1、 硕士学位论文基于无线传感网络的药厂自动化控制系统Automation Control System of Pharmaceutical FactoryBased on Wireless Sensor Network2013年 12月国内图书分类号：TP391.4国际图书分类号：004.93学校代码：10079密级：公开硕士学位论文基于无线传感网络的药厂自动化控制系统硕士研究生：张琳导 师：尚秋峰申请学位：硕士学位学专科：信息与通信工程业：通信与信息系统所在学院：电气与电子工程学院答辩日期：2014年3月授予学位单位：华北电力大学Classified Index: TP391.4U.D.C:
2、004.93Thesis for the Master DegreeAutomation Control System of Pharmaceutical FactoryBased on Wireless Sensor NetworkCandidate：Supervisor：School：Zhang LinShang QiufengSchool of Electric and ElectronicEngineeringDate of Defence： March, 2014Degree-Conferring-Institution： North China Electric Power Uni
3、versity华北电力大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于无线传感网络的药厂自动化控制系统，是本人在导师指导下，在华北电力大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日华北电力大学硕士学位论文使用授权书基于无线传感网络的药厂自动化控制系统系本人在华北电力大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归华北电力大学所有，本论文的研究内容不得以
4、其它单位的名义发表。本人完全了解华北电力大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权华北电力大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。本学位论文属于（请在以上相应方框内打“”）：保密 ，在不保密年解密后适用本授权书作者签名：导师签名：日期： 年年月月日日日期：华北电力大学硕士学位论文摘 要药厂生产环境自动控制系统就是对药厂生产过程中的温度、湿度、洁净度、压力等环境参数进行自动控制使其在允许的范围内变化以达到药厂生产要求的自动化控制系统。传统上，药厂自动控制系统采用 PLC技术实现，但此系
5、统存在着布线困难、设备移动性差等缺点，针对上述问题本文设计了基于 ZigBee无线通信技术的药厂自动化控制系统。利用 ZigBee技术实现的无线传感网络，可以对工厂生产过程中的各参数进行监测、分析、处理，对生产过程中不符合要求的参数进行调整。本设计使用 LabVIEW软件代替组态软件完成后台设计，它可以有效减少系统的开发时间，并提高效率。本药厂自动化控制系统从前端系统和后台系统两方面进行设计。通过对 ZigBee技术特点与协议的深入分析研究，本设计依据功能将前端系统分为终端节点功能、路由功能、协调器功能三大类，并针对这三方面内容分别做了硬件设计和软件设计。硬件部分的设计选取了具有低功耗、低成本
6、、高可靠性等技术优势的 CC2430芯片作为主芯片，并以此为核心进行了外围电路设计。而前端系统的软件部分也分别对终端节点功能、路由功能、协调器功能三方面进行了程序设计与功能实现。最终完成了整体无线网络的构建，并将前端系统置于实验室环境中做了测试，通过数据分析得出了最佳组网的方式：在默认 0dBm功率下，当节点水平传输距离小于 5m或楼层间垂直传输距离小于 1/2楼层时，系统丢包率 为零，即可最大程度保证系统的可靠性。系统的后台设计基于 LabVIEW软件开发平台，主要包括数据采集模块、数据分析控制模块、故障检测模块、文件管理模块和系统管理模块。数据采集模块主要是进行数据采集，数据解析以及显示。
7、数据分析控制模块包括数据与阈值的比较，控制信号的产生，对界面、执行器的控制。故障检测模块则负责系统各节点的工作状态监测和报警处理。文件管理模块负责报警和故障列表的生成，查询与打印。最后就是系统管理模块，它包括系统登入界面，密码输入，系统复位以及系统退出四方面。最后从路由算法的选择、改进与路由维护过程三方面分析了提高系统可靠性的方法。通过簇首竞争、增加标志位或邻居节点的改进方法可以有效地提高系统的性能。同时，路由维护过程也对加固系统可靠性起到重要作用。综上所述，基于无线传感网络的药厂自动化控制系统是可行的。关键词：无线传感网络；自动化控制；ZigBee； LabVIEW；可靠性I华北电力大学硕士
8、学位论文AbstractThe system for automatically controlling the production environment of thepharmaceutical factory is designed to keep environmental parameters (e.g. temperature,humidity, cleanliness, and pressure) in ranges specified by the production requirements byexercising automatic control over thes
9、e parameters in the process of production for thepharmaceutical factories. PLC is traditionally adopted in the automatic control system. But ithas some disadvantages. For example, it is difficult to perform the wiring and the devicemobility is poor. Then an automatic control system using ZigBee was
10、proposed to overcomethese problems. In the ZigBee-based WSN, all parameters can be monitored, analyzed, andprocessed in the process of production, and improper parameters can be adjusted. LabVIEWis used to replace the configuration software for background design. The efficiency of thesystem developm
