状和网状网络，如图2 1 图2 3 所示，各个节点的功能都不 哈尔滨理t 大学1 = 学硕一 ：学位论文 完全一样 2 7 1 。为了降低设备的成本，网络中大多数节点设置为子节点，从 组网通信方面考虑，这只是实现其部分的功能，所以称为半功能设备 ( r f d ) ；网络中剩余的节点的功能是实现和它们所控制的子节点之间进行 通信、收集数据和发布控制任务，或完成通信路由的任务，称为全功能设备 ( f f d ) 。 o 协调器 全功能节点 o 半功能节点 图2 1 星状网络拓扑 f i g 2 - 1s t a rn e t w o r k o 协调器 全功能节点 o 半功能节点 图2 2 串状网络拓扑 f i g 2 2s t r i n gs h a p en e t w o r k o 协调器 全功能节点 o 半功能节点 图2 3 网状网络拓扑 f i g 2 3m e s hn e t w o r k t o p o l o g yt o p o l o g yt o p o l o g y 不管网络拓扑结构是哪一类型，各个独立的网络都有对应唯一的网络标 识符( p a n 标识符) 。网络设备之间的通信是通过标识符的1 6 位短地址码来 激活并实现的。 各个独立的网络都对应有一个唯一的协调器，其功能类似于局域网中的 服务器，完成相应网络的管理功能。网络中的全功能节点可以充当终端节 点、协调器以及路由器，但半功能节点只能充当终端节点。 星状网络中的全功能节点和半功能节点之f b j 不能进行通信，节点之间的 通信必须通过协调器来中转，节点和协调器之间呈星状分布。星状网络的优 点是组网方式简单，缺点是一旦协调器出现错误，整个网络就会瘫痪，而且 协调器还影响网络信息的处理速度。 串状网络建立在星状网络的基础上，利用全功能设备的路由功能扩展了 星状网。协调器为根节点，将网内的全功能节点分级使用，与协调器直接通 买热 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 信的节点为一级节点，处在网络最末端的节点称为叶节点，在网络中充当终 端设备。串状网络的覆盖率较大，会产生通信的延时，一旦网络中的全功能 节点出现问题，则会中断其与下一级节点的通信。 网状网络的全功能节点之间都能互相通信，网络功能强大，组网灵活， 可以采用多级跳的通信方式，终端节点能够采用不同的链路把数据传送到协 调器上。若网络中某一节点出现问题，能够选择其他链路进行数据传输，网 络具有自组织、自愈的功能，而且其网络覆盖率高。因此在井下无线定位系 统中，本文选择使用网状网络拓扑结构。 2 2 基于i e e e 8 0 2 1 5 4 的z i g b e e 协议栈 z i g b e e 协议栈由许多子层构成。每一层都具有不同的功能：数据实体主 要提供传输数据的服务，其余的服务全部由管理实体来提供。各个服务实体 都为其上一层提供服务接口，这是通过服务接入点( s a p ) 来实现的，同时 各个服务接入点提供一些服务的基本指令来实现其的功能【2 8 】。 z i g b e c 体系结构示意图如图2 。4 所示。图中仅定义了与z i g b e e 有关的 层。最下面部分是根据i e e e 8 0 2 1 5 4 2 0 0 3 标准划分为两层：物理层( p h y ) 与介质接入控制子层( m a c ) 。最上部分的网络层与应用层( a p l ) 的框架 由z i g b e e 联盟负责设计。应用层框架包括z i g b e e 设备对象( z d o ) 、应用支 持子层( a p s ) 和由制造商制定的应用对象。下面分别介绍它们的功能。 2 2 1 物理层 物理层规定了z i g b e e 的通信频率，分别是2 4 g h z 与8 6 8 9 1 5 m h z 。因 此，其对应有2 4 g h z 与8 6 8 9 1 5 m h z 物理层【2 9 1 。它们的差别在于扩频码片长 度、调制技术、传输速率以及工作频率的不同。它们的相同点是采用同样的 数据包格式和直接序列扩频( d s s s ) 方式。 2 4 g h z 波段是不用申请、全球统一的i s m 频段，因此有利于降低设备成 本和更好推广z i g b e e 设备。2 4 g h z 物理层使用1 6 相调制方式，可以提供 2 5 0 k b s 的传输速率，因此能够缩短数据收发的时问，提高数据吞吐率，减 少通信时延，从而更加省电【3 0 1 。 