1、短距离无线通信技术
短距离无线通讯技术在无线网络领域普遍应用。主要包含红外技术、蓝牙技术(Bluetooth)、无线局域网技术(WiFi)、ZigBee技术等4种。下表3-1表示4种短距离无线通信技术的特点。
1．蓝牙技术是首先提出无线通讯代替有线通信的短距离无线通信技术的协议规范。其通信距离一般在 2~10m，通信速率为 720~3Mbps。蓝牙耳机、无线键盘、无线鼠标等产品都是采用蓝牙技术，实现便携设备之间的小数据快速传递。
2．无线局域网技术(WiFi)是当前使用最多的无线局域网络技术，传送数据距离一般在 30~100m，通讯输速率可达 11Mbps，WiFi 终端设备费用高、技术复杂；现如今笔记本、智能手机、平板等电子设备都自带 WiFi 功能实现网络连接。
3．红外技术选取波长从 750nm~2500nm 区间内的红外线进行点对点的数据通信技术，红外技术的传输速率达到 16Mb/s，可以在 10m 的范围内传输数据。无法实现多点通信。由于红外线沿直线传播故通信时两点之间不能有障碍物阻挡，并且通信设备不能任意移动。
4．ZigBee 无线通信技术是一种低速率的通讯技术。ZigBee通信技术有较高的可靠性和较低的功耗，组网方便，通讯协议简单，网络扩展性好。ZigBee技术在工业控制、医疗、环境监测等领域的应用越来越广泛[26]，发展非常迅速。
通过对以上短距离通讯技术的对比、分析，发现ZigBee通信技术在塔吊群作业的系统中，有非常大的优势。塔吊群中无线网络主要传递的是一些起重机运行状态信息、故障报警以及下行的控制信息，对数据传输速率要求不高，相较于其他三种无线传输方式ZigBee技术功能强大，价格低廉，功耗低。可以达到塔机群安全作业的刚性要求。故本系统采用ZigBee无线通信协议技术。
2、ZigBee技术及协议
ZigBee无线通讯技术的通信是由多个无线传感器相互协调来完成的，组成一个可以相互通信的无线网络。ZigBee无线网络由不同功能的设备组成，想要完成数据的交换就必须要求在所有节点间的作用下才能实现。由 ZigBee协议组成网络中有终端设备、路由器、协调器三类，节点分类是根据在网络中的节点功能划分的。对于节点之间的作业，要求节点设备拥有特定的网络功能。一个ZigBee网络由若干个路由器或终端设备和一个协调器组成一个简单的通信网络。ZigBee技术在智能家居、网络泛能、工业、医疗等好多领域都可以应用。
ZigBee协议由ZigBee联盟和IEEE802.15.4共同定义，采用OSI的分层结构。其中IEEE802.15.4 标准制定了链路层(LLC)、介质访问控制层(MAC)和物理层(PHY)三个结构层；ZigBee联盟定制了应用层(APL)、网络层(NWK)。根据用户需求可以自主研发设计用户程序，图3-1给出了ZigBee 协议栈的结构。下面简单介绍各协议层的功能。
1．物理层是ZigBee协议中最底层，具有无线射频功能该有的物理特征，并定立了两个独立的通信频率段，同时与MAC层通过接口的方式为物理层提供了数据服务(PLDE)和管理服务(PLME)两种服务。物理层(PHY)根据周围环境和传输功率等不同因素信号可在10~100m之间传输。PHY主要功能是选择工作的信道，并保证数据包在链路中顺畅的传输。
2．介质访问控制层(MAC)主要负责所有无线通信线路的处理和访问，并支持个人区域网(PAN)的关联和分离；同时多路信号同步通信，避免网络冲突。两个MAC实体之间可以有多个链路层(LLC)标准提供可靠链路。
3．网络层是整个ZigBee协议的核心，网络层主要建立网络结构并完成网络维护。网络层通过给新进网的节点分配地址、寻找路由等步骤组成星形、树形、网状等多种网络结构拓扑。网络层通过两种服务实体连接应用层，并与网络建立服务连接。
4．在ZigBee协议中，应用层(APL)包含应用层框架(APF)、应用支持子层(APS)、Zig Bee设备对象(ZDO)三个部分，应用层主要汇聚数据并将不的应用反馈到ZigBee网络。应用层主要保护和管理节点正常工作。
3、ZigBee网络拓扑
ZigBee网络支持半功能设备节点RFD(ReducedFunctionDevice)和全功能设备节点FFD(FullFunctionDevice)两类的设备节点。网络协调器或网络路由器必须是全功能设备节点，FFD可以与任何类型的节点设备进行相互通信；半功能设备节点只能做网络的终端设备，RFD采集和处理本地的数据信息；RFD相互之间不能通信。
在一个ZigBee无线通讯网络中，需要一个FFD节点管理协调无线网络，即协调点PAN。PAN节点是无线网络的核心，负责新网络的组建、网络通信标志的传递并控制节点信息的存储等。其中星型网络、树型网络和网状网络三种典型的ZigBee网络拓扑结构应用最广泛，如图3-2所示。
