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1、 学号：-毕业设计说明书无线-浓度采集仪设计Wireless Hydrogen Sulfide Collection Device Design学院 - 专业 - 班级 -学生 - 指导教师（职称） - 完成时间 20- 年 03月 21 日至 20- 年 06 月 20 日摘要摘要硫化氢(H2S) 是一种可燃性无色气体，具有典型的臭蛋味，属级毒物，对神经和粘膜有很强的刺激作用。硫化氢产生的行业主要是化工业，而对石化工业来说，硫是石油中最主要、含量最大的非烃元素，硫化氢存在于石油开采、炼制加工的各个环节，发生中毒的可能性和普遍性远高于其它行业。设计一种能自动采集硫化氢气体浓度的仪器，避免使人员
2、直接接触硫化氢气体能大大降低中毒事故的发生。无线传感器网络具有快速构建、部署方便等特点，可以实现大范围、自动化的实时信息采集。利用ZigBee技术设计一个应用于石化硫磺回收装置员工跟踪监控系统的无线硫化氢浓度采集仪。这个无线硫化氢浓度采集仪能够实现现场硫化氢浓度、温湿度数据的采集，以及硫化氢浓度超限报警等。本采集仪可以给管理和现场工作人员提供可靠的信息，避免硫化氢中毒事故的发生。关键词：硫化氢，ZigBee技术，无线传感器网络AbstractHydrogen sulfide (H2S) is a kind of colorless flammable gas, with the typical
3、 rotten egg smell rand toxic grade .H2S is a strong nerve poison on the mucosa significantly stimulating effect.Hydrogen sulfide mainly produced by chemical industry and the accident of poisoning is not uncommon.In the petrochemical industry,sulfur is the main element in petroleum,and it is also the
4、 largest non-hydrocarbon content of elements in petroleum.Hydrogen sulfide present in the oil exploration, refining,and all the processing procedure.Moreover,the possibility of hydrogen sulfide poisoning is much higher than in other industries.With the features of quick build and convenient deployme
5、nt,WSN can realize large scaleand automated real-time information collection.Use zigbee as the basic teechnology to design a kind of wireless hydrogen sulfide acquisition instrument.This instrument can not only collect temperature and humidity data from the spot,but also can sound the hydrogen sulfi
6、de concentration alarm while beyond its limit and so on.The device can improve the management of the production and provide the field staffs with reliable information to reduce and avoid the occurrence of hydrogen sulfide poisoning.Key words: Hydrogen sulfide, Wireless sensor network, ZigBee37目录目录摘要
7、IAbstractII目录i第一章 绪 论11.1 选题背景及研究意义11.2 研究现状21.2.1 国外研究现状21.2.2 国内研究现状31.3 本论文的主要内容4第二章 无线传感器网络和ZigBee技术52.1 无线传感器网络概述52.1.1 WSN的发展状况52.1.2 WSN的基本特征及其应用62.2 ZigBee原理及其体系结构72.3 ZigBee协议82.3.1物理层82.3.2 MAC层102.3.3网络层122.3.4应用层142.4 ZigBee技术的网络拓扑结构142.5本章小结15第三章 采集仪的硬件设计163.1 总体设计方案163.1.1 处理器的选择173.1.
