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研究生签名:
扣砂年令月声
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岁浦矽年明峥日工程硕士学位论文zigBee无线传感器网络研究
摘要
科学技术日新月异,人类已经置身于信息时代,信息的获取是实现信息化的前提,
获取信息的一种重要工具就是传感器"
基于IEEE802.巧.4/ZigBee协议诞生的无线传感
器网络,因其成本低!
功耗小!
网络容量大!
应用简单等而越来越受关注"
本文介绍了无线传感器网络在国内外的研究现状及技术特点和应用范围"
分析
了IEEESO2.15.4协议PHY层和MAC层以及ZigBee协议网络层和应用层"
给出了
无线传感器网络节点设计的方案和步骤"
重点研究了ZigBee路由协议,对zigBee
路由协议的基本思想!
工作过程作了详细的介绍与分析"
在NS一2仿真平台中,完
成了ZigBee网络层源代码的修改及调试工作,并对ZigBee路由协议的性能进行了
详细!
深入的分析研究"
最后一部分给出了基于最小剩余能量的ZigBee路由协议
改进方案,其主要思想是:
控制RREQ分组的传输方向和传输范围,在网络中存在
低能量节点时,选择路由,尽可能地避开低能量节点"
仿真结果表明:
最小剩余能
量的ZigBee路由选择方案在不牺牲其他性能指标的前提下,平衡了网络整体的能
量消耗,延长了网络寿命"
关键字:
ZigBee技术,工EEESO2.巧.4,无线传感器网络,路由协议工程硕士学位论文ZigBee无线传感器网络研究
Abstraet
WiththeraPiddeveloPmentofteehnology,wehasbeenininformationera.
Aequisitionofinformation15thePreeonditionofrealizing
informationization,inwhileoneofthemostimPortanttoolswhiehwasused
toaequireinformation15thesensors.TheaPPearaneeofIEEE802.15.4and
ZigBeeProtoeolwhiehoflowPowereonsumPtion,loweostandsimPle
aPPlieationoffertheeriterionforwirelesssensornetwok.
ThePaPerintrodueestheresearehbaekgroundofwirelesssensornetwork
homeandabroad,andalsoanalyzesIEEE802.15.4ProtoeolandZigBeeteehnology,
thesehemeandProeedureaboutthedesignofwirelesssensornetworkare
ProPosed.ThePerformaneesofZigBeeroutingareexPloredthoroughlythrough
thesimulationofNS一2.ThePaPerProPosesanimProvedroutingalgorithmfor
ZigBeenetworksbasedonthemunimumresidualenergy.ItoPeratesonthe
PrieiPlethatthealgorithmeontrolstherangeandthedireetionoftheRREQ
Paeketsandmeanwhiletheresidualenergyofnodesavoidsseleetingsomenodes
withlowresidualenergyinroutingseleetion.Thesimulationresultsindieate
thattheenergyeonsumPtionofthenetwork15balaneedeffeetivelyonthewhole
anditslifetime15maximizedinthisimProvedalgorithmwiththe
PresuPPositionofuneomPromisingPerformaneeevaluation.
Keywords:
ZigBeeTechnology,IEEE802.15.4,WirelessSensorNetwork,Routing
protoeol工程硕士学位论文ZigBee无线传感器网络研究
目录
摘要.............................................................,,工
ABSTRACT........................................................,,工工
1绪论...........................................................,,1
1.1无线通信网................................................,,l
1.2国内外研究的现状和意义....................................,,2
1.3无线传感器网络的特点......................................,,4
1.4本文主要工作和文章的组织结构..,,,....,,,..........,,4
2ZIGBEE协议栈结构...............................................,,6
2.1ZigBee协议相关概念.......................................,,6
2.2ZigBee协议应用层规范......................................,,8
2.3ZigBee协议网络层规范.....................................,,10
2.4IEEESO2.15.4简介.........................................,,17
2.5小结.....................................................,,20
3.ZIGBEE传感器网络节点设计......................................,,21
3.1电源模块设计.............................................,,21
3.2数据采集模块的电路设计,,....,,,.......,,,,.....,,22
3.3接口电路的设计...........................................,,23
3.4射频模块设计.............................................,,24
3.5小结......................................................,,29
4ZIGBEE路由协议分析............................................,,31
4.1ZigBee组网技术...........................................,,31
4.2网络层地址分配...........................................,,31
111工程硕士学位论文ZigBee无线传感器网络研究
勺OdQdCJ口4.3zigBee路由协议描述.
