分布式测控网络中无线传输技术地研究与应用（可编辑）

分布式测控网络中无线传输技术的研究与应用（可编辑）分布式测控网络中无线传输技术的研究与应用山东大学硕士学位论文分布式测控网络中无线传输技术的研究与应用姓名:侯正帅申请学位级别:硕士专业:电路与系统指导教师:陈曙20090507山东大学硕士学位论文摘要随着政府推进信息化工作的开展,越来越多的信息化系统应用于各个与供水部门相关的单位,传统抄表数据实时性差、准确率低的缺点显得越来越突出,这种传统的抄表模式已经成为用水管理部门信息化的瓶颈。如何保证用户用水数据能够实时、准确的送到相关部门数据库,为管理部门制定政策提供依据,且能最大限度的减少抄表所需要的人力、物力代价,已经成为一个急待解决的问题。本文在对现有的人工、有线、无线抄表模式进行研究的基础上,提出了一种利用无线传输技术进行无线抄表的解决方案;在对网络层和应用层研究的基础上,设计并实现一个基于的无线水表集抄系统,它能够满足多种抄表模式要求,实现无线抄表功能。设计一个无线抄表系统必然涉及到硬件平台以及软件系统,其中硬件平台包括芯片的选择以及硬件电路的设计,软件系统主要包括网络中各个节点的软件设计和上位机软件设计包括数据库模块和前端管理界面。其中,如何定义符合标准的,如何设计满足要求的网络抄表方案及论证该方案的可行性,是本文的主要工作。如何定义上位机和网络的数据交互的帧格式、数据交互模式,如何设计整个系统的框架也是本文的工作。本系统能够自动发起网络,自动进行网络维护,实时准确的把采集到的水表数据通过网络传送给上位机,上位机通过网络把数据提交给市政用水管理部门,当市政用水部门需要对某些水表进行管理时,命令还可以经由上位机传达到网络各节点进而控制各个水表,例如要求对网络进行动态数据采集等。关键词:无线抄表;;;上位机山东大学硕士学位论文,.’?,,.’,’,,,’.,,,;,.,,’’;,,..,,,.,,山东大学硕士学位论文,,,.:;;;山东大学硕士学位论文符号说明服务质量精简功能设备全功能设备直接序列展频??跳频扩频射频微控制单元??载波监听多路访问服务接入点访问控制列表信息完整码高级加密标准原创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名:?辫日期:?彳一上。争关于学位论文使用授权的声明本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅;本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。保密论文在解密后应遵守此规定期::畔新硌膨山东大学硕士学位论文第一章绪论.项目背景党的十六大提出了“信息化带动工业化,工业化促进信息化’’的战略指导方针。于是,信息化建设进入前所未有的高潮。在这种大形势下,国内供水部门纷纷展开了信息化建设工作。与此同时,居民对生活的安全性、快捷性也提出了更高的要求,这就迫使房地产商、物业管理部门加快信息传输的智能化、数字化建设的步伐。现在市政供水部门和用水管理部门都有了自己的信息化管理系统,居民可以在相关的部门非常方便的查询到自己的用水情况。用水交费管理也有了较大进步,有的地方用户可以用磁卡来刷卡交费,也可以直接在个人账户充值交费,在交费管理这一块也越来越信息化。从上面的分析可以看到整个用水的信息化建设这一块瓶颈出现在了水表数据的集抄上,这么多年虽然产生过一些新的抄表方式详见本章第二节介绍,但是在抄表方式上还是以人工抄表为主。人工抄表不仅需要花费大量的人力,更重要的是由于是人工抄录,抄表数据不能保证及时、准确,在用水管理部门的数据库中,最新用水量数据可能是几天前甚至是十几天前的数据,而且这些数据由于是人工抄录,不免有错误和遗漏:另外一个原因是随着社会的发展,城市高层建筑的普及,传统水表的操作给抄表人员带来越来越多的麻烦。综合考虑了以上出现的问题,可以看出,传统的人工抄表模式已经不能满足当前信息化发展的要求,如何采用当前新兴的各种无线传输技术设计出一种新的抄表模式,引起了许多人的关注。本项目为山东三龙实业有限公司和山东大学合作项目.国内外研究现状依据通信媒介的不同现在的自动抄表系统大致可分为有线自动抄表系统和无线自动抄表系统。传统的有线自动抄表系统需要布线,许多小区布线难度很大或根本不允许布线,且布线的成本费用不菲,限制了有线自动抄表系统的推广和应山东大学硕士学位论文用;而无线自动抄表方式采用先进的无线通信技术,实现集中抄表,相对于有线自动抄表系统有着先天的优势。