本科毕业设计论文基于ZigBee的矿井环境及人员监测系统研究

1、基于ZigBee的矿井环境及人员监测系统研究摘 要本论文主要探讨了应用ZigBee技术来实现对矿井环境及其人员的定位系统，采用ZigBee无线通信技术的人员跟踪定位系统，可以实现井下人员的精确跟踪定位，同时可以进行考勤和监督管理。不仅在井下发生事故时发挥重要作用，而且可以用于日常的管理，使得整合环境监测系统使得功能更加完善，从而通过网络可以实现监控终端和井下工作人员的双向通信。该系统的软件流程图主要包括有3大部分：无线网关子程序、参考节点的子程序及盲节点的子程序。通过对参考节点以及盲节点的编程，来实现相应模块的功能，并进行通讯，最终传送给PC机。其中PC机的界面由Visual Basic来进行

2、开发，而无线网关子程序、参考节点的子程序及盲节点的子程序通过IAR system开发环境来实现，这样，矿工所处的位置即可通过无线网关发出的查找指令，传递给盲节点，盲节点再与参考节点进行数据交换，计算出其自身的坐标，并将最终的计算结果通过无线网关传递给PC机。这样，就可以实现对井下环境的监测及人员的定位，从而在发生矿难时第一时间进行搜救工作，对可能潜在的危险进行分析。该论文给出了详细的实现过程及其方法。论文最后对结果进行了分析，发现了其低成本的优势以及这一可行性，并针对实验结果中的不足，进行了相关的改进分析，从中总结经验。关键词：ZigBee，矿井环境，人员定位A research about

3、mine environment and personnel monitoring system are based on the ZigBeeABSTRACTThis paper mainly discusses how to use the ZigBee technology to achieve the environment of the mine the environment of the mine and the positioning of the personnel.The using of ZigBee wireless communication technology c

4、an realize the positioning of the personnel who is undergrond,and can supervise and manage the persons .Not only can it play an important role when the accidents is occured,but also can be used for the management.Thus this can make the integration of environmental monitoring system more perfect,and

5、can be achieved the two-way communication between the network to monitor terminals and underground staff.The system flow chart of the software mainly includes 3parts:the subroutine of the wireless network,the subroutine of the fixed point and the subroutine of the free point.Through the programming

6、to the wireless network,the subroutine of the fixed point and the subroutine of the free point to achieve the functions about every corresponding,and communications,and eventually to pass the result to the PC machine.The interface of the PC machine is developed by Visual Basic,and the wireless netwo

7、rk,the subroutine of the fixed point and the subroutine of the free point is developden by the IAR system.In this way,the miner's position can be found through the wireless network sending the instruction of the search,and passing to free node.The data is exchanging between free node and fixed n

8、ode,and then calculate their coordinates,and the final send the result to the PC machine through the wireless network.In this way,can we realize the monitoring of the mine environmental and the orientation of the staff.when the accident occurred we can search for the persons for the first time,and a

9、nalysis the potential risk.The paper gives a detailed implementation process and its method.Finally,the results are analyzed and found that this project is low cost and can be used.According to the experimental results in the deficiency we need to improve the analysis,and to summarize the experience

10、.KEY WORDS: ZigBee,the environment of the mine, the positioning of the personnel目 录摘要IABSTRACTII第1章 绪论11.1 选题背景11.2典型无线定位系统11.2.1 GPS定位技术11.2.2无线定位系统21.3 ZigBee技术的现状与发展3国外技术现状3国内技术存在问题31.4 无线传感器网络应用31.5 选题的期望成果41.6 本论文的主要内容4第2章 ZIGBEE无线技术62.1发展史62.2体系结构6星状网络拓扑7树状网络拓扑7网状网络拓扑82.3 Z-STACK协议栈8 Z-STACK概述

11、8 OSAL运行机制9 ZigBee组网10 Z-Stack协议栈运行机制112.4协议研究12 物理层12 MAC层13 网络层14 应用层152.5 本章小结15第3章 系统硬件平台的搭建163.1定位系统硬件设计16 硬件总体规划16 CC2430射频模块设计17 功能模块设计193.2定位系统硬件通信20 无线网关20 参考节点21 盲节点213.3本章小结22第4章 软件设计系统方案研究234.1系统开发环境简介234.2系统开发环境对各模块的设计23无线网关软件设计24参考节点软件设计25盲节点软件设计274.2.4 DS18B20传递温度设计294.2.5 AD转换设计294.2

