（安全技术及工程专业论文）基于ZigBee无线传感网络的定位系统.pdf

p o s i t i o n i n gs y s t e mb a s e do nz i g b e ew i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s z h a n gh o n g k u n ( s a f e t yt e c h n o l o g ya n de n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rz h a oy o n g r u i a b s t r a c t a san e wa c c e s st oi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sh a v eg r e a t e r p r a c t i c a lv a l u ei nm a n yr e g i o n ss u c ha se a r l yw a r n i n ga n da s s i s t a n c ef o rd i s a s t e r , i n d u s t r i a l e q u i p m e n tc o n t r o la n dm a n a g e m e n t ，r e m o t ec o n t r o lo f r i s ka r e a sa n do t h e rr e m o t e s h o w e v e r , i ns o m ec a s e s ，s u c ha saf i r ea l a r mm o n i t o r i n g ，l o c a t i n go fp i p e l i n el e a kp o i n t ，c o l l e c t e d s e n s o rd a t aw i l lh a v et h ea c t u a lu s ev a l u eo n l yc o m b i n e dw i t hi t sl o c a t i o ni n f o r m a t i o n , t h e r e f o r e n o d el o c a l i z a t i o nh a v eb e c a m et h eb a s i so fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sf o rs o m e p r a c t i c a la p p l i c a t i o n s i nr e c e n ty e a r s ，s o m ep o s i t i o n i n gm e t h o d sa n ds y s t e m sh a v eb e e np u t f o r w a r da th o m ea n da b r o a d ，b u te v e r ya l g o r i t h mi su s u a l l ys u i t a b l ef o ras p e c i f i ct y p eo f a p p l i c a t i o ns c e n a r i o s z i g b e e i sas h o r t r a n g ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y b a s e do ni e e e 8 0 2 15 4 s t a n d a r d ，a c c o r d i n gt oi t st e c h n o l o g y f e a t u r e so fl o wr a t ea n dl o wp o w e r c o n s u m p t i o n , z i g b e et e c h n o l o g ym a i n l yi s u s e df o rt h ea p p l i c a t i o nw i t hs m a l l e rd a t a t h r o u g h p u ta n dm o r ed e c e n t r a l i z e de q u i p m e n ts u c ha si n d u s t r i a lc o n t r o la n di n s t r u m e n t a t i o n a u t o m a t i o n t h en o d el o c a l i z a t i o na l g o r i t h m sb a s e do nd i s t a n c em e a s u r e m e n ta r em a i n l ys t u d i e di n t h i sp a p e r as t e p w i s ew e i g h t e dp o s i t i o n i n ga l g o r i t h mb a s e do nd i s t a n c em e a s u r