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基于ZigBee技术的电梯层站召唤解决方案.pdf

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2 SULUTION OF ELEVATOR HALL CALL BASED ON ZIGBEE ABSTRACT Based on wireless standard IEEE 802.15.4, ZigBee is developed as a new technology about wireless network, safety and applications. Compared with WiFi and Bluetooth in wireless communications, ZigBee has the advantages such as more nodes, lower cost, lower power consumption, and higher reliability. With these advantages, we consider to use ZigBee to transfer the signal of elevator hall call. As a substitution to the traditional CAN-BUS system, elevator hall call based on ZigBee can make use of the flexibility in installation and maintenance, and at the same time cut down the cost to some extent. Keywords ZigBee, 802.15.4, wireless network, elevator hall call 3 目录 摘 要 ........................................................................................................................ - 1 - 第一章 ZIGBEE 技术概述 .................................................................................... - 5 - 1.1 IEEE 802.15.4 和 ZigBee 技术 .................................................................................... - 5 - 1.2 ZigBee 技术与其他常用短距离无线通信技术的比较 ............................................... - 7 - 1.2.1 常见短距离无线通信技术简介 ...................................................................... - 7 - 1.2.2 常见短距离无线通信技术的性能和应用比较 ............................................ - 10 - 1.3 ZigBee 技术的网络结构 ............................................................................................. - 11 - 1.3.1 ZigBee 技术的结构组成 ............................................................................... - 12 - 1.3.2 ZigBee 技术的网络结构 ............................................................................... - 13 - 第二章 ZIGBEE 技术的各层协议规范 .............................................................. - 16 - 2.1 ZigBee 技术物理层协议规范介绍 ............................................................................. - 16 - 2.1.1 ZigBee 技术的物理层协议介绍 ................................................................... - 16 - 2.1.2 ZigBee 技术物理层服务参数 ....................................................................... - 17 - 2.1.3 物理层协议数据包格式 ................................................................................ - 24 - 2.2 ZigBee 技术 MAC 层协议规范 .................................................................................. - 26 - 2.2.1 MAC 层的服务规范 ......................................................................................... - 26 - 2.2.2 IEEE.802.15.4 标准协议栈 ......................................................................... - 27 - 2.3 ZigBee 技术网络层协议规范简介 ............................................................................. - 31 - 2.3.1 ZigBee 网络层简介 ....................................................................................... - 31 - 2.3.2 网络层服务参考模型 .................................................................................... - 34 - 2.3.3 网络层数据包格式 ........................................................................................ - 35 - 2.3.4 网络层设备间的连接和维护 ........................................................................ - 37 - 第三章 ZIGBEE 芯片介绍 .................................................................................. - 40 - 第四章 电梯层站召唤的 ZIGBEE 解决方案 ..................................................... - 45 - 4.1 ZigBee 技术优势及其应用 ......................................................................................... - 45 - 4.2 ZigBee 技术在电梯召唤方面的可行性分析 ............................................................. - 46 - 4.3 ZigBee 应用的硬件和软件实例 ................................................................................. - 47 - 4.3.1 硬件实例分析 ................................................................................................ - 47 - 4.3.2 软件实例分析 ................................................................................................ - 50 - 4.4 电梯层站召唤的组网方式 ......................................................................................... - 50 - 4.5 ZigBee 无线层站召唤的可靠性保证 ......................................................................... - 52 - 4.5.1 ZigBee 可靠性分析 ....................................................................................... - 52 - 4.5.2 调试板测试方案及实验数据 ........................................................................ - 52 - 4.5.3 ZigBee 传输距离的扩展 ............................................................................... - 56 - 4.6 结论 ............................................................................................................................. - 60 - 第五章 全文总结 .................................................................................................. - 61 - 4 参 考 文 献 .......................................................................................................... - 62 - 致 谢 .................................................................................................................. - 63 - 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文 ............................................................ - 64 - 5 第一章 ZigBee 技术概述 引言 伴随着无线网络的产生,低成本、低传输率、短距离、低功耗的无线通讯市场也随之存在着。仅仅从 IEEE 802.11 就衍生出很多新的协议标准,如 802.11b,802.11a, 802.11g, 802.11h 以及高性能无线局域网( HiperLAN)技术等,其传输速率和传输距离等都有了很大的提高。此外,其他已经实际应用的短距离无线通信技术还有很多,如红外( IrDA)技术、数字增强无绳电话( DECT)技术、家庭无线电射频( HomeRF)技术、蓝牙( Bluetooth)技术以及超宽带( UWB)无线通信技术等,这些短距离无线通信技术的性能参数和应用对象相差很大。 对于大多数的无线网络来说,其技术应用的目标是提高传输数据的速率和传输距离,而在象工业控制、环境监测、汽车电子、家庭数字控制网络等应用中,系统所传输的数据量小、传输速率低,系统所使用的终端设备通常为采用电池供电的嵌入式设备,如无线传感器网络。因此,这些系统必须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,由英国 Invensys 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 2002 年共同宣布组成ZigBee 技术联盟,共同研究开发 ZigBee 技术。目前,该技术联盟已经发展壮大为由 100 多家芯片制造商、软件开发商、系统集成商等公司和标准化组织组成的技术组织,而且,还有越来越多的公司加入到这个组织中来,这项技术也有了越来越广泛的应用空间。 本文将通过对于 ZigBee 技术的介绍入手,逐渐理解如何使 ZigBee 技术能够应用于电梯层站召唤的信号传输,并展现其实际的应用价值。 1.1 IEEE 802.15.4 和 ZigBee 技术 IEEE802.15.4 的规范,符合国际标准组织( ISO)开放系统互连( OSI)参考模式的要求。它定义了单一的 MAC 层结构和多样的物理层结构。 IEEE802.15.4的 MAC 层能支持多种 LLC 标准,通过 SSCS 业务相关的会聚子层协议满足IEEE802.2 的 LLC 标准,同时也允许其他 LLC 标准直接使用 IEEE802.15.4 的6 MAC 层服务。 ZigBee 是一组基于 IEEE 802.15.4 规范发展出来的无线网络应用方面的技术标准。它此前被称作 “HomeRF Lite”或 “FireFly”无线技术,主要用于近距离无线通信。 ZigBee 的网络标准由 IEEE 802.15 工作组负责制订,被称作 IEEE 802.15.4( ZigBee)技术标准[3]。 根据 IEEE 802.15.4 协议标准, ZigBee 分为 3 个工作频段,他们相距较大,而且在各频段上的信道数目不同,因而,在该项技术标准中各频段上的调制方式和传输速率不同。它们分别为 868MHz、 915MHz 和 2.4GHz,其中 2.4GHz 频段上分为 16 个信道,该频段为全球通用的工业、科学、医学( ISM Industrial,Scientific and Medical)频段,该频段为免付费、免申请的无线电频段,在该频段上,数据传输速率为 259kbps;另外两个频段为 915/868MHz,其相应的信道个数分别为 10 个和 1 个,传输速率分别为 40kbps 和 20kbps。 完整的 Zigbee 协议套件由高层应用规范、应用会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。网络层以上协议由 ZigBee 联盟制定, IEEE802.15.4 负责物理层和链路层标准。 应用会聚层将主要负责把不同的应用映射到 ZigBee 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。 网络层主要实现节点加入或离开网络、接收或抛弃其他节点、路由查找及传送数据等功能,支持多种路由算法,支持星形( Star) 、树形( Cluster-Tree) 、网格( Mesh)等多种拓扑结构。网络层包括了 通用的网络层功能,和自组织、自维护功能。 在每一个 ZigBee 组成的网络内, 链接地址码分为 16bit 短地址或 64bit长地址, 可容纳的最大设备个数分别为 216个和 264个, 具有较大的网络容量[2]。 在无线通信技术上,采用免冲突多载波信道接入( CSMA-CA)方式,有效避免了无线电载波之间的冲突,此外,为保证传输数据的可靠性,建立了完整的应答通信协议。 ZigBee 设备为低功耗设备, 其发射输出为 0~ 3.6dBm, 通信距离为 30~ 70m,具有能量监测和链路质量指示能力,根据这些结果,设备可自动调整设备的发射功率,在保证通信质量的条件下,最小的消耗设备的能量。 