12、.6 数据采集324.2.7 数据接收334.3 本章小结33第5章 调试结果34第6章 结论356.1 研究成果356.2 进一步研究35致 谢37参考文献38附录 AD转换主要程序40附录 数据采集主要程序41附录 数据接收主要程序42附录 DS18B20传递温度主要程序45附录 VB界面主要程序46第1章 绪论1.1 选题背景众所周知，在我国，煤炭资源相对丰富，而开采条件却较为复杂，与此同时，近几年对于矿井开采时的安全问题仍然存在着诸多隐患，因而矿难发生频率居高不下，煤矿的安全生产面临问题，煤矿的管理面临问题，煤矿工人的安全更是缺乏保障，井下环境更是复杂，存在着信号的干扰。虽然已经有些矿

13、山企业运用了智能系统，但现有的大多数系统仍然不够完善，存在传感不灵活，不能全方位定位等系列问题。为解决这些问题，需要改善矿井下环境的恶劣条件，将矿井下的环境进行实时监测，熟悉矿井的环境，并且保证在发生矿难时，能够第一时间展开救援工作，以确保矿工的生命安全。针对这一情况，开展该课题的研究就显得尤为重要。该课题是基于ZigBee来进行矿井环境及人员监测。它具有低功耗、低成本的优点。由于ZigBee是一种无线组网通讯技术，因而矿工只需随身佩戴相关的硬件，并不会因为过多的线缆而带来许多麻烦。它是由以CC2430芯片为主的参考节点及以CC2431芯片为主的盲节点组成的。其中参考节点分布在矿井环境中，用来

14、确定矿井内部的环境特征，将矿井下的环境图模拟出来。盲节点则是由矿工随身佩戴的，通过与参考节点的通讯，将数据传给PC机，来确定盲节点的具体坐标，从而确定矿工的具体位置。这种方法可以准确及时的反应矿工的位置，且具有很高的安全性。综上所述，基于ZigBee的矿井环境及人员监测系统研究，能够有效解决煤矿的安全生产、煤矿的管理、矿工的安全等诸多问题，且成本低，功耗低，使用方便，定位迅速准确，对于采矿的安全问题有深远的意义，比较适合应用于煤矿企业，具有较高的推广意义。1.2典型无线定位系统1.2.1 GPS定位技术 GPS1定位技术是目前应用最为广泛的定位技术。当GPS接收机在室内工作时，由于信号受建筑物

15、的影响而大大衰减，定位精度也很低，要想达到室外一样直接从卫星广播提取导航数据和时间信息是不可能的。为了得到较高的信号灵敏度，就需要延长每个码延迟上的停留时间，A-GP(AssistedGPS，无线网络辅助GPS)技术为这个题的解决提供了可能性。室内GPS技术采用大量的相关器并行地搜索可能的延迟，同时也有助于实现快速定位。利用GPS进行定位的优势是卫星有效覆盖范围大，且定位导航信号免费。缺点是定位信号到达地面时较弱，不能穿透建筑物，而且定位器终端的成本较高。1.2.2无线定位系统(1)RADAR系统 Microsoft公司开发的RADAR室内定位系统5利用“指纹识别”技术进行定位解决WLAN中定

16、位移动计算设备的问题。该方法是通过对特定环境下的RF信号衰落征值进行处理实现的。RADAR5系统是基于IEEES02.1l WLAN的室内无线射频定位系统，属于采用经验测试和信号传播模型相结合的场景法定位系统。RADAR系统把信号强度作为估算频发射器与接收器间距的依据，建立射频信号的传输信道模型，确定信号衰减与射器、接收器间墙壁数量的关系，从而得到给定位置接收器最优的距离估算参数该系统事先在建筑物内部固定有三个位置已知的基站，待定位置的移动点通过两步骤获取位置。首先是一个离线的数据收集的过程，由各移动节点发送广播报文，基站的接收器根据信号强度确定移动节点的位置，并将此位置存入一个场景位置的表结

17、构中。第二个步骤是在线数据处理过程，移动节点定期发送广播报文，基站节点查表，根据接收信号的强度找出最为接近的位置作为节点当前的位置。RADAR系统的主要优点在于易于安装、需要很少基站，采用无线网络结构。但是，其依赖于无线局域网技术，制约了节点的种类、大小和电源情况。RADAR系统实现了楼内23m的实时定位。提出了WAF模型替代经验数据来推动节点位置的方法并做了初步尝试。(2)SpotON系统 SpotONt6标签的硬件有Dragonball EZ处理器、在916.5MHZ的TRl000射频收发器和10.0bit A/D转换器构成。该系统基于射频接收信号强(RSS)分析的三维位置感知方法，实现小

18、范围的定位。SpotON系统中硬件标签网络状分布，无需中央控制单元，通过标签测试到的信号强弱来表征标签之间的几何距离。但是，完整的SpotON系统到目前为止还没有建成。(3)Cricket7系统E911系统和智能机器人导航领域都有使用AOA技术确定目标方向和位置的技术，但它们大都使用了高能耗的天线阵列测量信号方向，不适用于低功耗的WSN领域。针对这个问题，MIT提出了一种融合TDO Compass，其原型系统可在+40。角内以±5。的误差确定接收信号方向。Cricket系统是麻省理工学院的Oxygen项目的一部分，用来确定移动或静止节点在大楼内的具体所在房间位置。该定位系统利用射频信