在有线和无线抄表的发展过程中,主要有以下几种典型的方案:有线自动抄表系统【】【分线制集中抄表:每户的水表单独出线连接至数据采集器,然后由数据采集器统一收集与处理数据。分线制自动抄表系统在普通水表的基础上加装传感器件,将机械式读数信号转换成电信号后传送出去,再由数据采集器定时顺序采集来自多路分线连接的水表信号并进行数据处理、存储、故障记录等。各数据采集器可通过串口或红外接口单独与手持抄表器通信;也可采用总线连接至单元管理机,再由单元管理机与手持抄表器通信进行批量数据的抄录。总线制集中抄表:总线制自动抄表系统中使用的水表是一种智能水表,水表本身具有数据计量和处理功能,多个水表通过同一条数据总线将数据传送至中心计算机。每户的水表通过一条总线挂接。手持抄表器或计算机与智能水表进行数据通信,读取水表数据后进行计算。以上两种方式都属于有线方式,都属于基于总线的通信方式,总线方式抄表结构简单,易于实现,通信可靠性高。但缺点是都需要铺设专门的通信电缆,存在布线的问题,使得安装尤其改装任务繁重,也存在许多隐患:短路、断路等错综复杂的线路更使得维护工作困难重重,安装以及维护成本全部上升。最主要的一点是总线节点数受限,不适于大规模的集中抄表【】。无线智能水表无线智能水表不仅具有进行数据计量和处理的功能,无线通讯模块还可以对数据通过无线方式实现接收和发送。此类水表无需铺设线路,维护与安装方便,大多数使用国际标准业余无线频率和自制的专用通信协议。但由于单表加装无线收发装置,成本相应提高,并且经常需要更换电池,更因为有些标准占用收费的无线频点,还需交纳一定的租金和管理费;此外存在数据通信的安全问题,所以目前家用水表市场上应用很少。电力载波抄表是无线智能抄表常见的一种形式【】。通过上面的介绍可以看见限制无线技术在智能抄表系统中应用的主要原因是成本方山东大学硕士学位论文面的考虑,如果能把改装水表的成本包括运行成本降低到居民可以接收的程度,无线抄表将会有更广阔的市场。随着技术的出现,低功耗,低成本的特点弥补了上述无线智能水表中的缺陷,因此把技术应用在无线抄表领域已经越来越引起国内外的关注,一些关于无线抄表的论文和方案在国内外的杂志和会议上发表,但是这些方案都只是基于某种单片机简单的实现了的组网功能,其所依赖的协议栈大多并没有完全实现联盟制定的规范,不符合标准,不能完全发挥技术在无线测控领域的优点,因此这些方案其实还是不是很成熟。例如公司现在推出的协议栈对于技术规定的部分安全规范并没有得到实现【?】,这种协议栈用在抄表系统会有很大的隐患。基于对水表实际应用场合的考察和分析,并结合当前计算机技术、网络技术的最新发展状况,我们提出了采用协议栈来实现无线传感器网络和网络相结合的混合网络结构,实现低成本、可扩展的远程水表管理网络。该协议栈严格遵循的规范,该网络系统具有远程抄表功能,并可在该结构上方便扩展如用水异常信息报警、线损分析等功能。.论文安排本文结合对规范的网络层和应用层的研究,设计符合项目要求的抄表方案;结合项目采用的芯片及协议栈,实现该方案的软件功能;并对该方案迸行测试和分析,论证方案的可行性;搭建了整个抄表系统的框架,对下位机和上位机的数据交换模式进行研究,设计数据交互的帧格式。设计小区管理中心上位机用户管理系统。本论文的主要章节内容安排如下:第一章为绪论,讨论了项目背景意义、国内外研究现状和本文的主要研究目标和论文安排。第二章简单介绍了什么是技术,技术的特点以及协议栈的层次架构,对物理层和层做了简单的论述,主要对网络层和应用层进行了研究。山东大学硕士学位论文第三章为系统的总体方案的设计,提出了基于技术和技术的无线抄表系统的整体框架设计和各个模块的概要设计。第四章为智能水表网络的具体设计与实现,制订了符合规范的无线抄表的;设计并实现了网络中协调点,路由器,终端节点三种不同设备的软件功能。第五章为上位机功能机软件的实现,介绍了上位机在整个系统中的作用,设计并实现了上位机的软件功能。第六章为系统的实现和结果分析,实验搭建整个系统并对系统中的通信状况进行分析,证明项目设计的可行性。第七章对本文的工作进行了总结,指出了存在的不足,并对下一步工作进行了展望。最后是参考文献和致谢。山东大学硕士学位论文第二章技术研究近年来,技术越来越受到人们的关注,它是一种得到迅速发展和受到普遍重视的新型无线网络传输技术,它的出现和发展对现代无线通信技术产生了极其深刻的影响。本章比较详细地介绍了技术的由来、特点、协议栈的框架。.技术..技术由来在蓝牙技术的使用过程中,人们发现蓝牙技术尽管有许多优点,但仍存在许多缺陷。对传感和测控领域而言,蓝牙技术显得太复杂,功耗大,距离近,组网规模太小等。