e m e n ti s d e s i g n e do nt h eb a s i so fa n a l y z i n gs e v e r a lt y p i c a lp o s i t i o n i n ga l g o r i t h m s ，s t a t i c n o d e s p o s i t i o n i n gu n d e r n a t u r a le n v i r o n m e n ti sa c h i e v e d w i r e l e s ss e n s o rn o d el o c a l i z a t i o nm e t h o da n dt h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so fz i g b e e p r o t o c o la r ef i r s t l ya n a l y z e di nt h i sp a p e r , t od e t e r m i n ea d o p t i n gt h er a n g i n g m e t h o db a s e do n r s s i ，a n dt h e nt h et h e o r e t i c a lm o d e lo fr s s ir a n g i n gi sa n a l y z e d ，b ye x p e r i m e n t ，t h ei m p a c t o fu n s t a b l ef a c t o r ss u c ha sr fa n t e n n ao r i e n t a t i o na n ds u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n to b j e c to nt h e r e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t hv a l u ea r ea n a l y z e d b a s e do nt h es t a t i s t i c a lm e a s u r e m e n to fa c t u a l r s s iv a l u e ，u s i n gl e a s ts q u a r ef i t t i n gm e t h o d ，t h eq u a n t i t a t i v er e l a t i o n s h i po fr s s ir a n g i n g i s e s t a b l i s h e d ，w h i l et h ee f f e c t i v er a n g eo ft h i sr s s ir a n g i n g i sd e f i n e d b ya n a l y z i n gt h et y p i c a l m e t h o dm l em e t h o d ，d v - h o pa n da p i t ，c o n s i d e r i n gt h ei m p a c to fn o d es p a c i n ga n db e a c o n n o d ed i s t r i b u t i o no np o s i t i o n i n gr e s u l t s ，as t e p w i s ew e i g h t e dp o s i t i o n i n ga l g o r i t h r nb a s e do n d i s t a n c em e a s u r e m e n ti sd e s i g n e dc o m b i n e dw i t hl e a s ts q u a r em e t h o da n dt h ec e n t r o i d m e t h o d b ym a t l a bs i m u l a t i o n ，i m p a c to fb e a c o nn o d ed e n s i t ya n dr a n g i n ge r r o r so nt h e p o s i t i o n i n gr e s u l t sa r ea n a l y z e d t h es i m u l a t e dp o s i t i o n i n ge r r o ro ft h ea l g o r i t h mi s s m a l l w i t hl e s sf l u c t u a t i o n o nt h i sb a s i s w i t hm c13 213s e l e c t e da sac o r ec h i pi nt h ep a p e r , t h eb a s i cs y s t e mc i r c u i t a n dp e r i p h e r a li n t e r f a c ec i r c u i to fn o d ed e v i c ei sd e