基于Zig Bee的煤層氣體泄漏監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治?/h1>
2018-07-12 12:19:22
福建質(zhì)量管理 2018年14期
(吉林建筑大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)學(xué)院 吉林 長(zhǎng)春 130118)
引言
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)快速發(fā)展，成為21世紀(jì)影響力巨大的科學(xué)技術(shù)之一。其應(yīng)用范圍廣泛，安全監(jiān)控、自動(dòng)化控制等應(yīng)用領(lǐng)域都為它的立足發(fā)展提供了肥沃土壤，ZigBee技術(shù)作為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中的一種，憑借其成本低，功耗小、組網(wǎng)靈活等優(yōu)勢(shì)快速發(fā)展[1]。作為一種無(wú)線通信技術(shù)，ZigBee具備良好可靠性、網(wǎng)絡(luò)容量大、安全性突出以及兼容性良好等特點(diǎn)。本文針對(duì)這些優(yōu)勢(shì)，對(duì)煤層氣體泄露監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。
一、ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)
ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本單元是各個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)，其無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是一種基于標(biāo)準(zhǔn)的5層開放式系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)模型。IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了最下面的2層—物理層(PHY)和介質(zhì)接入控制子層(MAC)。ZigBee協(xié)議定義了網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用程序支持子層以及應(yīng)用層的數(shù)據(jù)傳輸規(guī)范[5]，如圖1所示，也就是說(shuō)，ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)分為5層，即物理層(PHY)、介質(zhì)訪問(wèn)控制層(MAC)、網(wǎng)絡(luò)層(NWK)、應(yīng)用程序支持子層(APS)、應(yīng)用層(APL)。分層思想優(yōu)點(diǎn)很多。例如：協(xié)議部分變化時(shí)，只需對(duì)其有關(guān)層修改，其它層不變。
應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)用程序支持子層物理層介質(zhì)接入控制子層ZigBee協(xié)議定義IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)
圖1
(一)ZigBee節(jié)點(diǎn)
ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)由各個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都加載了ZigBee協(xié)議棧并具備ZigBee功能。ZigBee節(jié)點(diǎn)分為三種：ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee路由器和ZigBee終端。節(jié)點(diǎn)具有尺寸小、功耗低和適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。其中ZigBee協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)建立和維護(hù)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，路由器負(fù)責(zé)路由信息和采集信息，而終端只負(fù)責(zé)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集。ZigBee協(xié)調(diào)器和路由器可以與其他類型節(jié)點(diǎn)通信，而終端只與ZigBee協(xié)調(diào)器或路由器通信，且終端之間不能通信。
二、ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
多個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)互聯(lián)構(gòu)成ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)支持3種類型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即星形、樹狀和網(wǎng)狀。由于星形拓?fù)浜蜆湫瓮負(fù)涠伎梢钥醋鍪蔷W(wǎng)狀拓?fù)涞暮?jiǎn)單形式，故而網(wǎng)狀拓?fù)渥顬橹匾?/p>
(一)星形拓?fù)?/h3>
星形拓?fù)涫?種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中最為簡(jiǎn)單的，其構(gòu)成主要是協(xié)調(diào)器和一系列的FFD/RFD(全功能設(shè)備/簡(jiǎn)化功能設(shè)備)。ZigBee協(xié)調(diào)器作為整個(gè)星形網(wǎng)絡(luò)的中心，建立、管理并維護(hù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，其它所有節(jié)點(diǎn)都只能通過(guò)協(xié)調(diào)器加入網(wǎng)絡(luò)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)也只能與協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信，即各節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)路由唯一，不可選擇。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
(二)樹形拓?fù)?/h3>
與星形拓?fù)洳煌跇湫瓮負(fù)渲校K端節(jié)點(diǎn)不僅可以通過(guò)協(xié)調(diào)器加入網(wǎng)絡(luò)，也可以通過(guò)路由器加入網(wǎng)絡(luò)。相比之下，其結(jié)構(gòu)更具優(yōu)勢(shì)。ZigBee協(xié)議規(guī)定，樹形結(jié)構(gòu)中，各個(gè)節(jié)點(diǎn)僅能與其父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。也就是說(shuō)，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，信息只能沿著樹的路徑方向傳遞給協(xié)調(diào)器或目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。在樹形拓?fù)渲?，由網(wǎng)絡(luò)層處理信息路由過(guò)程，且路由唯一。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。