类似的,现存的其他无线网络协议当应用到传感和测控领域时也显出了这样或那样的问题。传感和测控设备的通信不需要很高的带宽,但对反应时间和能耗以及成本比较敏感,并且网络中节点数目庞大【。基于上述原因,许多的无线设备生产者已开始致力于解决无线网络的问题,出现了许多的通信协议,但这些协议都并不能完全适应无线传感器网络的要求。而协议以其特有的特点,为无线网络中传感和控制设备之间的通信提供了一个极好的解决方法。技术是联盟制定的一种无线通信技术,被业界认为是最有可能应用在工控场合的无线传输方式。..各种无线协议的比较表.为技术与现存的几种无线网络的对比,包括了应用的范围,协议栈所占系统的资源,网络规模的大小,传输距离、带宽以及电池的寿命。通过表中的比较,像和这样的标准是不适合用于低功率嵌入式传感器网络应用中的,这是因为这些标准都需要较高的节点成本及复杂且耗电的芯片和协议。而却是唯一一个明确定位于低速率传感器和控制网络应用需求的标准,它满足如下无线测控网络应用的要求:、需要大量节点、传感器的无线解决方案;山东大学硕士学位论文、极低的系统、节点成本:使用廉价的电池就可工作数年,这需要极低功耗的芯片和协议;节点间的链路必须安全可靠;、网络必须易于配置;、传感器节点所发出的信息总量有限,因此所需通信链路的数据传输速率也处于较低或中等水平;、低占空比的定期发送或间歇性发送低功耗是该网络通信的特点,传感器节点通常会保持长时间的休眠状态;./市场标准名/.....应用重点广阔范围,,图电缆替代品监测控制声音数据像一系统资源/网络大小节点数..传输距离不限~米米..带宽/啦电池寿命至.至至天成功尺度覆盖面大,质量速度快,灵活价格便宜,方可靠,低功好便耗,价格便宜表?与几种无线网络标准的比较针对各种无线网络标准应用的领域的不同,下面主要通过比较与技术的特点来阐述为什么在无线抄表领域选择技术。适合于?网络多跳无线网络,可以取代电缆,而且手机的无线手持解决方案需要传输中等大小的图形/图片和文件,适用于传输或下载大数据量的文件,而适用于传输以静态为主,节点繁多,但每个节点仅需以较低的占空比发射有限数据的网络。在技术指标上,蓝牙当初的定位是所谓“的技术,与之相山东大学硕士学位论文应的平台则己有高计算性能和高资料量需求的或高级手机为主。所以在无线芯片的设计上门槛较高,通信速率也较高,以满足人类的通信需求。所以蓝牙技术当初对语音以及连接的要求是列为第一优先的。而所想要切入的市场是所谓的应用,运用通信技术的仅仅是一颗美元至美元的位。技术所需要传输的资料量或速率,相对蓝牙的目标来得低,协议也相对简单。这样一种设计理念,对整个贮产业链产生了一个加速的作用:从芯片设计周期、通信协议固件的开发一直到产品整合及应用,各个产业都以更快的速度、更好的品质展开起来。的优势,一般业界的分析不外乎是能耗、所需资源及灵活组网和自适应路由功能等,这几项优势若是单一地和蓝牙相比较起来,都只能说是相对优势,不算什么石破天惊的突破。单一方向作比较,都没有非用不行的理由,但是一旦许多小的优势汇集在一起之后,又能以很实惠的价格提供给市场客户,那这个解决方案的优越性就很明显了【】。可支持数百节点的大规模应用,而蓝牙则只能支持八节。适用于广泛区域的网络,因节能组成无线网状网络以互相传送数据,所以应用范围可伸延至数百、甚至数千米;而蓝牙则只为十至一百米范围内的短程网络而设。就制造成本而言,芯片现在远比蓝牙芯片为便宜。:中等的任务周期,次要的电池能耗考虑电池持续时间和控制单元相同,半静态星型网络接近个节点,主要针对需要中等数据传输率,高,以及低反应时间的无线网络。:非常低的任务周期,很长的电池寿命,静态及动态的星型及网状结构,可以有非常多的节点单元最多约个,在没有网络问通信时能够保持长时间静止状态。.技术的特点技术的主要特点包括以下几个部分四:?数据传输速率低。只有字节/秒到字节/秒,专注于低传输应用。?功耗低。在低功耗待机模式下,两节普通号干电池可使用乱个月。山东大学硕士学位论文?成本低。数据传输速率低,协议简单,所以大大降低了成本。夺网络容量大。网络最多可容纳个设备。?时延短。典型搜索设备时延为,休眠激活时延为,活动设备信道接入时延为。?数据安全。提供了数据完整性检查和鉴权功能,加密算法采用.,同时可以灵活确定其安全属性。?网络的自组织、自愈能力强,通信可靠。?工作频段灵活。使用的频段分别为.,欧洲及美国,均为免执照频段。由于节点工作时通常是干电池供电,因此采取一些降低能耗的技术在项目中是值得探讨的。由于应用的低带宽要求,节点可以在大部分时间内休眠,以节省电池能量,然后苏醒并迅速发送数据,然后再去休眠。