1、 四川理工学院毕业设计（论文）基于 ZigBee 的塔机群安全监控系统设计学 生：陈雪伟学 号：10011030103专 业：机械设计制造及其自动化 班 级：机电 2010.1指导老师：王 春四川理工学院机械工程学院二 O 一四年六月四 川 理 工 学 院毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目： 基于 ZigBee 的塔机群安全监控系统设计 学院： 机械工程学院 专业： 机电一体化 班级： 机电 2010.1 学号： 10011030103 学生： 陈雪伟 指导教师： 王 春 接受任务时间 2014-03-04 教研室主任 （签名） 院长 （签名）1毕业设计（论文）的主要内容及基本要求随着我国
2、经济的快速发展，塔式起重机作为一种重要的建筑工程机械有着越来越广泛的应用，并朝着大型化、高速化、自动化、数字化、信息化等方面发展。但塔机存在较多潜在的危险因素，国标 GB/T50312008 规定：塔式起重机必须强制安装安全监控装置以预防可能出现的工程事故，危及人身安全。基于此，采用传感技术，设计基于 ZigBee 的塔式起重机群监控系统，对每个塔机的吊重，小车速度、吊臂倾角等数据进行实时监控。提高作业率、减轻劳动强度、保障了人身和设备的安全，具有重大的意义。要求毕业论文包括 PLC 程序、电路图、组态仿真等内容。2.指定查阅的主要参考文献及说明1 朱晓会.郑明刚.基于 PLC 和 WinCC
3、 的塔机智能监控系统设计 J.机电产品开发与创新，2012， （25）：P4648 .2 宋宇宙.塔机在线无线远程监控系统设计J .传感器与微系统， 2012， （31）： P102.3 王涛.罗文龙.姚金柯.群塔监控系统设计J.建筑机械， 2008.07：P7784.3进度安排设计（论文）各阶段名称 起 止 日 期1 资料收集，学习部分熟悉的内容，撰写开题报告 2014.3.12014.3.252 确定设计方案，解决关键疑难问题，撰写论文提纲 2014.3.262014.4.203 撰写论文设计说明书，绘制相关图纸 2014.4.212014.5.104 初稿送审，校对、修改、加工论文 20
4、14.5.112014.5.205 毕业设计（论文）的修改、准备答辩工作及毕业答辩2013.5.212013.5.31摘要塔式起重机简称塔机，它作业范围广，作业能力强，能够提高现代施工速度，应用广泛，是建筑施工中的关键设备。然而，由于自身设计缺陷或违规操作等诱习，塔机事故经常发生，提高塔机安全性己经成为业界圣待解决的问题。安全监控系统的使用对于减少塔机事故，提高塔机安全性起着关键性作用。本之提出了基于传感器技术和无线通信技术的塔机安全监测系统的设计方案。重点寸系统的嵌入式处理器的中央信息处理单元、基于 ZigBee 的无线通信单元、以及 PLC 监控塔机侧的设计。基于国家塔机安全标准，论文首先
5、分析了对塔机安全运行影响较大的几个参数，如起重力矩、起重量、变幅幅度等，确定了系统检测参数及技术指标，并从安全监控管理的角度出发，提出了对塔机工作状态进行实时监控、记录并上传管理控制中心的设计思想。在设计方案中，信息采集单元结合无线数据收发单元实现监控数据的无线采集，使用 PLC 实现了塔机侧监控台单元的监控功能;塔机侧与控制室侧数据通信采用ZigBee 技术，充分提高了数据传输的可靠性、安全性、稳定性; 在控制室侧，使用力控组态开发工具设计了上位机监控软件系统，系统具有数据实时显示、数据分析和数据存储功能，为日后的塔机监管部门在鉴别塔机安全事故相关责任时提供有力证据。关键词：塔式起重机；Zi
6、gBee；PLC 实时监控；力控组态软件ABSTRACTTower crane is the key equipment to building construction. It has wide operatingrange, high operating capability and it is easy to operate; it can significantly improve thespeed of modern construction. However, due to its design haws or irregularities such asincentives, t