19、号与超声波信号到达时间间隔和各自的传播速度，计算出未知位置节点到已知位置节点的距离。然后通过比较到各个临近信标节点的距离，选择出离自己最近的信标节点，从该信标节点广播的信息中取得自身所在的房间位置。1.3 ZigBee技术的现状与发展1.3.1国外技术现状从国际方面来讲，国外研究矿井监控系统的起步较早，迄今为止已经基本实现了可控，可调等高效的状态。在目标上，也有很大胆的设想。比如加拿大正在为其改造北部的一个矿山而规划，即到2050年，便可将其改造为一个能够通过卫星操控所有设备来实现自动开采的无人矿井。1.3.2国内技术存在问题国内已经有很多企业都有了数字化改造，各种监控系统已经被应用于地下矿井

20、中，但仍处于起步状态，在技术上还尚不成熟。现有的技术有RFI射频读写系统、SuperRFI定位系统。RFI射频读写系统主要用于矿井进口处，或其他井下一些关键通道处，用刷卡的方式对下井人员进行登记从而跟踪其所处的大致位置。而它存在着一定的缺陷，即通信时存在一定的干扰，对通信电缆有着过分的依赖，有效通信距离被限制，价格昂贵等。SuperRFI定位系统通信距离比RFI射频读写系统稍微有所改进，但和RFI射频读写系统有着同样的缺陷。同国际上的发达国家相比，还存在很大的差距，国内许多设备存在着一定程度的不兼容，不够智能化等各种问题。就ZigBee技术而言，其市场仍然处于起步阶段，主要表现在在于可应用的终

21、端商用产品还多处于研发阶段，而且应用于上市的不多，具有非常典型的应用方向，它的点对点的应用较多，但是体现ZigBee优势的网状网络应用却很少，缺乏体现ZigBee大型组网应用。1.4 无线传感器网络应用无线传感器网络的应用前景非常广阔，能够广泛应用于军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物状态监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索等。随着无线传感器网络的深入研究和广泛应用，也将逐渐深入到人类生活的各个领域。目前，无线传感器网络主要应用于：（1）军事应用：无线传感器网络具有可快速部署、可自组织、隐蔽性强和高容错性的特点，因此非常适合在军事上应用。利用无线传感器网络能够实现对敌军兵力和装备

22、的监控、战场的实时监视、目标定位和搜索等功能。无线传感器网络已经成为军事系统必不可少的一部分。美国DARPA很早就启动了SENSIT计划，目的就是将各种类型的传感器、可重编程的通信处理器和无线通信技术组合起来，建立一个廉价无处不在的网络系统，用以监测光学、声学、震动、磁场、毒物温度等物理量。（2）环境监测和预报系统：基于传感器网络的ALERT系统中就有数种传感器用来监测降雨量、河水水位和土壤水分，并一次预测爆发山洪的可能性。类似地，无线传感器网络可实现对森林环境监测和火灾报告，节点被随即密布在森林之中，平常状态下定期报告森林环境数据，当发生火灾时，这些传感器节点通过协同合作会在很短的时间内将火

23、源具体地点，火势大小等信息传送给终端平台。（3）医疗护理：无线传感器网络在医疗系统和健康护理方面的应用包括监测人体的各种生理数据，跟踪和监控医院内医患行动，药物管理等。如果在病人身上安装特殊用途的传感器节点，如心率和血压监测设备，医生利用传感器网络就可以随时了解被监护病人病情，发现异常及时抢救。（4）智能家居：在家电和家具中嵌入传感器节点，通过无线网络与Internet连接在一起，将会为人们提供更加舒适、方便和更具人性化的智能家居环境。利用远程监控系统，可完成对家电的远程遥控。（5）建筑物状态监控：利用无线传感器网络来监控建筑物的安全状态。由于建筑物不断修补，可能会存在一些安全隐患。将无线传感

24、器节点安装在大楼、桥梁和其他建筑物，使其能探测本身的状况，并将通过无线网络将数据传输至监控平台。1.5 选题的期望成果设计基于ZigBee的矿井环境及人员监测系统存在以下几个优点。首先，由于在矿井下环境复杂，因而该系统要考虑环境因素的影响，即它要能实现实现多个定位网络间的可靠通讯。这样我们就需要加入多方面的考虑因素，如墙壁的厚度、井下信号的干扰等。其次，由于矿井下结构复杂，因而要尽量避免过多使用线缆，以免造成资源的浪费及线缆容易出现故障等问题。采用ZigBee无线通讯可以有效的解决这一问题，使井下的环境及人员的定位更加简便。最后，系统应当能够自动计算自己的精确位置实现极高的实时定位精度，避免因