s i g n e d ，a n dt h e nu s i n gt h ed e v e l o p m e n t s o f t w a r eb e e k i ta n dc o d e w a r r i o rf o rn o d es o f t w a r ed e s i g n ，l o c a l i z a t i o na l g o r i t h mi st e s t e d t h r o u g he x p e r i m e n t a f t e ra n a l y z i n gt h er e s u l t s ，t h ea l g o r i t h mi sm o s t l yi n f l u e n c e db yt h e r s s ir a n g i n ge r r o r , t h ec o a r s ep o s i t i o n i n go fn o d ec a nb ea c h i e v e d k e y w o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ；z i g b e e ；p o s i t i o n i n ga l g o r i t h m ；m c13 213 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 研究所做的任何贡献均已在论文中做出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 日期：移年，月7 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版和 电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学 位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和复印， 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他复制手 段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 同期：v 口年j - 月衫e t 日期：年r 月7 日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 无线传感器网络概述 第一章绪论 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 ) 是普适计算技术、嵌入式技术、传感器技 术和无线通信技术等多个技术领域相结合的产物，是感知客观世界的一种新技术手段。 最先开始无线传感器网络研究的是美国在1 9 7 8 年成立的分布式传感器网络研究小组， 其研究成果大多数用于军事装备。此后，美国相继启动了w i n s 、s m a r td u s t 、w e b s 、 s c a d d s 等研究计划，在这一时期，无线传感器网络在节点集成化和小型化、网络动态 组织、信息分布式处理和管理等方面得到了极大的发展，一些典型应用模式逐渐走向实 用。我国无线传感器网及其应用研究几乎与发达国家同步启动。2 0 0 1 年中科院依托上海 微系统所成立微系统与信息技术研究发展中心，建立传感网络系统研究平台，2 0 0 4 年部 分成果已在实际工程系统中使用；与此同时，国内许多高校科研单位及企业也开始了无 线传感器网络的研究。 无线传感器网络由大量随机撒播的传感器节点组成，各个节点通过传感器来实现与 周围环境的交互。各传感器网络节点之间采用无线通信方式，并按照一定的组网算法构 成网络，然后根据相关的路由算法选择合适的路径，将节点获取的各种信息转发给观察 者。与常规网络相比，无线传感器网络以环境信息的感知获取、发送、接收和处理为 中心，所有的功能均围绕客观环境数据进行，不同的应用环境中，使用不同类型或多种 类型的传感器节点，通过节点间的协助来满足各种应用的需要。无线传感器网络是一种 分布式传感技术，它扩展了人类获取和处理环境信息的能力，具有广阔的应用前景，在 灾难预警与救援、工业设备控制与管理、精细农业、物流运输、生物多样性监测等多个 领域都具有很大的实用价值，被称为二十一世纪全球高技术领域的四大支柱型产业之 一。 不同的应用环境对传感器节点的选择设计具有不同的要求，传感器节点的结构也不 尽相同，一般主要考虑节点的尺寸、成本和功耗等。在某些特殊情况中，要求节点尺寸 小于l 立方厘米，有时甚至缩减到一粒谷物颗粒。在实际应用中，应对节点外形、成本 及功耗进行折中考虑。传感器节点作为一种微型嵌入式系统，构成了无线传感器网络的 基础层支撑平台。尽管应用环境要求存在差异，但是传感器节点一般主要包括五个组成 1 第一章绪论 部分：控制器、储存器、传感器或执行器、无线收发器和能量供应单元，如图1 1 所示。 图1 - 1 无线传感器网络节点结构 f i g1 - 1 n o d ea r c h i t e c t u r eo fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s 控制器处理节点相关数据，执行通信协议代码，对数据的发送接收、时间同步、设 备能量等进行控制管理，一般采用微控制器m c u 或数字信号处理器d s p 。