（计算机应用技术专业论文）基于zigbee的井下无线监控网络的研究与开发.pdf

基于z i g b e e 的井下无线监控网络的研究与开发 摘要 煤矿安全事故频出，严重影响了正常的生产秩序以及人员的生命安全，因 此更加显示出煤矿安全信息系统对于煤矿安全生产的重要性。 现有的煤矿安全信息系统大多是以工业总线为基础构成的有线通信传输网 络。但是伴随煤矿开采掘进而带来的管道延伸问题，单纯采用有线网络存在着 覆盖率、扩展性、灵活性等方面的不足，难以满足安全生产的需要。为了更好 的解决这个问题，近些年来，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 ， 简称w p a n ) 技术渐渐发展起来，为我们解决该问题提供了一个新的思路。 w p a n 为近距离范围内的设备建立无线连接，把几米范围内的多个设备通过无 线方式连接在一起，使它们可以相互通信甚至接入局域网或互联网。 z i g b e e 技术作为一个最近新出现的w p a n 通信技术，以其协议简单、成本 低、功耗低、组网容易等特点，在家用系统控制、楼宇自动化、工业监控领域 具有广阔的市场空间。 本文以z i g b e e 技术为基础，针对实际煤矿安全环境的需求，对无线网络在 煤矿安全系统中的应用进行了研究；提出基本的组网算法并结合井下巷道的分 布特点对算法在实际的应用中进行了一些改进，进一步提升了原算法的组网性 能；对网络的建立、节点的加入等流程进行研究。详细说明了设备在建立网络、 加入网络等具体问题上的处理流程。并对已有煤矿安全的信息系统，采用了有 线网络与无线网络相结合的方式，扩大了煤矿安全系统的控制范围，提高整个 信息系统的可扩展性，加强信息采集的灵活性。 本文中的主要研究内容是以工大高科公司的k j 2 9 3 系统中的无线收发讯机 模块为基础的升级改造，在完成组网功能的研究之后，本文继续结合无线组网 的需要对原有的无线收发讯机进行了改造，给出了完整的软硬件设计思路和流 程图，完成了整个设计。 关键词：煤矿安全，w p a n ，z i g b e e ，路由协议，系统集成 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fu n d e r 2 r o u n dr a d i o m o n i t o r i n gn e t w o r kb a s e do nz i g b e e a b s t r a c t f r e q u e n tc o a lm i n ea c c i d e n t s a n ds e r i o u s l ya f f e ：c t e dt h en o r m a lp r o d u c t i o n o r d e ra n dt h es a f e t yo ft h ei i v e so fs t a f f , i ts h o w sa 1 1t h em o r em i n es a f e t y i n f o r m a t i o ns y s t e mf o rt h ei m p o r t a n c eo fp r o d u c t i o ns a f e t yi nc 0 a lm i n e s m i n es a f e t ye x i s t i n gi n f o r m a t i o ns y s t e m si n d u s t r yi sm o s t l yb a s e do nab u s w i r e dc o m m u n i c a t i o nt r a n s m i s s i o nn e t w o r k s b u tw i t hc o a lm i n i n ga n de x c a v a t i o n o ft h ep i p e l i n ee x t e n s i o n ，p u r ec a b l en e t w o r k se x i s tc o v c r a g e ，s c a l a b i l i t y , f l e x i b i l i t y , s u c ha st h ei n s u f f i c i e n tt om e e tt h en e e d so fp r o d u c t i o ns a f e t y i no r d e rt ob e t t e r a d d r e s st h i sp r o b l e m 。