25、过多盲节点同时出现在同一位置时，通讯出现混乱。必要时，可以在盲节点上加入更多传感器，可以采集如脉搏信号以便获取矿工的安全状况、气体浓度以便提前预知矿井下是否存在安全隐患等，并通过ZigBee将采集到的信号传递给PC机终端设备。1.6 本论文的主要内容本文通过讨论无线传感器网络关键技术，并根据矿山特殊开采环境的特点，研究了如何将无线传感器网络应用于矿井安全监测系统。给出了新的传感器节点的部署算法，优化了网络拓扑结构。本论文的主要内容包括：第一章：绪论。无线传感器网络概述，目前矿井安全监测系统现状，以及本文的研究意义。第二章：介绍适用于矿山安全监测系统的无线传感网络关键技术（ZigBee技术）及其

26、优势。第三章：对硬件系统的研究，研究矿井下无线传感器网络的节点部署、拓扑结构；并给出了优化部署算法。第四章：基于ZigBee技术的算法介绍。第五章：对软件系统进行研究，采用IRA软件平台进行开发，并用Visual Basic开发相关界面。论文最后是总结与展望。对本课题所取得的成果进行小结，并归纳工作中存在的不足，提出下一步需要做的工作。第2章 ZigBee无线技术2.1发展史随着近十几年来的无线通讯技术的不断发展，多种新的短距离无线通讯技术也陆续登上舞台。而2000年12月，成立802.15.4工作小组，并且开始起草IEEE 802.15.4标准使得短距离无线通信技术满足了低功耗、低价格无线网

27、络的需求。2002年，ZigBee技术由美国Motorola公司、英国Invensys公司及日本三菱电气公司等公司组成技术联盟来共同提出研究开发低功耗、低成本的无线通信网络系统。迄今为止，联盟的企业已达到200多家，涉及的厂家范围广，且这个联盟的队伍还在持续壮大。2003年，IEEE发布了作为ZigBee技术物理层和MAC层的IEEE802.15.4的协议标准，并在2004年12月，ZigBee联盟改进了该协议，在其原来协议的基础上，发布了完整的ZigBee协议标准。而ZigBee联盟不断改进，又在2006年发布了IEEE802.15.4的协议标准修订版。2.2体系结构ZigBee技术与蓝牙类

28、似，是新兴的短距离无线通信技术。它的优势在于它是一种低功耗、低速度、低成本的无线通信技术，因此在很多领域上都可应用。ZigBee技术的体系结构主要包括Application Layer应用层、Network Layer网络层、MAC Layer媒体接入控制层、PHY Layer即物理层，其结构如图2-1所示：图2-1 ZigBee技术体系结构图ZigBee能够使用的频段有3个，它们分别为美国的915 MHz 频段、欧洲的868 MHz 频段以及2.4 GHz的ISM频段2.4 GHz的ISM频段，不同频段对应可使用的信道分别是10、1、16个。在中国采用的频段是2.4 GHz频段（免申请和免使

29、用费的频段）。采用直接序列扩频技术DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum)，它的传输距离介于10m与75 m之间，这样能够增加RF发射功率，使其高达500 m。它的传输速率为20到250 kb/s，对于传感器数据采集和控制的传输有一定优势。ZigBee技术具有强大的组网能力，可以形成星型网状网、树型网状网和MESH网状网8。星状网络结构主要负责网络中设备的初始和维护工作，它主要由ZigBee协调器来控制网络。星状网中用于直接和协调器进行通信的其它设备叫做终端设备。在树状和网状网络中，网络和选择网络主要参数是ZigBee协调器主要负责形成的，然后再通过路由节点扩

30、张到网络。2.2.1星状网络拓扑其中星状网络拓扑结构图如图2-2所示。图2-2星型网络拓扑结构图星状网络拓扑结构是这样形成的。首先，为作为网络的PAN主协调器，应选择一个具有全功能的设备（FFD），然后再由它来建立一个新的网络，以此来确定该网络的唯一的一个PAN标识符，即PANID号。在每个星状网络中，PAN主协调器只能是唯一的，因而每个星型网络的通信对于当前其他星型网络来说，都是独立的，所以，为保网络的唯一性，应该选择一个新的PANID号，这一特点是ZigBee技术所特有的。当新的网络由协调器建立了以后，其他的各种设备也就可以加入到这个网络之中，用来做为这个星状网络的予节点。目前，星状网络拓