在无线网络中,安全性也是极其重要的话题。 IEEE 802.15.4( ZigBee)协议7 使用 MAC 层的安全机制,来保证 MAC 数据帧的安全性。单跳的数据消息是通过对 MAC 层的安全来做到的, 而多跳的消息报文一般是通过更上层 (如网络层)的安全机制来保证的。 目前, ZigBee 芯片的成本在 3 美元左右, ZigBee 设备成本的最终目标是在 1美元一下; ZigBee 芯片的体积较小,如 Freescale 公司生产的 MC13192 ZigBee收发芯片大小尺寸为 5mm 5mm,随着半导体集成技术的发展, ZigBee 芯片的尺寸将会变得更小,成本更低。 1.2 ZigBee 技术与其他常用短距离无线通信技术的比较 短距离无线通讯技术除了 ZigBee 技术外,还存在许多其他技术,这里,我们将 ZigBee 技术与这些相关技术的性能进行简单的分析和比较。 1.2.1 常见短距离无线通信技术简介 1.2.1.1 红外传输技术 早在 20 多年前, 20 多家大厂商发起成立了红外数据协会 ( IrDA Infrared Data Association) ,统一了红外通信标准,它通过 850nm 的红外光传输信息,红外信号要求设备之间必须具有无障碍通道,它们之间的通信距离一般不超过 10m,且通信角度不能超过 30 度。 红外技术的数据传输速率较快, 目前已经达到 16Mbps。从红外数据协会定义了双向红外接口以来, 大约上亿的相应电子器件和设备出现在市场上,包括台式电脑、便携机、掌上电脑、打印机、手机、遥控器等多种可移动电子设备。红外技术成本低廉、安全可靠、保密性好、功耗小、无电磁干扰、无须政府批准频带,但由于其传输距离有限、传输方向性强等缺点,在应用范围上收到一定的限制[1]。 1.2.1.2 蓝牙技术 在 1998 年,瑞典爱立信、芬兰诺基亚、日本东芝、美国 IBM 和 Intel, 5 家著名厂商在联合拓展短程无线通信技术的标准化活动时, 提出了蓝牙 ( Bluetooth)技术。 1999 年下半年,著名的业界巨头微软、摩托罗拉、 3COM、朗讯与蓝牙特别小组 5 家公司共同发起成立了蓝牙技术推广组织, 从而在全球范围内掀起了蓝牙技术的风潮,目前已有 2000 多成员参加了该组织。该技术是一种用于替代便8 携或固定电子设备上所使用的电缆或连接线的短距离无线技术,工作在 2.4GHz的 ISM 频段上, 采用每秒 1600 次的扩频技术, 发射功率为 3 类, 即 1mw、 10mw、100mw,通信距离为 10100m,传输速率已从 720kbps 发展到 3Mbps;在传输数据信息的同时,还可以传输一路话音信息,这是蓝牙技术的一个重要特点。 在经历了前几年的低潮后,蓝牙技术已在手机 的无线耳机上找到了应用市场,推动了它的迅速发展,特别是在蓝牙 V1.2 协议推出以后,一股新的蓝牙技术热潮又将掀起。 目前蓝牙技术已在许多新的领域找到应用点, 如交互式游戏机,汽车电子的无线接入、控制等[1]。 1.2.1.3 家庭无线射频技术 家庭无线射频( HomeRF)无线联网标准是由 Proxim、西门子、摩托罗拉、康柏电脑等技术巨头于 1998 年发起的 HomeRF 工作组负责研发的,其研发初衷旨在为家庭无线网络提供一种组网方便、易用、成本低廉的通用性标准,它汲取了 IEEE802.11 与 DECT 等无线标准优势,能够有效降低话音和数据传输成本,可提供 12Mbps 的数据传输带宽。 新的 HomeRF 2.x 标准的最高数据传输带宽可达 10Mbps,该技术工作频率为 2.4GHz,其主要用于家庭无线组网,可链接 127个设备。该技术标准一推出,就在市场上引起了广泛关注,并取得了极大成功。2000 年, HomeRF 的普及率一度高达 45,在家庭无线互联网市场中独占鳌头。但是,由于 HomeRF 技术标准没有公开,仅获得了数十家公司的支持,在抗干扰能力等方面相对其他技术标准相比还存在着不少缺陷, 并且后续研发与技术升级进展迟缓,在同 IEEE 802.11 标准协议和其他标准协议的竞争中渐渐失利,丧失了其技术的优势地位。 1.2.1.4 超宽带无线技术 超宽带( UWB Ultra-Wave Band)无线技术,是一种新型的无线通信技术,根据 2002 年 2 月美国 FCC(联邦通信委员会)从信号带宽的角度给出了 UWB的确切定义 -10dB 功率点处的相对带宽大于 25或射频的绝对带宽大于 1.5GHz的信号。该技术的工作频段范围为 3.110.6GHz,工作带宽为 7.5GHz,数据传输速率可达 1Gbps,传输距离为 10m,在工作带宽内,发射功率的频谱密度低于-41dbm。由于该技术信号带宽大,传输信息 的速率高,且功耗低,隐蔽性好,抗信号多径效果好等优点,受到市场的广泛关注。 9 目前,在超宽带无线通信技术标准方面还存在一些争议,主要原因是存在两个不同的调制发射方式, 一个是由飞思卡尔等公司提出的单脉冲直接序列调制发射方式,另一个是以 Intel 等公司提出的多载波调制发射方式,由于这两种工作方式都存在各自得有缺点,最终,两种工作方式共存的可能性比较大。 1.2.1.5 IEEE 802.11X 技术 Internet 网络的迅速发展,进一步加速了无线 网络技术的应用和发展,特别是 IEEE 802.11 技术标准经过十几年的发展,它的技术性能指标得到了极大的提高。