对于存储器， 一般可以根据具体应用情况采用电可擦除可编程只读存取器e e p r o m 或者闪存f l a s h 。 可用于无线传感器网络通信的传输媒介一般有射频、光和超声波等，其中射频通信能满 足无线传感器网络的大部分应用要求。传感器部分可以根据实际应用进行选择。电源模 块是传感器节点的关键部分，一般采用电池供电。由于漏电的原因，一般的碱性电池、 镍电池的使用寿命不超过5 年。太阳能电池可以从节点外部获取能量，补充消耗的能量， 成为目前节点电源研究的热点。无线传感器网络的工作环境通常比较恶劣，节点数量大， 而且在使用过程中，不能及时给电池充电或更换电池，因此，在进行无线传感器网络设 计的时候应充分考虑传感器节点的低功耗问题和数据传输的实时性问题。 目前，无线传感器网络中使用较广泛的无线通信技术包括红外数据传输幢1 ( i r d a ) 、 “蓝牙心1 ( b l u e t o o t h ) 、无线局域网8 0 2 1 l ( w i - f i ) 等，同时还有一些新兴的无线技术标准， 如超宽频( u l t r a - w i d e - b a n d ) 、z i g b e e 、r f i d 、无线1 3 9 4 等，都具有各自立足的特点， 但均无法完美地满足所有应用场景的需求。 1 9 9 3 年，由h p 、c o m p a q 、1 n t e l 等二十多家公司成立红外数据协会( i n f r a r e d d a t a - a s s o c i a t i o n ) ，制定统一的红外数据通信的标准协1 。起初，i r d a 无线设备仅能在1 m 范围内以1 1 5 2 k b s 速率传输数据，现在已经发展到4 m b s 以及1 6 m b s 的速率。i r d a 技术的主要优点是实现相对简单，成本低廉，通信设备体积小、功耗低、连接方便，目 前软硬件技术都很成熟，在小型移动设备，如p d a 、手机上广泛使用；不足之处在于它 是一种视距传输，易受遮挡，收发装置的光路夹角一般在3 0 度内，常用通信距离只有1 3 r n 。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 “蓝牙州2 1 技术开始于19 9 4 年，1 9 9 8 年由e r i c s s o n 、i b m 、i n t e l 、n o k i a 、t o s h i b a 等公司推出“蓝牙( b l u e t o o t h ) 无线通信技术标准。它是一种无线数据与语音通信的开 放性全球规范，“蓝牙 设备能够非常方便地实现快速、安全、灵活的数据和话音通信， 其工作频段为2 4 g h zi s m 频段，可以在l o m 的传输距离实现1 m b p s 的传输速率；但是 “蓝牙技术较为复杂、系统费用昂贵、抗干扰能力不强，因此，“蓝牙”目前的应用 还是有限的。 z i g b e e 巧1 技术是一种新兴的短距离无线通信技术，2 0 0 2 年下半年，i n v e n s y s 、 m i t s u b i s h i 、m o t o r o l a 、p h i l i p s 半导体公司共同宣布加盟z i g b e e 联盟，以研发z i g b e e 无 线通信标准。可以说，z i g b e e 是b l u e t o o t h 的同族兄弟，使用2 4 g h zi s m 频段，采用 跳频技术；但是z i g b e e 更简单、速率更慢、功率及费用也更低，在低功耗待机状态下， 两节普通5 号干电池可使用6 个月2 年；一般从休眠转入工作状态只需要1 5 m s ，接入 网络只需3 0 m s ；2 0 2 5 0 k b i t s 的较低速率，有效覆盖范围为1 0 - - - 1 0 0m 。与b l u e t o o t h 相比，z i g b e e 主要用于数据流量较小的场合，能够更好地支持消费电子、工业监控、仪 器和家庭自动化应用。z i g b e e 与i r d a 、b l u e t o o t h 的比较1 2 5 捌如表1 1 所示。 表1 - 1z i g a e e 与i r d a 、b l u e t o o t h 的比较 t a b l e1 - 1 c o m p a r i s o nb e t w e e nz i g b e ea n di r d a ，b l u e t o o t h 1 2 无线传感器节点定位技术 无线传感器网络节点数量大、分布散，节点的精确布置难以实现，而在许多情况下， 第一章绪论 三= 三囡一移唏匝固奇u v 4 中国石油人学( 华东) 硕上学位论文 根据是否需要测量节点间的实际距离，无线传感器网络定位算法可以分为基于测距 的定位算法( r a n g e b a s e d ) 和非测距的定位算法( r a n g e f r e e ) 旧1 。