可以在毫秒或更短的时间内由休眠模式进入活动模式,因此即使休眠的节点也可以取得合适的低时延。在实际应用中根据数据采集时间的周期的设定还可以在应用级别增加节点休眠的时间从而来达到更节能的目的。节省的大部分能量归功于..技术,其本身就是为低功率而设计的。例如,..采用直接序列展频技术取代跳频扩频,因为后者为保持同步跳频会消耗较多的功率。为了尽可能多地节省能量,采用一种“准备好才发送一的通信策略,它只在有数据要发送时才发送数据,然后再等待自动确认。“准备好才发送’’是一种“面对面’’式的方案,是一种能量效率非常高的方案。而且,这种“面对面式策略导致干扰非常低,这主要是由于节点具有非常低的占空因数,只偶尔发射信号且只发送小量的数据。不过,的“准备好才发送’’方案并不是万能的。例如,在一条由成千上万个微型传感器构成的网络中,这种方案节省的能量可能仍不够用。由于每个网络节点都定期发送数据,而且数据必须经过附近其他网格式分布的节点多次反复传送才能到达网络控制器,大量的数据包冲突和重复传送会浪费能量,大大缩短传感器节点的电池寿命。因此在实际的应用过程中,网络的路由深度应该尽量控制在小于级以内。山东大学硕士学位论文.通过减少对相关处理的需要来进一步节省能量。一个简单的位处理器就可以轻松地完成的任务,而且协议栈占用很少的内存。例如,协议栈需要占用大约内存,一个功能更强的而一个精简功能设备协议栈只需要内存。比它们复杂得多的蓝牙技术则需要占用约内存。相对简单的实现也节省了费用。由于省掉了内存和其他电路,自然降低了部件的成本,而简单的位处理器和小协议栈也有助于降低成本。.协议框架;协议栈也是按照层次结构来组织的。每层为其上层提供特定的服务:一个数据实体提供数据传输服务,一个管理实体提供全部其他服务。每个服务实体通过一个服务接入点为其上层提供服务接口,并且每个提供了一系列的基本服务接口来完成相应的功能。协议栈的体系结构如图.?】所示。它虽然是基于标准的七层开放式系统互联模型,但仅对那些涉及的层予以定义。..标准定义了最下面的两层:物理层和介质接入控制子层。联盟提供了网络层和应用层框架的设计。其中应用层的框架包括了应用支持子层、设备对象和由制造商制定的应用对象。相比于常见的无线通信标准,协议紧凑而简单,具体实现的要求很低。以下是协议的需求估计:硬件需要位处理器,如;软件最大需要的,最小软件需要的;网络主节点协调点需要更多的以容纳网络内所有节点的设备信息、数据包转发表、邻接表、设备关联表、与安全相关的密钥存储等。山东大学硕士学位论文图?协议栈结构图...层来自..物理层?协议数据单元的二进制数据被依次按字节从低到高组成位二进制数据符号,每种数据符号对应状态组中的一组被映射成位伪噪声码片,以便传输。然后这个连续的伪噪声序列被调制采用最小键控方式到载波上,即采用半正弦脉冲波形的偏移正交相移键控调制方式。/频段物理层使用简单的直接序列扩频方法,每个数据传输位被最大长为的序列所扩展即被多组、一构成的序列编码,然后使用二进制相移键控技术调制这个扩展的位元序列,不同的数据传输速率使用于不同的场合。例如:/频段物理层的低速率换取较好的灵敏度和较大的覆盖面积,从而减少覆盖给定物理区域所需的节点数;.频段物理层的较高速率适用于较高的数据吞吐量、低延时或低作业周期的场合。山东大学硕士学位论文...层..层吲同样提供两种服务:层数据服务和层管理服务。管理服务动过层管理实体眦旺服务接入点访问高层。层数据服务使层协议数据单元啪的收发可以通过物理层数据服务。..层的特征有信标管理、信道接入机制、保证时隙管理、帧确认、确认帧传输、节点接入和分离。...超帧结构低速率的无线个域网允许使用超帧结构洲。超帧的格式由传感器网络的协调器定义。如图.所示,超帧被分为个大小相等的时隙,由协调器发送。每个超帧之间由网络信标分割。信标帧在超帧的第一个时隙被传输。如果协调器不想使用超帧结构,它将会停止信标的传输。信标主要用于使各从设备与主协调器同步、识别以及描述超帧的结构。任何想要在竞争接入期间通信的设备都要使用有时隙的载波监听多址接入一冲突避免?。所有的传输要在下一个信标到来之前结束。为减少设备的功耗,将超帧结构分为活跃和静止两个部分。在静止部分,协调器将不和网络联系,进入低功率模式,己达到减少设备功耗的目的。对于低延迟应用或需要特殊带宽的应用来说,网络协调器为它贡献出超帧的活跃部分,这部分叫做保护时隙,如图.所示。多个保护时隙构成一个免竞争时期,它总是紧跟着,在活跃的超帧尾部。网络协调器可以分配个,每个可以占用一个以上的时隙。