（通信与信息系统专业论文）双路径煤矿环境多参数监测无线传感器网络的设计与实现.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：我国的煤炭储量十分丰富，煤炭在我国能源体系中占有很重的地位。但是 我国煤矿自然条件复杂，现有的煤矿环境监测系统不足以保证煤矿的安全生产。 煤矿监测系统的落后在数据采集上表现在监测参数单一，在传输方式上表现在有 线传输方式布网不灵活，网络维护开销大。在有线监控系统的基础上进一步融合 基于无线传感器网络的多参数监测系统，构成煤矿安全监测无线与综合信息系统， 将极大地提高煤矿环境监测与预警水平。正是在这种背景下，本文提出一种适合 于煤矿环境监测的双路径煤矿环境多参数监测无线传感器网络。 该网络的网络设备包括协调器、主路由器、辅助路由器和端节点。协调器负 责建网和对全网的管理；主路由器负责维护主通信路径，辅助路由器负责维护备 用通信路径，这就在网络结构上保证了数据传输的可靠性；每个端节点可以监测 多种环境参数，为煤矿的安全生产提供更加全面的保障。为了完成网络的监测功 能，根据无线传感器节点的通用结构设计了网络节点的硬件，并在z i g b e e 协议的 基础上开发了节点的通信软件。 为了保证网络拓扑顺利建立分别针对协调器建网、主路由器入网、辅助路由 器入网和端节点入网4 个过程进行了软件实现，并且提出了网络地址分配算法。 针对节点离开和新节点加入两种网络结构变动的情况提出了网络结构维护措施。 为了尽可能降低网络的能耗，为网络中的节点设计了能耗依次降低的工作、侦听 和睡眠三种状态。 网络的数据采集与传输采用周期巡检或者中断唤醒的方式，为了满足多参数 的监测需求对硬件进行了合理的配置，设计了数据的存储格式，以及数据传输中 的路由机制。为了保证网络的可靠性开发了基于数据传输的网络管理功能，并且 结合协议和数据的融合方式分析了网络的容量。 为了保证数据传输的可靠性和网络运行的稳定性，结合数据的传输过程设计 了数据冲突避免方法和网络的同步策略。 最后在实验室环境下针对网络拓扑建立、数据采集和传输以及网络的管理功 能进行了实验，实验结果表明网络拓扑可以成功建立，数据能够成功地采集和传 输并且网络能够在数据传输过程中完成预期的网络管理功能。这为以后把该网络 应用于实际的监测系统打下了基础。 关键字：煤矿；环境监测；多参数；双路径；无线传感器网络；z i g b e e ；网络管 理 分类号：t d 6 7 6 ；t n 9 1 5 9 a bs t r a c t a b s t r a c t ：t h er e s e r v e so fc o n la r er i c hi no u rc o u n t r ya n dc o a lp l a y sav e r y i m p o r t a n tr o l ei nt h es t a t er e s o u r c es y s t e m b u tt h e n a t u r a lc o n d i t i o n so fc o a lm i n ei n o u rc o u n t r ya r ec o m p l i c a t e d ， w h a t sm o r e ，t h ee x i s t e dc o a lm i n ee n v i r o n m e n t m o n i t o r i n gs y s t e m sa r eb e h i n d h a n d ，w h i c hp r e s e n t si nt w oa s p e c t s t h ef i r s to n e i s i n f l e x i b l ew i r e dt r a n s p o r t a t i o nn e t w o r kl i m i t i n gm o n i t o r i n gs c o p ea n dt h eo t h e ro n e i s m o s to ft h es y s t e mc a no n l ym o n i t o r i n go n ep a r a m e t e r b o t ho ft h e mr e s u l ti nm a n y p r o d u c t i o nt h r e a t s t h e r e f o r e ，ad o u b l ec h a n n e l sw s n ( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ) f o r c o a lm i n ee n v i r o n m e n tm u l t i p a r a m e t e rm o n i t o r i n gi sp r o p o s e d d e v i c e so fm en e t w o r ki n c l u d ec o o r d i n a t o r , m a i nr o u t e r , a s s i s t a n tr o u t e ra n de n d d e v i c e c o o r d i n a t o