11、ent is enhanced enormously.The proposed system consists of the front-end system and the background system. Bycarefully analyzing features of ZigBee and protocols, the function of the front-end systeminto the terminal nodes, routers and coordinators are classified. The hardware and softwaredesigns of
12、 these three functions are performed, respectively. The low-power, low-cost andhigh-reliability CC2430 is adopted as the main chip for the hardware design. Peripheralcircuits are designed on this basis. In the software aspect of the front-end system, theterminal nodes, routers and coordinators are p
13、rogrammed and implemented. The entire WSNis established finally, and the front-end system is tested in the laboratory environment. Theoptimal approach to networking is acquired through data analysis. Given the power of 1dBmat default, if the horizontal transmission distance of nodes is less than 5m
14、or the verticaltransmission distance between floors is less than half of the floor height, the systems packetloss is zero. Thus, the system reliability is maximized.The background system is designed using LabVIEW, and consists of data acquisitionmodule, data analysis and control module, fault detect
15、ion module, file management moduleand system management module. Data is collected, analyzed and displayed via the dataacquisition module. The data analysis and control module can compare data with thresholds,generate control signals, and control the display and actuators. The fault detection module
16、isresponsible for monitoring the node conditions and responding to alarms. The filemanagement module can generate, query and print the lists of alarms and faults. The systemmanagement module involves the systems login interface, password input, system reset andsystem exit.At last, the way to improve
17、 system reliability was analysed by selecting and improvingrouting algorithms, as well as maintaining routes.Higher system performance can beachieved by competing for cluster heads, adding flags or neighbor nodes. Route maintainingis also essential to system reliability.II华北电力大学硕士学位论文To sum up, the
18、WSN-based automatic control system for the pharmaceutical factory isapplicable.Keywords：Automation control；Wireless sensor network；ZigBee；LabVIEWIII华北电力大学硕士学位论文目 录摘 要 IAbstract .II第 1章绪 论 11.1课题背景及意义 11.2药厂自动化控制系统的研究现状 11.3本文主要研究内容 3第2章 ZigBee网络技术.42.1 ZigBee技术特点 42.2 ZigBee协议构架 52.2.1 ZigBee物理层 .52
19、.2.2 ZigBee MAC层 .72.2.3 ZigBee网络层 72.2.4 ZigBee应用层 82.3 ZigBee技术拓扑结构与路由算法 92.3.1 ZigBee拓扑与组网概述 .92.3.2路由算法 102.4 ZigBee技术提高自身抗干扰性能的技术介绍 132.4.1直序扩频序列 DSSS132.4.2多址接入技术 CSMA/CA 132.4.3空闲信道评估 CCA.142.4.4应答重传机制 ARQ、帧缓存.142.5本章小结 14第3章药厂自动化系统前端设计 163.1系统前端硬件设计 173.1.1芯片 CC2430 特点173.1.2芯片 CC2430 外围电路设计
20、183.2系统前端软件设计 223.2.1协调器功能程序设计 .223.2.2路由功能程序设计 .243.2.3终端功能程序设计 .253.2.4紧急机制 .263.3系统最佳组网调试 273.4本章小结 28第4章药厂自动化系统后台设计 304.1后台程序设计软件 LabVIEW介绍 .304.2后台程序设计与界面展示 314.3本章小结 35第5章提高系统性能方法研究 365.1路由算法的选择与改进对系统性能的影响 365.1.1 AODVjr+Cluster-Tree的路由算法（ZBR 算法） 36IV华北电力大学硕士学位论文5.1.2路由算法改进的总结 375.2路由维护过程 395.