31、扑结构的优点是其结构简单、实现起来比较容易等，因此它被大量应用在远程监测和控制上。星状网络结构的简单，主要可以从紧需要执行很少的上层协议、对路由功能的控制相对容易等方面来体现，并且，最重要的是，它方便管理。管理工作大部分都是由PAN协调器来完成的。但是，它也存在缺陷，那就是只能实现简单的网络，所以在大规模组网的场合里是无法应用的，如果通信中遇到某个节点断开，对其他节点的通信会造成一定程度上的影响，从而无线网络的覆盖范围也会因此而受到限制了，同时，星状网络拓扑结构的高密度的扩展也很难实现。2.2.2树状网络拓扑树状网络拓扑的结构如图2-3所示，协调器和路由器都属于FFD设备，RFD为终端设备。终

32、端设备节点的特点是它只能与自己的父节点进行通信。图2-3树状网络拓扑结构图2.2.3网状网络拓扑网状网络是一个自由设计的拓扑结构，它的网络优点是自愈能力很强。其中网络中的所有节点都具有重新路由选择的能力，都是FFD设备，因此在网状网络中，节点间的通讯路径并不唯一。网状网络拓扑结构的适宜环境为比较复杂的环境。网络中的每个节点都是一个小的路由器，都具有重新路由选择的能力，以确保网络最大限度的可靠性，可以看出网络中任意两个节点的通信路径不是唯一的。网形拓扑与星形、树形相比，更加复杂，其路由拓扑是动态的，不存在一个固定的路由模式。这样信息传输的时间更加依赖瞬时网络连接质量，因而难以预计。2.3 Z-S

33、TACK协议栈2.3.1 Z-STACK概述为了适应ZigBee产品开发的需求，德州仪器FTD推出了一套完整的协议栈Z-Stack。Z-Stack是ZigBee技术的核心软件，是开发IEEE802.15.4ZigBee技术相关产品的关键软件，Z-Stack符合ZigBee2006规范的要求，并且在硬件上支持CC2430，CC2431以及MSP430平台。TI协议栈一直在不断的完善中，从最初的1.1.0版本到现在的1.4.3版本，无论从路由协议还是从地址分配模式都作了大量的改进。本文构建的定位系统是以Z-Stack协议栈为基础的，网络中按照节点完成的功能分为参考节点、定位节点。对Z-Stack协

34、议栈的理解运用是项目开发的重点和难点之一，下面对Z-Stack协议栈进行了较详细的说明。Z-Stack运行在IAR 7.20以上的集成开发环境，IAR 7.20运用C51编译器，是一个与KELLC51类似的，功能强大的C51编译器IDEDEBUG开发平台。在该集成开发环境中，可以看到个完整的Z-Stack协议栈包含的功能部分组成。如图2-4所示。图2-4 Z-Stack协议栈组成Z-Stack是完全符合ZigBee2006标准的，其协议栈结构也与ZigBee规范完全吻合。包括最上层的应用层(APP)，在该层内主要完成应用程序的设计，外部任务的调用和执行，并可以通过API函数调用下层的函数完成相

35、应的操作。HAL层ardware Abstract Layerl层为硬件抽象层，在该层中根据用户硬件平台的不同，给出了各种不同的硬件资源，如按键、发光二极管、串口、定时器以及ADC等各种硬件设各的功能函数定义。用户可以通过调用它的API函数实现应用程序功能的外部表征。MAC以及NWK层主要实现了ZigBee标准的媒体接入控制层和网络层。OSAL(Operater System Abslract Layer)是操作系统抽象层，协议栈即运行在该操作系统之上。Tools是配置文件，通过对其内部文件的修改可以设置网络的信道编号和PAN ID号，并且最重要的一个功能是通过设置其相应的文件包含可以预定义节

36、点的逻辑类型，即协调器，路由节点或者是终端设备节点。ZDO是ZigBee设备对象的简称，在该层主要定义了网络内部设备的入网，绑定以及设备发现等功能实现。ZMain是应用程序的主函数，每个应用程序都是从ZMain函数作为入口，首先是硬件初始化，存储器初始化最后是操作系统无限循环。简单的说，Z-Stack协议栈就是用户的应用程序、ZigBee标准以及各种用户配置结合起来的一套完整的具有堆栈格式的文件系统。各层之间通过各层的API函数实现相互连接和通信，最终达到完整有效的运行。Z-Stack协议栈结构较复杂，要想理解它的运行机制，很关键的一点就是要理解OSAL的运行机制。2.3.2 OSAL运行机制

37、OSAL(Operator System Abstract Layer)，操作系统抽象层)层是与协议栈相独立的，但是整个协议栈都要基于本操作系统(OS)才能正常运行，或者说协议栈运行在本层之上。OSAL提供如下服务和管理功能：信息管理、任务同步、时间管理、任务管理、内存管理、电源管理以及非易失存储管理。图2-5 OSAL操作系统任务调度流程具体来说，OSAL是一个基于任务调度机制的操作系统。它是通过对任务的事件触发来实现资源的调度。每个任务都包含若干个事件，每个事件都对应一个事件号。当一个事件产生时，对应任务的Event就被设置为相应的事件，这样事件调度就会调用相应的任务处理程序。OSAL中的