测距定位算法通过测量节 点之间的距离或角度来计算未知点的位置，并采用一些方法来减小测距误差对位置估算 的影响，比如多次测量，循环求精等，由此也产生了一些不可避免的计算和通信开销， 增加了节点的能耗，因此，测距定位方法不适合对节点功耗和成本要求严格的应用场合。 无需测距定位算法一般不需要测量节点间的实际距离或方位，仅仅利用网络的连通信 息，通过一定的方法估计节点间的距离，然后确定未知节点的位置。无需测距定位算法 的精度一般较低，但考虑到功耗和成本等方面的因素，该方法一般能够满足大多数应用 的要求。 无线传感器网络中，现有的测距定位算法一般都包含三个基本步骤：( 1 ) 节点间的距 离或方位测量，( 2 ) 节点位置估算，( 3 ) 对节点坐标进行修正。常用的节点间距离或方位 测量技术旧删有： ( 1 ) 信号能量测距法 接收信号强度测距法( r e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t hi n d i c a t o r ) - - 般已知传感器节点的发射 信号强度和接收信号强度，然后利用无线信号的理论或经验传播模型将无线信号的传播 损耗转化为节点距离。常用的传播路径损耗模型有h a t a 模型、自由空间模型和对数常 态模型。由于传感器节点本身具有无线通信能力，所以，该方法是一种简单易行、低功 耗、廉价的测距技术；但由于无线传感器网络的实际应用环境比较复杂，存在反射、多 径传播、非视距等问题，对于相同距离的信号传播会产生不同的传播损耗，实际信号传 播模型难于建立，有可能产生5 0 的测距误差，所以，该方法同时也是一种粗糙的测 距技术。 f 2 ) n 达时间测距法 到达时间测距t o a ( t i m eo fa r r i v a l ) 一般是根据已知信号的传播速度和在节点之间 的传播时间来计算节点间的距离，测量精度较高；但是t o a 测距要求整个无线传感器 网络节点间保持精确的时间同步。 到达时间差测距t d o a ( t i m ed i f f e r e n c eo fa r r i v a l ) 一般通过测量两种传播速度不同 的信号在节点之间的传播时间差，然后根据信号的传播速度来计算节点间的距离。一般 采用射频信号和超声波信号，测距误差较小，不需要精度的时间同步，但容易受超声波 第一章绪论 传播距离的限制和非视距传播的影响。 ( 3 ) 到达角度测距法 到达角度测距a o a ( a n g l eo f 抓v a l ) 一般是接收点利用天线阵列或者多个接收点来 估算发射信号的到达角度，以此来计算接收点与发射点之间的相对方位，该方法容易受 外界环境，如噪声、非视距等影响，而且需要天线阵列对硬件提出较高的要求。 常用测距技术的特点如表1 2 所示哺1 。 表1 - 2 常用测距技术的特点 t a b l e1 - 2c h a r a c t e r i s t i c so fc o m m o nr a n g i n gt e c h n o l o g y 目前，研究者们已经开发出许多定位系统和算法，但每种系统和算法都用来解决不 同应用场景下的定位问题。一般来说，在某特定条件下，一些算法在某些方面可能优于 其它方法，而在其它方面可能较差。无线传感器网络定位算法的性能直接影响其应用， 主要的算法评价标准包括8 1 ： ( 1 ) 定位精度。一般采用单节点定位相对误差，即误差值与节点无线射程的比例： 巨= 掣1 0 。 ( 1 - 1 ) 么、分别为待定位节点的估计位置和真实位置，r 为节点的最大通信距离。 ( 2 ) 参考点密度。一般参考点的密度越大，定位精度越高，但是由于参考点的位置一 般通过人工或g p s 实现，定位的成本也就越大。 ( 3 ) 功耗。无线传感器网络节点能量有限，在保证定位精度的同时，也应尽可能降低 节点功耗，以延长寿命。 其它的指标还包括定位时间、网络的连通度、容错能力、自适应能力等。 6 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 1 3 本课题主要内容及意义 1 3 1 课题意义 无线传感器网络可以实现区域监测、信息采集、分布式处理、信息融合和数据传输 等功能，能够代替人类对危险环境或人类无法到达的环境进行监测。作为一种新型的数 据采集技术，无线传感器网络在军事、工业控制、环境监测、医疗救助等领域都有广泛 的应用前景。各种应用中，节点定位算法是一个至关重要的问题。采集数据的节点位置 是其它实际应用的基础。在环境检测、目标跟踪等应用中如果不知道采集点的位置，那 么所采集的数据将是毫无意义的。再者，定位技术是无线传感器网络的关键技术，同时 也是一个技术难点。 无线传感器网络中，节点数量往往成百上千，并且大多数节点都是随机分布的，而 应用环境经常是那些人类难以进入或管理的区域，因此很难预先布置好每个节点的位 置，同时，为了尽可能地降低成本，每个节点的处理器性能、存储器容量、无线收发器 的通信距离以及电池能量都是极其有限的，也要求定位技术尽可能地降低计算复杂度和 节点间的通信开销，以降低功耗，延长整个网络的生命周期。另外，由于没有基础设施 的协助，各种协议和算法应该采用分布式计算方式，这对定位技术又提出了更高的要求。 