21、3本章小结 39第6章结论与展望 40参考文献 .41攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果 .43V华北电力大学硕士学位论文第 1章绪 论1.1课题背景及意义随着科学技术的发展，经济的进步，人民生活水平和医疗质量的提高，人们对健康的问题日益重视，由于药品质量引起的不良反应问题越来越引起人们的关注。药品的质量除去药品配方直接关系外，保证药品质量的重要环节是生产方法，其优劣是由选用的生产技术及生产环境两个主要方面所决定的1。国内外多年的研究和实践证明，生产环境不符合要求是造成药品质量问题的重要原因。只有遵循相关规定，采取相应的措施，使药品工厂生产环境达到要求的水准，才能保证药品质量。所谓的生产环境
22、是环境控制的各项指标综合作用的结果，并最终致力于为药品生产提供一个稳定温湿度、稳定压力差、洁净的环境。1992年，我国医药工业公司颁布了药品生产管理规范。同年，我国卫生部还修订了药品生产质量管理规范 2。药品生产质量管理规范原文是“Goodpractice in the Manufacture and Quality Control of Drug”或“GoodMunnfacture Practice”简称 GMP，此规范明确规定了 药品的生产环境、不同药品生产的压差控制范围、温湿度控制范围、洁净级别等都作了明确的规定，是全面管理控制药品生产质量的准则。1995年我国开始实施药品GMP认证制度
23、2。并且规定期间内推行了药品生产质量管理规范，期限过后仍达不到规范要求的工厂就会被停产。凡是药品生产企业都需要保证自己生产环境的洁净稳定，因此，对药厂生产环境的控制就非常重要。由于药厂的生产环境涉及到温度、湿度、正压等各个方面的重要内容，生产环境必须达到GMP的认证标准及洁净厂房设计规范、建筑设计防火规范与暖通空调设计规范的要求。这就是本课题药厂环境自动化控制系统提出的背景。药厂生产环境自动控制系统就是对药厂生产过程中的温度、湿度、洁净度、压力等环境参数进行自动控制使其在允许的范围内变化以达到药品生产要求的自动化控制系统2。1.2药厂自动化控制系统的国内外现状早期的药厂控制系统中多用 PLC控
24、制系统，PLC 是以自动控制技术、微计算机技术和通信技术为基础发展起来的新一代工业控制装置，在社会各领域中都得到了越来越多的应用3。但是由于被控对象的工艺水平、生产效率和产品质量要求较高，PLC控制系统设计时 有以下不足4：1华北电力大学硕士学位论文（1）输出模块的负荷必须留有一定的余量。作为 PLC装置最易受到损坏的部件，加上功率放大环节是降低输出接口负荷的最简单方法。（2）需要注意对输出模块的外电路保护。通过在输出接口设置短路保护装置，防止因外部电路短路等原因引起输出接口损坏。（3）联锁、互锁功能的硬件设置缺陷。当外电路发生故障时，单纯在 PLC内部逻辑上的联锁和互锁就会失去作用。（4）P
25、LC对电 源有较高要求并且在应用程序开发时要特别注意系统的失压保护。（5）安装与布线给工厂布设带来很大的不便。不但动力线、PLC的电源线、控制线需要分别配线，同时模拟量信号线与开关量也要分开敷设，如此大量的布线就给系统的布设、维护和升级带来很多麻烦。显然这样的控制系统已不再符合现代化药厂生产的需要。考虑到药厂生产环境的特点是多变量、时变非线性、大时延、分布参数，而需要使用大量传感器和执行机构是生产环境控制的特点，并且通常它们分布在很广阔的范围内，导致通讯距离远，所以，就要求环境控制系统具有分布控制和高速通信的特点，同时要保证生产过程顺利进行，就必须注重系统运行的可靠性、实用性和先进性，以延长系
26、统的生命周期。而基于 ZigBee技术的药厂控制系统刚好弥补了 PLC系统的弊端，它的优点如下5：（1）投资成本低，性能稳定。只需一次性投资，不用挖沟埋管，非常适合室内已装修好及室外距离较远的场合，通过无线监控可以去除线缆的束缚，其优点是安装周期较短、维护过程方便、扩容能力强以及可迅速收回成本。（2）降低使用及维护成本。采用无线网络通信的系统可以减少接插件故障，设备可自由移动，进而大大降低维护成本。一般情况下，无线产品出现了故障，更换一个新的即可，避免了繁琐的维护过程，因为很大程度降低了维护成本。（3）组网灵活，可扩展性好，即插即用，易于改造。新的无线监控点可迅速被加入到现有网络中，不需为新建