z i g b e e 设备工作在欧洲美国附加的8 6 8 9 1 5 m h z 上会避免来自2 4 g h z 波 段上家用电器以及无线通信设备的干扰。8 6 8 m h z 波段能提供的传输速率为 2 0 k b s ，9 1 5 m h z 波段能提供的传输速率为4 0 k b s 。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 图2 4z i g b e e 体系结构模型图 f i g 2 - 4t h es t r u c t u r em o d e lf i g u r eo fz i g b e es y s t e m 通过使用射频固件和射频硬件，物理层提供了介质接入控制子层到物理 层之间的无线信道的接口。如图2 5 所示，结构模型中有物理层数据服务的 接入点( p d s a p ) 和物理层管理实体服务的接入点( p l m e s a p ) 。它们有 如下功能：物理层数据服务接入点向物理层数据提供服务；物理层管理实体 服务的接入点向物理层管理提供服务。 图2 5 物理层结构模犁 f i g 2 5t h es t r u c t u r a lm o d e lo fp h y 物理层数据服务包括以下五方面的功能：射频收发器的休眠和激活；信 道能量检测；检测接收数据包的质量指示( l i n kq u a l i t yi n d i c a t i o n ，l q i ) 空闲信道评估( c l e a rc h a n n e la s s e s s m e n t ，c c a ) ；数据收发。 i e e e 在物理层中还规范了以下技术要求：2 4 g h z 物理层提供2 5 0 k b s 的 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 数据传输速率，使用1 6 相位正交调制方式；9 1 5 m h z 物理层提供4 0 k b s 的数 据传输速率，使用带有二进制移相键控的直接序列扩频方式；8 6 8 m h z 物理 层提供2 0 k b s 的数据传输速率，其扩频方式与9 1 5 m h z 物理层相同。 物理层数据包格式如表2 1 所示。同步包头、物理层包头以及物理层净 荷三部分构成z i g b e e 物理层数据包。同步包头包括前导码( 前同步码) 和数 据包( 帧) 定界符，其功能是用来粗略的调整频率以及获得扩频码同步、符 号同步和帧同步。物理层包头包括帧长度和预留位，指示净荷部分的长度， 其最大长度为1 2 7 字节( 其中包含m a c 层数据包) 。若数据包的长度为5 字节 或者大于8 字节，则物理层服务数据单元包含介质接入控制子层的帧信息。 表2 1 物理层数据帧结构 t a b 2 1d a t af r a m es t r u c t u r eo f p h y s i c a ll a y e r 4 字节1 字= i 了 l 字节变量 前导码包定界符帧长度预留位物理层服务 ( 7 位)( 1 位)数据单元 同步包头物理层包头物理层净荷 2 2 2m a c 层 依据i e e e 8 0 2 系列标准规定数据链路层包括逻辑链路控制子层l l c 和介 质接入控制子层m a c 。其中l l c 子层用来实现数据包的分段和重组，并保 证数据包按顺序正确传送。介质接入控制子层有如下功能：设备问无线链路 的建立、无线链路的维护与断开、预留时隙管理、信道接入与控制、广播信 息管理、确定模式的帧发送与接收、帧校验与快速自动请求重发( a r o ) 等。m a c 子层能够处理所有物理层无线信道的接入。它的功能如下：保持 和信标同步；提供一个可靠的通信链路在两个对等的m a c 实体之间；为设 备的提供安全保证；网络协调器产生网络信标：处理并维护保护时隙 ( g t s ) 机制；信道使用免冲突载波检测多址接入( c s m a c a ) 机制的接 入方式；支持个域网( p a n ) 的建立与断丌【3 1 i 。 m a c 层在物理层与服务协议汇聚层两者之间提供一个接口。该层包含 一个的管理实体，它可以维护m a c 层固有的管理对象的数据库，同时它还 可以通过服务接口来调用m a c 层管理功能。