因此，研究有效的定位算法一方面能够提高无线传感器网络的性能，另一方面也能降低 成本，有利于无线传感器网络的大规模应用。 1 3 2 课题主要内容 无线传感器网络是一种全新的信息获取技术，在工业过程控制、环境监测、危险区 域远程控制等领域都具有十分广阔的应用前景。由于无线传感器网络应用环境的限制， 无线设备节点一般无法事先安放在指定位置，而是采用随机散布的方式，因此，利用无 线传感器网络进行信息传输和采集时，其位置信息是重要的组成部分，在一定程度上决 定了信息的有效程度。在无线设备定位方面，许多无线传感器网络研究者已经提出了一 些较实用的定位系统和定位算法，但是各种方法都具有其自身的优势和不足之处，而且 只在某些特定的应用场景下才表现出较好的定位效果，在无线设备定位算法的研究方面 仍然存在较大的空间。与其它无线网络协议相比，z i g b e e 协议以其低功耗、低成本的突 出优势在无线网络应用方面占有一席之地，其更加适合于低速率、小数据吞吐量的应用。 7 第一章绪论 本课题主要研究基于z i g b e e 无线传感网络的定位系统的设计和实现。本文采用理 论分析设计与模拟实验相结合的研究方法，在对z i g b e e 协议和和几种典型定位算法进 行深入分析的基础上，设计一种基于距离测量的分步加权式定位算法，然后选用 f r e e s c a l e 公司的m c l 3 2 1 3 芯片，结合b e e k i t 和c o d e w a r r i o r 软件开发环境，完成基于 z i g b e e 无线传感网络的定位系统的软硬件研究和设计。论文的主要研究内容包括以下几 个部分： ( 1 ) 概括地介绍无线传感网络定位的研究现状，对几种常见的测距技术进行比较分 析；从技术的起源与发展、协议栈的结构特点等方面对z i g b e e 技术进行简析，并介绍 其在工业领域的应用情况。 ( 2 ) 对r s s i l q i 测距的理论模型进行分析，通过实验检验各影响因素对实际应用模 型参数的影响，建立自然状态下的r s s i l q i 测距模型，然后通过实验对所建模型进行 检验。 ( 3 ) 在对几种典型定位算法：极大似然估计法、b o u n d i n gb o x 算法、质心法、距离向 量跳段定位算法及近似三角形内点测试法进行分析的基础上，结合最小二乘法和质心 法，考虑节点间距离及共线度对定位精度的影响，设计了一种分步加权式定位算法，然 后结合其它定位算法进行比较分析。 ( 4 ) 采用飞思卡尔公司z i g b e e 芯片m c l 3 2 1 3 芯片作为本文节点的核心元件，完成节 点基本硬件系统电路和必要的外围接口电路设计。 ( 5 ) 对m c l 3 2 1 3 的低功耗模式进行分析，采用b e e k i t 和c o d e w a r r i o r 开发软件，设 计编写、调试各功能模块的应用程序。 ( 6 ) 对定位系统软硬件进行调试，通过实验测试本文算法的定位性能，进行实验结果 分析，得出结论。 中国石油大学( 华东) 硕l 学位论文 第二章z i g b e e 技术及应用简述 2 1z i g b e e 起源与发展 1 9 9 8 年，i e e e 8 0 2 1 5 工作组成立，致力于无线个域网的底层标准化工作，其第四 任务组制定了针对低能耗、低传输速率、低成本无线个域网的i e e e 8 0 2 1 5 4 标准1 。2 0 0 2 年10 月，h o n e y w e l l 、l n v e n s y s 、m i t s u b i s h i 、m o t o r o l a 与p h i l i p s 共同成立z i g b e ea l l i a n c e ， 在2 0 0 4 年1 2 月正式推出z i g b e ev 1 0 版( z i g b e e 一2 0 0 4 ) ，并先后在2 0 0 6 年、2 0 0 7 年推 出升级版本z i g b e e - 2 0 0 6 、z i g b e ep r o 。到目前为止，z i g b e e 联盟已有3 0 0 多家成员企 业，含盖了半导体生产商、i p 服务提供商、消费类电子厂商及o e m 商等n 引。亚太地区 成员企业主要分布在中国、f 1 本、印度、韩国、澳大利亚等5 个国家。目前，国内的华 为科技有限公司、深圳金勃实业有限公司、曼博科技有限公司、深圳锐拔科技有限公司、 北京i n f o r s o n 技术有限公司已经加入z i g b e e 联盟。 2 2z i g b e e 协议栈简析 z i g b e e 技术是一种基于i e e e 8 0 2 1 5 4 标准开发的短距离无线网络通信标准，工作 在免费开放的2 4 g h z 、8 6 8 m h z 和9 1 5 m h z 的i s m 频段上，传输速率为2 0 - 2 5 0 k b s ， 传输距离为1 0 一- 7 5 m ，与其它各种无线网络技术相比，其最大优势是成本低、功耗低。 z i g b e e 主要适用于近距离、小流量、低速率的应用场合。 