而有充足的时间留给基于竞争的接入的网络设备或想加入网络的设备。所有基于竞争的传输都要在开始前结束,同样,的传输也要确保在下一个开始前结束。“图无的超帧结构图有的超帧结构.机制低速率的无线个人区域网络依据网络的结构不同,使用两种信道接入机制。无山东大学硕士学位论文信标网络使用无时隙的信道接入机制。每当设备想要传输数据帧或命令时,它将等待随即的一段时间。在随即退避之后,如果信道被检测为空闲,设备将传输数据;如果信道被检测为忙;设备在再次尝试接入信道之前,要重新等待随即的一段时间,确认帧的发送不使用?机制。有信标网络使用有时隙的?信道接入机制,退避时隙在信标传输的开始排列好。每当设备在竞争接入时段要传输数据时,它需要确定下一个退避时隙的界限,之后等待随即的几个退避时隙。在随即退避之后,如果信道被检测为忙,设备在再次尝试接入信道之前,要重新等待随即的几个退避时隙;如果信道被检测为空闲,设备将在下个退避时隙传输数据。确认帧和信标帧的发送将不需要?机制。...安全模式在低速率无线个人区域网络中设备可根据自身的需要选择不同的安全模式:无安全模式、访问控制列表模式和安全模式。无安全模式是子层默认的安全模式。处于这种模式下的设备不对接收到的帧进行任何安全检查。当某个设备接收到一个帧时,只检查帧的目的地址。如果目的地址是本设各地址或广播地址,这个帧就会被转发给上层,否则丢弃。在设备被设置为混杂模式的情况下,它会向上层转发所有接收到的帧。访问控制列表模式为通信提供了访问控制服务。高层可以通过设置子层的条目指示子层根据源地址过滤接收到的帧。因此这种方式下子层就没有提供加密保护,高层有必要采取其他机制来保证通信的安全。安全模式对接收或发送的帧提供全部的四种安全服务:访问控制、数据加密、帧完整性检查和顺序更新。..网络层层网络层【【】【】将主要功能包括:设备连接和断开网络时所采用的机制,以及在帧信息传输过程中所采用的安全性机制。此外还包括设备之间的路由发现和路由维护和转交。并且,网络层完成对一跳邻居设备的发现和相关节点信息的存储网络层支持星型、树型、和网状型拓扑结构。由于使用的网络中节点山东大学硕士学位论文可能众多,且路由情况复杂,在此我们主要比较种基本网络拓扑结构,并选出比较适合大型传感器网络使用的拓扑结构。基本的星状网拓扑结构是一个单跳系统。依据星状网的特点可以看出,当各个终端节点距离数据汇聚中心比较远,终端节点分布范围大时,这种拓扑结构是行不通的。因为终端传感器节点能量有限,如果每个节点都要保证数据正确接收的信噪比值,则终端传感器节点必须以较大功率向数据汇聚中心发送数据,能量很快就会耗尽。因此这种网络适合终端传感器节点距离数据汇聚中心比较近的情况。簇一树型状网拓扑结构是一种多跳的网络系统,簇一树型网络中的终端节点负责数据的采集,并把数据转交给上一级的路由设备,通过路由设备的转发最终传送到网络的协调点达到数据的汇聚。通信过程中可能通过多级路由来实现。网状网拓扑结构各个节点设备之间是一种完全对等的通信方式,路由方式比较负责但是网络的自愈性和鲁棒性较好,尤其适合节点数量众多的无线传感器网络应用。但是就目前的协议支持力度来讲网状网络拓扑结构还不够成熟,也没有相关的成熟案例可以借鉴。综上所述,实际情况中网络拓扑结构的选择是根据网络中节点与数据汇聚中心的相对位置,以及网络中的无线参数的不同而定的。当网络中数据汇聚中心的位置比较靠近终端节点,甚至处终端节点中间,同时整个网络的分布范围比较小的时候,星形网络有其相应的优势,而簇一树型状网与网状网络比较适用于数据汇聚中心远,终端节点比较分散的情况。在现在的实际的环境下,经常是采用簇一树型拓扑结构来搭建传输网络。网络层处于层与应用层之间,功能还包括提供一些必要的函数,确保网络层正常工作,并且为应用层提供合适的服务接口。为了向应用层提供其接口,网络层提供了两个必须的功能服务实体,它们分别是数据服务实体和管理服务实体。网络层数据实体通过网络层数据实体服务接入点提供数据传输服务,网络层管理实体通过网络层管理实体服务接入点提供网络管理服务。下面分别对它们的功能进行介绍:.网络层数据实体为数据提供服务,在两个或者更多的设备之间传送数据时,将按照应用山东大学硕士学位论文协议数据单元,的格式进行传送,并且这些设备必须在同一个网络中,即在同一个内部个域网中。会提供以下服务类型:生成网络层协议数据单元。通过增加一个适当的协议头,从应用支持子层协议数据单元生成。制定拓扑传输路由。能够发送一个网络层的协议数据单元到一个合适的设备,该设备可能是最终的目的通信设备,也可能是在通信链路中的一个中间通信设备。.