4.3.1ZigBee路由(ZigBeeRouting,ZBR)..,
4.3.2Cluster一tree..................,,
4.3.3AODVjr
..,34
4.4ZigBee路由工作过程二
4.4.1节点交互分组,
二35
尸7a-ddgq4.4.2路由建立过程,,
4.4.3路由维护过程,,
一一4.SNS一2简介.....,,
4.6仿真结果及性能分析.
Qk.1上4Aqd144.6.1星型网ZigBee路由性能分析..............,,
4.6.2树型网ZigBee路由性能分析..............,,
4.7小结......,,
5.基于最小剩余能量的ZIGBEE路由协议,,....,,
5.1能量有效性分析................######,,
..,46
`CbO庄连人1
.1网络层能量有效性的分析二
.2簇内多跳路由协议设计分析
5.1.3簇间多跳路由协议设计分析.,
5.2节能路由的度量.................,,
5.3基于最小节点剩余能量的ZigBee路由方法
.,48
.,49
5.3.1最小节点剩余能量二
5.3.2最小剩余能量路由算法二
5.3.3仿真结果与性能分析.,
.,,50
.,,51
6.总结.,工程硕士学位论文ZigBee无线传感器网络研究
致谢.........................................................,,56
参考文献........................................................,,57工程硕士学位论文ZigBee无线传感器网络研究
1绪论
1.1无线通信网
现今,无线通信领域正在发生重大技术变革"
目前主要的无线技术,包括无线广
域网(WWAN)!
无线局域网(WLAN)!
无线个域网(WPAN)以及固定接入无线技术是发展
速度迅速!
应用前景广阔的几种技术"
其功耗与覆盖范围如图1.1所示"
图1.1几种无线通信网功耗及覆盖范围示意图
在中高数据率无线通信领域,针对语音!
视频!
计算机局域网等,都己具有相应
的国际标准"
在低数据率领域,尽管蓝牙技术拥有诸多优点,曾让工业控制!
家用自
动控制!
玩具制造商等业者雀跃不已"
但是蓝牙售价的高居不下,以及技术复杂,功
耗大,传输距离近,组网规模太小等缺点,严重影响了这些厂商的使用意愿"
而工业
自动化,对无线数据通信的需求却越来越强烈,并且,对于工业现场,这种无线数据
传输必须是高可靠,能承受工业现场的高温!
高湿度以及各种电磁干扰"
因此,经过
人们长期努力研究,ZigBee技术在2003年正式问世"
ZigBee是一种新兴的近距离!
低复杂度!
低数据速率!
低功耗!
低成本的无线网络技术,它是一种无线标记技术和
蓝牙技术之间的技术提案,适用于近距离无线连接"
在若干个微小的传感器之间相互
协调实现通信"
这些传感器消耗的能量相当小,并以接力的方式通过无线介质将数据
从一个传感器传到另一个传感器,所以它们的通信效率非常高"
zigBee技术依据
IEEESO2.15.4标准,工EEE仅处理低级的介质接入控制子层和物理层协议,ZigBee联
盟对其网络层和应用层协议进行标准化"
工程硕士学位论文绪论
.2国内外研究的现状和意义
无线传感器网络诞生于20世纪90年代末,开始是美国军方用于战场检测的新技
术,这种新兴的网络,是一种特殊的Ad一HoC网络,它由许多无线传感器节点协同组
织起来的,这些节点具有协同合作!
信息采集!
数据处理!