27、传输路径铺设网络或增加设备，进而可以轻松实现远程无线监控。（4）实时性强。无线监控系统结合了无线传输技术和监控，它可以把不同地点的现场信息及时传送到无线监控中心。（5）更环保。美国能源部研究表明，使用无线传感器网络可为工业现场节能10且排放或泄漏减低 15。同时，可以避免废弃电缆等对环境的污染。综上所述，基于 ZigBee技术的无线传感器网络具有广阔的发展空间和市场前景。并且 ZigBee技术也已相对成熟，适合应用于工厂生产自动化监测系统中。将ZigBee无线网络通讯技术应用于药厂控制系统具有长远的意义，为生产带来很大的2华北电力大学硕士学位论文方便。同时，本课题后台设计使用 LabVIEW软
28、件代替组态软件。LabVIEW是一个功能强大、方便灵活的集成开发环境，它简化了科学计算，过程控制和测试应用，增强了用户组建自己的科学和工程系统的能力。使用LabVIEW进行仪器系统的设计、检测和实现，可以减少系统的开发时间，同时也提高了生产效率6。1.3本文主要研究内容本文设计了基于 ZigBee技术的药厂自动化控制系统。首先简要介绍 ZigBee技术的技术特点以及协议构架，为系统设计做铺垫。Z-Stack是采用操作系统的思想构建的，采用事件轮询机制，当各层初始化之后，系统进入操作系统，不断地轮询是否有中断发生。如果有中断发生，则按照优先级逐件处理中断事件。然后从前端系统设计和后台设计两方面对
29、整个系统进行详细的说明。前端系统软件部分的工作是基于软件集成开发环境 IAR的 Z-Stack 应用程序的 编写，包括终端功能节点、路由功能节点以及协调器功能节点。在硬件部分主要介绍了芯片的取型，相关电路的制作，实现整体无线网络的建立，从而完成了药厂内参数的采集与无线传输。基于LabVIEW软件开发平台的后台系统主要包括数据采集模块、数据分析控制模块、故障检测模块、文件管理模块和系统管理模块，并对这五部分分别做了详细的介绍。最终完成了整体无线网络的构建，并将系统置于实验室环境中做了测试，通过数据分析得出了最佳组网的方式。在无线通信中，系统的可靠性问题是不可忽视的。本文从诸多方面介绍了系统的可靠
30、性问题，保证无线通信用于药厂自动化生产的可行性。其中包括路由算法的选择、改进与路由维护过程。3华北电力大学硕士学位论文第 2章 ZigBee 网 络技术2.1 ZigBee技术特点ZigBee技术是一种短距离、低速率的无线通信技术7或无线网络技术，是一组有关组网、安全和应用软件方面的通信技术。ZigBee的基础是 IEEE802.15.4技术标准，其 PHY层和 MAC 层协议 直接引用了 IEEE802.15.4，而网络层由 ZigBee技术联盟制定。对于应用层，开发的进行是以用户具体的需求为依据的。因此，该技术该技术为我们提供了更加灵活的组网方式。ZigBee采用了 2.4GHz和 868
31、/915MHz的物理信道，不同频段上的信道数量也不同，这就导致各个频段所采用的调制方式和传输速率也有所差别。2.4GHz频段有16个通信信道，物理层通过高阶调制技术之后传输速率可达到 250kbps 。868/915MHz采用简单的 DSSS方式，具有的数据传输 速率分别为 40kbps和 20kbps，并分别有 10个和 1个信道。根据 ZigBee技术参数，一个基于 ZigBee 无线传感网络具有如下特点：（1）低功耗： ZigBee节点在工作模式下，由于其传输速率低、数据量小，所以发射功率比较低。在非工作模式下，节点处于休眠状态，有效降低了功耗。因此一个节点电池工作时间较长，可达 6-2
32、4个月，避免了频繁更换电池的麻烦。（2）低速率： ZigBee技术的数据传输速率只有 20250kb/s(24GHz)、40kb/s(915MHz)和 20kb/s(868MHz)，主要适用于低速率 传输数据的应用场景。（3）低成本： ZigBee数据传输速率较低，协议又被大幅度简化，所以很大程度降低了开发成本，并且 ZigBee协议免收专利费用。随着模块产品化，其价格也会逐渐降低。（4）短时延：ZigBee的通信时延和休眠状态到激活的时延都非常短，设备搜索时延一般为 30ms，从休眠到激活只需 15ms，活动设备信道接入为 15ms。因此此技术可适用于对时间要求严格的场合。（5）高容量：最多