38、任务可以通过任务处理API函数添加到系统中，这样就可以实现多任务机制。OSAL任务调度流程如图2-5所示。2.3.3 ZigBee组网协调器组建个域网(PAN)成功后，频繁的以广播方式向外发送信标帧，用来表示它的存在。其它终端节点接收信标帧，以完成设备发现任务，终端节点要加入该PAN，那么只要将自己的信道以及个域网标识符(PAN ID)设置成与要加入网络中的父节点的相同，并提供正确的认证信息，即可请求加入(Join)网络。此时，父节点要检查自身的短地址资源，如果自身地址未满，那么就可以为该子节点分配短MAC地址，只要节点接收到父节点为之分配的16位的短地址，那么在通信的过程中，将使用该地址进行

39、通信。如果没有足够的地址资源，那么节点将收到来自父节点的连接失败响应，此时子节点即可以向其他父节点请求ZigBee网络短地址来加入网络。网络层将不断重复这个过程直到节点成功加入到网络为止。在Z-Stack中，一个具体的Sample应用组网过程如下所述：一个作为协调器编译的Sarhple应用将会组建一个网络，该网络使用DEFAULT CHANLIST中说明的信道之一。如果它没有定义ZDAPP CONFIG PAN ID为0XFFFF的话，协调器将会建立一个以 ZDAPP CONFIG PAN ID 为PAN ID 的 个 域 网 。 如 果ZDAPP CONFIG PAN ID=OXFFFF，则

40、基于它自身IEEE地址产生一个随 ID。一个作为路由器或终端编译的Sample应用将会试图加入一个网络，它使用DEFAULT CHANLIST中说明的信道之一。如果ZDAPP CONFIG PAN ID没有被定义为OXFFFF，路由器将被限制仅仅加入那些被定义的PAN ID。当ZDAPP CONFIG PAN ID没有被定义为OXFFFF的时候，因为一个协调器和一个路由器或终端之间的行为上的差异，不可预料的结果就会产生。如果ZDAPP CONFIG PAN ID被定义为一个有效的、小于或等于OX3FFF的值，协调器将仅仅试图用这个特殊的个域网ID建立一个网络。因此，如果协调器被限制在一个信道，

41、并且特定的个域网ID已经在那个信道里被建立起来，新的起始协调器将会做出连续的变化直到它产生一个唯一的个域网ID。新加入的路由器和终端将不会知道建立的“不冲突”的个域网ID值，因此仅仅会加入特定的个域网ID。当被允许的信道屏蔽允许不止一个的信道并且由于PAN ID冲突，协调器不能使用第一个信道的时候，一个相似的、有挑战性的场景将会出现一在被允许的情况下，路由器和终端将会加入第一次信道扫描到的特定PAN ID。2.3.4 Z-Stack协议栈运行机制一个完整的基于Z-Stack协议栈的应用程序主流程图如图2-6所示。由图可以看出，在Z-Stack开始运行之前，系统必须完成硬件设备及内部存储器的初始

42、化，其间要判断节点的长地址，若此时长地址为全FF，那么要往存储器随机写入64位的长地址，然后进入操作系统的无限循环中。在该循环中，操作系统不断监视系统的任务列表，根据任务的不同，操作系统分别做出不同的处理。因此，必须首先在任务列表中添加任务，完成任务的初始化，在事件处理的回调函数中加入相应事件处理函数，如按键事件、状态转换事件、数据包发送确认事件、收到数据包的指示事件等，响应到某种事件，就转去执行相关的消息事件处理函数。ZigBee无线网络的实现，是建立在ZigBee协议栈的基础上的，协议栈采用分层的结构协议分层的目的是为了使各层相对独立，每一层都提供一些服务，服务由协议定义，故只需关心与他的

43、工作直接相关的那些层的协议，它们向高层提供服务，并由低层提供服务。在ZigBee协议栈中，PHY、MAC层位于最低层，且与硬件相关，NWK、APS, APL层以及安全层建立在PHY和MAC层之上，并且完全与硬件无关。协议栈定义通信硬件和软件在不同级如何协调工作。在网络通信领域，在每个协议层的实体们通过对信息打包与对等实体通信。在通信的发送方，用户需要传递的数据包按照从高层到低层的顺序依次通过各个协议层，每一层的实体按照最初预定消息格式向数据信息中加入自己的信息，比如每一层的头信息和校验等终抵达最低的物理层，变成数据位流，在物理连接间传递。在通信的接收方数据包依次向上通过协议栈，每一层的实体能够