j nr e c e n ty e a r s 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 i r e l e s s p e r s o n a la r e an e t w o r k ，o rw p a n ) t e c h n o l o g yg r a d u a l l yd e v e l o p e d ，w eh a v et o s o l v et h ep r o b l e mp r o v i d e dan e ww a yo ft h i n k i n g w p a nt oc l o s ew i t h i nt h es c o p e o fe q u i p m e n tt oe s t a b l i s haw i r e l e s sc o n n e c t i o nt ow i t h i naf e wm e t r e so fm u l t i p l e d e v i c e st h r o u g hw i r e l e s sl i n ks ot h a tt h e yc a nc o m m u n i c a t ew i t he a c ho t h e ra n d e v e na c c e s st h ei n t e r n e to rl a n z i g b e et e c h n o l o g y , a sar e c e n t l ye m e r g i n gw e 气nc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g b t h ea g r e e m e n tw i t has i m p l e ，l o wc o s t ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，e a s yt on e t w o r k c h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sah o m es y s t e mc o n t r 0 1 b u i l d i n ga u t o m a t i o n i n d u s t r i a l m o n i t o r i n gt h ea r e ah a sab r o a dm a r k e ts p a c e b a s e do nz i g b e et e c h n o l o g y b a s e d i nv i e wo ft h ea e t n a ld e m a n df o rc o n 】 m i n es a f e t ye n v i r o n m e n to ft h ew i r e l e s sn e t w o r ki nc o a lm i n es a f e t ys y s t e m ，t h e a p p l i c a t i o no ft h es t u d y ；t h eb a s i ca l g o r i t h ma n dt h en e t w o r ko fu n d e r g r o u n d r o a d w a yc h a r a c t e r i s t i c so ft h ed i s t r i b u t i o n o ft h ea l g o r i t h mi nt h ep r a c t i c a l a p p l i c a t i o nc a r r i e do u tan u m b e ro fi m p r o v e m e n t st of u r t h e re n h a n c et h eo r i g i n a l a l g o r i t h mo fn e t w o r kp e r f o r m a n c e ；t h ee s t a b l i s h m e n to ft h en e t w o r k ，s u c ha st h e a d d i t i o no fn o d e sp r o c e s sr e s e a r c h d e t a i l e dd e s c r i p t i o no ft h ee q u i p m e n ti 1 1t h e e s t a b l i s h m e n to fn e t w o r k s ，j o i nt h en e t w o r ko ns p e c i f i ci s s u e ss u c ha st h et r e a t m e t a t p r o c e s s ，a n dt h e i ro w nm i n es a f e t yi n f o r m a t i o ns y s t e m s u s i n gaw i r e da n dw i r e j e s s n e t w o r kw i t hac o m b i n a t i o no fn e t w o r k ，a n de x p a n d e dc o a lm i n es a f e t ys y s t e m c o n t r o lo ft h ew h o l ei n f o r m a t i o ns y s t e ms c a l a b i l i t y , a n df l e x i b i l i t yt oe n h a n c et h e i n f o r m a t i o nc o l l e c t i o n i nt h i sp a p e r 。