33、 255个设备可被支持加入每个 ZigBee网络，其中一个是主设备，其余是配套设备。通过增强网络协调器，每个 ZigBee网络可以达到 65000个节点的传输模块，进行数据传输。（6）安全性： ZigBee协议提供了基于循环冗余校验的数据完整性检查和鉴权功能。并提供三种安全模式，采用 AES-128加密算法，以灵活确定其安全性。（7）可靠性：ZigBee中采用了 CSMA/CA （载波侦听多路访问/ 冲突防止）协议，发送每个数据包都必须等待接收方的确认消息，并进行回复，否则表示发生了4华北电力大学硕士学位论文消息碰撞，系统会重新发送，从而保证了信息传输的可靠性。2.2 ZigBee协议构架与其
34、他的常见无线通信技术标准相比，ZigBee协议栈具有简单又紧凑的特点，而且对环境配置要求比较低。在 ZigBee体系结构中由层来量化，每一层在完成自己层任务的同时向上一层提供服务。而层与层之间的接口是通过逻辑链路来提供服务的。ZigBee协议栈由应用层(APL) 、网络层(NWK)、介质接入控制层（MAC）和物理层（PHY）组成。虽然它基于标准的 OSI模型，但不需 对每一层都予以定义。其中网络层和应用层的构架由 IEEE802.15.4-2003标准定义，ZigBee联盟设计了网络层和应用层的框架，而应用层又包括应用支持子层（ APS）、ZigBee设备对象（ZDO ）和应用对象。体系结构如
35、图 2-1。图 2-1 ZigBee技术协议组成2.2.1 ZigBee物理层物理层决定了 ZigBee的通信频率。根据不同国家的需求，IEEE802.15.4标准定义了两个物理层标准8：2.4GHz 和 868/915MHz。两个物理层都基于直接序列扩频（DSSS）9技术，且使用的物理 层数据包格式也相同，区别在于调制技术、工作频率、传输速率和扩频码片长度不同。各个频段的比较如表 2-1所示。表 2-1 ZigBee工作频率信道数比特速率/kbps20频率/MHz 地区 调制方式 符号速率/kB*s-1 符号868-868.6902-928欧洲北美1 BPSKBPSK2040二进制二进制10
36、 402400-2483.5 全球 16 O-QPSK 250 62.5 16相正交5华北电力大学硕士学位论文物理层通过射频（Radio Frequency）固件和射频硬件为介质接入控制子层和物理层无线信道提供接口。如图 2-2所示，物理层包括一个管理实体，即物理层管理实体（PLME），通过调用层管理功能，它为层管理服务提供接口10。同时，PLMA负责维护物理层个人区域网信息数据库（PIB）11 -对同物理层相联系的管理对象的数据库。图 2-2 物理层参考模型物理层提供两种服务，通过两个服务接入点（SAP）接入：物理层数据服务（其接入通过物理层数据服务接入点（PD-SAP）、物理层管理服务（其
37、接入通过 PLME服务接入点（PLME-SAP）。物理层数据服务从无线物理信道上收发数据，物理层管理服务维护一个由物理层相关数据组成的数据库12物理层数据服务的内容如下：。（1）无线发射机的激活和关闭；（2）当前信道能量检测（ED）；（3）对接收数据包检测的链路质量指示（LQI）；（4）基于 CSMA-CA的空闲信道评估（CCA ）；（5）信道频率选择；（6）数据传输与接收。网络层提供信道选择的依据是信道能量检测，它的主要作用是测量目标信道中接受信号的功率强度，并检测不进行解码操作时，检测结果是否为有效信号功率和噪声信号功率之和。链路质量指示是网络层或者是应用层提供、接受数据帧是的无线信号强度
38、和质量信息，它用来对信号进行解码，并且生成一个信噪比指标13。空间信道评估是用来判断信道是否空闲的。通过 IEEES02.15.4定义了三种空闲信道评估模式14 ：第一种，简单地判断信道信号能量，但信号能量低于某一门限值的时候就认为信道空闲；第二种，通过判断无线信号的特征，即扩频信号特征和载6华北电力大学硕士学位论文波效率两个方面；第三种，前两种模式的综合，同时检测信号的强度与特征，给出信道是否空闲的判断。2.2.2 ZigBee MAC层IEEE802.15.4-2003MAC子 层控制接入到无线信道使用 CSMA-CA机制。它的任务有传输信标帧、保持同步和提供可靠的传输机制15。MAC子层