z i g b e e 协议架构是建立在标准的七层开放系统互连( o s i ) 模型的基础之上n 引， i e e e 8 0 2 1 5 4 - 2 0 0 3 标准定义下两层：物理层( p h y ) 和媒体接入控n ( m a c ) 子层；z i g b e e a l l i a n c e 在此基础上提供网络层f n w i ( ) 和应用层框架，包括应用支持子层( a p s ) ，z i g b e e 设备对象( z d o ) 和制造商定义的应用对象。每一层通过服务接入点为上层提供一组特定 的服务：数据实体提供数据传输服务和管理实体提供所有其他服务，而各服务接入点支 持完成特定功能的服务原语。 服务原语( s e r v i c ep r i m i t i v e s ) 是由一些具体参数组成的，这些参数用来传递特定服务 所需要的信息，是用户和协议实体间的接口，协议内定义了四种基本类型的原语，如图 2 1 所示。 ( 1 ) 请求原语( r e q u e s t ) ：由服务用户层向服务提供层请求启动一项服务； o 第一二章z i g b e e 技术及应用简述 ( 2 ) 指示原语( i n d i c a t i o n ) ：由服务提供层向服务用户层告知相关事件信息； ( 3 ) 响应原语( r e s p o n s e ) ：由服务用户层向服务提供层告知相关原语的执行结果： ( 4 ) 确认原语( c o n f i r m ) ：服务提供层向服务用户层告知相关服务请求的结果。 r e q u e s t c o n f i r m i 一l s e r v i c eu s e r 图2 - 1 服务原语 f i g2 - 1 s e r v i c ep r i m i t i v e s 因此，通过标准中的各服务原语，配合其它功能性函数就可以完成z i g b e e 协议的 实现。z i g b e e 协议体系结构【14 1 如图2 - 2 所示。 a p p l i c a t i o n z i g b e ed e v i c eo b j e c t ；l a p p l i c a t i o nf r a m e w o r k 一一a p p l i c a t i o ns u p p o r ts u b l a y e r 一一一 匕：兰兰：兰： n e t w o r kl a y e r ：兰竺： m i n f - s a p 卜- m f ：- g a p 一一m e d i u ma c c e s sc o n t r o ll a y e r _ 一 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ 一 p n g a p 一坠坠g a p h ip h y 蚋jl_laxer ：r f s a p ： 图2 - 2z i g b e e 协议体系结构 f i g2 - 2z i g b e es t a c ka r c h i t e c t u r e 物理层支持2 4 g h z 、8 6 8 9 15 m h z3 个工作频段，共2 7 个信道，主要完成射频收 发器的激活休眠、能量检测、信道选择、数据收发等功能，通过硬件为m a c 层与信道 之间提供两个服务接入口：数据服务接入点( p d s a p ) 和管理实体接入点( p l m e s a p ) ， 包含1 3 个服务原语，其中主要的原语有： 1 0 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 ( 1 ) 数据传输原语：p d d a t a r e q u e s t ，p d d a t a c o n f i r m ，p d d a t a i n d i c a t i o n 。 物理层收到p d d a t a r e q u e s t 时，如果设备处在发射状态，物理层则把服务数据单 元封装成协议数据单元，然后发送；数据发送成功后，向m a c 层发送含有s u c c e s s 状态 的p d d a t a c o n f i r m ，否则发送r xo n 或t r xo f f 状态的p d d a t a c o n f i r m 。 ( 2 ) 能量检测原语：p l m e e d r e q u e s t ，p l m e e d c o n f i r m 。 当接收到p l m e e d r e q u e s t 时，若设备处在接收状态，则执行该原语，完成e d 后向 m l m e 发送包含s u c c e s s 状态及信道能量等级的p l m e e d c o n f i r m ；否则发送 ixo n 或t r xo f f 状态的p l m e e d c o n f i r m 。 i e e e 8 0 2 1 5 4 标准把m a c 层分成逻辑链路控制和媒介接入控制两个部分，采用载 波侦听多路访问冲突检测( c a r r i e rs e n s em u l t i a c c e s s c o l l i s i o na v o i d a n c e ) 的信道接入 方式及握手协议，提高数据的可靠性和系统的兼容性；采用信标帧、数据帧、确认帧和 命令帧4 种基本的帧形式，主要完成网络同步，信道访问及时隙维护等功能。