8、2 ZigBee芯片的选择183.2功能模块设计193.2.1 射频通信模块193.2.2 电源模块233.2.3 传感器模块243.3 传感器节点PCB设计规则273.4本章小结28第四章 采集仪的软件设计294.1软件设计方案294.2程序设计304.2.1 硫化氢模块程序设计304.2.2 温湿度模块程序设计324.3 无线通信模块软件设计344.4 本章小结35结束语36致谢37参考文献38第1章 绪 论第一章 绪 论1.1 选题背景及研究意义目前，硫化氢中毒事件还时有发生。当前的硫化氢监测上还存在一些弊端，比如造价昂贵，推广性不大，只是在大型企业有专门的检测系统，检测系统构建复杂等局
9、限性。不断利用现代技术去改进和完善硫化氢的检测和数据的处理分析等仍然是仪器学界关心的一个重要话题。当今世界通信技术迅猛发展，随着微机电系统、片上系统、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展，孕育出无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)，并以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知行业的一场变革1。基于此，本设计实现一种以CC2430为核心的无线传感器网络，设计一种无线硫化氢采集仪，能实现硫化氢浓度数据的自动采集，并能在阈值范围外报警，以减少中毒事故的发生。硫化氢是一种无机化合物，化学式为H2S。正常情况下是一种无色、易燃的酸性气体，浓度低时带恶臭，
10、气味如臭蛋；浓度高时反而没有气味（因为高浓度的硫化氢可以麻痹嗅觉神经）。它是一种急性剧毒，低浓度的硫化氢对眼、呼吸系统及中枢神经都有影响，硫化氢被列为第类重大职业中毒气体。吸入少量高浓度硫化氢可于短时间内致命。所以，实时在线监测工厂生产过程含硫物的状况，是直接减少工厂损失和确保工人生命安全的重要措施。硫化氢的局部刺激作用，是由于接触湿润粘膜与钠离子形成的硫化钠引起的。目前认为，硫化氢的全身性作用是通过与细胞色素氧化酶中三价铁(Fe+3)及二硫键(-S=S-)起作用，使酶失去活性，影响细胞氧化过程，造成细胞组织缺氧。人若吸入硫化氢70150毫克/立方米/12小时，出现呼吸道及眼刺激症状：流泪、眼
11、痛、畏光、视物模糊和流涕、咳嗽、咽喉灼热，吸25分钟后嗅觉疲劳，不再闻到臭气，变得麻木；若吸入毫克/立方米/1小时，68分钟出现眼急性刺激症状，稍长时间接触引起肺水肿。吸入760毫克/立方米/1560分钟，发生肺水肿、支气管炎、肺炎，出现头晕、头痛、恶心、呕吐、晕倒、乏力、意识模糊等症状；若吸入1000毫克/立方米/数秒之内，很快出现急性中毒，突然昏迷，导致呼吸、心跳骤停，发生闪电型死亡。高浓度接触眼结膜会发生水肿和角膜溃疡。而低浓度长期接触，会引起神经衰弱综合症和植物神经功能紊乱等，不同浓度硫化氢对人体的危害见表1-1。且硫化氢与空气混合能形成爆炸性混合物，遇明火、高热能引起燃烧爆炸。与浓硝
12、酸、发烟硫酸或其它强氧化剂剧烈反应，发生爆炸。气体比空气重，能在较低处扩散到相当远的地方，遇明火会引起回燃。表1-1 不同浓度硫化氢对人体的危害浓度()接触时间毒性反应危险等级1400顷刻昏迷、呼吸麻痹及死亡重度危险1000数秒钟急性中毒重度危险760150 Min支气管、肺水肿及全身症状重度危险3001 H眼和呼吸道刺激症状中度危险705012 H嗅觉疲劳、亚急性和慢性结膜炎轻度危险300阀浓度硫化氢对设备的危害也很大，所以需要经常对接触硫化氢的设备进行维修和检查，从而增加了检修人员发生硫化氢中毒事故的概率。在以天然气、石油和煤等为原料的加工工业中，存在于原料中的各种硫化物在加工过程中通常分
13、解成硫化氢，其腐蚀问题普遍存在。材料遭受硫化氢腐蚀时，其腐蚀破坏形式是多种多样的，包括全面腐蚀、坑蚀、氢鼓泡、氢诱发阶梯裂纹、氢脆及硫化物应力腐蚀破裂等。基于上述硫化氢的各种危害，在有硫化氢气体出现的场所设置硫化氢采集仪和报警器是非常有必要的。基于无线传感器网络的特点，和当前的硫化氢检测仪体积大不利安置和携带以及检测体统构建复杂等局限，本论文研究设计一种无线硫化氢采集仪，它具备无线传感器网络的特点，能快速、准确、低功耗地检测和传输现场的硫化氢浓度，以减少和避免中毒事件的发生。1.2 研究现状1.2.1 国外研究现状国外生产硫化氢检测仪比较有名的公司有日本理研RIKEN,德国梯形TESTS,美国