39、在特定业务汇聚子层（SSCS）和物理层之间提供一个接口。在概念上，MAC子层包括一个称之为 MAC层管理实体 MLME的管理实体。它通过调用层管理功能块来它提供服务接口。MLME同时可以维护和 MAC子层相关的管理目标数据库，即 PAN信息数据库。MAC子层的组成和接口如图 2-3所示。图2-3 MAC子层参考模型MAC子层提供 MAC 数据服务以及 MAC 管理服务 ，分别通过公共部分子层数据接入点 MCPS-SAP和 MLMA-SAP 接入。两种服务在 SSCS和物理层之间通过PD-SAP和 PLME-SAP提供接口。MAC子层除了处 理物理层接入无线信道，还要负责：（1）协调器对网络信标
40、的产生；（2）支持个域网的关联和断开；（3）保持信标同步；（4）提供设备安全性（5）采用 CSMA-CA接入机制进行信道接入；（6）处理和维护保护时隙机制；（7）为 MAC实体间提供可靠的通信链路。2.2.3 ZigBee网络层提供一些函数，进而确保正确的操作 IEEE802.15.4-2003MAC子层和为应用层7华北电力大学硕士学位论文提供服务接口是网络层的只要任务。网络层包括两个功能服务实体为数据服务实体、管理服务实体，即图 2-4所示。网络层数据实体提供数据传输服务通过网络层数据实体服务接入点(NLDE-SAP)，网络管理层实 体提供网络管理服务通过网络层管理实体服务接入点(NLME-
41、SAP)。网络层管理实体利用 NLDE完成网络的管理工作，并且网络层管理实体可维护和管理网络信息数据库(PIB) 16 17。图 2-4网络层参考模型其中，网络层数据实体用来提供一种数据服务，它允许应用程序在同一网络的两个或者多个设备间传输应用协议数据单元。提供的服务主要有网络层水平 PDU的产生和指定拓扑路由。而网络层管理实体提供的管理服务可允许应用进程和堆栈相互作用。提供的服务主要为：配置新网络、建立网络、加入和离开网络、写地址、发现邻居、发现路由和接收控制。2.2.4 ZigBee应用层ZigBee应用层框架包括应用支持子层(APS子层)、ZigBee设备对象(ZDO)、应用框架和制造商
42、所定义的应用对象等18 。应用支持子层包括以下功能：维持绑定表、绑定设备间传送消息。所谓绑定，就是将两台以服务与需求为基础的设备连接起来。其服务由两个实体提供，分别为： APS数据实体（ APSDE ）和 APS管理实体（APSME），如图 2-5所示。 应用程序可以通过 APS 数据实体（APSDE）实现数据传输。ZigBee设备对象的功能包括：将设备的网络中的角色予以定义、绑定请求的发起和响应、设备间安全机制的建立。同时，发现网络中的设备，并决定向它们提供哪种服务也由 ZigBee设备对象负责。ZigBee 设备中应用对象驻留的环境称为应用框架19。应用框架中，应用程序可通过 ZDO公共接
43、口实现应用对象的管理和控制。设备中单独应用对象最多可以有 240个断点。8华北电力大学硕士学位论文图2-5 APS子层结构ZigBee应用层可以通过提供一些必要的函数为网络层提供合适的服务接口，同时，应用者自己的应用对象也可以在这层被定义。2.3 ZigBee技术拓扑结构与路由算法路由技术的功能由网络层实现，其主要作用使数据分组从通信网源节点到目的节点的路径达到最佳。路由协议的作用是发现以及维护路由，它是自组织网体系中非常重要的组成部分。具体作用包括如下：路由产生、选择或取消，数据转发，路由信息交换，目的节点位置确定，网络拓扑结构变化的监测20 。2.3.1 ZigBee拓扑与组网概述图 2-