t h ec o n t e n to fw h i c hi st h em a i nr e s e a r c hc o m p a n yk j 2 9 3t h e h i g h t e c hs y s t e mo fw i r e l e s s t r a n s c e i v e rm o d u l ef o ru p g r a d i n gb a s e do nt h e c o m p l e t i o no ft h er e s e a r c hn e t w o r kf u n o t i o n s t h i sa r t i c l ew i l lc o n t i n u et ob a s et h e n e e d so fw i r e l e s sn e t w o r ko nt h ee x i s t i n gw i r e l e s st r a n s c e i v e rl e t t e ro ft h em a c h i n e i sg i v e nac o m p l e t ed e s i g no ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ef l o wc h a r ta n dc o m p l e t e t h ee n t i r ed e s i g n k e y w o r d s ：c o a lm i n es a f e t y , w p a n ，z i g b e e ，r o u t i n gp r o t o c o l s ，s y s t e mi n t e g r a t i o n 插图清单 图3 1 协议框架1 0 图3 28 6 8 9 1 5 m k z 频段调制过程1 1 图3 32 4 g 频段调制过程1 2 图3 4m a c 子层组成与接口模型1 4 图3 5 数据传输到协调器1 6 图3 6 数据从协调器传出1 6 图3 7 网络层组成和接口模型1 9 图3 。8 网络拓扑结构2 0 图3 9 通用帧格式2 l 图4 1 原系统信号流程2 6 图4 2 监控网络结构图2 7 图4 3 星型和点对点拓扑结构图2 8 图4 4 簇树网络2 9 图4 5 井下无线网络3 0 图4 6 组网流程3 2 图4 7 井下巷道节点示意图3 3 图4 8 服务原语”3 4 图4 9 关联消息序列图4 8 图5 1h j 7 3 2 2 原理框图5 0 图5 2h j 7 3 1 2 原理框图5 2 图5 3 程序结构图5 3 图5 4 程序初始化流程5 4 图5 5 数据发送流程5 5 图5 6 数据接收流程5 6 表格清单 表2 1 几种无线通信技术的比较7 表3 1 比特一片序列转换表1 l 表3 1 符号一3 2 位码片转换表1 3 表3 3p p d u 格式1 4 表3 4 超帧结构1 5 表3 5m a c 帧结构1 7 表3 6 帧类型子域值1 7 表3 7 地址模式判断1 8 表3 8 路由表，2 l 表3 9 路由发现表2 1 表3 1 0 帧控制域2 2 表3 1 1 帧类型子域2 2 表3 1 2 发现路由子域2 2 表4 1m l m e s c a n r e q u e s t 参数表3 6 表4 2m l m e s c a n c o n f i r m 原语参数表3 7 表4 3m l m e s e t r e q u e s t 参数描述3 9 表4 4m l m e s e t 。c o n f i r m 参数描述。4 0 表4 5 请求原语参数表4 l 表4 6 确认原语参数表4 2 表4 7p a n 描述列表4 3 表4 8m l m e - a s s o c i a t e r e q u e s t 参数描述4 4 表4 9m l m e a s s o c i a t e c o n f i r m 参数描述4 5 表4 1 0m l m e a s s o c i a t e i n d i c a t i o n 参数描述4 6 表4 1 1 短地址分配表4 7 表4 1 2m l m e a s s o c i a t e r e s p o n s e 参数描述4 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金世王些盍堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：蔗过哗签字日期：抄0 7 年f 2 月工。