14、ESC,加拿大BW。其中日本理研RIKEN，美国ESC生产的硫化氢检测仪有比较好的性能，它采用先进的传感器技术，具有信号稳定，精度高等优点，采用LCD背光液晶显示屏便于夜晚观察读数。现场声光报警功能。最大传输距离为1000m，使用环境温度：-20+50，湿度：10%95%RH(非凝露)全软件校准功能，用户也可通过面板上3个按键实现外部校准。具有自动温度、湿度补偿、零点、满量程漂移补偿，采用二线制420mA输出，有两个电缆进线口，方便现场安装。德国梯形TESTS，加拿大BW等公司生产的硫化氢检测仪的RBK型硫化氢报警器由气体报警控制器配接点型气体构成系统，硫化氢报警器控制主机为盘装壁挂式，各探测
15、点气体浓度独立显示，硫化氢采集仪主机与采用分线制方式连接，安装布网方便，对多个监控点集中控制，硫化氢报警器当环境中探测气体的浓度达到或超过预置报警值时，报警器立即发出声光报警，硫化氢报警器以提醒用户采取安全措施，并驱动排风、切断、喷淋系统，防止发生、火灾、中毒事故，从而保障安全生产，产品广泛应用于燃气、石油、化工、冶金等存在易燃、易爆、毒性气体的危险场所2。国外在硫化氢检测仪方面做的比较好，拥有很多核心技术，比如能生产性能很好的硫化氢传感器。随着科技的发展和现代仪器转向无线网络的趋势，国外也已经走向无线的硫化氢检测仪研发的引导之路。1.2.2 国内研究现状目前我国硫化氢检测仪行业的发展正逐步向
16、前迈进，由原来的检测灵敏度不高准确率低，反应时间缓慢，数据传输和分析低劣，使用环境有很多局限等发展到如今的灵敏度比较高，检测范围大传输等多方面有比较大的改善。但是，在基于无线传感器网络技术的硫化氢采集仪的发展上，目前还是在起步阶段，还有待于科技的促进。当前我国著名硫化氢检测仪生产厂家如南京汇登电子科技，北京奥德博远，康科联等，主要的产品型号有如下几种：（1）HK-900系列型，南京汇登电子科技有限公司的推出的产品，仪器内有内置采样泵(选配HK-737170)，测量范围为0-200ppm，检测元件是高灵敏度、高稳定性、高精确度的电化学传感器，传感器呈线性稳定，结果准确，上、下限报警值可任意设定，
17、自带零点和目标点校准功能，内置温度补偿功能，维护方便。（2）Z-900是一款手持式仪器，北京奥德博远的产品，它可测量空气中0-200PPM的硫化氢气体，分辨率为0.1PPM。仪器带有LCD显示屏，电池电量低显示，和声音报警（可在传感范围内任意设置）。LCD显示屏每10秒显示一次当前的硫化氢浓度（PPM）。可在任意时刻查看峰值、STEL(15分钟平均值）和TWA(8小时平均值）。工作原理：仪器使用一个4电极型电化学传感器，包括一个工作电极和一个活性辅助电极。辅助电极发出的信号用于温度补偿，可增强整个传感器的选择性。传感器响应值和空气中的硫化氢浓度成正比。（3）4710系列硫化氢检测仪。测量范围为
18、0-500ppm不等，该仪器内有电池供电的内置采样泵，检测元件是高灵敏度、高稳定性、高精确度的电化学传感器，传感器呈线性稳定，结果准确。（4）PG-H2S型硫化氢检测仪/报警器,测量范围为0-200ppm，最大量程为500ppm。使用环境温度：-10-40，湿度：10%-95%RH。PG系列单一气体检测报警仪可检测可燃性和毒性等多种气体，可在工业环境中连续检测气体浓度。采用进口电化学传感器、催化燃烧传感器， 由功能强大的微处理器控制，配合大规模数字集成电路和微功耗元器件 , 将空气中气体浓度信号转化为电信号，由液晶屏直观数字显示，当环境中被测气体浓度达到或超过预置报警值时，报警器立即发出声光报