(三)網(wǎng)狀拓?fù)?/h3>
在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，各個(gè)節(jié)點(diǎn)，地位平等，可以與其通信范圍內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)直接通信。網(wǎng)狀拓?fù)涫窃跇湫瓮負(fù)涞幕A(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。但相比樹形拓?fù)涓屿`活、可靠。并且，各個(gè)協(xié)調(diào)器之間可以組成更為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。
三、煤層氣體泄漏監(jiān)控系統(tǒng)的組網(wǎng)方案
煤層氣體泄漏監(jiān)控系統(tǒng)中對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)要求大致分為幾個(gè)方面：網(wǎng)絡(luò)全面覆蓋，連通性高；部分節(jié)點(diǎn)失效時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)重建；抗干擾能力強(qiáng)；系統(tǒng)能耗低，壽命長(zhǎng)[6]。根據(jù)這些要求，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示，其設(shè)計(jì)思想是利用其終端設(shè)備采集數(shù)據(jù)信息，由路由器打包并傳遞信息止協(xié)調(diào)器，再由協(xié)調(diào)器傳遞至上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示，從而實(shí)現(xiàn)礦下安全工作。
圖5
(一)煤層氣體泄露監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)
在整個(gè)煤層氣體泄漏監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都是一個(gè)子系統(tǒng)，可以獨(dú)立完成各自所承擔(dān)的功能。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般分為幾個(gè)模塊：傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、通信模塊、電源模塊，如圖6所示。
圖6
四、結(jié)語(yǔ)
ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)具有廣泛的應(yīng)用前景，而網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥鳛闊o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的重要部分，對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能、整個(gè)系統(tǒng)的性能都有巨大影響，良好的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能提高路由協(xié)議和MAC協(xié)議的效率，為數(shù)據(jù)處理、時(shí)間同步、目標(biāo)定位奠定基礎(chǔ)。因此，對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞难芯渴种匾摹?/p>
(吉林建筑大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)學(xué)院 吉林 長(zhǎng)春 130118)
引言
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)快速發(fā)展，成為21世紀(jì)影響力巨大的科學(xué)技術(shù)之一。其應(yīng)用范圍廣泛，安全監(jiān)控、自動(dòng)化控制等應(yīng)用領(lǐng)域都為它的立足發(fā)展提供了肥沃土壤，ZigBee技術(shù)作為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中的一種，憑借其成本低，功耗小、組網(wǎng)靈活等優(yōu)勢(shì)快速發(fā)展[1]。作為一種無(wú)線通信技術(shù)，ZigBee具備良好可靠性、網(wǎng)絡(luò)容量大、安全性突出以及兼容性良好等特點(diǎn)。本文針對(duì)這些優(yōu)勢(shì)，對(duì)煤層氣體泄露監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。
一、ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)
ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本單元是各個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)，其無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是一種基于標(biāo)準(zhǔn)的5層開放式系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)模型。IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了最下面的2層—物理層(PHY)和介質(zhì)接入控制子層(MAC)。ZigBee協(xié)議定義了網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用程序支持子層以及應(yīng)用層的數(shù)據(jù)傳輸規(guī)范[5]，如圖1所示，也就是說(shuō)，ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)分為5層，即物理層(PHY)、介質(zhì)訪問(wèn)控制層(MAC)、網(wǎng)絡(luò)層(NWK)、應(yīng)用程序支持子層(APS)、應(yīng)用層(APL)。分層思想優(yōu)點(diǎn)很多。例如：協(xié)議部分變化時(shí)，只需對(duì)其有關(guān)層修改，其它層不變。
應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)用程序支持子層物理層介質(zhì)接入控制子層ZigBee協(xié)議定義IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)
圖1
(一)ZigBee節(jié)點(diǎn)
ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)由各個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都加載了ZigBee協(xié)議棧并具備ZigBee功能。ZigBee節(jié)點(diǎn)分為三種：ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee路由器和ZigBee終端。節(jié)點(diǎn)具有尺寸小、功耗低和適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。其中ZigBee協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)建立和維護(hù)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，路由器負(fù)責(zé)路由信息和采集信息，而終端只負(fù)責(zé)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集。ZigBee協(xié)調(diào)器和路由器可以與其他類型節(jié)點(diǎn)通信，而終端只與ZigBee協(xié)調(diào)器或路由器通信，且終端之間不能通信。
二、ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
多個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)互聯(lián)構(gòu)成ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)支持3種類型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即星形、樹狀和網(wǎng)狀。由于星形拓?fù)浜蜆湫瓮負(fù)涠伎梢钥醋鍪蔷W(wǎng)狀拓?fù)涞暮?jiǎn)單形式，故而網(wǎng)狀拓?fù)渥顬橹匾?/p>
(一)星形拓?fù)?/h3>
星形拓?fù)涫?種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中最為簡(jiǎn)單的，其構(gòu)成主要是協(xié)調(diào)器和一系列的FFD/RFD(全功能設(shè)備/簡(jiǎn)化功能設(shè)備)。ZigBee協(xié)調(diào)器作為整個(gè)星形網(wǎng)絡(luò)的中心，建立、管理并維護(hù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，其它所有節(jié)點(diǎn)都只能通過(guò)協(xié)調(diào)器加入網(wǎng)絡(luò)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)也只能與協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信，即各節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)路由唯一，不可選擇。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
(二)樹形拓?fù)?/h3>
與星形拓?fù)洳煌跇湫瓮負(fù)渲校K端節(jié)點(diǎn)不僅可以通過(guò)協(xié)調(diào)器加入網(wǎng)絡(luò)，也可以通過(guò)路由器加入網(wǎng)絡(luò)。相比之下，其結(jié)構(gòu)更具優(yōu)勢(shì)。ZigBee協(xié)議規(guī)定，樹形結(jié)構(gòu)中，各個(gè)節(jié)點(diǎn)僅能與其父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。也就是說(shuō)，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，信息只能沿著樹的路徑方向傳遞給協(xié)調(diào)器或目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。在樹形拓?fù)渲?，由網(wǎng)絡(luò)層處理信息路由過(guò)程，且路由唯一。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。
(三)網(wǎng)狀拓?fù)?/h3>
在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，各個(gè)節(jié)點(diǎn)，地位平等，可以與其通信范圍內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)直接通信。網(wǎng)狀拓?fù)涫窃跇湫瓮負(fù)涞幕A(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。但相比樹形拓?fù)涓屿`活、可靠。并且，各個(gè)協(xié)調(diào)器之間可以組成更為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。
三、煤層氣體泄漏監(jiān)控系統(tǒng)的組網(wǎng)方案
煤層氣體泄漏監(jiān)控系統(tǒng)中對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)要求大致分為幾個(gè)方面：網(wǎng)絡(luò)全面覆蓋，連通性高；部分節(jié)點(diǎn)失效時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)重建；抗干擾能力強(qiáng)；系統(tǒng)能耗低，壽命長(zhǎng)[6]。根據(jù)這些要求，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示，其設(shè)計(jì)思想是利用其終端設(shè)備采集數(shù)據(jù)信息，由路由器打包并傳遞信息止協(xié)調(diào)器，再由協(xié)調(diào)器傳遞至上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示，從而實(shí)現(xiàn)礦下安全工作。
圖5
(一)煤層氣體泄露監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)
在整個(gè)煤層氣體泄漏監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都是一個(gè)子系統(tǒng)，可以獨(dú)立完成各自所承擔(dān)的功能。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般分為幾個(gè)模塊：傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、通信模塊、電源模塊，如圖6所示。
圖6
四、結(jié)語(yǔ)
ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)具有廣泛的應(yīng)用前景，而網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥鳛闊o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的重要部分，對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能、整個(gè)系統(tǒng)的性能都有巨大影響，良好的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能提高路由協(xié)議和MAC協(xié)議的效率，為數(shù)據(jù)處理、時(shí)間同步、目標(biāo)定位奠定基礎(chǔ)。因此，對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞难芯渴种匾摹?/p>