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒月2 王些杰堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权盒目工些盍 学可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) n 学位论文者签名 黜阱 导师签名 签字日期：加。1 年n 月功日签字目期：加，7 年1 2 月动日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 致谢 在这里，我首先要衷心感谢的是我的导师魏臻教授。在我的研究生学 习期间，魏老师在我的学习和生活上均给予了我悉心的指导和热情的关 怀，倾注了大量的心血，使我在各方面均有长足的进步。魏老师活跃的学 术思想，渊博的知识，丰富的经验、忘我的工作态度、对事物敏锐的观察 力都令我钦佩不已，给我留下了深刻的印象。在魏老师身上，我看到了一 个成功者的胸怀和师长的风范，让我受益终身。值此论文完成之际，谨向 导师致以衷心的感谢。 感谢我的同学欧明、郭智奇、段布托，在我的研究生学习生涯中，他 们一直给予我最真诚的帮助和关心，给了我很多学习上的指导和生活上的 帮助。同时还要感谢其他老师和同学在我攻读硕士学位期间给予我无私的 帮助和友情。还要特别感谢合肥工大高科程磊、鲍红杰同志，他们在我学 习道路上给予了莫大的帮助和指导。 同时，由衷的感谢我的父母和我的亲人朋友们，你们的支持给了我学 生生活的帮助，你们的关心给了我奋发向前的动力，是你们在背后默默的 支持使我能顺利的完成研究生学业。 最后，真诚地感谢有关专家和学者对本文的评阅和指导。 作者：熊振华 2 0 0 7 年1 1 月1 0 日 1 1 研究背景 第一章绪论 目前我国的煤矿安全生产形势非常严峻，中国煤炭产量占世界的百分之三 十一，但煤矿死亡人数却占到世界的百分之七十九。这反映了我国煤矿安全技 术相对落后，煤矿安全信息化技术不高，井下安全信息不能及时传到井上生产 控制中心，造成井下与井上的信息不对称。通过煤矿行业安检设备的调查研究， 我们已经研究开发了一套煤矿安全监控系统，预防和及时处理各种突发事故和 自然灾害，同时提供了相应的井下救助信息，一旦发生事故，可以引导矿工及 时撤离事发地点，并为井上救助人员提供井下信息辅助搜救。 但是，现有的煤矿安全信息系统都是以工业总线为基础，构成有线的通信 传输网络。但是伴随煤矿开采掘进而带来的管道延伸问题，有线网络存在覆盖 率，扩展性，灵活性方面的不足，为了更好解决这个问题，引进无线网络来完 善整个信息系统。 本文以k j 2 9 3 系统中的井下无线收发讯机为背景，详细研究了基于z i g b e e 技术的无线网络在煤矿安全系统中的应用研究【如【4 】。 1 2 国内外研究现状分析 我国矿并监控技术经过多年的开发研究，目前已有2 0 多种型号的系统通过 了技术鉴定。其中有不少系统已经在煤矿中得到应用。这些系统的特点是信息 和被控设备在空间上是分散的，在局部地区又是相对集中的。为适应这一特点， 必须选择合理的结构，以获得最佳性能和价格比。 国外煤矿多数为露天煤矿，且国外采用大型自动化、机械化、智能化成套 机械设备，以及现代的高科技手段，将事故的发生率大大降低。我国大多数煤 矿是井下采掘，而且随着开采深度的不断增加，开采强度的不断增强，井下情 况变得更为复杂，一旦发生事故，救助工作也难以开展。 综合国内外煤矿安全系统的特点，我们研究发现，现阶段随着矿井开采深 度增加，系统的扩展性和现行通信网络灵活性不强，造成了已经存在的信息安 全系统的更新速度不够。由于开采计划伴随井下煤炭的分布情况而变化，有线 网络的扩展跟不上开采的实际要求，使得网络的数据可靠性和实时性得不到保 证，难以确保重要的安全数据、控制数据和井下仪表的检测数据及时的传输。 现行的无线网络技术还没有适合煤矿安全系统的具体应用。 目前的无线网络根据通信距离的不同可以分为无线广域网( w a s ) 、无线局 域网( w l a n ) 、无线个人区域网( w p a n ) - - - 类，它们的有机结合，构成完整的无 线互连网络体系。w a n 是范围较小的无线网络，目标是用无线电或红外线代替 传统的有线电缆，以低价格和低功耗在1 0 0 m 范围内实现个人信息终端的智能 化互联，组建个人化信息网络。由于生产和生活中的控制应用往往是限定到一 定地域范围内，因此各种短距离无线通信技术得到了广泛的发展。目前，短距 离无线通信技术主要有i r d a 技术、蓝牙技术、w i f i 技术、z i g b e e 技术等。在 这些系统中i r d a 由于它是一种视距传输，传输数据时两个设备之间不能有阻 挡物，必须对准且只限于两台通讯设备，无法灵活构成网络。难以适应井下无 线组网的需要。