44、6网络拓扑9华北电力大学硕士学位论文IEEE802.15.4中定义了三种类型的拓扑结构：星型网络、树状网络和网状网络21，如图 2-6所示。每一个独立的网络不管属于哪种拓扑结构，都会有一个属于自己的唯一的标识符就是网络号。各网络设备之间的通信及从属关系都是由标示符来确定的。每个网络中有且只有一个协调器，它对本网络具有管理管理功能，相当于有线网中的服务器。网络中协调器和路由器必须是全功能节点，而中断设备可以使全功能设备，也可以使简化功能节点22 。星型网络拓扑结构：有一个 PAN协调器和多个终端 设备。在这种网络结构中，所有的终端设备都与中心的设备节点协调器直接连接通信，其他节点设备之间不可以进
45、行直接的连接，所以路由器并没有起到路由的功能，只是由协调器负担着整个网络的通信状况。在建立网络的过程中，所有全功能节点都可能成为协调器，具体哪个设备作为协调器是由上层协议来决定。这种网络拓扑适合于小范围室内环境，如家居环境、个人计算机系统等。这种网络最为简单，就会存在一些缺陷，它对功耗要求比较高，协调器要负责整个网络的数据发送，一旦发生故障后会造成网络瘫痪，所以实际应用中不经常采用这种拓扑结构。树状网络拓扑结构：可以看作是一个复杂的星型网络，或是看作由多个星型网络组成的的集合。在这种结构中，仍然只有一个 PAN协调器，但是它不再作为数据转发中心，主要功能是组网。同时网络中有很多个全功能节点设备
46、作为父节点。这样一来，减少所需要网络资源的同时，路由转发功能得以实现，网络通信范围得以扩大。网状网络拓扑结构：作为最复杂的拓扑结构，仍然只有一个协调器，但只要在无线范围内，每个 FFD设备与其他 FFD 设备都可直接通信，同时每个 FFD 设备也都可以作为网络路由器。由此可见此种网络中节点间通信路径不止一条，那么它的网络延时就要小于以上两种拓扑情况。但是构建这类网络也相对复杂，就要求更多的节点维护信息内容。因此，选择不同的网络拓扑结构，节点间的具体通信方式就不同，这样一来就会影响整个系统的可靠性。一般应用于工业场合的系统对可靠性要求都比较高，所以设计者多选择网状网络作为组网方式。2.3.2路由
47、算法（1）Cluster-Tree路由算法Cluster-Tree路由算法没有路由发现过程，分组下一跳地址是通过目的节点的网络地址来计算的。假设一个网络的网络地址是 A，网 络深度是 d的路由节点收到目的地址是 D的转发分组时，首先要判断的是目的地址 D是否为自己的一个子节点。如果上述网络参数满足：10华北电力大学硕士学位论文A D ACskip(d 1) (2-1)(2-2)则目的地址 D节点是路由节点 A的后裔节点，则下一跳地址为：D ,if e n d e c i c eN D ( A 1) C s kip( d ),otherwiseA 1 C s kip( d ) 相反，若目的节点
48、D不是路由节点 A的后裔节点，分组被转发给 A的父节点，再进行进一步判断。（2）AODVjr路由算法AODVjr路由协议是一种按需分配的协议，同样路由表的内容也是按照需求建立的。只有当目的地址不在路由表中的网络分组发送给路由节点，节点才会开始路由发现过程。AODVjr路由算法可以为网络两个节 点的通信提供多种路径选择，一旦由于意外情况某条路径失效，它还可以快速地寻找新的路径来代替原路径，这就使网络具有很强的自适应性，保证了整个系统通信的可靠性。因此，频繁移动或较多节点数据的场合比较适合这种动态路由。在 AODVjr路由算法流程中总共有三种路由分组，分 别是：路由请求 RREQ，路由应答 RRE
49、P，路由错误 RRER 23。当网络中源节点想要与目的节点通信时，并且源节点路由表中没有直接到达目的节点的路径，那么源节点向网络中所有邻居节点发送路由请求 RREQ，各个邻居节点便在网络中传播此请求分组。任一节点当收到此请求时，先判断自己是不是这个目的节点，如果是，那么建立正向路由并且沿着路由请求 RREQ的路径给源节点发送路由应答 RREP信号；如果不是目的节点，则建立反向路由并且继续广播发送路由请求 RREQ分组。通过收到路由应答分组RREP的节点建立的到达目的节点的正向路径，源节点可以获得此次通信的最短最佳路径并保存在路由表内。之后，源节点就可以根据此路径向目的节点传送数据了。通过以上流程叙述可以发现一个问题，一个节点可能多次收到同样的路由请求RREQ分组，AODVjr路由算法为避免这个问题，则设置节点只应答第一次收到的请求分组，目的节点也是将应答分组沿着