19、警，同时液晶屏显示当前的浓度值， 整机性能居国内领先水平3。上述4种硫化氢检测仪的主要特点是坚固耐用、对恶劣气候有强大的耐受力、不受长时间曝露于硫化氢环境的影响的优点。硫化氢检测仪比较适用于防爆、有毒气体泄漏抢险、地下管道或矿井等场所。而且，传统的硫化氢检测仪体积相对比较大，不便于携带，本论文研究设计的无线硫化氢采集仪具有体积较小，携带方便、低功耗、准确度高等特点，而且随着物联网的发展，无线传感器网络必将得到非常大的发展。无线硫化氢传感器采集器的研究也将是是硫化氢检测仪的一大发展趋势。1.3 本论文的主要内容本文研究设计了一种基于ZigBee技术的无线硫化氢采集仪。这个无线硫化氢浓度采集仪能够
20、实现现场硫化氢浓度、温湿度数据的采集，以及硫化氢浓度超限报警等。文章首先介绍了无线硫化氢采集仪的研究背景及研究意义，然后介绍ZigBee原理及其协议的体系结构。本设计的着重点是第三第四章软硬件设计与实现，传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块的软硬件设计，硬件的制作，设计电路的信号处理问题和信号的通信等。第二章 无线传感器网络和ZigBee技术第二章 无线传感器网络和ZigBee技术2.1 无线传感器网络概述2.1.1 WSN的发展状况无线传感器网络的最初研究来源于美国军方。2001年6月美国国防预先研究计划局召开的第一次网络嵌入式系统技术会议拉开了无线传感器网络研究的序幕。当时研
21、究这项技术的主要目的是想将其应用在战场信息感知、国土安全与反恐战争。随着研究的进一步深入和普及，人们发现无线传感器网络是解决“最后一米”问题的一项有效技术。该项技术的研究成功将真正的把我们的地球变成一个完整的数字地球，让人类去感知地球的每一个角落。因为无线传感器网络可以使人们在任何时间、任何地点和任何环境条件下获取大量翔实而可靠的信息5。正是基于这样的背景，国外掀起了一股无线传感器网络的研究热潮。美国自然科学基金委员会2003年制定了传感器网络研究计划，投资3400万美元用于支持该方面的基础研究。在美国自然科学基金委员会的推动下，美国多个大学开始了传感器网络的基础理论和关键技术的研究，并取得了
22、一些初步的研究成果。加州大学伯克利分校提出了应用网络连通性重构传感器位置的方法、基于相关性的数据编码模式、确定传感器网络中节点位置的分布式算法，并研制了一个传感器操作系统TinyOS。加州大学洛杉矶分校开发了一个无线传感器网络和一个无线传感器网络模拟环境，用于考察传感器网络中的各方面问题。南加州大学提出了在生疏环境部署移动传感器的方法、节省能量的计算聚集的树结构算法等。麻省理工学院开始研究超低能量无线传感器网络的问题，试图解决超低能量无线传感器系统的方法学和技术问题。针对传感器网络通信协议的特殊性，康乃尔大学、南加州大学等很多大学开展了研究，先后提出了几类新的通信协议。在国内，关于无线传感器网
23、络的研究虽然起步较晚，但是由于无线传感器网络是一门新兴技术，国内与国际水平的差距并不很大。我国国家自然科学基金从2003年开始支持无线传感网络方面的研究，2005年更是将该方向作为重点支持方向之一。目前国内的一些科研单位和大学，如清华大学、中国科学院沈阳自动化所、哈尔滨工业大学等已经初步开展了在传感器及无线传感器网络方面的研究工作，从网络体系结构、路由算法研究、安全技术、数据融合、定位技术等各个角度对无线传感网络进行综述、展望和进一步的研究。我国能够及时开展这项对人类未来生活影响深远的前沿科技的研究，对整个国家的社会、经济将有重大的战略意义。2.1.2 WSN的基本特征及其应用1.基本特征 目
24、前常见的无线网络包括移动通信网、无线局域网、蓝牙网络、无线自组网络等，与这些网络相比，无线传感器网络具有以下特点1：(1)网络规模大传感器网络中，在监测区域通常需要部署大量传感器节点，传感器节点数量可能达到成千上万，甚至更多。此外传感器网络可以分布在很广泛的地理区域，感知的范围也很大。通过不同空间视角获得更加全面的信息，通过分布式处理大量的采集信息能够提高监测的精确度，降低对单个节点传感器的精度要求。大量冗余节点的存在，也使得系统具有很强的容错性能。(2)网络的自组织能力由于在被监测区域，传感器随机的部署在区域内，传感器节点的位置不能预先精确设定，节点之间的相互邻居关系预先也不知道。比如通过飞