而蓝牙和w i f i 也由于其高成本和比较高的功耗，不适合井下 设备大量采用。 z i g b e e 技术作为一个最近新出现的w a n 通信技术。以其协议简单、成本 低、功耗低、组网容易等特点，在家用系统控制、楼宇自动化、工业监控领域 具有广阔的市场空间。因此，采用z i g b e e 技术来提高煤矿安全无线网络的实时 性和可靠性就成为我们解决井下安全问题的一个新的思路。 1 3 论文的研究意义 我国煤矿安全信息技术的网络化程度不高，井下安全信息不能及时传到井 下生产控制中心，导致煤矿事故颓发。现有的煤矿安全信息系统大多是通过有 线网络建立的，随着煤矿开采的日益变化，煤矿井下的物理结构日新月异地改 变着，原先设计好的有线网络传输系统很难做到完全的监测覆盖，重新建立新 的有线网络系统，在成本上，人力上，扩展性等方面都不符合实际情况的发展。 因此，建立一套灵活，可靠，扩展性强的煤矿安全无线传输网络迫在眉睫。 针对目前各种煤矿安全产品的多样性，以及煤矿开采过程中井下空间的多 变性，煤矿安全无线网络应该具有兼容现行煤矿安全系统数据传输方式的功能， 具有很好的灵活性，可扩展性，自组织网络的能力。由于矿井下有其特殊的应 用环境，比如外界的环境影响，比较广阔的覆盖范围等因素，对于井下无线网 络的数据传输提出了很高的要求。我们从无线组网的角度出发，结合低功耗的 设计思想，将先进的无线网络协议引进到煤矿安全系统中来，进行通信协议研 究，使得嫖矿安全系统的数据传输性能和效率都得到大大的提高，也为今后更 近步的研究做一个基础，从而提高我国煤矿整个行业的信息技术化进程，降低 系统扩展所带来的成本。 1 4 研究内容 在i e e e 8 0 2 1 5 4 标准的基础上，根据矿井下特殊的应用环境，从无线路由 和灵活组网的角度出发，对现有的无线通信协议进行研究，设计无线网络。在 z i g b e e 协议研究基础之上，通过对无线路由算法和自组网络灵活性的研究，实 现煤矿安全系统的有线网络和无线网络的集成，提高煤矿安全系统的灵活性和 可靠性。最后结合当前主流的z i g b e e 设备解决方案对已有的无线收发讯机进行 了重新设计给出了完整的解决方案。 拟解决的关键问题： ( 1 ) i e e e 8 0 2 1 5 4 标准的研究。 ( 2 ) 设计适用于煤矿安全系统的井下无线网络。 ( 3 ) 通过对通信协议的研究，研究无线组网的算法和自组织网络等技术在系 统中的应用。 ( 4 ) 硬件设计，软件设计。 1 5 论文安排 本文分七章对本文的研究工作进行阐述 第一章引言 简要介绍煤矿安全无线网络系统的研究背景，国内外煤矿安全系统在这个 领域的研究现状，阐述论文研究的意义和研究的主要内容，以及说明本文的内 容安排。 第二章无线网络概述 对当前主流的几种无线网络技术进行简要的介绍，从而阐述在煤矿安全系 统中选用z i g b e e 技术的理由，以及z i g b e e 技术的特点。 第三章z i g b e e 协议栈概述 对于z i g b e e 协议栈进行分析，介绍协议栈的基本结构和功能，针对当前几 种主流的z i g b e e 解决方案和本网络系统提出的特点，选择种合理的解决方 案，为后续的开发做准备。 第四章组网方法的研究 对以z i g b e e 技术为基础的无线网络在煤矿安全系统中的应用进行研究。针 对实际煤矿安全环境的需要，提出基本的组网算法并结合井下工作环境的实际 情况对算法在实际的应用中进行了一些改进，进一步提升了原算法的组网性能。 对网络的建立，节点的加入等流程进行研究。详细说明了设备在建立网络，加 入网络等具体问题上的处理流程。 第五章软硬件模块设计 介绍无线收发讯机的硬件设计和软件设计，基本设计图以及软件的各个基 本部件的设计，软件的功能，开发平台，程序结构以及主要的程序模块等内容。 第六章总结和展望 对于本文的内容，和网络设计的方案进行总结，对于今后的应用进行展望。 2 1 无线网络概述 第二章无线网络概述 目前的无线网络根据通信距离的不同可以分为无线广域网( w a n ) ，无线局 域网( w l a n ) 、无线个人区域网( w p a n ) - - - 类，它们的有机结合，构成完整的无 线互连网络体系。w a n 是范围较小的无线网络，目标是用无线电或红外线代替 传统的有线电缆，以低价格和低功耗在1 0 0 m 范围内实现个人信息终端的智能 化互联，组建个人化信息网络。由于生产和生活中的控制应用往往是限定到一 定地域范围内，因此各种短距离无线通信技术得到了广泛的发展。目前，短距 离无线通信技术主要有i r d a 技术、蓝牙技术、w i f i 技术、z i g b e e 技术等。 2 1 1i r d a 技术 成立于1 9 9 3 年的红外数据协会i r d a ( i n f r a r e dd a t a a s s o c i a t i o n ) 是致力于建 立红外线无线连接的非营利性组织。