ri sr e s p o n s i b l ef o rn e t w o r kf o u n d a t i o na n dm a n a g i n gt h ew h o l en e t ； m a i nr o u t e ri sr e s p o n s i b l ef o rm a i n t a i n i n gt h em a i nc o m m u n i c a t i o nc h a n n e la n d a s s i s t a n tr o u t e rm a i n t a i n i n gt h es p a r eo n e ，a n dt h e r e f o r et h es t a b i l i t yo fc o m m u n i c a t i o n c a l lb eg u a r a n t e e d ；e a c he n dd e v i c ec a nm o n i t o r i n gm u l t i p a r a m e t e r , w h i c hp r o v i d e sa n a 1 1 a r o u n dg u a r a n t e ef o rs a f ep r o d u c t i o n i no r d e rt or e a l i z et h em o n i t o r i n gf u n c t i o n so f t h en e t w o r kh a r d w a r ei sd e s i g n e db a s e do nt h eu n i v e r s a ls t r u c t u r eo fw s na n d c o m m u n i c a t i o ns o f t w a r ei sd e v e l o p e db a s e do nz i g b e ep r o t o c 0 1 i no r d e rt og u a r a n t e et h ef o r m a t i o no fn e t w o r kt o p o l o g y , s o f t w a r ei sd e v e l o p e d w i t hr e s p e c tt ot h ef l o w so fc o o r d i n a t o rs e t t i n gu pn e t w o r k ，m a i nr o u t e rj o i n i n g n e t w o r k ，a s s i s t a n tr o u t e rj o i n i n gn e t w o r ka n de n dp o i n t sj o i n i n gn e t w o r k t o p o l o g y m a i n t e n a n c em e t h o d sa r ep r o p o s e dt om a n a g et h ee m e r g e n c eo fn o d e sl e a v i n ga n d j o i n i n g i no r d e rt or e d u c et h ep o w e rc o n s u m p t i o n3s t a t e sa r ed e s i g n e df o rt h en o d e s ： w o r k i n g , l i s t e n i n ga n ds l e e p i n g d a t ai sc o l l e c t e da n dt r a n s p o r t e du s i n gp e r i o d i cm o n i t o rm o d eo ri n t e r r u p t i v e m o d e i no r d e rt om e e tt h en e e do fm u l t i p l ep a r a m e t e r sm o n i t o r i n gh a r d w a r ei s c o n f i g u r e da n dd a t af o r m a ti sd e s i g n e d r o u t i n gm e c h a n i s m i sd e s i g n e dt om a k es u r e t h a td a t ac a nb et r a n s p o r t e dt ot h ec o o r d i n a t o r d a t ab a s e dn e t w o r km a n a g e m e n t f u n c t i o n sa r ed e v e l o p e da n dn e t w o r kc a p a c i t yi sa n a l y z e di nv i e wo fl i m i t a t i o no f z i g b e ep r o t o c o la n dw a y o fd a t af u s i o n c o l l i s i o