7、ower crane accidents occur frequently. Improve the safety of tower cranehas become the urgent need for industry issues.The use of safety monitoring system can curb the tower crane accidents, improvingtower crane safety condition. This tower crane safety monitoring system that combinessensor technolo
8、gy, embedded technology, wireless communication technology, softwaredevelopment technology, have made an improved tower crane safety monitoring systemdesign, focusing on the study about the embedded processor which is the centralinformation processing unit, the ZigBee wireless data transceiver modul
9、es and the hostcomputer system base on PLC technology.Based on National Tower Crane Safety Regulations Standards, the paper frstanalyze the more important parameters such as torque information, lifting information,environmental information then determine the tower crane safety monitoring system toac
10、hieve the functions and technical indicators, and propose a new thought of real-timemonitoring, recording and upload the message to management control center from theperspective of security monitoring and management. In design, the sensor unitcombined with wireless data transceiver modules to achiev
11、e control of wireless dataacquisition, So the tower monitoringside is a micro, intelligent, network; use of ZigBee-based wireless transmission unit torealize the communication between the tower monitoring side and control room, it improved the reliability, security, stability of data transmission; i
12、n the control room side,use the Force control configuration softwaredevelopment tool designed human computer interface, the systemis more security, and database encryption. So it can protect the core of the tower craneoperating data better for providing strong evidence in the identification of there