无线通信等功能,可以随
机或者特定地布置在监测环境区域内部或附近,他们之间通过特定的协议自组织起
来,能够获取周围环境的信息,具备超强的自适应性,并且能够协同工作完成特定任
务川"
无线传感器网络的提出引起了各界的极大关注,欧美等国家相继启动了许多关于
无线传感器网络的研究计划,尤其是美国通过国防部!
国家自然基金委员会等多种渠
道投入巨资支持无线传感器网络技术的研究"
2003年初,美国的加洲大学伯克利分
校!
洛杉矶分校等几所大学已经有丰富的研究成果"
我国几乎与发达国家同步启动对
无线传感器网络的研究"
中国科学院依托上海微系统研究与发展中心在无线传感网络
方向上陆续部署了若干重大研究项目"
参加单位包括沈阳自动化研究所!
软件研究所!
计算所!
电子所!
自动化所等科研机构以及哈尔滨工业大学!
清华大学!
北京邮电大
学及中国科技大学等高等院校,经过几年的努力,初步建立了传感器网络系统的研究
平台,在无线智能传感器网络通信技术!
微型传感器!
传感器端机!
应用系统方面取
得了很大进展"
无线传感器网络综合了传感器技术!
无线通信技术!
嵌入式计算技术!
分布式信
息处理技术!
微电子制造技术和软件编程技术等,涉及计算机!
通信!
网络!
半导体
等众多学科"
归纳起来,可以将无线传感器网络的发展划分为四个阶段〔幻〔3〕:
第一代
传感器网络是将传统的传感器采用点对点传输!
连接传感控制器而构成;
随着传感器
技术和计算机技术的发展,传感器网络同时还具有了获取多种信息信号的综合处理能
力,并通过与传感控制器的相连,组成了具有信息综合和信息处理能力的传感器网络,
这就是所谓的第二代传感器网络;
第三代传感器网络是指基于现场总线的智能传感器
网络,现场总线是连接智能化现场设备和控制室之间的全数字!
开放式的双向通信网
络"
现场总线技术的发展最终导致现场总线控制系统取代第二代传感器网络;
21世
纪,制作工艺的发展!
MEMS技术!
低功耗的模拟和数字电路技术!
低能耗的无线
射频技术的发展使得开发小体积!
低成本!
低功耗的微传感器成为可能,将成千上万
个体积小!
重量轻的传感器协同工作,就构成了第四代无线传感器网络的诞生"
无线传感器网络有着非常广泛的应用前景,能够应用在工业控制!
家庭自动化!
环境监测与预警!
军事!
建筑智能与监控等领域"
并将随着无线传感器网络的深入研
究,将逐渐应用到人类日常生活的方方面面"
在工业领域,可以在环境恶劣!
辐射度高(如核电厂!
通信基站)或者减少劳动工程硕士学位论文zigBee无线传感器网络研究
成本的地方,进行工厂的过程自动控制以及自动采集!
分析并处理数据!
各类设备的
检测及诊断等等"
在环境监测和研究方面,传感器网络可以用于监视农作物灌溉情况!
农作物生长
温度监测;
也可以用于气象和地理研究!
洪水监测;
类似的,传感器网络也可以用于
实现森林环境监测及火灾报告等等"
传感器网络在医疗卫生方面的应用包括监测人体的各类生理数据,跟踪和监控医
生和患者的行动,医药管理等"
比如在病人身上安装特殊的传感器节点,可以随时了
解患者的血压!
体温等,发现异常,可以随时抢救"
家庭应用主要指家庭自动化,人们可以将传感器节点嵌入到冰箱!
空调!
吸尘器
等家用电器中,这些节点相互协调或者通过外网交换数据,使用户可以对家电远程监
控"
在zigBee领域,为了统一标准,2001年8月,包括国际著名半导体生产商!
技术
提供者!
代工生产商以及最终使用者成立了是一个非牟利业界组织)ZigBee联盟"
他们基于工EEE802.巧.4协议,制定高可靠!