na v o i d a n c em e t h o d sa n ds y n c h r o n i z a t i o nm e c h a n i s m a r ed e s i g n e df o rt h e p u r p o s eo fg u a r a n t e e i n g t h er e l i a b i l i t yo fd a t at r a n s p o r t a t i o na n ds t a b i l i t yo fn e t w o r k a tl a s ts o m ee x p e r i m e n t s o nn e t w o r kf o u n d a t i o n ，d a t ac o l l e c t i n ga n d a b s t r a c t t r a n s p o r t a t i o na n dn e t w o r km a n a g e m e n ta r ee x e c u t e d i nt h el a b t h er e s u l to f e x p e r i m e n t si n d i c a t e dt h a tt o p o l o g yo fn e t w o r kc a nb es e tu p ；d a t ac a l lb eb o t h c o l l e c t e da n dt r a n s p o r t e ds u c c e s s f u l l ya n de x p e c t e dm a n a g e m e n tf u n c t i o np e r f o r m e d w e l l k e y w o r d s ：c o a lm i n e ；e n v i r o n m e n tm o n i t o r i n g ；m u l t i p a r a m e t e r ；d o u b l ec h a n n e l s ； w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ；z i g b e e ；n e t w o r km a n a g e m e n t c l a s s n 0 ：t d 6 7 6 ；t n 9 15 9 v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：_ 咯需 导师签名： 辛；仁 签字同期：硎年莎月1 2 日 签字同期：? 彬砗舌月i z 同 北京交通人学硕十学位论文 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学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已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 7 6 致谢 本论文的工作是在我的导师杨维教授的悉心指导下完成的，杨维教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来杨维 教授对我的关心和指导。 冯锡生教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，张德珍、林宇、习凤娥等同学对我论文中的 相关研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。大家在科研过程 中相互帮助，我从他们那里学到了很多，我们也在科研过程中结下了深厚的友谊。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 最后衷心地祝福我的导师杨维教授和恩师冯锡生教授以及所有给予我知识的 老师工作顺利，生活愉快；祝我的同学学习进步，心想事成：祝我的家人身体健 康。 引言 1引言 1 1我国煤矿安全监测工作现状 我国的煤炭资源比较丰富，煤炭是我国最主要的能源。在我国的能源工业中， 煤炭占我国能源生产和消费的7 0 左右，而且预计到2 0 5 0 年还将占5 0 。随着 煤炭增长方式的转变、煤炭用途的扩展，煤炭的战略地位更加重要。然而近年来， 我国煤炭行业的安全生产形势不容乐观，重、特大伤亡事故屡见报端，据不完全 统计，2 0 0 3 年中国煤炭产量占世界产量的3 5 ，而煤矿事故伤亡人数却占8 0 。 仅2 0 0 4 年一年就有6 0 0 9 名煤矿工人死于矿难。引起这些事故的原因是多种多样 的，而但就任何一种原因来说又是由多种因素导致的。这些事故的产生除了与煤 矿的管理不规范有关外，一个很重要的原因是目前不存在与煤矿的重要地位相适 应的高性能的煤矿环境监测系统l l 】。 我国煤矿监测技术起步较晚，2 0 世界8 0 年代初，才从国外引进了一批安全 监测系统，同时通过消化吸收并结合我国煤矿生产的实际情况研制了一批自己的 监测系统。最近几年，随着电子技术和相关技术的发展，国内各主要科研单位和 生产厂家又相继推出了一系列的监测系统。