k d a 是一种利用红外线进行点对点通信的 技术，采用人眼看不到的红外光传输信息，软硬件技术都很成熟，在各种遥控 器、p d a 、手机等设备上广泛使用。 i r d a 的主要优点是无需申请频率的使用权，因而红外通信成本低廉。并且 还具有特定条件所需的体积小、功耗低、连接方便、应用简单的特点。此外， 红外线发射角度较小，传输上安全性高。i r d a 的不足之处在于它是一种视距传 输，传输数据时两个设备之间不能有阻挡物，必须对准。且红外技术只限于两 台通讯设备，无法灵活构成网络。i r d a 目前的研究方向是如何解决视距传输问 题及提高数据速率。 2 1 2 蓝牙技术 1 9 9 8 年，爱立信、诺基亚、i b m 等公司共同推出了蓝牙( b f l u e t o o t h ) 技术， 其标准版本为i e e e 8 0 2 1 5 1 标准。这是目前比较流行的一种无线个人区域网技 术，具有中等速率，用无线接口代替有线电缆的连接，具有很强的移植性。己 广泛用于p c 、打印机、传真机、手机等设备上。 蓝牙技术是一种无线数据和语音通信的开放性全球规范，其实质是为固定 设备或移动设备之间的通信建立通用的近距离无线接口，能在近距离范围内实 现相互通信或操作。它的工作频率为2 4 g h z ，有效范围大约在1 0 m 半径内，能 提供1 m b p s 的传输速率。蓝牙技术主要面向网络中各类数据及语音设备( 如p c ， 拨号网络、笔记本电脑、打印机、数码相机、移动电话和高品质音响等) ，通过 无线方式将它们连成一个微微网，多个微微网之间也可以互连形成分布式网络 4 ( s c a t t e rn e t ) ，从而方便、快速地实现各类设备之间的通信。 蓝牙技术的特点包括：采用跳频技术，抗信号衰落；用快跳频和短分组技术， 减少同频干扰，保证传输的可靠性；采用前向纠错( f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ， f e c ) 编码技术，减少远距离传输时的随机噪音影响；使用2 4 g h z 的i s m 频段， 无需申请许可证：采用f m 调制方式，降低设备的复杂性。蓝牙技术支持一个异 步数据通道，或3 个并发的同步话音通道，或一个同时传送异步数据和同步话 音的通道。 b 1 u e t o o t h 技术规定了包括p h y 、m a c 、网络和应用层等集成协议栈。为对 语音和特定网络提供支持，需要协议栈提供2 5 0 k b 系统开销，从而增加了系统 成本和集成复杂性。另外，b l u e t o o t h 对每个微微网只能配置7 个节点的限制， 制约了其在大型传感器网络开发中的应用。另外，蓝牙芯片的大小和价格难以 下调、抗干扰能力不强、传输距离太短等问题，制约了蓝牙的广泛应用。 2 1 3w i - f i 技术 w i f i ( w i r e l e s sf i d e l i t y ，无线高保真) ，正式名称是i e e e 8 0 2 1 l b 。 w i - f i 速率最高可达1 1m b s 。虽然在数据安全性方面比蓝牙技术要差一些，但电波 的覆盖范围却略胜一筹，可达1 0 0 m 左右。 w i f i 是以太网的一种无线扩展，理论上只要用户位于一个接入点四周的 一定区域内，就能以最高约1 1m b s 的速度接入w e b 。但实际上，如果有多个 用户同时通过一个点接入，带宽被多个用户分享，w i f i 的连接速度一般将只 有几百k b s 的信号。信号不受墙壁阻隔，但在建筑物内的有效传输距离小于户 外。 w i f i 未来最具潜力的应用将主要在s o h o 、家庭无线网络以及不便安装 电缆的建筑物或场所。目前这一技术的用户主要来自机场、酒店、商场等公共 热点场所。w i f i 技术可将w i f i 与基于x m l 或j a v a 的n e t 服务融合起来，可 以大幅度减少企业的成本。例如企业选择在每一层楼或每一个部门配备8 0 2 1 l b 的接入点，而不是采用电缆线把整幢建筑物连接起来。这样一来，可以节省大 量铺设电缆所需花费的资金【1 4 】。 最初的i e e e 8 0 2 1 1 规范是在1 9 9 7 年提出的，称为8 0 2 1l b ，它的工作频率 也是2 4 g h z ，与无绳电话、蓝牙等许多不需频率使用许可证的无线设备共享同 一频段。随着w i f i 协议新版本如8 0 2 1 1a 和8 0 2 1 1g 的先后推出，w i f i 的应 用将越来越广泛。速度更快的8 0 2 1 1g 使用与8 0 2 1 l b 相同的正交频分多路复 用调制技术。它工作在2 4 g h z 频段，速率达5 4 m b s 。根据最近国际消费电子 产品的发展趋势判断，8 0 2 1 lg 将有可能被大多数无线网络产品制造商选择作 为产品标准。 微软推出的桌面操作系统w i n d o w sx p 和嵌入式操作系统w i n d o w sc e ，都 包含了对w i f i 的支持。