1．星形网络需要一个PAN协调器和几个路由设备、终端节点构成；是所有网络拓扑中最简单的一种，所有外部设备都只与PAN协调器通信。两个终端节点之间要想完成信息交换；终端节点需要先将数据发给协调器，再由协调器传给接收终端，这样必然会缩小无线网络覆盖区域并引起数据丢失、网络拥堵等情况。所以根据星形网络结构简单但适用于较少数量的节点的特点，用于家庭智能化等小范围内。
2．树形网络是自由设计的一种特殊网络结构，树形网络拓扑可以看做将多个复杂的星形网络拓扑进行扩展。此种网络结构中，终端设备、路由器、网络协调器之间功能独立。构建树形网络过程比较复杂，可以利用较少的资源增大网络通信范围。树形网络中数据传递靠网络拓扑动态连接时质量，故而树形网络路由维修非常困难。
3．网状网络(Mesh)由若干个全功能设备FFD构成，这些路由器只要在对方无线通信范围内就可以相互通信。网状网络里的路由器可以自动建立新的网络连接并且实现网络维护。任何一个FFD节点在网状网络拓扑中可看作路由器，保证数据包的交互的可靠性，提高数据传输效率。但是网状网络在树形网络的条件上延伸的，所以对每一个节点信息的日常维护工作量很大。
4、建立ZigBee塔吊网络
塔吊群想要组建一个新的ZigBee网络体系需要进行塔吊网络的初始化和添加塔吊节点两大部分。网络结构框架可以采用Z-Stack体系框架实现塔吊组网过程。塔吊节点可以通过协调器或现有节点两种方法加入无线网络。
4.1.网络初始化
如果想组建一个ZigBee塔吊群的无线通讯网络，网络中只允许有唯一的协调器。故网络结构里需要有一个有协调功能的FFD节点，可以将没有建立网络连接的协调器安装在塔机的驾驶室内。网络初始化必须按照固定程序实现，主要包含参数的确认和节点参数配置两方面的主要内容流程图如3-3所示。在程序预编之前先定义好各个节点唯一的MAC地址。网络初始化流程如下：
1．确定网络协调器，在塔吊内节点通电可使用后，需要判断这个节点设备是否是具有协调作用的全功能设备FFD节点，检测该FFD节点在其它塔吊的网络拓扑中是否存在。一个ZigBee塔吊网络中只能有一个网络协调器，如果节点在其它塔吊网络拓扑结构中，就不可以构建新网络；若检测到网络未形成，就会建立一个以此节点作为网络协调器的ZigBee塔吊无线网络。
2．扫描信道。确定了网络协调器后便可以开始初始化ZigBee协议栈，为组建网络的其它节点做准备。扫描信道是根据信道里的能量进行筛选，选择可以稳定通信的通道，进行ZigBee网络的数据通信。
3．设置网络地址。通信通道选定后，驾驶室内协调器将给新网络设定一个PANID，并且该ID在所有通信通道中必须唯一。PANID可以自己设定，或者通过其他途径获得，但是新ID不能与其它的地址发生冲突。在ZigBee技术下的塔吊无线网络中存在扩展地址64位和短地址8位，协调器设定扩展地址，本地网络的其它设备都有唯一的短地址。
4.2.塔吊通过协调器加入网络
当用ZigBee技术确定塔吊网络中的确定协调器后，其它塔吊或者探测器设备想要加入网络需要和协调器成立连接，可以将他们看做一个路由器节点向协调器发送入网请求，待主控室内协调器响应后开始确立网络连接，完成数据的传递。塔吊通过协调器加入网络的流程如3-5所示。
1．选择网络协调器。对周围塔机主控室内的全功能设备节点进行主动扫描，若在规定时间内搜索到符合条件的网络协调器，塔吊则向协调器提出连接需求。其它相关属性的设置在网络选择适合后再配置。如果在网络中未检测到协调器，塔吊可以重新请求扫描。
2．塔吊发送关联入网命令。塔吊若想加入无线网络拓扑结构，需向协调器提出建立连接的请求；若协调器回复一条确认指令(ACK)，表示协调器允许塔吊的入网请求；网络协调器会根据自身的状态来判定是否同意该节点加入网络。
3．等待协调器响应。协调器给出节点请求命令的反应后，塔吊会在一定时限内接收到连接命令。若协调器有足够的存储空间，塔吊会获得16位的网络地址，若入网成功协调器会发出成功通信的反馈；若协调器内存不够，想入网的塔吊从新提交入网请求，直到塔吊与网络协调器成功建立通信连接。
4．发送数据。在反馈时间内，若协调器允许塔吊作为一个节点加入网络，将由一条连接命令由协调器保存；当超过响应时长，塔吊继续向网络中协调器发出获得数据请求，如果网络协调器收到数据请求，回复确认命令(ACK)同时将关联响应命令反馈给节点的塔吊。塔吊回复。当塔吊协调器的响应命令后需要作出确认帧 ACK 反馈，来确定收到协调器的关联命令。此时塔吊需要将协调器分配的扩展地址和短地址存储起来，表示入网成功。完成上面全部步骤后，协调器将回复全部想要加入网络的塔吊请求。若可以入网，协调器与节点塔吊将建立网络关联，并获得网络地址。塔吊设备与协调器之间可以相互通讯。在塔吊群作业的设计中，单独的塔吊若想组成网络系统，任意一台塔吊都可以作为协调器，也可以在地面上建立一个控制中心，作为整个系统的网络协调中心。