目前我国普遍采用的煤矿环境监测系 统都以工业总线作为基础，井下监测系统与地面信息中心一般通过电缆或光纤连 接，构成有线的通信传输网络，这些线路需要有专业人员建立和维护口1 。另外现 在的一些以无线方式传输的监测系统的功能也不完善。综合分析这些监测系统的 不足突出表现在以下几个方面： 1 ) 有线通信方式布线复杂，劳动强度高，同时铺设速度较慢，容易在建设初 期形成安全上的盲点； 2 ) 监测参数单一。现存的监测系统一个监测点一般只能监测一个参数。但是 任何一个事故的发生都是由多种因素导致的。以占煤矿事故比例最大的瓦斯爆炸 为例，煤矿瓦斯爆炸的诱导因素又包括大气压力，瓦斯浓度，风速等。因此对于 监测系统来说，仅仅监测一种参数是远远不够的。 3 ) 有线网络结构相对固定，不适合掘进工作面延伸的动态变化要求；在煤矿 实际开采过程中，经常需要对某一地区进行试探性挖掘，由于形成的探测巷长度 事先无法预知，巷道随时可能废弃或者增加掘进深度，所以对于工业总线而言， 其扩展性、灵活性存在不足，还容易造成资源的浪费和成本的提高； 4 ) 监测点相对固定，容易出现监测盲区； 5 ) t 作现场的通信线路容易遭受破坏，而且破坏后的恢复周期一般较长； 北京交通人学硕士学位论文 6 ) 通信线路维护成本高，造成部分煤矿出现边维护、边生产的违规现象，甚 至有些煤矿干脆不维护【3 1 。 综上所述，虽然我国的煤矿监测系统最近有所发展，但还存在很多不容忽视 的问题，不可避免地会留下一些安全隐患。有线传输方式限制了监测的范围和灵 活性，而单一的监测参数又给灾难的预防带来很大的困难。要为煤矿灾难预防提 供有效的数据支持需要对一氧化碳、瓦斯、风速、湿度、气压等各种参数进行监 测。要进一步提高煤矿环境监测的水平，需要更先进的监测网络作为保证。近年 来通信技术和微电子等相关技术的发展，以及无线传感器网络的兴起，为设计多 参数的，基于无线传感器网络的煤矿环境监测系统提供了基础理论和技术层面上 的支持。 1 2 无线传感器网络简介 无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，w s n ) 最初是由美国高级国防研究中 心针对军事应用提出并设计的，被认为是2 1 世纪最重要的十大新技术之一。该网 络是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形 成的一个多跳的自组织网络系统，其目的是协作地实施监测、感知和采集环境信 息，并对数据进行处理，传送到监测中心。无线传感器网络综合了传感器技术、 遥测遥控技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和无线通信技术，是一个 范围广、自组织、动态性和可靠的网络。近年来随着微型制造技术、无线通信技 术和电池技术的进步，促使低成本、低功耗的微型无线传感器的大规模生产制造 成为可能。 无线传感器网络与传统的无线网络( 女u w l a n 和蜂窝移动电话网络) 有着不同 的设计目标。后者在高度移动的环境中通过优化路由和资源管理策略最大化带宽 的利用率，同时为用户提供一定的服务质量保证。而在无线传感器网络中，除了 少数节点需要移动以外，大部分节点都是静止的。网络设备体积小、能耗低，并 通过无线网络传播信息，具有部署方便、建网迅速的特点，不易受到目标环境的 限制，因此对比传统的有线传感器网络而言，具有无可比拟的优势。人们依靠无 线传感器网络可以实时监测外部环境，实现大范围、自动化的信息采集。它特别 适合布置在电源供给困难或人员不易到达的区域。无线传感器将被广泛地应用于 有害气体的监测、移动目标的跟踪、环境状态变化的监测等方面1 4 】。 各种无线传感器节点的典型硬件平台之间尽管存在着差异，但他们都具备一 些必须的结构。一个传感器节点的通用结构如图1 1 所示 5 1 。 2 引言 图1 - 1无线传感器。侉点体系结构 f i g 1 1 s t r u c t u r eo f aw i r e l e s ss e l l $ o rn o d e 1 ) 控制器。控制器处理所有相关的数据，通过软件控制整个节点的运行和实 现不同的功能，一般是高性能单片机1 。 2 ) 存储器。通常程序和数据使用不同类型的存储器。数据一般存储在r a m 中， 邻居节点信息存储在r o m 中。 3 ) 传感器和执行器。它们是与外围设备的真正接口：该设备可以根据控制器 的要求监测环境的物理参数，并按照控制器的指示采取相应的措施。 4 ) 通信装置。实现节点间的互联，在各节点间传递数据。 5 ) 电源。通常情况下，直接供电不太实际，所以传感器节点一般采用电池供 电。 这些部件必须在保持尽可能小的功耗与顺利完成任务之间进行折中。通信装 置和控制器要尽量关闭，控制器通过编程设置丌机时间，唤醒节点。 除了硬件外，通信协议也是保证节点顺利完成功能的重要保证。典型的传感 器节点协议栈结构如图1 2 所示。 