13、sponsible to the tower crane accidents.Keywords: tower crane; ZigBee; PLC real-time monitoring; Force control configuration software目录摘要 .ABSTRACT .第一章 绪论 .11.1 塔机国内外的发展状况和发展趋势 11.1.1 塔机在国外的发展状况 .11.1.2 塔机在国外的发展趋势 .21.1.3 塔机在国内的发展现状 .41.1.4 塔机在国内的发展趋势 .5第二章 ZigBee 技术简介 .72.1 ZigBee 技术概述 .72.2 ZigBee
14、 网络基础 .92.2.1 网络节点类型 92.2.2 网络拓扑形式 102.2.3 工作模式 112.3 无线传感器网络概述 .11第三章 塔机群监控系统总体设计方案 133.1 塔机的基本结构及其分类 .133.1.1 塔机的分类及其特点 .133.1.2 塔机的主要性能参数 .143.2 系统设计方案 163.3 系统总体结构 173.3.1 系统总体设计 .173.3.2 系统工作流程 .18第四章 监控系统的硬件设计 .204.1 信息采集单元设计 214.1.1 起重量信息采集 .214.1.2 小车变幅、起升高度、旋转角度测量 .224.1.3 起重力矩信息 .244.1.4 风
15、速信息采集设计 .254.2 中央信息处理单元 254.3 无线收发单元设计 274.4 报警装置设置 28第五章 系统 PLC 程序设计 .295.1 可编程控制器（PLC） .295.1.1PLC 的基本结构 295.1.2PLC 的工作过程 325.1.3 PLC 的主要应用和特点 .335.2 PLC 的选型 .345.2.1 PLC 机型的选择 .345.2.2 PLC 容量的选择 .355.3 I/O 地址分配及其接线图 .36第一章 绪论5.3.1 输入端输入点数的估算 365.3.2 输出端输出点数的估算 .375.3.3 PLC 的 I/O 接线图 385.4 PLC 监控塔
16、机侧程序设计 385.4.1 主程序设计 385.4.2 起降子程序设计 .395.4.3 回转子程序设计 .405.4.4 变幅子程序设计 .41第六章 组态仿真 436.1 力控 6.1 .436.1.1 力控 6.1 概述 436.1.2 力控 6.1 软件的基本结构 446.1.3 力控 6.1 软件的特点及功能 456.2 系统组态仿真 47结论 .50参考文献 51致谢 .52附图 A53附图 B54第一章 绪论第一章 绪论塔机，即“塔式起重机”简称，又称“塔吊” 。是建筑施工必不可少的垂直运输机械。在建筑工程中发挥着重要的作用，也是建筑中最高、最危险的施工机械，一旦发生安全事故必
17、然是机毁人亡的的重大事故。近年来，塔机的使用量不断增多，出现倾翻、折臂等重大事故频频发生，引发塔吊事故的原因很多，包括设计、制造、使用方法的原因，但超载、安全保护装置失效造成的事故较多给人民生命财产带来重大损失，造成严重的社会不良影响。据国内有关部门的统计资料表明，截止2011年底塔机事故率已达2.77%。因此，提高塔机安全、防止事故发生减少经济损失、搞好安全生产已经迫在眉睫。为了防止由超载引起安全事故，很多学者在安全监控方面做大量的研究。传统塔机的安全系统普遍采用机械式的，在塔机运行过程中，主要靠工作人员的经验来保证，缺少动态监控与显示。如提出了以单片机为核心的新型安全塔机监控系统、采用 P
18、LC和触摸屏技术实现塔机电气控制和状态参数显示等，这样比传统的继电器控制电路可靠性高，扩展性好；提出以上位机和 PLC 为核心的塔机监控系统方案，充分利用了上位机的数据处理优势进行塔机作业区限制和故障诊断。为了克服塔机安全监控系统有线数据传输方式，在数据传输实时性能差、抗干扰性差、传输系统结构灵活性差等不足，提出了基于 CAN 总线的塔机安全监控分布式系统来改进实时性和可靠性。以上安全监控系统虽然性能上有所提高，但仍然采用通信线缆进行数据传递，其安装繁琐，又线路易老化，对传输信号产生干扰影响塔机整机性能。上述研究成果只能实现单台塔机的监控，近年来，随着建筑规模的不断增加，塔机群的作业情况越来越
19、多。因此，因此针对目前塔机安全监控存在的问题，文中提出基于 ZigBee 塔机群的安全监控系统设计，提高塔机安全监控系统的性能，消除塔机在使用中各种安全隐患，具有重要的意义。1.1塔机国内外的发展状况和发展趋势1.1.1塔机在国外的发展状况建筑用塔机溯源于西欧。近代塔机的首批原型样机出现于1912-1914年。1923年制成第一台比较完整的近代塔机并用于建筑施工。三十年代德国已开始批量生产塔机并向国外出口。1941年德国公布了塔式起重机工业标准 DIN8670，规定以起重力矩（吊载和幅度的乘积）表示塔机的起重能力。第二次世界大战后，欧洲各国都面临艰巨的重建城市与家园的工作，庞大的建筑四川理工学