44、根据预定的格式准确的提取需要在本层处理的数据信息，最终用户应用程序得到最终的数据信息进行处理。OSAL实现了一个易用的操作系统平台，通过时间片轮转函数实现任务调度，提供多任务处理机制。用户可以调用OSAL提供的相关API进行多任务编程，将自己的应用程序作为一个独立的任务来实现。OSAL提供如下服务和管理：信息管理、任务同步、时间管理、中断管理、任务管理、内存管理、电源管理以及非易失存储管理。图2-6 Z-Stack的运行机制流程 事件的激发方法和执行顺序是值得注意的，协议栈中通常使用三种函数进行事件激发，三种函数为osal_start_timer()、osal_start()和osal_sta

45、rt_timerEx()。其中，函数osal_start_timerEx()被用来开启一个在n毫秒后到期的时钟，当时钟到期时，调用任务将获得特定的事件，使用时需指明任务ID。函数osal_start_timer()也被用来开启一个在n毫秒后到期的时钟，当时钟到期时，调用任务将获得特定的事件，但使用时不用指明任务ID。函数osal_set_event()被用来设置任务事件标志，一旦程序执行到此处，就转入相应的消息处理函数。2.4协议研究 ZigBee协议结构前面已经有所介绍，下面将分别具体介绍。2.4.1 物理层物理层9的任务是通过无线信道进行安全、有效的数据通信，同时为MAC层提供数据和管理服

46、务。物理层的主要功能有：休眠和激活射频收发器、选择通信信道、对当前信道进行能量检测、指示链路质量、清除信道评估以及无线数据的收发等等。(1)工作频段和数据速率ZigBee工作在ISM(Industrial Scientific and Medical)频段，即工业、科学、医学频段，该频段为免付费、免申请的无线电频段。在该频段上，ZigBee定义了三个工作频段，分别为：24GHz频段和91 5868MHz频段。其中24GHz是全球通用的ISM频段，有16个信道，数据传输速率为250kbps，采用的是16相位正交调制技术(q-Offset Quadrature PhaseShift Keying，

47、O-QPSK)；915MHz是北美的ISM频段，有10个信道，数据传输速率为40kbps；868MHz是欧洲的ISM频段，有1个信道，数据传输速率为20kbps，915868MHz采用的是带有二进制移相键控(Binary Phase-Shift Keying，BPSK)的直接序列扩频(Direct SequenceSpread Spectrum，DSSS)技术。在我国使用的是2.4GHz的频段。(2)物理层帧结构格式物理层协议数据单元(PHY Protocol Data Unit，PPDU)I扫用于数据流同步的同步包头(Synchronization Header，SHR)、带有帧长度信息的物

48、理层包头(PHYHeader，PHR)以及含有MAC层数据帧的载荷组成的。2.4.2 MAC层MAC10层的主要功能包括：协调器设备产生网络信标；与网络协调器产生的信标进行同步；PAN无线链路的建立、维护和断开；支持设备的安全性；信道接入采用冲突兔碰撞载波监听多址接入(Carrier Sense Multiple Access with Collision Aviodance，CSMACA)机制；预留时隙管理；在对等的MAC实体中提供一个可靠的链路等等。如图2-7所示，MAC层通过两个服务接入点(Service Access Point，SAP)为它提供两种不同的MAC层服务。即通过MAC层公

49、共部分予层SAP(MAC Common Part Sublayer-SAP,MCPS-SAP)为它提供数据照务；通过MAC层管理实体SAP(MAC subLayer Management Entity-SAP,MLME-SAP)为它提供管理服务。这两种服务为服务协议汇聚层(Service Specific Converence Sublayer,sscs)和物理层之间提供了一个接口，这个接口通过物理层中的数据服务SAP(PHY DataSAP-PD-SAP)和管理实体服务SAP(PhysicalLayer Management Entity-SAP,PLME-SAP)来实现的。除了这些外部的接

50、1:3之强，在MLME和MCPS之闻还有一个隐含的接豳，该接口使得MLME可以使用MAC的数据服务。图2-7 MAC层参考模型2.4.3 网络层 网络层11 (Network layer,NWK)主要负责网络拓扑结构的建立、维护、命名以及绑定等服务，并且它们协同完成寻址、路由和安全等这些必需服务。图2-8描述了网络层的构成部分及其各部分接口。图2-8 网络层参考模型网络层的主要功能有两个：一个是提供一些可以让MAC子层正常工作的函数；另一个是为应用层提供合适的服务接口。其中，为了给应用层提供接口，网络层需要包含两个服务实体来提供必要的一些功能。这两个服务实体分别为数据服务实体和管理服务实体。网