图1 2 典型的传感器节点协议栈结构 f i g 1 2t y p i c a lp r o t o c o ls t a c ks t r u c t u r eo fs e n s o rn o d e 北京交通大学硕士学位论文 协议的整体框架参照国际标准化组织( 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 ，i s o ) 的开放系统互联( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t ，o s i ) 模型，包括物理层、数据链路层、 网络层、传输层和应用层。另外，协议栈还包括能量管理平台、移动性管理平台 和任务管理平台三部分。节点的软件部分通过对硬件部分的控制，使得传感器节 点能够在保证完成任务的前提下尽可能节省能源。 1 3无线传感器网络在煤矿环境监测中的应用 无线传感器网络组网非常灵活，网络结构可以随着需要动态变化，是以数据 为中心的网络口1 ，这些特点使得它很适合于煤矿环境监测这一领域。 煤矿的结构比较复杂，随着开采的进行巷道结构也会有所变化，并且环境的 参数都比较简单，这些特点也决定把无线传感器网络应用于煤矿环境监测中会取 得比较好的效果。 目前一些科研单位已经开始把无线传感器网络应用于煤矿环境监测中，并且 已经通过实验证明了方案的可行性。这方面的代表有煤矿瓦斯监测层次型无线传 感器网络等。 煤矿瓦斯监测层次型无线传感器网络软件基于z i g b e e 通信协议开发，采用 上层骨干网和下层基础网的双层网络结构，网络中存在端节点、路由器和协调器 三种网络设备。下层网络由端节点组成，负责数据的收集；上层网络由路由器和 协调器组成，负责数据的传输和网络管理工作。假设一个路由器带4 个端节点， 网络结构如图卜3 所示哺1 。 e n n 固 端节点 路由器 q 协调器 器 图1 3 层次型无线传感器网络例图 f i g1 - 3 as a m p l eo fh i e r a r c h yw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k 这种网络具有周期巡检和中断唤醒两种工作模式，实验室和煤矿巷道的实验 都表明这种网络在可以成功地应用于煤矿瓦斯监测中。但是该网络还是仅适合于 4 引言 单一参数的监测要求，并且网络在稳定性、灵活性等方面还存在着些缺陷。因 此需要开发更先进的煤矿环境监测网络。 1 4 论文结构和主要工作 本文主要研究双路径煤矿环境多参数监测无线传感器网络的硬件和软件平 台，网络的拓扑形成过程和网络结构的维护，对双路径网络的性能进行理论上的 分析；中断唤醒和周期巡检两种模式下数据的采集和传输，重点设计了周期巡检 模式下的数据采集和收集流程：最后总结了实验情况。全文共分七章，结构如下： 第一章为引言，分析了煤炭资源在我国经济生活中的重要地位和目前我国煤 矿开采的现状，回顾了我国煤矿环境监测系统的发展过程和当前正在使用的煤矿 监测系统的不足，概括地介绍了无线传感器网络的发展和特点并简单介绍了一个 将无线传感器网络用于煤矿监测系统的成果煤矿瓦斯监测层次型无线传感器 网络。 第二章介绍双路径煤矿环境多参数监测无线传感器网络的硬件结构和软件基 础z i g b e e 协议。 第三章设计双路径煤矿环境多参数监测无线传感器网路的拓扑结构，对结构 的形成过程和自动维护过程进行了详细的讨论。 第四章设计了网络的数据采集和传输流程，在数据传输中融入网络管理的功 能，设计了数据采集和传输过程中各种网络设备的软件。 第五章分别为设计了子网内部和全网的数据收发冲突避免策略和保障网络运 行的同步机制。 第六章对实验情况进行了总结，对实验结果进行了分析。 第七章对全文进行了总结，并对未来的工作做了展望。 5 北京交通大学硕士学位论文 2 网络通信协议和软硬件环境 任何一种网络要顺畅运行都需要硬件平台做基础，通信协议作保证。无线传 感器网络是一种应用性很强的网络，根据不同的应用会有不同的硬件平台，通信 协议也会有所不同。本文所设计的双路径煤矿环境多参数监测无线传感器网络采 用z i g b e e 协议作为通信协议，并且根据所选的协议设计了相应的硬件节点。 2 1 z i g b e e 协议 z i g b e e 协议是一种新兴的应用于短距离、低功耗、低速率、低成本无线通信 场合的通信协议。z i g b e e 协议所具有的特点基本上满足了煤矿环境监测工作的要 求【9 】。 2 1 1 协议的产生背景 z i g b e e 协议是伴随着短距离无线通信的发展和z i g b e e 联盟的成立发展起来 的。近十年来，随着半导体技术和无线通信技术的不断发展，陆续出现了许多新 的短距离无线通信技术，仅仅从i e e e 8 0 2 1 1 工作组就产生出了许多新的协议标 准，如8 0 2 1 l b ，8 0 2 1 l a ，8 0 2 1 1 9 ，8 0 2 1 1 h 以及高性能无线局域( h i p e r l a n ) 技术等，其传输速率和传输距离都得到了很大的提高。此外，其它已经得到应用 的无线通信技术还有很多，如红外( i r d a ) 技术、数字增强无绳电话( h o m e r f ) 技术、 蓝牙( b l u e t o o t h ) 以及超宽带( u w b ) 无线通信技术等，这些无线通信技术的性能参 数和应用场合相差很大。 对于多数的无线网络来说，无线通信技术应用的目标旨在提高数据的传输速 率和传输距离，而在诸如工业控制、环境监测、商业监控、汽车电子、家庭数字 控制等应用中，系统传输的数据量小，传输速率低，系统所采用的终端节点通常 是电池供电的嵌入式设备。