20、院毕业设计（论文）1工第一章 绪论2程量迫切要求建筑施工迅速实现机械化，促进了新型塔机的研制与塔机制造业的发展，而轻巧灵便的新型塔机的研制与推广应用，又促进了建筑业的迅速发展。联邦德国是世界上塔机生产最多，应用最广的国家，1948-1949年生产一些起重能力在100KNm 一下的可以整体折叠运输和自行架设的轻型塔机。1955-1957年由于塔机结构设计不断改进，大尺寸滚珠回转支撑装置、水母式底架、小车变幅与分布式起重臂以及伸缩式塔身的应用，使下回转折叠式塔机有很大的创新。在此期间自升式塔机业相继研制成功。由于搞错建筑的发展，五十年代末期和六十年代初期出现了采用不同顶升系统和按不同方式进行自身接
21、高的塔机，随后逐渐发展为三用或四用（轨道式、固定式、附着式、内爬式）塔机。六十年代初日本开始引进了专利并积极自行研制高层建筑施工用塔机。与此同时，东欧国家和苏联等也开始研制与生产回转折叠式塔机。从六七年代至八十年代，国外塔机从品种、型号和产量都不断增加，性能与质量不断提高。当前，国外生产塔机的主要国家有联邦德国、法国、意大利、英国、西班牙、丹麦、瑞士、南斯拉夫、美国、日本、苏联、民主德国、匈牙利、捷克、波兰等20个国家其中联邦德国、法国、意大利、苏联是塔机生产历史较久、产量、用量较多的国家。他们代表了八十年代的发展水平。国外生产塔机的情况基本上可分为两种类型：以联邦德国为代表的国家按照市场经济
22、原则生产；以苏联为代表的国家，按照全国统一计划管理的办法生产。前者，各公司的塔机自成系列，吨级分布过细、重复；后者，推行全国统一系列，各塔机生产厂分工合作，少有重复。建筑业特别是近代高层建筑的迅速发展，向塔机提出新的要求。因此，国外十分重视塔机技术的发展，各大塔机公司都扩大科研机构，增加科研人员，普遍开展对科技人员的培养和继续教育工作。采用先进的实验研究方法和手段，加强对基础理论与塔机技术的研究，大力开发新型塔机。随着起重技术的进步和科学研究的发展，电子计算机的普遍采用及设计理论与设计方法的进步，塔机新产品的不断出现，塔机行业积极推出产品系列化，取得了极其显著地经济效益。目前的趋势是在推行系列
23、化的同时推行组合设计，以便取得最大的经济效果。1.1.2塔机在国外的发展趋势近年来国外塔机的发展特点和发展趋势可归纳一下几点：1.通用塔机以中小型为主，转用塔机向大型发展四川理工学院毕业设计（论文）3随着建设工程规模的扩大，起重安装工程量越来越大，需要吊装和搬运的结构物和机器设备的重量也越来越大。因此，塔机的发展仍是以轻便灵活的中小型塔机为主，在中小型塔机发展的同时，大型塔机业得到了很快的发展。为满足某些特殊要求，国外已研制出一些大型，特大型轮胎式起重机和各种类型的塔式起重机，如联邦德国哥德瓦尔德公司研制的 AK800-103型伸缩臂汽车起重机的最大起重量为800t。丹麦的克罗尔巨型起重机公司
24、 与1997年研制出当时世界上最大的特大型 K-10000塔机（额定起重力矩为10000KNm）,该机主钩最大起重量为240t，最大起升高度为90m ，幅度为100m 时的起重量为94.5t.该公司最近又发展了一种更大型的 K250009（额定起重力矩为250000KNm） 。该机吊臂既可采用单个小车牵引，又可采用双小车牵引。但小车牵引时，通过四根钢绳，塔机在吊臂端部可吊重80t；采用双小车牵引，通过十根钢绳，塔机在吊臂端部可吊重200t，当两个小车通过20根钢绳及一个 8m 起吊叉架时，在臂长57m 处可达最大载重重量400t。该机最大起身高度为108m。联邦德国设计制造的一台建筑用巨型塔机
25、，起重量达3000t，起身高度为300m。这些特大型塔机的研制成功反应了一个国家塔机的设计与制造的总水平。为了充分发挥塔机的作用，扩大其使用范围，国外在设计塔机时重视了产品的多用型，大力发展一机多用产品。近年来出现了自行塔式起重机，即汽车或轮胎塔式起重机和履带塔式起重机以代替固定式或轨道式塔式起重机。它既具有塔式起重机能够靠近建筑物作业的优点，有具有自行式起重机机动灵活便于转移的优点。2.现代科学技术的广泛应用(1)电子技术的广泛应用 随着电子技术的迅速发展，在电子原器件及电子装置质量的不断提高和价格显著降低的情况下，八十年代以来国外塔机行业，已经进入电子计算机辅助设计、辅助制造、辅助管理的阶