在m a c 层中，设备有两种地址格式：6 4 - b i t 扩展地址具有全球唯一性，也称i e e e 地址，在入 网之前需向i e e e 组织申请；1 6 b i t 短地址，即网络地址，在设备成功加入z i g b e e 网络 之后，由网络协调器分配。 网络层支持三种通信方式：( 1 ) 单播( u n i c a s t ) ：单播数据只传送给网络中某一设备。 只有节点地址与数据包中目的节点的地址匹配时，节点才会收到信息。( 2 ) 广播 ( b r o a d c a s t ) ：广播数据传送给网络中的每个设备。当采用广播发送消息时，目的地址设 为0 x f f ，此时，所有射频终端均可以接收到该信息。( 3 ) 多播( m u l t i c a s t ) ：也称组播。多 播数据传送给网络中某个组内的所有设备。组由一个或多个设备组成，各组用一个1 6 位组标识符进行区分。 z i g b e e 网络有星型( s t a r ) 、树状( t r e e ) 和网状( m e s h ) 三种拓扑结构，如图2 3 所示。在 星型结构中，所有设备都与网络协调器通信，协调器一般使用持续电力供电，其它设备 一般采用电池供电。星型结构网络控制及同步较简单，一般适用于数据量较少的场合， 比如家庭自动化、计算机外设等小范围应用。树状结构和网状结构在本质上都属于点对 点网络，网络中任何两个设备之间均可以直接通信，不同在于树状结构路由简单，一旦 某节点故障，其下节点无法与外界进行通信，网状结构支持完整的点对点通信，可靠性 高，这两种网络一般适用于设备分布范围较广的应用场合，比如工业自动化检测与控制， 第二章z i g b e e 技术及应用简述 智能交通等。 ? ：式_ 耍砷 s t a rb 知“ ：爹0 盯f f d 。 图2 - 3z i g b e e 网络结构 f i g2 - 3z i g b e en e t w o r ks t r u c t u r e 在网络中，z i g b e e 设备按照通信能力可以分为全功能设备f f d ( f u l lf u n c t i o nd e v i c e ) 和简化功能设备r f d ( r e d u c e df u n c t i o nd e v i c e ) 。全功能设备可以与网络中其它任何设备 进行通信，支持所有功能，其接收器在空闲时段一般处在开启状态；简化功能设备只能 与全功能设备进行通信，或通过其进行数据转发，数据传输量较少，主要用于简单的控 制。 2 3z i g b e e 在工业领域的应用 工业生产对其周围环境，特别是易燃易爆易腐蚀、高温高压等高危险场所，都有严 格的要求，一旦事故发生，都将会导致严重的后果，因此，需要实时地对工业现场环境， 如温度、压力、湿度、震动、噪声等进行监测，降低事故发生的可能性。目前，工业企 业构建的现场设备数据采集与传输系统大多数采用的是r s 4 8 5 2 3 2 总线或工业以太网 等有线组织方式引，而随着工业技术的发展，对现场数据采集及传输提出了越来越苛刻 的要求，同时这种传统的有线方式也暴露出了自身的缺点：有线电缆系统的施工及维护 复杂，布线繁琐，不够灵活，成本较高，功耗较大，同时线路的腐蚀磨损及人为损坏等 问题较为严重，影响系统的正常运行，有可能成为潜在的事故隐患。因此，在工业自动 化技术飞速发展的背景下，建立可靠的工业数据传输网络成为迫切需求。近年来，新兴 的低功耗、低成本的z i g b e e 无线通信技术为这些问题的解决提供了新的思路。 z i g b e e 独特技术优势能够较好地满足工业控制对数据通信可靠性、实时性等方面的 要求。 1 2 中国砸油人学( 华东) 硕士学位论文 ( 1 ) 采用直接序列扩频技术提高自身的抗干扰能力，并采用载波侦听多点接入冲突 检测机制及完全握手协议，有效地提高了数据传输的效率，网络层支持动态组网功能， 能够保证数据链路的畅通n6 。； ( 2 ) z i g b e e 无线设备成本低、功耗低、延时短。普通的z i g b e e 节点一般价值几美元， 使用普通电池通电，可以运行数月甚至数年，节点状态转换延时短，休眠激活一般1 5 m s ， 接入网络一般3 0 m s ，在1 0 m s 控制环境下可以满足实时性要求”。 ( 3 ) 网络容量大，扩充性高。z i g b e e 网络采用3 种结构，最多可容纳6 5 0 0 0 多个z i g b e e 网络设备，网络覆盖范围大，组网灵活。设备节点变动或发生故障时，无需人工干预， 不影响系统正常工作。 z i g b e e 网络传输的数据通常分为周期性、间隙性和反复性的低反应时间的数据。 z i g b e e 技术主要应用于工业控制及自动化、物流管理、消费电子、楼宇自动化、遥测遥 控，医用装置控制、玩具和游戏等方面n 7 1 。 经济的快速发展，工业生产和人民生活对石油的需求量与r 俱增。油田环境复杂， 生产设备数量多、分散，采用有线通信方式，线路长，造价高，制约了油田生产管理信 息化的建设。油田数据信息采集传输要求短延时、低功耗和高可靠性，而z i g b e e 组网 灵活，节点设备功耗低，采用z i g b e e 无线技术可以实现油田