因此，这些系统要求传输设备具有成本低、功耗小的 特点。针对这些特点和需求，英国i n v e n s y s 公司、日本三菱电气公司、美国摩托 罗拉公司以及荷兰飞利浦等公司在2 0 0 2 年宣布组成z i g b e e 技术联盟，该联盟主 要致力于短距离、低功耗、低速率无线传输技术的研究，人们把该联盟的研究内 容成为z i g b e e 技术。目前，该联盟已经发展和壮大为由1 0 0 家芯片制造商、软件 6 网络通信协议和软硬件环境 开发商、系统集成商等公司和标准化组织组成的技术组织，而且，这个技术联盟 还在不断地发展壮大。 2 0 0 3 年1 1 月，美国电气和电子工程协会( i n s t i t u t eo fe l e c t f i c a la ne l e c t r o n i c ， i e e e ) 式发布了该项技术的物理层和m a c 层所采用的标准协议，即8 0 2 1 5 4 协议 标准；一年之后，2 0 0 4 年1 2 月，z i g b e e e 联盟在8 0 2 1 5 4 协议的基础上设计了网 络层和其它上层协议，这些协议和8 0 2 1 5 4 协议一起统称为z i g b e e 协议，该协议 成为z i g b e e 技术的标准协议。图2 1 清晰地描述了z i g b e e 协议的组成。对比图 1 2 ，z i g b e e 协议完全符合传感器网络的协议体系要求，所以可以在传感器网络 中采用z i g b e e 协议【l u 】。 图2 - 1z i g b e e 结构模型 f i g 2 1 s t r u c t u r em o d e lo ft l l ez i g b e ep r o t o c o l 2 1 2 z i g b e e 协议的体系结构 z i g b e e 协议栈由一组子层构成，每层通过相应的服务接入点( s e r v i c ea c c e s s p o i n t ，s a p ) 为其上层提供一组特定的服务，并通过s a p 享受下层提供的服务。 z i g b e e 体系结构模型如图2 1 所示。从图看出在结构模型上，它虽然是基于i s o 的o s i 模型，但仅对那些涉及z i g b e e 技术的层进行定义】。 通过和其它无线通信协议比较发现，z i g b e e 协议结构紧凑，从而具体实现起 来对硬件的要求比较低。z i g b e e 协议除了定义了用于各层之间传递命令和数据的 层之间的接口外，各个子层的内部也有接口。由于仅采用了四层的框架结构，所 以就需要对层与层之间以及层内部的功能和接口作更加详细的规定。 7 北京交通人学硕士学位论文 1 z i g b e e 物理层采用i e e e 8 0 2 1 5 4 2 0 0 3 标准，工作频段设定在工业、科学、 医疗( i m s ) 频段。z i g b e e 使用了三个工作频段，每个频段的宽度不同，分配的信 道个数也不同。其中，2 4 g h z 频段定义了1 6 个信道，9 1 5 m h z 频段定义了1 0 个 信道，8 6 8 m h z 频段定义了一个信道。第k 个信道的中心频率定义如下： 以= 8 6 8 3m h z k = 0 时； 丘= 9 0 6 + 2 ( k - 1 ) m h z k = 1 , 2 3 ，1 0 时； 以= 2 4 0 5 + 5 ( k - 11 ) m h z k = 1 1 ，1 2 ，2 6 时； 通常常z i g b e e 不能同时兼容这三个频段，所以在选择z i g b e e 设备时，应根 据当地无线管理委员会的规定，购买合适的设备。由于我国规定z i g b e e 的使用频 段为2 4 g h z ，所以本文中的网络均工作在2 4 g h z 这一频段。在这一频段上的数 据传输速率为2 5 0 k b p s ，采用1 6 相位正交调制技术( o q p s k ) 。 从结构上说，z i g b e e 物理层通过射频固件和射频硬件提供一个从m a c 层到 物理层的无线信道接口，并负责对射频固件和射频硬件的管理。物理层中包括一 个物理层管理实体( p h y s i c a ll a y e rm a n a g e m e n te n t i t y , p l m e ) 和物理层数据实体 ( p h y s i c a ll a y e rd a t ae n t i t y , p l d e ) 。p l m e 通过物理层管理服务接入点( p l m e s a p ) 为m a c 层提供管理服务，并且还负责维护由物理层所管理的目标数据库( p i b ) ； p l d e 通过物理层数据服务接入点( p l d e s a p ) 为m a c 层提供数据服务。p l d e 和p l m e 之间通过内部的接口交流数据，物理层的结构如图2 2 所示。 图2 - 2 物理层结构模型 二 f i 9 2 - 2m o d e lo fp h ys t n l c t r u e 2 z i g b e e 协议m a c 层采用i e e e 8 0 2 15 4 协议。