26、段。同时电子控制技术不仅提高了塔机性能、减轻自重、确保塔机安全可靠地工作，而且更加完善了操作条件。实现所谓机电一体化也是国外塔机发展的一个普遍倾向，为满足自动化生产的需求，开始应用一些遥控、保护、监视与事故探测等现代电子装置与控制系统。(2)广泛采用液压技术近年来各国发展了可靠性高、微型化、集成化、低能耗、数字化的各种液压气动元件及机电、电液、电气转换元件，各种类型的塔机也广泛采用了液压技术，机械顶升系统已完全被液压顶升系统所替代。(3)新材料的应用第一章 绪论4为减轻塔机自重，广泛采用高强度的轻质合金材料。目前国外一般采用 =600-900N/mm2的高强度钢。聚合材料、铸型尼仑滑轮已普遍被
27、采用，这不仅减轻吊臂的自重，而且还延长了钢丝绳的使用寿命与节省润滑油。具有优良性能的碳纤维强化塑料用来制造塔机的吊臂是发展趋势。为了扩大高强度钢材的应用，公司企业非常重视高强度的焊接工艺等技术的研究。目前国外正出现一个新技术、新材料、新结构、新工艺的的开发研究和应用的新高潮。3.不断提高塔机性能塔机性能主要包括起重量、幅度、起身高度、工作速度、能耗、自重等，八十年代以来，这些参数都有很大的发展。目前国外塔机的起身、变幅、回转、行走运动传动机构，已发展到采用电磁驱动装置控制塔机的所有速度，塔机采用电磁制动断路装置可在带载的情况下断电。不论载荷大小，总是以最适宜的速度由驾驶员台控制运动。起身机构普
28、遍具有多速或无极调速，起身速度在100m/min 以上，重型塔机轻载时起升速度可达233m/min，构件安装时的微速下降速度可在010m/min 范围内进行选择。回转速度一般在01r/min 间随意调节。小车牵引速度可达60m/min，大车行走速度高速档为30m/min,低速档为10m/min， 。由于塔机工作速度范围可以调节，使塔机工作性能和工作效率显著提高。1.1.3 塔机在国内的发展现状中国塔机的发展始于上世纪 60 年代。当时由东德引入我国的“建筑师”型塔机，这种塔机除了在国内使用之外，北京建筑工程研究所还在此基础上组织开发的16tm“红旗，”机型塔机，应该是我国自行制造的最早塔机。这
29、几款塔机的特性是：轨迹行走，下回转，动臂变幅时不可负载，起升不可带载变速以及整体运输等，其使用仅能满足于 6 层以下楼房的施工。自上世纪 60 年代至 80年代，全国共生产“红旗，”塔机约 3000 余台，这一型号的生产使用过程也大约持续了 20 多年。中国塔机真正的大发展始于上世纪 80 年代中期。随着改革开放的逐步深入，原有的红旗塔机已远远不能满足要求。面对这一发展形势，建设部机械局的负责同志，组织全国的相关厂家和专业人士进行研讨，并到欧洲塔机制造厂家进行了参观考察，与德国利勃海尔、法国波坦等公司洽谈合作，并最终确定引进法国波坦 F0 系列等塔机技术，分别由国内的北京建筑、沈阳建筑、四川建
30、筑生产制造，并在较短的时间形成了规模化生产。四川理工学院毕业设计（论文）5F0 系列塔机是法国波坦公司上世纪 70 年代开发的产品，其最大的特点是在结构方面的标准节采用片式结构，便于远距离运输，而且独立架设高度高；在机构方面起升机构采用 RCS 双电机能耗制动，L 型布局，可实现带载变速，效率高、回转机构采用电磁连轴节和 OMD 模块控制，回转起升、制动运行平稳，变幅小车采用力矩电机调速。这些技术在当时来说已经是很先进的技术。在法国的波坦技术引入中国并形成一定生产的规模的同时，长沙建筑院以德国勃海尔塔机技术为蓝本，自行研发出系列塔机产品。利勃海尔与波坦系列塔机的差异，在结构方面表现为标准节为固
31、定式螺栓连接，在机构方面起升机构为 型布局，以软齿面圆柱齿轮为减速器或电磁离合变速器，电机为两速或三速，后期也有采用涡流调速。回转则采用液力耦合器，也采用力矩电机调速。目前国内塔机市场虽然品名繁多，但主要还是以波坦和勃海尔两个体系为主。近几年以西班牙 COMANSA 平头系列的塔机，也逐渐流行并形成一定的市场规模。2008 年国内塔机的产量约为 20000 台，产值近 100 亿元人民币，起重性能从25tm 到 3000tm，形式主要有水平臂、平头臂、和动臂塔，可谓品种繁多，产品功能用途、性能质量、安全性、技术水平等方面，都不断的进步和提高，除满足我国国民经济建设的飞速发展的需要，还大量出口到