25、机播撒大量传感器节点到面积广阔的原始森林中，或者随意放置到人不可达到或危险的区域。在这样的情况下，就要求传感器节点具有自组织的能力，并且能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统7。在无线传感器网络使用过程中，部分传感器节点由于能量耗尽或者其他因素造成节点失效，在这种情况，要求网络的拓扑结构能够随之动态地发生变化。无线传感器网络的自组织性要能够实现这种网络拓扑的动态变化。(3)无线传感器网络节点的通信能力有限无线传感器网络中传感器节点的传输率低、一般只有200kbps左右，通信距离短，一般只有几十到几百米。由于无线传感器网络往往部署在室外环境比较恶
26、劣的地方，要受到高山、建筑物、障碍物等地形地貌以及其他恶劣天气等自然条件的影响。这样一方面可能造成传感器之间的通信不可靠，另一方面可能使传感器出现故障、甚至损坏。(4)无线传感器网络节点的电源能量有限传感器节点的体积微小，通常携带能量十分有限的电池。由于传感器网络应用场景比较复杂，环境一般比较恶劣，传感器部署数量多，所以传感器通过更换电池来补充能量是不太现实的。(5)无线传感器网络存储和计算能力有限无线传感器网络中的传感器节点是一种微型嵌入式设备，一般要求价格低体积小功耗低，这些限制必然导致其嵌入式处理器计算能力比较弱，存储容量比较小。(6)无线传感器网络以数据为中心基于无线传感器网络的任何应
27、用系统都离不开感知数据的管理和处理技术，传感器网络相当于分布式的网络数据库。要查询的数据分布在所有或部分节点中。传感器网络中每个传感器节点具有端节点和路由器两者的作用，传感器节点接收网关节点的查询或控制命令。传感器网络数据综合处理技术是实现以数据为中心的传感器网络的核心技术，包括感知数据的提炼、压缩、存储、关联、查询、分析、挖掘、理解以及基于感知数据决策和行为的理论和技术。传感器网络的各种实现技术必须与这些技术密切结合，融为一体9。2无线传感器网络的应用 无线传感器网络在军事领域的应用十分重要，军方可以通过飞机空投等方式在预定区域散布大量微型廉价的传感器节点，通过这些传感器节点实时监测周围环境
28、的变化，并将监测到的数据通过卫星信道等方式发送回基地，这样就可以方便地监控我军布防的阵地是否有敌军入侵，也可以将网络布置在敌方阵地上，以隐密的方式监控敌方阵地和敌军活动情况。虽然无线传感器网络最初主要应用于军事领域，但是随着技术的快速发展，传感器节点的成本越来越低，而功能却日益强大，使得以前造价昂贵的无线传感器网络现在己经能够进入民用领域。现在无线传感器网络己经在民用领域中得到了很多应用，越来越多的可能的应用领域也不断展现在人们的面前，毫无疑问在无线传感器网络中隐藏着巨大的商机。在民用方面的应用主要有：灾难预警与救助、环境控制、生物多样化勘测、智能楼宇、设备管理、机器监视和维护、精细农业、药品
29、管理、卫生保健、运输、信息通信业务。除此之外，无线传感器网络还可以应用在其他特殊用途中，包括飞机机翼以及智能空间10，污水处理设备的应用，半导体加工室和风洞的测量，“智能幼儿园”里的互动玩具，洪水监测，互动博物馆，远途岛上鸟类栖息地的观测，以及将传感器移植到人体内(进行葡萄糖监测或植入人工视网膜)的应用11。可以肯定的说，随着技术的进步和经济的发展，无线传感器网络必将会越来越多的应用到社会生活的各个方面。基于无线传感器网络的特征、发展趋势以及在各领域的广泛利用，本设计采用无线的数据传输方法，将无线传感器网络技术与硫化氢浓度采集相结合，设计一种无线硫化氢浓度采集仪。这是仪表行业发展的一种趋势，也
30、是随着物联网的快速发展，各种无线通信仪表的必然。2.2 ZigBee原理及其体系结构本设计的理论基础是基于ZigBee的无线传感器网络技术。ZigBee技术是一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术，其PHY层和MAC层协议为IEEE 802.15.4协议标准，网络层由ZigBee技术联盟制定，应用层的开发应用根据用户自己的应用需要，对其进行开发利用，因此该技术能够为用户提供机动、灵活的组网方式1。根据IEEE 802.15.4-2003标准协议，ZigBee的工作频率分为3个频段，分别是868MHz、915MHz和2.4GHz。ZigBee在无线通信技术上，采用免冲突多载波信道接入(CSMA
