协调器组网协议实现报告.docx
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协调器组网协议实现报告
项目来源:
国网重庆市电力公司
项目名称:
自取能无线温度传感芯片及其应用关键技术研究
子课题名称:
自取能无线温度传感芯片构建无线传感网的关键技术研究
版本:
V1.0.0
自取能无线传感器网络协调器组网协议实现报告
任务承担单位:
上海交通大学
拟稿人:
李芬、王超尘
任务负责人:
贺光辉
子课题负责人:
祝永新
上海交通大学
总页数
正文
附录
提交日期:
2015年3月20日
审核结果
审核组负责人
一、研究内容介绍3
二、协调器组网方案4
2.1协调器节点设计4
2.2协调器硬件实现5
三、协调器组网基础协议原理6
3.1IEEE802.15.4标准与ZigBee协议概述6
3.2ZigBee网络结构7
3.2.1网络设备组成7
3.2.2网络拓扑结构7
3.3ZigBee协议栈9
3.3.1ZigBee协议栈基本结构9
3.3.2IEEE802.15.4物理层10
3.3.3IEEE802.15.4MAC层11
3.3.4ZigBee协议网络层11
3.3.5ZigBee协议应用层12
四、开发环境与硬件平台介绍13
4.1IAR开发环境13
4.2硬件平台14
五、基于ZigBee协议栈的协调器组网实现15
5.1ZigBee协议栈应用基本方法15
5.2协调器组网协议的实现16
5.2.1协调器组网协议的基本工作流程实例16
5.2.2协调器组网协议实现的主要函数19
5.2.2.1初始化函数19
5.2.2.1.1main()19
5.2.2.1.2osal_init_system()20
5.2.2.1.3osal_start_system()21
5.2.2.1.4SampleApp_Init()22
5.2.2.2用户层事件处理函数22
5.2.2.2.1SampleApp_ProcessEvent()23
5.2.2.2.2SampleApp_MessageMSGCB24
5.2.2.2.3SampleApp_SendPeriodicMessage()25
5.2.2.2.4AF_DataRequest25
5.2.3基本实例的实验步骤25
5.3Zigee协调器组网场景模拟26
5.3.1组网场景模拟所需网络管理功能函数26
5.3.2运用网络管理功能函数实现组网场景模拟27
5.3.2.1协调器程序设计27
5.3.2.2路由器和终端节点程序设计28
5.3.3组网场景模拟实验结果29
一、研究内容介绍
随着社会的发展和进步,变电站系统自动化的发展趋势越来越明显,这样一来通信及网络系统在变电站系统中发挥的作用越来越重要。
当前,变电站系统现有的检测系统多采用有线的通信方式,有线的通信方式在变电站系统中存在着一定的弊端,如:
需要铺设传输线、不易维护、容易受电磁干扰等。
相比之下,无线通信系统的优势更加明显。
作为一个无线传感器网络,本项目旨在测量变电站或者输电网络杆塔范围的各节点温度信息,并将这些传感器采集到的温度信息传输到监测站进行相应的显示,同时网络也能接收监测站的命令并进行相应的处理。
整个网络分为三个模块:
传感器网络、网关以及监测站,为此必须研究各级之间的网络架构。
具体研究内容实施技术路线方案如下:
图1-1技术路线方案
由于传感终端的分布性以及传感网的规模巨大,要进行全面和准确的状态评估,首先需要依靠协调器与传感子网建立通信,再将信息交互到监测调度中心。
然而协调器与传感网络通信协议与监测调度中心能支持的各种协议不互相支持,因而实现能处理上下层通信的通用网关成为必要。
二、协调器组网方案
2.1协调器节点设计
无线传感器网络主要由3个部分组成,包括传感器节点、协调器以及监测站。
大量温度传感器节点随机部署在监测区域(SensorField)内部或附近,能够通过自组织方式构成网络。
温度传感器节点监测的数据沿着其它传感器节点逐跳地进行传输,在传输过程中监测数据可能被多个节点处理,经过多跳后路由到汇聚节点,最后通过互联网或卫星到达管理节点。
用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理,发布监测任务以及收集监测数据。
因为本项目中传感器节点使用的是定制的自取能芯片,所以其发射功率有限,通信距离会受到限制,传感器节点和协调器之间的底层的组网需要采用自定义协议。
而协调器是采用有源供电,功耗要求不是特别严格,因此协调器之间可以采用ZigBee协议进行组网。
所以,在本项目设计的自取能电力无线测温系统中,协调器需要同时支持ZigBee组网协议与自定义组网协议:
作为整个无线传感器网络的骨干节点,路由节点承担的是连接底层传感器节点与上层网关节点的重要任务。
为了支持无线传感器网络采集到的信息顺利到达网关节点,路由节点需要能够同时支持ZigBee组网协议以及自定义组网协议。
底层无线传感器节点收集到的数据经过自定义组网协议发送到路由节点,协调器采用ZigBee组网协议将这些数据发送到网关处进行相应处理,以完成数据的采集和处理。
2.2协调器硬件实现
由上面的介绍可知,为了降低功耗协调器需要与定制自取能传感芯片采用低频434MHz进行通信,采集传感器节点测量的温度信息,协调器之间采用2.4GZigBee组网协议进行通信。
考虑到这个特殊性,所以协调器的硬件部分包括:
与传感器节点通信的CC430,和支持ZigBee协议进行组网的CC2530,CC430和CC2530之间则采用SPI串口协议进行通信。
如图2-1所示。
图2-1协调器硬件设计
三、协调器组网基础协议原理
无线传感器网络协议采用了分层的体系结构,每一层由具体的协议实现相关的功能。
整体网络的层次结构如下图所示。
其中应用层协议根据不同的应用场景有不同的内容:
传输层用于无线传感器网络与其他的无线网络进行信息交互;网络层用于处理无线传感器网络的拓扑变化以及路由发现;数据链路层提供稳定的点到点或者多点的通信链路;物理层用于调节和设定无线传感器节点本身的物理和电气特性,决定底层通信的参数。
现在,各种无线传感器网络协议标准也日渐规划化,其中得到广泛应用和推广的协议有IEEE802.15.4协议和ZigBee协议。
3.1IEEE802.15.4标准与ZigBee协议概述
IEEE802.15.4协议是IEEE802.15.4工作组为低速率无线个人区域网(WPAN:
wirelessPersonalAreaNetwork)制定的标准,该工作组成立于2000年12月,致力于定义一种廉价的,固定、便携或移动设备使用的,低复杂度、低成本、低功耗、低速率的无线连接技术,并于2003年12月通过了第一个802.15.4标准。
随着无线传感器网络技术的发展,这个亦可服务于无线传感器网络的标准也得到了快速的发展。
802.15.4标准定义了在个人区域网中通过射频方式在设备间进行互连的方式与协议,该标准使用避免冲突的载波监听多址接入(CSMA/CA)方式作为媒体访问机制,同时支持星型与对等型拓扑结构。
在802.15.4标准中指定了两个物理频段868/915MHz和2.4GHz的直接扩频序列(DSSS)物理层频段。
2.4GHz的物理层支持空气中250kb/s的速率,而868/915MHz的物理层支持空气中20kb/s和40kb/s的速率。
作为支持低速率、低功耗、短距离无线通信的协议标准,802.15.4在无线电频率和数据率、数据传输模型、设备类型、网络工作方式、安全等方面都做出了说明。
并且将协议模型划分为物理层(PHY)和媒体接入控制层(MAC)两个子层进行实现。
ZigBee协议是由ZigBee联盟制定的无线通信标准,该联盟成立于2001年8月。
2002年下半年,英国nvensys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半导体公司共同宣布加入ZigBee联盟,研发名为“ZigBee”的下一代无线通信标准,这一事件成为该技术发展过程中的里程碑。
ZigBee联盟的目的是为了在全球统一标准上实现简单可靠、价格低廉、功耗低、无线连接的监测和控制产品进行合作,并于2004年12月发布了第一个ZigBee正式标准。
ZigBee标准以802.15.4标准定义的物理层及MAC层为基础,并对其进行了扩展,对网络层协议和API进行了标准化,定义了一个灵活、安全的网络层,支持多种拓扑结构,在动态的射频环境中提供高可靠性的无线传输。
此外,ZigBee联盟还开发了应用层、安全管理、应用接口等规范。
3.2ZigBee网络结构
3.2.1网络设备组成
按照功能的完整性,IEEE802.15.4定义了两种设:
全功能设(Full
-FunctionDevice,FFD)和简化功能设备(Reduced-FunctionDevice,RFD)。
全功能设备可以工作在三种模式中:
个人局域网协调器(PersonalAreaNetworkCoordinator),协调器(Coordinator)和设备(Device)。
全功能设备可以与简化功能设备或者其它全功能设备通信,而简化功能设备只能和全功能设备通信。
ZigBee协议在此基础上定义了三种设备:
ZigBee协调器、ZigBee路由器、ZigBee终端设备。
其中ZigBee协调器是无线传感器网络的汇聚节点,是建立网络的起点。
负责整个网络的初始化工作,确定无线网络的网络标识符和物理通道,以及分配网络节点的短地址。
ZigBee路由器是一个全功能设备,它在接入网路后能获得一定的位短地址空间。
在其通信范围内,它能允许其他节点加入或者离开网络,分配及收回短地址,路由和转发数据。
ZigBee终端设备,即可以是全功能设备也可以是简化功能设备,它只能与其父节点通信,从其父节点处获得网络标识符、短地址等相关信息。
3.2.2网络拓扑结构
ZigBee协议中定义了三种拓扑结构:
星型结构、网状结构和簇树结构,如图2-1所示。
图3-1zigbee网络拓扑结构
星型拓扑结构由一个PAN协调器的中央控制器和多个从设备组成,协调器必须为一个具有完整功能的设备(FFD),从设备既可为完整设备也可以为简化功能的设备(RFD)在实际应用中,根据具体应用情况来选择不同功能的设备。
在网络中,通常将设备分为起始设备或者终端设备,PAN的协调器一般为起始设备,并且具有路由器的功能。
在星型网络结构中,ZigBee协调器负责整个网络的控制,无其它路由节点,ZigBee终端设备直接与ZigBee协调器通信,终端设备间的通信则需通过ZigBee协调器转发。
这是最简单的拓扑结构,网络通信范围十分有限,单独使用这种拓扑结构的情况很少。
ZigBee的星型拓扑结构通常在家庭自动化,PC外围设备,玩具,游戏等方面得到应用。
在网状网络和簇树型网络中,ZigBee协调器负责网络的建立和初始参数设定。
网络可以通过ZigBee路由器进行扩展。
在簇树型网络中,ZigBee路由器采用分级路由策略传送数据和控制信息;在网状网络中,则是完全对等的点对点通信,路由器不会定期发送信标,仅在网内设备要求时对其单播信标。
簇树型网络中,如果主要网络中一旦有路由节点瘫痪,那么相应区域就将进入通信瘫痪状态,出现网络断层;直到该部分网络重组后,才能恢复通信。
但是,簇树型网定期发送信标,使网内节点能做到很好的同步,便于节点定期进入休眠状态,降低功耗,延长网络寿命。
在网状网中则是完全的点对点通信,使路由有多种选择,网络的容错性较好。
但是由于网状网络不定期发送信标,各网络节点很难达到同步,需要采用其他机制实现网络同步。
所以将网状结构与簇
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