32、非洲、中东，甚至至欧美国家。但是在塔机的产品的质量、性能、技术水平、可靠性、节能性，以及制造工艺等方面，各制造厂家也存在较大的差异性。1.1.4 塔机在国内的发展趋势自上世纪 80 年代中期至今，我国的塔机制造业的整体上，有了一个较大的飞跃。但以科学发展观的观点和要求来来看待，我国塔机行业不论是在开品的品种、类型、结构细节，三大机构技术水平的提升，以及制造工艺的改进和提高，实验手段的完善诸多方面，仍有较大的改进和提升空间。今后我国塔机行业的发展及方向，应重视一下几个方面。1.在塔机的品种和类型方面小吨位塔机要向快装式塔机的运输提供了便利的条件，同时快装式塔机可免除塔机基础制作的费用和浪费，安、
33、拆效率高。一种安全、简便的中小型快装式塔机，在下一步的新型农村建设和中小型城镇的建设中，将有非常广阔的市场前景。而大型塔机的应向动臂式方向发展，一是动臂式塔机与水平臂式塔机相比，同吨位的其平衡臂和起重臂的钢材用量要减小 30左右；二是大吨位动臂式塔机使用的安全性要高于水平臂塔机；三是动臂式塔机对空间的干涉和影响小，使用的举高特性也是平臂塔机不可比拟的；四是动臂式塔机更适合对大型钢结构施工的吊装。第一章 绪论6目前我国超高层结构和大型工业厂房的钢结构施工所采用的动臂式塔机，大部分扔依靠进口。2.在塔机结构的研发设计方面，目前国内的所有厂家，均不具备相应的实验设备和检测手段，结构设计仅是通电电脑软
34、件所得到的模拟数据，但不能通过实验检测得到的精确的数据，这对后期使用材料和结构的疲劳及耐久性，缺乏准确的判断和预知性。这也是我国塔机制造行业与发达国家同行业存在较大的差异。3.在机构方面，要开发出结构紧凑、高效、节能、可靠性高的三大机构。目前一些厂家在大型塔机上配置的软齿面圆柱齿轮的 型起升机构，应予淘汰。起升机构卷筒应全部采“LEBUS”双折线槽型式，以提高钢绳使用寿命。采用变频控制的起升机构，应相应的开发柴油机作为动力和液压系统作为驱动的起升机构，以提高塔机的使用性。而回转机构设计方面，目前国内没有任何一个厂家，较好的解决塔机在运行中突然停电回转失控的工况。4.在塔机的智能化方面，我们几乎
35、一片空白。中型以上塔机在力矩限制器、起重限制器两方面，要实现实时检测和控制。同时一种经济适用的群塔作业的防碰撞置，也应作为重要的研究课题。驾驶室的坚固度，以及更加人性化的操作环境，也需要进一步的提高和改进。5.在结构制作方面，要进一步的提高工艺装备的精度和焊接质量，以及涂装质量和水平。大附件如栏杆、爬梯、平台等要全部采用镀锌处理，以提高这些附件使用的耐久性和整体的美观度。以上是我国塔机制造业在总体上需要不断的改进、提高的基本的方面以及发展的方向。除行业全体从业这的自觉性和主动性，国家相关部门也应当不断的提高行业标准，加大监管力度，促使行业发展上水平。塔机从整体上来说是一种非常紧凑型设备，以实现
36、“机、电、液”的技术水平，以及不断提高的冶金材料技术，在一定时间内要使我国塔机行业和产品在整体技术水平上，有一个本质上的提升，应当说具备了充分的条件。特别是有一定规模和实力的企业，应将我国塔机行业技术水平的提高，作为一种责任，以科学发展观为工作指南，秉持“敏捷化制造”理念，锐意创新，戒除浮躁，就一定能使我国塔机技术水平有一个大的提升。四川理工学院毕业设计（论文）7第二章 ZigBee 技术简介2.1 ZigBee 技术概述ZigBee 这一名称来自蜜蜂（bee ）用于相互通信的八字舞（zigzag）,这是蜜蜂之间的群体通信方式。这种自然界的通信方式很形象地描述了这种近距离、低复杂度、自组织、低
37、功耗、低数据速率、低成本的无线通信网络。ZigBee 是一种高可靠性的无线数据传输网络，通信距离可达几百米甚至几公里。与传统的移动通信 CDMA 网或 GSM 不同的是，ZigBee 网络主要是为工业现场自动化控制所需的相关数据传输而建立的，具有使用简单、方便、工作可靠、价格低的特点。每个 ZigBee 网络节点不仅本身可以连接传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。除此之外，每个 ZigBee 网络节点还可以在自己的信号覆盖的范围内与多个不承担网络信息中转任务的孤立节点进行无线连接。ZigBee 技术是一种具有统一标准的短距离无线通讯技术，其物理层和介质访问