31、-CA)方式，有效地避免了无线电载波之间的冲突。在组网性能上，ZigBee设备可以构造为星型网络或者点对点网络，在每一个ZigBee组成的网络内，每个节点对应两个地址，分别为16bit的短地址与64bit的长地址，短地址为网络地址，长地址为ZigBee设备全球唯一的地址标识。一个ZigBee网络中，可以容纳的最大设备数为65536个，其具有较大的网络容量。ZigBee设备为低功耗设备，其发射输出为03.6dBm，通信距离为3070m，具有能量检测和链路质量指示能力，根据这些检测结果，设备可自动调整设备的发射功率，在保证通信链路质量的条件下，最小消耗能量。为保证ZigBee设备之间通信数据的安全
32、保密性，ZigBee技术采用了密钥长度为128位的加密算法，对所传输的数据信息进行了加密处理。2.3 ZigBee协议在ZigBee技术中，其体系结构通常由层来量化它的各个简化标准。每一层负责完成所规定的任务，并且向上层提供服务。各层之间的接口通过所定义的逻辑链路来提供服务2。ZigBee协议的体系结构主要由物理(PHY)层、媒体接入控制(MAC)层、网络层、安全层以及应用层构成，其各层之间的分布如图2-1所示。由于无线传感器网络节点通常使用存储器容量受限的嵌入式处理器，所以对协议栈的大小也提出了严格的要求。与常见的无线通信标准相比，ZigBee协议结构简单，将OSI 7层协议简化成4层。其中
33、物理层和媒体接入层是IEEE802.15.4，其他层是ZigBee联盟制定。因为ZigBee采用的是IEEE 802.15.4-2003标准，而非IEEE 802.15.4-2006等，因此在下面的介绍中我们只介绍IEEE 802.15.4-2003标准的内容。图2-1 ZigBee协议组成2.3.1物理层在OSI模型中，物理层(PHY)处于最底层，是保障信号传输的功能层，因此物理层涉及与信号传输的有关方面。物理层的主要功能是在一条物理传输媒体上，实现数据链路实体之间的透明传输各种数据的比特流。它为链路层提供包括物理连接的建立、维持与释放、物理服务数据单元的传输、物理层管理、数据编码等服务。
34、IEEE 802.15.4的物理层通过射频硬件和软件在MAC子层和射频信道之间提供接口，将物理层的主要功能分为数据服务和管理服务两个部分，其中负责管理服务的部分称为物理层管理实体(PLME，Physical Layer ManagementEntity)。数据服务主要负责数据的接收和发送，管理服务主要负责射频收发器的激活和休眠、信道能量的检测(energy detect，ED)、链路质量指示(linkquality indication，LQI)、空闲信道评估(clear channel assessment，CCA)、信道的频段选择、物理层信息库的管理等3。1.物理层的载波调制 IEEE 8
35、02.15.4工作在工业科学医疗(ISM)频段，PHY层定义了三个载波频段用于收发数据4。在这三个频段上发送数据使用的速率、信号处理过程以及调制方式存在一些差异。三个频段总共提供27个信道(channel)：868MHz频段1个信道，915MHz频段10个信道，2450MHz频段16个信道，具体分配如表2-1所示。表2-1 频段与数据速率PHY(MHz)频段(MHz)序列扩参数数据参数片速率(kchip/s)调制方式比特速率(kbps)符号速率(ksymbol/s）符号(symbol)868/915868-868.6300BPSK2020二进制902-928600BPSK4040二进制2450
36、2400-2483.52000O-QPSK25062.5十六进制在868MHz和915MHz这两个频段上，信号处理过程相同，只是数据速率不同。处理过程如图2-2所示，首先将物理层协议数据单元(PHY protocol dataunit，PPDU)的二进制数据差分编码，然后再将差分编码后的每一个位转换为长度为15的片序列(chipsequence)，最后使用BPSK调制到信道上。图2-2 858/915MHz频段的调制过程差分编码是将数据的每一个原始比特与前一个差分编码生成的比特进行异或运算，其中是差分编码的结果，为要编码的原始比特，是上一次差分编码的结果。图2-3 2.4GHz频段的调制过程2