m a c 层处理所有物理层无 线信道的接入。主要功能有：1 ) 网络协调器( c o o r d i n a t o r , c o o r ) 产生网络信标；2 ) 信标同步：3 ) 支持链路的建立与断开；4 ) 为设备的安全提供支持；5 ) 冲突避免机制； 6 ) 处理和维护保护时隙机制；7 ) 在两个对等的m a c 实体之间提供一个可靠的通信 链路12 1 。 从结构上说m a c 层包括m a c 层数据实体( m l d e ) 和m a c 层管理实体 8 网络通信协议和软硬件环境 ( m l m e ) 。m l m e 通过m a c 层数据服务接入点( m l m e s a p ) 为网络层提供数据 服务，并且通过p l d e s a p 享受物理层的数据服务；m l m e 通过m a c 层管理服 务接入点( m l m e s a p ) 为网络层提供管理服务，并通过p l m e s a p 享受物理层的 管理服务，另外m l m e 还维护一个记录节点网络信息的个域网数据库( m a c p i b ) 。 m l d e 和m l m e 之间可以通过内部的接口交流数据m a c 层的结构如图2 3 所示。 图2 3m a c 层结构模型 f i 9 2 3 m o d e lo fm a cl a y e rs t r u c t u r e 3 网络层是由z i g b e e 联盟制定的，其主要功能是提供一些必要的函数，确 保z i g b e e 的m a c 层正常工作，并且为应用层提供合适的服务。网络层的主要功 能包括：1 ) 链接断丌网络；2 ) 协调器和路由器响应节点的入网请求；3 ) 协调器和路 由器响应节点的离开请求；4 ) 协调器建立网络；5 ) 生成网络协议数据单元( n e t w o r k p r o t o c o ld a t au n i t ，n p d u ) ；6 ) 为数据传输提供路由服务；7 ) 确保通信的安全；8 ) 维 护网络拓扑【1 3 】，【1 4 1 。 从结构上说，网络层包括网络数据实体( n e t w o r kl a y e rd a t ae n t i t y , n l d e ) 和网 络层管理实体( n e t w o r kl a y e rm a n a g e m e n te n t i t y ) 。n l d e 通过网络层数据服务接入 点( n l d e s a p ) 为应用层提供数据服务，并且通过m l d e s a p 享受m a c 层的数 据服务；m l m e 通过网络层管理服务接入点( n l m e s a p ) 为应用层提供管理服务， 通过m l m e s a p 享受m a c 层的管理服务，同时网络层也维护一个个域网数据库 ( n p i b ) 。n l d e 和n l m e 之间可以通过内部的接口交流数据，网络层的结构图如 图2 - 4 所示。 9 北京交通大学硕+ 学位论文 图2 _ 4 网络层结构模型 f i 9 2 - 4m o d e lo f n w kl a y e rs t r u c t u r e 4 由于z i g b e e 协议是针对无线传感器网络这样一个应用性很强、应用范围 很广的通信网络设计的，它的应用层要给各种应用留出开发的空间，所以它的应 用层也相应的比较复杂。从结构上z i g b e e 应用层由3 个部分组成：a p s 子层、 z d o 、和用户定义的应用对象。应用层结构模型如图2 5 所利b 】。 ：! ：应用层 一 。 一“：“ 应用对象ll 应用对象i ，z d o 、 渖百e 趸： 7 j 潭百副接口爿鱼董l ，一一一 、璺垒丝兰垒2 二3 墨垒! 2 习莒童e 二a 二p s m e t ja p s m e i 苔 司笔喜 a p s 层 雒d o 管 耄薹 理 。网络层一7 ， ，。?二、i j j ：? 二? “ 一 图2 - 5 应用层结构模型 f i 9 2 5 m o d e lo f a p ls t r u c t u r e a p s 层通过一组由z d o 和用户自定义的z i g b e e 设备对象共同使用的服务， 提供网络层和应用层之间的两个接口：应用支持层数据服务接入点( a p s d e s a p ) 和应用支持层管理服务接入点( a p s m e s a p ) 。应用支持子层数据实体( a p s d e ) 通 过a p s d e s a p 为同一网络中的不同的应用对象提供数据服务：应用支持层管理 实体( a p s m e ) 通过a p s m e s a p 为同一网络中的不同应用对象提供管理服务，并 且维护一个应用实体对象数据库( a i b ) 。同时a p s 层也通过n l m e s a p 和 n l m e s a p 享受n w k 的服务。 z d o 是z i g b e e 联盟定义的一个应用对象。用户自己定义的应用对象通过 z d o 提供的公共接口与其它各层交流管理信息。 用户定义的应用对象是用户根据应用的需求在z i g b e e 的协议规范约束下开 l o 网络通信协议和软硬件环境 发出的符合z i g b e e 协议的应用对象。