其中，w i n d o w sc e 同时还包含对w i f i 的竞争对手蓝 牙等其它无线通信技术的支持。由于投资8 0 2 1 l b 的费用降低，许多厂商介入 这一领域。i n t e l 推出了集成w l a n 技术的笔记本电脑芯片组，不用外接无线 网卡，就可实现无线上n t 。 2 1 4 z i g b e e 技术 z i g b e e 这个名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过 跳z i g z a g 形状的舞蹈来分享新发现的食物源的位置、距离和方向等信息。2 0 0 0 年1 2 月i e e e 成立了i e e e 8 0 2 1 5 4 工作组，致力于定义一种廉价设备使用的极 低复杂度、成本和功耗的低速率无线连接技术。2 0 0 3 年5 月i e e e8 0 2 1 5 4 标 准面世，定义了媒介接入控制层和物理层上的规范。z i g b e e 联盟在此基础上定 义其余的网络层、安全层和应用层，并负责高层应用、测试和市场推广等方面 的工作。z i g b e e 联盟于2 0 0 4 年1 2 月1 4 日宣布确定z i g b e e 的正式版规格。 z i g b e e 技术的主要优点：省电：由于工作周期很短、收发信息功耗较低、 并且采用了休眠模式，z i g b e e 技术可以确保两节五号电池支持长达6 个月到2 年左右的使用时间。数据传输速率低：只有2 0 k b i t s 一2 5 0 k b i t s ，专注于低速 数据传输应用。成本低：z i g b e e 模块的初始成本在6 美元左右，估计很快可 以降到1 5 美元，且z i g b e e 协议简单，大大降低了成本。网络容量大：一个 星型结构的z i g b e e 网络最多可容纳2 5 4 个从设备和1 个主设备，一个区域内最 多可以同时存在1 0 0 个独立且相互重叠覆盖的z i g b e e 网络。可靠：采用了碰 撞避免机制和完全确认的数据传输机制。安全：网络层和m a c 层都有安全 策略，且安全分级，各个应用可以灵活确定其安全属性。 z i g b e e 的主要应用在短距离范围之内并且数据传输速率不高的各种电子 设备之间。其典型的传输数据类型有周期性数据( 如传感器数据) 、间歇性数据 ( 如照明控制) 和重复性低反应时间数据( 如鼠标) 。随着z i g b e e 联盟推出相关技 术规范，半导体企业推出芯片解决方案，o e m 企业推出相关终端产品，市场分 析人士认为到2 0 0 6 年，z i g b e e 设备将达到每年4 亿台的市场规模。，并在6 7 年内占据三分之二的家庭自动化市场。 综上所述，各种不同的短距离无线通信标准都是根据不同的使用场合，不 同的用户需求而制定的。有的是为了增加带宽和传输距离，有的则是考虑移动 性和经济性。表2 1 对几种主要的短距离无线通信技术进行了比较概括。 6 表2 1 几种无线通信技术的比较 i r d a 蓝牙 1 】r i f i z i g b e e 工作频率 红外线 射频2 4 g射频2 4 g 射频2 4 g 8 6 8 91 h z 有效物理 2 0 c m - 1 2 m1 0 m 1 0 0 m2 5 m - 1 0 0 m1 0 m - 7 5 m 范围 最大传输1 6 1 d b p s1 l b p s1 l l d b p s2 5 0 k b p p s ， 速率2 0 4 0 b p s 主机协议 1 5 3 0 k6 0 - 2 8 0 kl m4 3 2 k 栈容量 网络节点 281 2 82 5 5 数 最大功耗数m w 1 0 0 m w1 0 0 m w3 0 m w 参考成本 n l m e l ( i i c p s s p ) 一m a c ls p “。”5 5 4 9 图3 7 网络层组成和接口模型 在i e e e 8 0 2 1 5 4 网络中，有一个称为p a n 网络协调器( p a nc o o r d i n a t o r ) 的f f d 设备，是l r w p a n 网络中的主控制器。p a n 网络协调器除了直接参与 应用外，还要完成成员身份管理，链路状态信息管理以及分组转发等任务。 1 9 3 4 1网络结构 可以组成三种网络拓扑结构： 星形( s t a r ) 点到点( p e a rt op e a r ) 簇树( c l u s t e rt r e e ) 网络三种结构如下图3 8 所示 甲， 穴蚀 譬_ 3 4 2 网络协议 图3 8 网络拓扑结构 网络层将主要考虑采用基于a d h o c 技术的网络协议，包含以下的功能：拓 扑结构的建立和维护，命名和关联业务，包含了寻址，路由和安全；有自组织， 自维护功能，以最大程度减少消费者的开支和维护成本。 网络中的路由表和路由发现表如表3 8 和3 9 所示，网络层数据帧的一般 格式如图3 9 所示。 