37、.4GHz频段的处理过程如图2-3所示，首先将PPDU的二进制数据中的每4位转换为一个符号(symbol)，然后将每个符号转换成长度为32位的片序列。2.物理层的帧结构 物理层的数据帧称为物理层协议数据单元(PPDU，PHY Protocol Data Unit)，表2-2描述了物理层协议数据单元帧格式。每个PPDU帧由同步头、物理帧头、物理帧负载组成。同步头包括前导码和帧起始分隔符(SFD，Start-Of-Frame Delimiter)。前导码占4个字节，收发器在接收前导码期间，会根据前导码序列的特征完成片同步和符号同步。帧起始分隔符长度为一个字节，其值固定为0xA7，标识一个物理帧开始
38、。物理帧头包括7bit的帧长度域以及1bit的保留位，帧长度域表明物理帧负载的长度，因此PSDU的长度最大为127Byte。物理帧负载长度可变，称为物理服务数据单元(PSDU，PHY Service Data Unit)，一般用来承载MAC帧。表2-2 物理帧格式4字节1字节1字节长度可变前导码(preamble)SFD帧长度（7比特）保留位PSDU同步头物理帧头PHY负载2.3.2 MAC层对于广播网络而言，存在竞争使用信道的问题，因此IEEE 802对OSI参考模型作了修正，IEEE 802将数据链路层分为MAC和LLC两个子层。MAC子层使用物理层提供的服务实现设备之间的数据帧传输，而L
39、LC子层在MAC子层的基础上，在设备间提供面向连接和非连接的服务19。下面就从信道访问方式、传输模型和帧格式等方面介绍IEEE 802.15.4标准中的MAC子层的功能。MAC子层提供两种服务：MAC层数据服务和MAC层管理服务(MAC sublayer management entity，MLME)。前者保证MAC协议数据单元在物理层数据服务中的正确收发，后者维护一个存储MAC子层协议状态信息数据库。MAC子层主要功能包括以下8个方面：(1)采用CSMA-CA机制来访问物理信道；(2)协调器对网络的建立与维护；(3)支持个域网(PAN，Personal Area Network)网络的关联(
40、association)与取消关联(disassociation)；(4)协调器产生信标帧，普通设备根据信标帧与协调器同步；(5)间接传输的实现(Transaction handling)；(6)在两个MAC实体之间提供数据可靠传输；(7)可选的时槽保障(guaranteed time slot，GTS)支持；(8)支持无线信道通信安全。IEEE 802.15.4根据网络配置分别采用两种信道访问机制：在无信标使能的网络中采用无时槽的CSMA-CA机制，在信标使能的网络中采用带时槽的CSMA-CA机制。网络协调器负责整个网络的建立与维护。协调器首先需要为整个网络选择空闲信道，然后产生信标帧并定期
41、发送，同时处理其他设备的关联或取消关联请求，数据传输等。其中关联操作是指一个设备在加入一个特定网络时，向协调器注册以及身份认证的过程。1.MAC子层的信道访问方式 在IEEE 802.15.4中，可以选用以超帧为周期组织网络网内设备间的通信。超帧的时间分配由网络协调器定义，主要包括活跃时段和非活跃时段。网络中的所有通信都必须在活跃时段进行，而在非活跃时段，设备可以进入休眠模式以达到省电的目的。每个超帧都以网络协调器发出信标帧为开始，并划分16个等宽的时槽。信标帧在第一个时槽中被发送，在信标帧中包含了关于本次超帧持续的时间以及超帧的时间分配等信息，如图2-4所示。图2-4 超帧结构在超帧的竞争访