这些对象可以直接通过a p s d e s a p 享受数 据服务，通过z d o 享受管理服务。个z i g b e e 网络最多支持2 4 0 个用户自定义 的应用对象。 图2 6 是对z i g b e e 协议整体框架结构以及各层主要功能的综合描述，通过它 可以更清楚地了解z i g b e e 协议各层之间的联系。 图2 - 6z i g b e e 协议体系结构详图 f i 9 2 - 6a no v e r v i e wo fz i g b e ep r o t o c o ls t r u c t u r e 2 1 3 z i g b e e 协议的设备类型 z i g b e e 协议规定了三种类型的设备：协调器( c o o r d i n a t o r c o o r ) 、路由器 ( r o u t e r , r o u ) 、端节点( e n dn o d e ，e n ) u 6 1 。其中c o o r 和r o u 是在8 0 2 1 5 4 协议 的全功能设各- ( f u l lf u n c t i o nd e v i c e ，f f d ) i 拘基础上开发的，e d 则在8 0 2 1 5 4 协议的 精简功能设备( r e d u c e df u n c t i o nd e v i c e ，r f d ) i 拘基础上开发的。 北京交通人学硕十学位论文 c o o r 是网络的核心，负责网络的建立并且维持网络正常工作，一个网络只 能包含一个c o o r ；r o u 负责建立并维护网络拓扑和数据的中转，是一种可选的 设备类型；e d 是应用功能的执行实体，完成网络数据采集和向上级报告自身状 态的功能，不同的应用对于e d 的数量有不同的限制，但在没有地址复用的情况 下最多不能超过6 5 5 3 5 ，因为z i g b e e 协议用1 6 b i t 表示设备的网络地址，网络地 址最大数为6 5 5 3 5 。 2 1 4 z i g b e e 协议的网络拓扑结构 z i g b e e 协议支持的网络结构有星型、树型和网格型。星型网络为主从结构， 。个网络有一个协调器和最多6 5 5 3 5 个端节点组成，这种结构的网络中没有路由 器类型的设备；树型网络是星型网络的拓展，网络设备包括协调器、路由器和端 节点，利用这种网络结构可以提高网络覆盖的地理范围；网格型网络是一种对等 网络，网络设备类型的种类和树型网络中的相同，各设备问的功能除了协调器外 都相同，设备问可以对等地进行通信。根据不同的需要可以采用不同种类的网络 结构，本文的双路径网络结构就是在树型网络的基础上并且吸取了网格型网络的 一些优点而设计的。三种网络拓扑结构的示意图见图2 7 。 图2 7 星形、树形、网格形拓扑结构 f i g 2 7 s t a r , t r e ea n dm e s ht o p o l o g i c a ls t r u c t u r e 2 1 5 协议原语和通用帧结构 1 原语的概念 网络通信协议和软硬件环境 从上面的介绍中，我们不难看出z i g b e e 设备在工作的时候，不同的任务是在 不同的层上执行的。每一层主要完成两种功能：一是根据上层的要求为下层提供 服务，另一个是利用下层的服务为上层提供服务。原语是完成这服务的函数总称。 z i g b e e 协议是一个紧凑的协议标准，全协议一共定义了9 3 种原语，这些原语可 以分为4 种1 1 7 】： 1 ) r e q u e s t ：请求类原语，用于上层向下层发送服务请求； 2 ) i n d i c a t i o n ：通告类原语，用于下层向上层发送服务请求； 3 ) c o n f i r m ：确认类原语，用于下层向上层反映服务请求的执行情况； 4 ) r e s p o n s e ：响应类原语，用于上层向下层反映服务请求的执行情况。 通信的发起一般从主动发起通信设备的应用层发起，但是根据情况也可以在 更低的层上发起。当主动通信的一方发起通信时，上层先向下层发出请求类原语， 下层会根据服务的完成情况地向上层返回确认类原语；被动通信的一方首先由下 层向上层发出通告类原语，上层会根据服务的完成情况向下层返回响应类原语。 2 通用帧格式 z i g b e e 协议定义了物理层、m a c 和网络层的数据帧格式，而且为各层定义 了各自的帧格式。由于z i g b e e 技术的应用范围很广，z i g b e e 联盟并没有定义应 用层数据帧，用户可以根据自己的应用来定义自己的应用层帧格式。下面简单介 绍各层帧的通用结构，在以后章节用到具体类型的帧再对某种帧进行详细讨论。 物理层帧又叫作物理层协议数据单元( p h y s i c a lp r o t o c o ld a t au n i t ，p p d u ) ，其 格式如图2 8 所示。同步包头包括3 2 b i t 的前同步序列和8 b i t 的帧界定符，其作用 是允许接收设备锁定在比特流上，并且与该比特流同步；物理层包头指出帧长度， 由此可以看出z i g b e e 协议的帧长度为1 2 8 字节；物理层净载荷部分承载