网络层管理实体提供网络管理服务,允许应用与堆栈相互作用。提供如下服务:配置一个新设备。可以完全的配置栈依据应用操作的要求。设备配置包括开始设备作为协调器或加入一个存在的网络;初始化一个网络。可以建立一个新的网络;连接或断开一个网络。可以加入或离开一个网络,使的协调器和路由器能够让终端设备离开网络;分配地址。使的协调器和路由器可以分配地址给加入网络的设备;临近表发现。去发现、记录和报告设备的一跳临近表的相关信息;路由的发现。可以通过网络来发现及记录传输路径,而信息也可被有效的路由;接收控制。当接收者活跃时,可以控制接收时间的长短并使能子层同步或直接接收。..应用层层的应用层【】由应用子层?、设备对象包括管理平台以及制造商定义的应用设备对象组成。子层的作用包括维护绑定表绑定表作用是基于两个设备的服务和需要把它们绑定在一起;在绑定的设备之间来传输信息。山东大学硕士学位论文的作用包括在网络中定义一个设备的作用如定义设备为协调器或为路由器或为终端设备;发现网络中的设备并确定它们能提供何种应用的服务;发起或回应绑定需求以及在网络设备中建立一个安全的连接。...应用支持子层层应用支持子层在网络层和应用层之间提供了一个接口.这接口的提供是通过和制造商定义的应用设备共同使用的一套通用的服务机制,此服务机制是由两个实体提供:数据实体通过数据实体接入点..和管理实体.通过管理实体接入点.。提供数据传输服务对于应用的传送在一网络的两个或多个设备之间。提供服务以发现和绑带设备并维护一个管理对象的数据库,通常称为信息库...应用层框架应用层框架是应用设备和设备连接的环境。在应用层框架中,应用对象发送和接收数据通过.。而对应用对象的控制和管理则通过公用接口来实现。.提供的数据服务包括请求、确认、响应、以及数据传输的指示信息。有个不同的应用对象能够被定义,每个终端节点的接口标识从到。还有两个附加的终端节点为了.的使用:标识被用于的数据接口,则用于所有应用对象的广播数据的数据接口。而.保留以作将来的应用。使用.提供的服务,应用层框架提供了应用对象的两种数据服务类型:主值对服务,和通用信息服务,。两者传输机制一样,不同的是并不采用应用支持子层数据帧的内容,而是留给应用者自己去定义。...设备对象设备对象,描述了一个基本的功能函数类,在应用对象、设备和之间提供了一个接。位于应用框架和应用支持子层之间。它满足了协议栈所有应用操作的一般要求。还有以下作用:初始化应用支持子层、网络层、安全服务文档。从终端应用中集合配置信息来确定和执行发现、安全管理、网山东大学硕士学位论文络管理、以及绑带管理。描述了应用框架层的应用对象的公用接口以控制设备和应用对象的网络功能。在终端节点,提供了与协议栈中低一层相接的接口,如果是数据是通过.,如果是控制信息则通过.。在协议栈的应用框架中,公用接口提供设备、发现、绑定、以及安全等功能的地址管理。..安全管理的安全体系【】【】提供的安全管理主要是依靠相称性密匙保护、应用保护机制、合适的密码机制以及相关的保密措施。安全协议的执行如密匙的建立要以整个协议栈正确的运行不遗漏任何一步为前提。层、层和层都有可靠的安全传输机制用于它们自己的数据帧。层提供建立和维护安全联系的服务。管理着设备的安全政策和安全配置。...层安全管理当层数据帧需要被保护时,使用层安全管理来确保层命令、标识、以及确认等功能。使用受保护的数据帧来确保一个单跳网络中信息的传输,但对于多跳网络,就要依靠上层如层的安全管理。层使用高级编码标准,作为主要的密码算法和描述多样的安全组【】,这些组能保护层帧的机密性、完整性和真实性。层作安全性处理,但上一层负责密匙的建立以及安全性使用的确定控制着此处理。当层使用安全使能来传送接收数据帧时,它首先会查找此帧的目的地址源地址,然后找回与地址相关的密匙,在依靠安全组来使用密匙来处理此数据帧。每个密匙和一个安全组相关联,层帧头中有一个位来控制帧的安全管理是否使能。当传输一个帧时,如需保证其完整性,层头和载荷数据会被计算使用来产生信息完整码,,由,或位组成。被附加在层载荷中。当需保证帧机密性时,层载荷也有其附加位和序列数数据一般组成一个。当加密载荷时或保护其不受攻击时,此被使用。当接收帧时,如果使用了,则帧会被校验,如载荷已被编码,则帧会被解码。当每个信息发送时,发送设备会增加帧的计数,而接收设备会跟踪每山东大学硕士学位论文个发送设备的最后一个计数。如果一个信息被探测到一个老的计数,该信息会出现安全错误而不能被传输。层的安全组基于三个操作模型:计数器模型:密码链模型盯岛.:以及两者混合形成的模型。