表3 8 路由表 字段名大小 概述 目标地址 2 字节节点的1 6 位网络地址 状态 3 位 当前路由的状态信息 下一跳地址2 字节到目的地质的下一跳地址 表3 9 路由发现表 字段名大小概述 路由请求命令帧的一个厣夕u 路由请求i d 1号，每次初始化一个路由请 求的时候，这个序号增加1 路由请求发起者的1 6 位的网 源地址 2 络地址 最近最低花费的发送剑本地 址的路由请求发送命令帧。 发送地址 2 这个字节决定了路由应答命 令帧要走的路线 前面花费代从源地址累加到目前设备累 价 l 计路径花费总合 从目前设备节点到目标地址 剩余代价 1 累计路径花费总合 一个自减定时器给出了路由 时间期限 2 发现的期限 3 4 3网络中通用帧格式描述 字节：2 11 目标地址源地址广播半径广播序列号 可变净荷 帧控制路由子域 路由子域网络层净荷 图3 9 通用帧格式 网络层中的通用帧格式如图3 9 。 2 i 帧控制域： 有1 6 b i t s 长度，定义了帧类型，协议版本及其他控制标志。帧控制域如表 3 1 0 所示【2 0 1 。 表3 1 0 帧控制域 i 位o 1 2 56 78 9 l o 1 5 l 帧类型协议版本发送路由保留安全保留 帧类型子域： 有2 b i t s 长度，应用中应设置成表3 1 1 中的某一非保留值。 表3 1 1 帧类型子域 帧类型 ( b l b 0 ) 描述 0 0 数据 0 1 网络命令 1 0 1 l保留 发现路由子域1 6 】： 有两位长度，应用中应设置成表3 1 2 中的某一控制路由发现的操作。 表3 1 2 发现路由子域 值( b 7 b 6 )描述 0 ) 0禁止路由发现 0 x o l 使能路由发现 0 x 0 2强制路由发现 0 x 0 3 保留 目的地址和源地址： 1 6 位网络地址。源地址，每个网络数据帧都有的，目的地址可以是0 x f f f f ， 代表广播短地址，源地址和目的地址与m a c 层中的1 6 位短地址是相等的。 广播半径： 一个字节的长度，指定了传输的范围。 序列号： 每个数据帧都有的，一个字节的长度，这个值会增加1 ，当源节点开始传 2 2 输一个新的数据帧的时候。 3 5 应用层 应用会聚层将主要负责把不同的应用映射到z i g b e e 网络上，具体而言包 括：安全与鉴权，多个业务数据流的会聚，设备发现，业务发现。应用层由应 用支持子层( a p s ) ，z i g b e e 设备对象( z d o ) 及厂商定义的应用对象，应用 支持子层( a p s ) 的作用是维护设备绑定表，它具有根据服务及需求匹配两设 备的能力，且通过边界的设备转发信息。应用支持子层( a p s ) 的另一个作用 是设备发现，它能发现在工作范围内操作的其他设备。z d o 的职责是定义网络 内其他设备的脚色，如z i g b e e 协调器或末端设备，发起或回应绑定请求，在网 络设备间建立安全机制( 如选择公共密钥，对称密钥等) 等。厂商定义的应用 对象根据z i g b e e 定义的应用描述执行具体的应用。在本系统中附加了一层应用 层协议完成数据的通讯和控制业务。 3 6 当前主流的z i g b e e 解决方案： 目前在市场上存在的提供z i g b e e 解决方案有几种，常见的有： 3 6 1f r e e s c a l e ：m c l 3 1 9 1 ，m c l 3 1 9 2 和m c l 3 1 9 3 平台 提供m c l 3 1 9 1 ，m c l 3 1 9 2 和m c l 3 1 9 3 这三个平台，这三个平台已经全部 量产。其中m c l 3 1 9 1 对应低成本应用，通过f r e e s c a l e 提供的软件，用户可以 组建简单的星形网络；m c l 3 1 9 2 可以满足用户组织自己非标准网络的需求， f r e e s c a l e 提供符合i e e e 8 0 2 。1 5 。4 的m a c 软件，用户基于此在上面建立自己 的复杂网络；而m c l 3 1 9 3 是z i g b e e 产品，提供i e e e 8 0 2 1 1 4m a c 软件，再加 上z i g b e em a c 软件z s t a c k ，用户可以基于此建立起z i g b e e 网络。 此方案特点，射频模块和控制器模块是独立的，控制器是一个8 位低功耗 的单片机，应开发需要，可以选择不同的应用平台，价格不等陋j 。 3 6 2c h i p c o n ：s o c 解决方案c c 2 4 3 0 c h i p c o n 的c c 2 4 3 0 是一颗s o cc m o s 解决方案，它能够提高性能并满足 以z i g b e e 为基础的2 4 g h z i s m 波段应用低成本和低功耗的要求。它包含一个 高性能2 4 g h zd s s s ( 直接序列扩频) 射频收发器核心和一颗工业级小巧高效 的8 0 5 1 控制器。其中m c u 包括存储器及外围，其他模块提供电源管理，时钟 分配和测试等重要功能。 c c 2 4 3