51、络层数据实体(NWK layer data entity,NLDE)通过它相关的服务接入点NLDESAP来提供数据传输服务；网络层管理实体(NWK layer management entity,NLME)通过它相关的服务接入点NLME.SAP来提供管理服务。NLME会利用NLDE来完成一些管理工作，同时维护网络信息库(Network Information Base,NIB)。如图2-8所示，网络层分别通过MCPS-SAP和MLME-SAP为MAC子层提供接口，通过NLDE-SAP和NLME-SAP为应用层提供接口。除了这些外部接口之外，网络层在NLME和NLDE之间还有一个隐含的接口，允许

52、NLME使用网络层的数据服务。网络层功能描述：ZigBee网络层主要负责无线通信中网络节点的连接和断开、路由机制的选择以及网络地址的分配等等。基于ZigBee协议的通信网络中，所有的设备都必须有以下三种功能，具体包括：加入网络、离开网络和重新加入网络功能。此外，ZigBee网络协调器和路由器还应该具备以下功能：(a)允许终端节点以如下方式加入网络，包括：通过MAC层的连接指示命令、通过应用层的连接请求命令以及重新加入请求命令；(b)允许终端节点以如下方式离开网络，包括：通过网络层发送主动断开命令帧和应用层的离开请求命令；(c)参与逻辑网络地址的分配工作；(d)进行维护邻居设备表工作。最后，Zi

53、gBee协调器还应该具备建立一个新网络的功能，同时路由器以及终端节点在一个网络中应提供轻便支持。2.4.3 应用层ZigBee应用层(Application Layer,APL)主要包括应用支持子层(Application Support Sub-Layer,APS)、ZigBee设备应用以及ZigBee设备对象。下面将依次做简要介绍。应用支持子层介绍：应用支持子层12通过一系列的服务为网络层和应用层提供了一个接口，这些服务都是ZigBee设备对象和厂商自定义的应用对象所使用的。通过应用支持予层数据实体服务接入点(APS data entity service access point，APS

54、DE-SAP)提供数据服务：通过应用支持子层管理服务接入点(APS management entity service access point，APSME-SAP)提供管理服务。其中APSDE为处予圊一个网络中的两个或多个应用实体间提供数据传输服务；APSME为应用对象提供各种管理服务，其中主要包括安全服务和设备的绑定管理等等，同时它还负责维护管理对象的数据库，该数据库被称之为APS。具体应用层结构如图2-9所示。图2-9 网络层参考模型2.5 本章小结本章首先对ZigBee技术进行了简单的介绍，简要叙述了其发展的过程，以及性能特点等等；其次对ZigBee霹络的几秘网络拓扑结构进行了较为详细

55、的介绍，并且较为侧重的分析了现在比较常用的对等网终拓扑结构，研究了树状路由分配机制的地址分配原理。然后又介绍了ZigBee协议栈的结构，并分别对物理层、MAC层、网络层以及应用层分别做了较为详尽的介绍。最后指出了ZigBee技术的发展前景，为进一步提出基于ZigBee技术的无线定位系统打下基础。下一章主要探讨硬件系统的设计。第3章 系统硬件平台的搭建3.1定位系统硬件设计3.1.1 硬件总体规划环境监测分站采集各种传感器的数据，通过ZigBee无线网络传送给监控中心，可作为ZigBee网络中的路由器或RFID。Zigbee无线数据传输系统网络节点的硬件部分主要由微处理器模块、无线通讯模块、数据

56、采集模块等模块组成，如图3-1所示。图3-1 硬件结构图CC2430芯片为Chipcon公司生产的2.4GHz射频系统单芯片。它沿用了以往CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。它使用1个8位MCU(8051)，具有128 KB可编程闪存和8 KB的RAM，还包含模拟数字转换器(ADC)、几个定时器(Timer)、AESl28协同处理器、看门狗定时器(Watchdog timer)、32 kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路(Power On Reset)、掉电检测电路(Brown out detection)，以及21个可编程I/O引脚。C

57、C2430芯片采用0.18urn CMOS工艺生产，工作时的电流损耗为27 mA。在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27 mA或25 mA。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。CC2430的主要性能参数如下：(1) 采用IEEE 802.15.4规范要求的直接序列扩频方式；(2) 数据速率达250kbps，码片速率达2MChip/s；(3) 采用O-QPSK调制方式；(4) 超低电流消耗(RX-18.8mA，TX：17.4mA)，高接收灵敏度(-95dBm)；(5) 抗邻频道干扰能力强(30/45dB)：(6) 内部集成有VCO、LNA、PA以及电源整流器，采用低电压供电(2.13.6V)；(7) 输出功率编程可控；(8) IEEE 802.15.4 MAC层硬件可支持自动帧格式生成、同步插入与检测、16bit CRC校验、电源检测、完全自动MAC层安全保护(CTR、CBC-MA)；(9) 与控制微处理器的接口配置容易(4总线SPI接口)；(10) 开发工具齐全，提供有开发套件和演示套件；(11) 采用QLP.48封装，外形