4.3.塔吊通过路由器加入网络
当塔机上FFD设备节点依靠相近的协调器网络连接成功后，这个塔机可以拥有路由功能来吸纳其它临近塔机或者探测器进入网络。塔机或探测器想通过已经形成网络的塔机有请求关联和直接入网两种方式。其中通过连接方式入网是从未加进到网络中的塔机进入ZigBee无线网络的重要途径，关联入网主要通过发送入网请求的办法；直接入网方式是指待入网的塔吊设备与网络中的塔吊设备预先指定好相互建立连接[36]。流程图如3-5所示。
塔吊主控室或探测器设备若想加入ZigBee网络，要求想要入网的设备未与其它任何网络塔吊路由关联。想要入网的设备分为孤立塔机和新塔机两大类；孤立塔机指的是曾经在某一ZigBee网络中，由于未知原因与相连接的塔吊设备失去关联；另一类是新塔吊即从来未和网络中的塔吊建立连接。
如果想要入网的塔机设备是孤立塔机设备时，在设备周围的邻表中会存储其曾经建立连接的塔机的主要信息，孤立塔机设备可以直接向连接过的塔机提出入网请求。若塔机同意该孤立塔机入网，会为孤立塔机提供原来的网络地址，这时孤立设备成功加入网络；如果在曾经的塔吊网络中，建立连接的塔机将所有网络地址都分配给其它设备，没有多余的网络资源即可以连接的设备已经超过上限，该孤立设备想要加入ZigBee网络必须寻找其它的塔机路由器建立入网连接。
新塔机想要加入ZigBee网络时，新塔机会在周围寻找多个通信通道，通过扫描的方式找到周围的网络系统。获得全部可能接受自己进入的ZigBee网络中具有路由器性质的塔机的相关信息，将路由器塔机的ZigBee协议规范、PANID等相关信息导入新塔机设备的相邻表中。此时向相邻表中的塔机发送入网请求，如果有路由器性质的押金同意新塔机入网，就会分配给新塔机一个16位的网络地址。系统则提示该新塔机已成功加入ZigBee网络，建立通信连接。如果具有路由器性质的塔机拒绝新塔机入网，需要再相邻表中重新寻找其它可以接受新塔机入网的路由器塔机，发送入网请求命令，直到成功入网。
5. 群塔组网的设计方案
ZigBee网络拓扑中有几种典型拓扑，网状网络比星形网络和树形网络使用更广泛。大多数塔机群作业选择ZigBee网状网络进行网络组成。本文研究一种在塔吊臂上安装探测器终端的塔吊群作业防碰撞系统，探测塔吊周围的障碍物，在单塔机的吊臂上安装探测器的终端，将探测器的探测到的障碍物位置信息通过ZigBee无线网络传给塔机的驾驶室。单塔机的网络拓扑可以采用星型网络拓扑结构，塔吊的主控室相当于网络中的协调器或者路由器，而探测器终端可以看做星形网络拓扑里的半功能设备节点即终端设备，只能与主控室通信，不能相互之间进行通信。结构如图3-6所示。
在建筑区域中，多台塔机配合工作，交叉作业的情况发生。为了避免碰撞，就需要通过无线通信技术把周围塔吊的位置和塔吊高度、幅度，等进行信息的交互。群塔作业时塔机的主控室可以监控到自身塔吊的系统参数，亦可以得到其它塔吊的参数，并且进行信息的交互，为了达到这样的设计要求，本文采用了一种星型网络和树形网络相结合的网络拓扑结构，如图3-7。
上图中主控室在塔吊驾驶室内，相当于网络拓扑中的FFD节点，或者说是路由器节点，随时可以准备让其他塔机加入群塔作业的网络，可以方便工塔吊驾驶员能及时判断周围作业的情况防止发生碰撞。地面控制室相当于网络拓扑的网络协调器，整个系统的核心，可以实时观测到整合网络的塔吊运行情况，一旦出现系统故障，地面塔机可以根据检测情况快速给出解决方案。如果地面控制室出现故障，那么任何一个塔机的主控制都可以充当协调器，实现整个网络的功能。探测器终端节点就是整个网络拓扑的网络终端，终端节点只能将信息传给塔吊主控室，而不能进行信息的相互传递。
6.本章小结
本章首先根据短距离无线通讯的技术特点选择了ZigBee无线通信技术进行网络构成，简述了ZigBee技术的基础知识并介绍了相关协议规范，为用ZigBee技术构建网络做基础。紧接着列举了ZigBee技术几种经典的网络拓扑结构，并深入了解了几种塔吊的组网方式。结合塔吊群集体作业独有的特性，设计了两种网络拓扑结构相结合的方式，完成了塔吊群之间的相互通信。为接下来的塔机群作业的防碰撞算法研究做了数据准备。
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