层的编码在计数器模型中使用来实现,而编码和完整性的联合则在模型中实现。...层安全管理层也使用高级编码标准。但和层不同的是标准的安全组全部是基于模型的。此模型是层使用的模型的小修改,它包括了所有的层模型的功能,此处还提供了单独的编码及完整性的功能。这些额外的功能通过排除使用排除及%模型来简化了的安全模型。另外,在所有的安全组中使用模型可以使一个单密钥用于不同的组中。这种情况下,应用可以更加灵活的来制定一个活跃的安全组给每个帧而不必理会安全措施是否使能。当层使用特定的安全组来传输接收帧时,层会使用安全服务提供,来处理此帧。会寻找帧的目的源者地址,取回对应于目的源的址的密匙,然后使用安全组来保护帧。层对安全管理的责任,但其上一层控制着安全管理,包括建立密匙及确定对每个帧使用相应的安全组。.本章小节本章从技术的由来入手,对技术的特点以及协议栈进行了阐述,对协议栈各层进行了讲解,解释了我们为什么选择技术以及技术在满足该应用中的一些技术特点。对于采用技术来实现该项目的方案以及网络结构将在下一章进行阐述。山东大学硕士学位论文第三章基于技术的无线水表集抄解决方案.供水抄表系统各项指标一通信的可靠性方面:保证所采集的数据正确的传输,是无线抄表系统的最起码的要求,同时也是不容易解决的问题。从两方面来对通信安全进行保证,一是采用了.的碰撞避免机制,同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用的时隙,避免了发送数据时的竞争和冲突;二是在层采用了完全确认的数据传输机制,每个发送的数据包必须等待接受方的确认信息。二无线网络健壮性方面:自组织:无需人工干预,网络节点能够感知其他节点的存在,并确定连接关系,组成结构化的网络;自愈功能:增加或者删除一个节点,节点位置发生变动,节点发生故障等等,网络都能够自我修复,并对网络拓扑结构进行相应地调整,无需人工干预,保证整个系统仍然能正常工作。具备自组织、自愈能力的自动抄表网络才是最理想的网络,技术能够很好地支持这种智能型的网络。三成本方面:上面的基本要求都满足以后就不可避免的要讨论成本方面的要求了。这也是抄表系统能否推广的关键。/初装或改造旧系统的成本要尽可能低。/系统平时运行产生的费用要尽可能低。.技术支持的网络拓扑类型..网络设备类型..定义了两种设备类型【。表显示了这两种设备类型。表列出了三种协议设备及其与设备类型的关系【。山东大学硕士学位论文设备类型提供的服务典型电源典型接收器配置全功能设备大多数或所有服务主电源或电池空闲时打开精简功能设备有限服务电池空闲时关闭?协议设备?设备类型典型功能协调器每个网络一个,构成喇络,分配网络地址保存绑定表路由罂可选设备。扩展网络物理范围或执行终端设备功能终端设备或执行监控和戚控制功能表?:曲协议设备类型..如协议网络拓扑结构网络有三种拓扑结构四【:星形结构如图.,树型网络如图.,网状结构有时也称混合结构如图.。各个拓扑结构中的节点定义见..小节。图:星形结构星形网络的特点:支持点对点、一点对多点通信方式;中心节点为?网络的协调器必须为设各,终端节点为庐终端设备或;数据从各个终端节点发送给协调器,同时协调器也可向终端节点发送命令。这种网络适合节点距离协调点较近的情况。山东大学硕士学位论文一,??,~~“一一麓.簟叫.??一一??图.:簇.树拓扑结构簇一树型拓扑:在这种网络中,终端设备也可能是协调器或者路由器。路由器有两种功能:一种是增加网络中节点数量,另一种是扩展网络的物理范围。消息沿树型传送。图:网状结构网状拓扑:与树型拓扑相似,但是可以直接与另外的进行消息路由,代替了树型结构。发送消息仍须要经过它的父节点。这种拓扑结构的优势在于减少了消息的反应时目】.增加消息的可靠性。但是实现起来较难,且大量的协调点的存在不利于降低能耗。从以上分析可以看出星形结构简单易于设置,簇.树网结构具有大的容量和传输距离且网络比较健壮,由此具体在实际中采用那种网络要看具体的现场环境来定。而本文中采用的是在靠近水表的单元楼中采用星形网络进行数据的采集,在小区中采用簇.树状网进行数据的传输。山东大学硕士学位论文.基于技术的无线水表纂抄方案本方案采用无线传感嚣网络和锄网络相结合的混合网络结构嘲’掰’”划,基于技术的无线智能水表集抄系统如图.所示圈.基于技术的无线智耗水表袋抄系统从图.中可以看出本系统有三部分组成;小区网络部分,小区管理中心,以及企业级的集抄中心,本论文只讨论前两部分,至于小区管理中心与企业级的集抄中心的互联网连接只需要确定通信时的帧格式.以及各种命令码的定义即可。不是本文研究的重点。