38、层协议为 IEEE802154 协议标准；网络层由 ZigBee 技术联盟制定；应用层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。ZigBee 技术特点如下：1.低功耗：ZigBee 设备为低功耗设备，其发射输入为 03.6dBm 时，通信距离为3070m，具有能量检测和链路质量指示能力，根据这些检测的结果，设备可自动调整设备的发射率，在保证通信链路质量的条件下，消耗最小的设备能量。在待机模式下，只用两节 5 号电池可以支持一个 ZigBee 节点工作 624 个月，同样的电池消耗，蓝牙只能工作数周，WI-FI 只能工作几个小时。2.低成本：低成本基
39、于两点，一是简化协议标准（只有蓝牙的十分之一） ，二是免费开放的协议标准。3.低速率：ZigBee 最高的传输速率只有 250Kb/s。4.距离近：正常情况下，ZigBee 设备之间的通信距离在 10100m 之间，在特殊情况下（中间没有节点）可以通过增加发射功率，将信号发射到 13Km 远的距离处。5.延时短：ZigBee 节点从睡眠状态转换到工作状态需要 15ms，节点加入网络需要30ms。6.容量大：在组网性能上，ZigBee 设备可构造为星型网络或者点对点网络，在每个无线网格内连接地址码分为 16 位短地址或者 64 位长地址，具有较大的网络容量。最多可容纳 65000 个节点，且同一
40、区域可同时存在 100 个 ZigBee 网络。第二章 ZigBee 技术简介87.安全性高：为保证 ZigBee 设备之间通信数据的安全保密性，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加密处理。8.在无线通信技术上，采用免冲突载波信道接入方式，有效的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 协议由物理层（PHY） 、介质访问层（MAC） 、网络层（NWK ） ，应用层（APL）及安全服务提供层（SSP）五块内容组成。其中 PHY 层和 MAC 层标准由IEEE802.15.4 标准定义，MAC 层
41、之上的 NWK 层,APL 层及 SSP 层，由 ZigBee 联盟的ZigBee 标准定义的。APL 层由应用支持层（APS） ，应用框架（AF）以及 ZigBee 设备对象及 ZDO 管理平台组成。协议栈结构如图 2-1。PHY 层定义了无线射频应该具备的特征，提供了 868MHz-868.6MHz、902MHz-928MHz 和 2400MHz-24835MHz 三种不同的频段，分别支持了 20kbps、40kbps 和250kbps 的传输速率，1 个、10 个、以及 16 个不同的信道 。ZigBee 的传输距离与输出功率和环境参数有关，一般为 10100 米之间。PHY 层提供了两
42、种服务：PHY 层服务和 PHY 层管理服务，PHY 层数据服务是通过无线信道发送和接受物理层协议数据单元，PHY 层的特性是激活和关闭无线收发器、能量检测、链路质量指示、空闲信道评估、通过物理媒介接受和发送分组数据。图 2-1 ZigBee 协议栈结构MAC 层使用 CSMA-CA 冲突避免机制对无线信道访问进行控制，负责物理相邻设备之间的可靠连接，支持关联和退出关联以及 MAC 层安全。MAC 层提供两种废物：应用层（含应用接口层） 用户安全层网络层ZigBee 联盟MAC 层物理层IEEE 802.15.4四川理工学院毕业设计（论文）9MAC 层数据服务和 MAC 层管理服务，MAC 层
43、管理数据服务通过物理层数据服务发送和接受 MAC 层协议数据单元。MAC 层的主要功能是：进行信标管理、信道接入、保证时隙管理、帧确认应答帧传送、连接和断开连接。NWK 层提供网络节点地址分配，组网管理，消息路由，路径发现及维护等功能。NWK 层主要是为了确保正确的操作 IEEE802.15.4. 2003MAC 子层和为应用层提供服务接口。NWK 层从概念上包括两个服务实体：数据服务实体和管理服务实体。NWK 层的责任主要包括加入和离开一个网络用到的机制、应用帧安全机制和他们的目的地路由帧机制，ZigBee 协调器的网络层还负责建立一个新的网络。ZigBee 应用层包括应用支持子层、应用框架