如图2 - 6 所示，m a c 层的服务接 入点功能如下：管理实体服务接入点为介质接入控制子层提供管理服务；公 哈尔滨理_ 下大学工学硕上学位论文 共部分子层服务接入点为其提供数据服务。 m a c f f 共部分子层- j j t 务 接入点( m c p s s a p ) m a c 公共部分子层 物理层数据服务接入点 ( p d s a n m a c 层管理实体一服务 接入点( m l m e s a p ) m a c 层管理实体 im a c 层i 1个域i ) ) 9 信息库l 物理层管理实体一服务 接入点l m e s a p ) 图2 6m a c 层参考模型 f i g 2 - 6t h er e f e r e n c em o d e lo fm a cl a y e r 介质接入控制子层的数据帧结构如表2 2 所示。m a c 子层帧头 ( m h r ) 、m a c 子层载荷和m a c 子层帧尾( m f r ) 三部分构成m a c 子层数 据包。其中m h r 包括不超过2 0 字节的地址域、2 字节的帧控制域以及1 字节 的帧序号域三部分。帧控制域负责指明是否需要接收方确认、地址域的格式 和m a c 帧的类型等信息；帧序号域包含发送方送给帧的特定的标识码，目 的是匹配确认帧，从而提高m a c 层传输的可靠性。地址域一般使用的寻址 方式为8 位z i g b e e 网络地址或6 4 位i e e em a c 地址。 m a c 子层载荷的长度不是固定。每一种帧类型都相对应着一个自身的 信息，m a c 帧包含的内容由其帧类型来决定，整个m a c 帧的长度范围小于 1 2 7 字节。m a c 命令帧、广播帧、确认帧和数据帧这4 种帧类型存在于 i e e e 8 0 2 1 5 4 m a c 子层中。z i g b e e 设备的m a c 层功能实体问收发有关的一 些控制信息参数就是通过命令帧和确认帧来实现的，广播帧和数据帧具有高 层控制数据或者命令的功能。 m a c 子层帧尾包含f c s ( 帧校验序列) ，它是通过1 6 位c r c 算法而得到 的，接收方利用它判断数据包传输的可靠性，进而考虑是否用到a r q 完成 差错恢复。m a c 命令帧和数据帧中的帧控制域具有判断接收到的帧是否需 要进行确定的功能，接收到的帧如果需要确认，而且通过循环冗余校验 后，发送方会迅速接收到来自接收方的确认帧，如果发送方在某一段时| 日j 内还没有收到确认帧，则该帧会再自动重新发送一次。这样的工作过程保证 哈尔滨理工大学工学硕：仁学位论文 了m a c 层帧收发的可靠性。确认帧和广播帧并不需要接收方进行确认。 表2 2m a c 层的数据帧结构 t a b 2 2d a t af r a m es t r u c t u r eo fm a c l a y e r 字节：2 1o 2q | 2 | 8o | 20 2 8 变量 2 目的源 帧控制序列号 p a n 目标地址 p a n 源地址帧载荷 f c s 标识符标识符 m a cm a c m a c 子层帧头 子层 子层 载荷帧尾 有两种基本的信道接入方法存在于i e e e 8 0 2 1 5 4m a c 子层中，它们主 要用在中心控制的星状网络和对等操作的网状网络这两种z i g b e e 网络拓扑结 构中。在中心控制的星状网络中，中心设备起到信道接入控制、网络的形成 和维护、分配专用带宽以及时隙的划分等作用，其它设备如何接入和使用无 线信道主要由中心设备的广播信息来决定，这种信道接入方法称为时隙化载 波侦听冲突避免信道接入算法。对等网状网络中，不存在广播信息及广播 信道，也不受中心设备的监控，接入网络是采用标准的c s m a c a 信道接入 算法。 2 2 3 网络层 1 网络层概述z i g b e e 网络层( n e t w o r ks p e c i f i c a t i o n ) 的基本功能就 是提供一些必要的函数，为应用层提供相应的服务接口，使介质接入控制子 层m a c 正常工作。如图2 7 所示，网络层包含两个重要的功能服务实体， 即管理服务实体和数据服务实体，它们可以为应用层提供接口。 网络层管理实体通过管理实体服务接入点提供一些网络管理工作，而且 它还具有维护和管理网络信息库的功能。它的具体的一些网络管理工作还是 利用网络层数据实体来完成的。网络层数据实体利用网络层数据实体服务接 入点提供数据传输的工作。 网络层为m a c 层提供接口是利用m l