42、问时段，IEEE 802.15.4网络设备使用带时槽的CSMA-CA访问机制，并且任何通信都必须在竞争访问时段结束。在非竞争时段，协调器根据上一个超帧期间PAN网络中设备申请GTS的情况，将非竞争时段划分成若干个GTS。每个GTS由若干时槽组成，时槽数目在设备申请GTS时指定。如果申请成功，申请设备就拥有了它指定的时槽数目。如图2-4中第一个GTS占用1113时槽，第二个GTS占用14，15时槽。每个GTS中的时槽都指定分配给了时槽申请设备，因而不需竞争信道。IEEE 802.15.4标准要求任何通信都必须在自己分配的GTS内完成。超帧中规定非竞争时段必须跟在竞争时段后面，竞争时段的功能包括网
43、络设备可以自由收发数据，域内设备向协调者申请GTS时段，新设备加入当前PAN网络等。非竞争阶段由协调者指定的设备发送或者接收数据包。如果某个设备在非竞争阶段一直处在接收状态，那么拥有GTS使用权的设备就可以在GTS阶段直接向该设备发送消息。2.数据传输模型 在IEEE 802.15.4规定了三种数据传输方式：设备发送数据到协调器、协调器发送数据给设备、对等设备之间的数据传输。在星型网络中，数据只在协调器和设备之间交换；而在点对点拓扑网络中，三种数据传输方式都存在。每种数据传输的传输机制还取决于该网络是否支持信标传输。通常在低延时设备之间通信时，应采用支持信标的传输机制；网络中没有低延时设备时，
44、在数据传输中可选择不使用信标方式传输，在这种情况下，虽然数据传输不采用信标，但在网络连接时，仍需要信标才能完成网络连接。3.MAC层帧结构 MAC层帧结构的设计目标是用最低的复杂度实现在多噪声无线信道环境下的可靠数据传输。每个MAC子层的帧都是由帧头(MAC header，MHR)、净荷(Payload)和帧尾(MAC footer，MFR)三部分组成。帧头由帧控制信息(frame control)、帧序列号(sequence number)和地址信息(addressing fields)组成；MAC子层净荷长度可变，具体内容由帧类型决定；帧尾是帧头和负载数据的16位CRC校验序列。MAC层帧
45、格式如表2-3所示。表2-3 MAC帧结构4字节1字节0/2字节0/2/8字节0/2字节0/2/8字节可变2字节帧控制信息帧序列号目标设备PAN标识符目标地址原设备PAN标识符原设备地址帧数据单元FCS效验码地址信息帧头MAC负载MFR帧尾数据帧设备地址可以使用16位短地址和64位长地址，其中16位的短地址是设备与PAN网络协调器关联时，由协调器分配的网内局部地址，64位扩展地址是全球唯一地址，在设备进入网络之前就分配好了。16位短地址只能保证在PAN网络内部是唯一的，所以在使用16位短地址通信时需要结合16位的PAN网络标识符才有意义。由此可知，一个数据帧使用哪种地址由帧控制字段的内容指示。
46、2.3.3网络层ZigBee标准确定了ZigBee网络中的三种设备：ZigBee协调器、ZigBee路由器和ZigBee终端设备。每个网络都必须包括一台ZigBee协调器，它负责建立并启动一个网络，其中包括选择合适的射频信道、唯一的网络标识符等一系列操作。ZigBee路由器作为远程设备之间的中继器来进行通信，能够用来拓展网络的范围，负责搜寻网络路径在任意两个设备之间建立端到端的传输。ZigBee终端设备作为网络中的终端节点，负责数据采集。根据ZigBee规范，在总体构架上仍延续IEEE 802.15.4的思想，将网络层分为数据实体(NLDE，Network Layer Data Entity)
47、、管理实体(NLME，NetworkLayer Management Entity)。数据实体接口的目标是向上层提供所需的常规数据服务，管理实体接口的目标是向上层提供访问内部层参数、配置和管理数据的机制。数据实体提供网络层的数据服务，对应用层和MAC层的接口分别为NLDE-SAP(网络层数据访问接口)、MCPS-SAP(MAC层数据访问接口)，实现两个对等的应用层之间的端到端的传输。1.网络层数据实体(NLDE) 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，将按照应用协议数据单元(Application supportSub-Layer protocol data unit，APDU)的格式进行传送，并且这些设备必须在同一个网络中。网络层数据实体提供如下服