44、和 ZigBee 设备对象。APS 子层负责建立和维护绑定表，绑定表主要根据设备之间的服务和他们的需求使设备相互配对。ZigBee 的应用框架为各个用户自定义的应用对象提供了模板式的活动空间，并提供了键值对服务和报文服务供应用对象的数据传输使用。一个设备允许最多 240 个用户自定义应用对象，分别指定在端点 1 至端点 240 上。ZDO 可以看成事配到端点 O 上的一个特殊的应用对象，被所有 ZigBee 设备包含，是所有用户自定义的应用对象调用一个功能集，包括网络角色管理，绑定管理，安全管理等。ZDO 负责定义设备在网络中的角色、发现设备和决定他们提供哪些应用服务，发现或响应绑定请求，在网
45、络设备之间建立可靠的关联。安全服务提供者 SSP 向 NWK 层和 APS 层提供安全服务。ZigBee 协议层与层之间是通过原语进行信息的交换和应答的。大多数层都向上层提供数据和管理两种服务接口：数据 SAP 和管理 SAP。数据服务接口的目标是向上层提供所需的常规数据服务，管理服务接口的目标是向上层提供访问内部层参数、配置和管理数据机制。2.2 ZigBee 网络基础ZigBee 网络基础主要包括设备类型，拓扑结构和路由方式三方面的内容，ZigBee标准规定的网络节点分为协调器（Coordinator） 、路由器(Router)和终端节点（End Device） 。节点类型是网络层的概念，
46、反映了网络的拓扑形式。ZigBee 网络具有三种拓扑形式：星型拓扑、树型拓扑、网状拓扑。2.2.1 网络节点类型1.协调器（Coordinator）在各种拓扑形式的 ZigBee 网络中，有且只有一个协调器节点，它负责选择网络所使用的频率通道、建立网络并将其他节点加入网络、提供信息路由、安全管理和其他第二章 ZigBee 技术简介10服务。2.路由器（Router）当采用树型和网状拓扑结构时，需要用到路由器节点，它也可以加入协调器，是网络远距离延伸的必要部件。它负责发送和接受节点自身信息；节点之间转发信息；允许子节点通过它加入网络。3.终端节点终端节点的主要任务就是发送和接收信息，通常一个终端
47、节点不处在数据收发状态时可进入休眠状态以降低能耗。2.2.2 网络拓扑形式1.星型拓扑星型拓扑是最简单的拓扑形式，如图 2-2。图中包含一个协调器节点和一些终端节点。每一个终端节点只能和协调器节点进行通讯，在两个终端节点之间进行通讯必须通过协调器节点进行转发，其缺点是节点之间的数据路由只有唯一路径。图 2-2 星形拓扑结构2.树型拓扑树型拓扑结构如图 2-3。协调器可以连接路由器节点和终端节点，子节点的路由器节点也可以连接路由器节点和终端节点。直接通信只可以在父节点和子节点之间进行，非父子关系的节点只能间接通信。图 2-3 树状拓扑结构四川理工学院毕业设计（论文）113.网状拓扑网状拓扑如图
48、2-4。网状拓扑具有灵活路由选择方式，如果某个路由路径出现问题，信息可自动沿其他路径进行传输。任意两个节点可相互传输数据，网络会自动按照ZigBee 协议算法选择最优化路径，以使网络更稳定，通讯更有效率。图 2-4 网状拓扑结构2.2.3 工作模式ZigBee 网络的工作模式可以分为信标(Beacon) 模式和非信标 (Non-beacon)模式两种。信标模式可以实现网络中所有设备的同步工作和同步休眠，以达到最大限度地节省功耗，而非信标模式只允许 ZE 进行周期性休眠，协调器和所有路由器设备长期处于工作状态。在信标模式下，协调器负责以一定的间隔时间(一般在 15ms-4mins 之间)向网络广
49、播信标帧，两个信标帧发送间隔之间有 16 个相同的时槽，这些时槽分为网络休眠区和网络活动区两个部分，消息只能在网络活动区的各个时槽内发送。非信标模式下，ZigBee 标准采用父节点为子节点缓存数据，终端节点主动向其父节点提取数据的机制，实现终端节点的周期性(周期可设置)休眠。网络中所有的父节点需要为自己的子节点缓存数据帧，所有子节点的大多数时间都处于休眠状态，周期性的醒来与父节点握手以确认自己仍处于网络中，并向父节点提取数据，其从休眠模式转入数据传输模式一般只需要 15ms。2.3 无线传感器网络概述无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。无线传感器网络（wireless sensor network）简称 WSN，是一种由大量小型传感器所组成的网络。这些小型传感器一般称作 sensor node（传感器节点）或者 mote（灰尘