其中, IEEE 802.11b 工作频段为 2.4GHz 的 ISM 频段,采用直接序列扩频技术,传输速率为 11Mbps; IEEE 802.11a 工作频段为 5.2GHz,采用 OFDM 调频技术,具有良好的抗多径干扰性能,可提供 8 个信道,可采用 6, 9, 12, 18, 24,36, 48, 54Mbps 等速率来传输数据流; IEEE 802.11g 工作在 2.4 频段,该技术提出两种调制技术 CCK-OFDM 和 PBCC-22,同时支持两种模式的 802.11g 产品,在与 IEEE 802.11b 网络兼容的情况下,最高提供与 802.11a 标准相同的54Mbps 传输速率; IEEE 802.11h 是欧洲制定的工作在 5GHz 频段的无线标准,目的是减少对同处于 5GHz 频段的雷达的干扰。此外,为改善 IEEE 802.11 技术标准的服务质量、增强其网络安全性、保密性、网络的接入性能,还提出了 IEEE 802.11e、 IEEE 802.11i、 IEEE 802.11f 等协议标准,以完善其技术性能。 1.2.1.6 射频识别技术 无线射频识别( RFID Radio Frequency Identification)是一种非接触式的自动识别技术。 最简单的 RFID 系统由标签 ( Tag) 、 阅读器 ( Reader) 和天线 ( Antenna)3 个部分组成,在实际应用中还需要其他硬件和软件的支持。其工作原理并不复杂标签进入磁场后,接收阅读器发出的射频信号,凭借从感应电流中获得的能量发送存储在芯片中的产品信息( Passive Tag,无源标签) ,或者主动发送某一频率的信号( Active Tag,有源标签) ,阅读器读取信息并经解码后,送至中央信息系统进行相关的数据处理。在零售业中,认为 RFID 是条形码的终结者。目前RFID 实际年销售额约 9.64 亿美元,但主要用于宠物与野生动物的跟踪、公路和停车收费等有限的领域。事实上, RFID 还有望在高速公路自动收费、交通管理、门禁保安、 RFID 卡收费、生产线自动化、仓库管理、汽车防盗、防伪、电子物品监视系统、火车和货运集装箱的识别、物流管理等等领域展现身手。 10 1.2.2 常见短距离无线通信技术的性能和应用比较 上面简单介绍了几种常用的短距离无线通信技术,现在,我们把 ZigBee 与当前几种技术进行横向和纵向的比较。见表 1-1。 表 1-1 ZigBee 和其他无线技术的比较 规范 工作频段 传输速率(Mbps) 数据/话音 最大功耗 传输方式 连接设备数 安全措施 支持组织 主要用途ZigBee 868/915MHz 2.4GHz 0.02, 0.04, 0.25 数据 1-3mW点到多点 216-26432,64,128密钥 ZigBee联盟 家庭网络、控制网络、传感器网络红外 820nm 1.521,4,16 数据 数mW点到点 2 靠短距离、小角度传输保证IrDA 透明可见范围内的数据传输,近距离遥控 蓝牙 2.4GHz 1,2,3 话音、数据 1-100mW 点到多点 7 1600次/秒跳频,128位密钥Bluetooth SIG 个人网络HomeRF 2.4GHz 1,2 数据 100mW点到多点 127 50次/秒跳频HomeRF 家庭无线局域网 802.11b 2.4GHz 11 数据 100mW点到多点 255 WEP加密 IEEE802.11b 无线局域网 802.11a 5.2GHz 6,9,12,18,24,36 数据 100mW点到多点 255 WEP加密 IEEE802.11a 无线局域网 802.11g 2.4GHz 54 数据 100mW点到255 WEP加IEEE802.无线局域11 多点 密 11g 网 RFID 5.8GHz 0.212 数据 不需供电 点到点 2 密钥 澳大利亚零售组织等 超市、物流管理 1.3 ZigBee 技术的网络结构 由 ZigBee 技术组成的无线个域网( CWPAN)是一种低速率的无线网络,这种网络结构简单、成本低廉,具有有限的功率和灵活的吞吐量。 LR WPAN 主要目标是实现安装容易、数据传输可靠、短距离通信、非常低的成本以及功耗,并拥有一个简单而灵活的通信网络协议。 在一个 LR MPAN 网络中,可同时存在两种不同类型的设备,一种是具有完整功能的设备( FFD) ,另一种是简化功能的设备( RFD) 。在网络中, FFD 通常有 3 种工作状态 ( 1)作为个人区域网络( Pale)的主协调器; ( 2)作为一个协调器; ( 3) 作为一个终端设备。 一个 FFD 可以同时和多个 RFD 或多个其他的 FFD通信,而对于一个 RFD 来说,它只能和一个 FFD 进行通信。 RFD 的应用非常简单、容易实现,就好像一个电灯的开关或者一个红外线传感器,由于 RFD 不需要发送大量的数据,并且一次只能同一个 FFD 连接通信,因此, RFD 仅需要使用较小的资源和存储空间,这样,就可非常容易地组建一个低成本和低功耗的无线通信网络。 在 ZigBee 网络拓扑结构中,最基本的组成单元是设备,这个设备可以是一个 RFD 也可以是一个 FFD;在同一个物理信道的 POS(个人工作范围)通信范围内,两个或者两个以上的设备就可构成一个 WPAN。但是,在这一个网络中至少要求有一个 FFD 作为 PAD 主协调器。 LR WPAN 属于 WPAN 家庭标准的一部分,其覆盖范围可能超出 WPAN 所规定的 POS 范围。对于无线媒体而言,其传播特性具有动态的和不确定的特性,因此,不存在一个精确的覆盖范围,仅仅是位置或方向的一个小小变化都可能导致信号强度或者链路通信质量的巨大变化,无论是静止设备,还是移动设备,这些变化都会对站和站之间的无线传播造成影响。
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