如图.所示居民或企业用户安装智能水表,智能水表在项目初期由普通水表连接终端节点组成,负责对用水量进行计量并将采集的数据通过网络发送给负责浚单元或楼的汇聚点汇聚点由?路出器担当。汇聚点通过小区的?传输网络最终把数据发送至小区的?中心节点进行数据的汇聚。中心节点与具有上网功能的小区管理中心服务罂相连接,通过串口把数据传给小区管理中心。小区管理中心服务器对本小区的水表数据进行暂存,并接收集抄中心的下行命令,对下行命令进行解析并通过串口传给?网络。山东大学硕士学位论文单元楼内的数据采集网络是星形网络,小区内负责传输的网络是典型的簇.树状网状结构,为了保证网络的健壮性可在小区内设置几个冗余的路由节点来保证数据可靠的传输。.协议在无线网络中的几个关键技术..路由机制为了实现数据在多个节点间传输,实现多跳通信,必需引入路由机制。技术采用的是路由协议,用于创建和维护网络时,保证了移动节点之间动态、自发以及多跳的路由。利用了传统的路由表,每个目的节点用一个条目表示,一个条目表示一条有效路径。这样,就可以为每一个目的节点维持几个路由缓存。不需要源路由,而是依靠路由表中的条目来传播路由回复,给源节点,源节点根据路由信息将数据发送给目的节点。是一种路由协议,它管理的路由信息包括目的地址、目的序列号、有效目的序列号标记、其他状态和路由标记比如有效、无效、可修复、正在修复、网络接口、跳数到达目的地址所需跳数、下一跳、先驱列表以及生存时间。定义路由请求,、路由回复消息格式.当产生分组的节点发现没有到目的节点的路由时,首先以泛洪的方式就是向除了源端口之外的所有端口发送流量发送路由请求分组,此时路由寻找分组中携带本节点现知的最新目的节点序号、源节点的序号以及泛洪序号上次发送泛洪分组的序号加一等信息,跳数域设置为零。发送路由寻找分组后,源节点等待由目的节点返回的路由回复分组,若等待一段时间没有响应,则源节点重复泛洪路由寻找分组其泛洪序号加直到收到路由响应分组或超过泛洪发送的次数。为防止网络进行循环泛洪,每节点在泛洪发送路由寻找分组前,首先要记录源节点地址和泛洪序号一定时间,再次收到已记录的分组则将其丢弃。目的节点收到源节点的泛洪分组后,它从路由寻找分组中获取源节点地址并将跳数位置零,后将路由应答分组沿最小跳数路径返回给源节点【。网络可以是网络,即可以根据需要组建或不组建新的网络。在星形网络配置中,终端设备在可以执行任何数据传输之前将总是搜索网络。新的网络首先由协调器建立。启动时,协调器会搜索附近的其他协调器,如果没有山东大学硕士学位论文找到协调器,它就会建立一个自己的网络并选择一个唯一的位。一旦新网络建立,就会允许一个或多个终端设备与此网络相关联。具体是允许还是不允许新关联由协调器决定。一旦组建了网络,就可能由于物理更改而发生多个网络重叠和冲突。在这种情况下,协调器会启动冲突解决过过程并且会有一个协调器将更改其或信道。受到影响的协调器会指示它所有的终端设备进行必要的更改【。协议栈的当前版本不支持冲突解决。根据系统需求,协调器会在非易失性存储器?中存储所有网络关联,称为邻接表。为了连接到网络,终端设备可能执行孤立通知过程来查找先前与之关联的网络或者执行关联过程来加入一个新网络。在执行孤立通知过程的情况下,协调器将通过查找其邻接表来识别先前与之关联的终端设备。一旦关联到网络,终端设备就可选择通过执行解除关联过程与该网络解除关联。如果需要的话,协调器本身也会启动解除关联过程来强制节点离开网络。..端点、接口、群集、属性和配置文件典型的节点可同时支持几种不同的应用。例如,/节点可能有多种数字和模拟输入/输出。一些数字输入可能被一个远程控制器节点用到,而其他数字输入可能被另一个远程控制器节点使用。这种分配将创建一个真正的分布式控制网络。为了便于在/节点和两个控制器节点之间进行数据传输,所有节点中的应用程序必须保存多个数据链路【】。为了减少成本,节点仅使用一个无线信道来和多个端点/接口来创建多条虚拟链路或信道。一个节点支持个端点编号为和个接口编号为一,端点被保留用于设备配置而端点被保留仅用于广播,剩下的总共个端点用于应用。每个端点总共有个接口。因此,实际上应用在一个物理信道中最多可能有条虚拟信道.一个典型的节点也将有很多属性.例如,/节点包含称为数字输入、数字输入、模拟输入等的属性,每个属性都有自己的值.例如,数字输入属性可能有值或.属性的集合被称为群集。在整个网络中,每个群集都被分配了一个唯一的群集。每个群集最多有个节点。协议还定义了一个称为配置文件的术语。配置文件就是指对分布式应用的描述,它根据应用必须处理的数据包和必须