高性价比!
低功耗的网络应用规格"
目前
超过68家公司正积极进行ZigBee规格的制定工作"
其中包括7位推广委员!
无线技术
供应商!
半导体生产商及代工生产商"
7位推广委员分别为:
Hone丫四ell!
尸hiliPs!
Invensys!
Motorola!
Mitsubishi!
Samsung"
ZigBee联盟现今的目标是以加入无线网络功能,为广大普通消费者提供更富弹
性!
更易用的电子产品"
ZigBee技术将不断融入各类电子产品,其应用范围包括全
球民用!
商用!
公用及工业用等市场"
生产商可以利用ZigBee技术来标准化无线网
络平台,设计可靠!
简单!
便宜又节能的各种产品"
2006年ZigBee联盟在国际消费电子展(CES)上宣布,将开始为ZigBee产品提供
/zigBee认证0标签,以保证产品完全互用,并容易用于ZigBee网络"
一系列严格
的认证要求对确保ZigBee产品具有端到端的互操作性非常重要"
如果我们可以确保
ZigBee产品之间可以轻易地完全相容,就可以开发数不清的潜在ZigBee应用"
业内专家表示,随着ZigBee标准版本协议的公布,更多的注意力和研发力量将
转到应用的设计和实现互联互通测试和市场推广等方面,今后,越来越多内置ZigBee
功能的设备将进入人们的生活,对人类产业变革和人民的社会生活带来极大的影响和
产生巨大的推动"
本文结合江苏省人事厅科研计划项目/应急通信与短距离通信方式研究0(项目
编号为KYZO5031)进行选题"
介绍了无线传感器网络在国内外的研究状况,根据短距
离无线通信协议工EEESO2.巧.4标准和ZigBee规范,对无线传感器网络节点进行设计并
重点对ZigBee路由协议进行了研究,同时提出一种改进型路由算法,并进行了仿真分
析"
.3无线传感器网络的特点
基于工EEESO2.15.4技术标准和ZigBee网络协议而设计的无线数据传输网络具有
以下特点:
#省电:
由于工作周期很短!
收发信息功耗较低!
并且采用了休眠模式,ZigBee
技术可以确保用两节五号电池支持节点工作长达6个月到2年左右的时间,当然不同
的应用功耗是不同的;
#可靠:
采用了碰撞避免机制,同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,
避免了发送数据时的竞争和冲突"
MAC层可以采用完全确认的数据传输机制,每个发
送的数据包都必须等待接收方的确认信息;
#成本低:
芯片价格低,且ZigBee协议是免专利费的;
#时延短:
针对时延敏感的应用做了优化,通信时延和从休眠状态激活的时延都
非常短"
设备搜索时延典型值为3Oms,休眠激活时延典型值是15ms,活动设备信道
接入时延为15ms;
#网络容量大:
一个ZigBee网络可以容纳最多254个从设备和一个主设备,一
个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络;
.安全:
ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能,加密算法采用AES一128"
同
时各个应用可以灵活确定其安全属性"
完整的ZigBee协议套件由高层应用规范!
应用会聚层!
网络层!
数据链路层和
物理层组成.网络层以上协议由ZigBee联盟制定,工EEE负责物理层和链路层标准"
.4本文主要工作和文章的组织结构
在本课题的研究中,首先查阅了大量的文献资料,了解国际研究发展状态;
之后
仔细研究!
分析了802.巧.4协议和ZigBee规范;
然后给出了无线传感器网络节点设
计的方案和步骤;
接着深入分析了ZigBee路由协议的性能,并利用NS一2仿真平台,
依据现有的工EEE802.15.4MAC层和物理层模块,完成了ZigBee网络层源代码的开
发及调试工作,并对ZigBee路由协议的性能进行了详细!
深入的分析研究;
最后提
出一种最小剩余能量的ZigBee路由选择方案,其主要思想是:
限制网络中一部分RREQ
分组的泛洪机制,在网络中存在低于最小能量节点时,选择路由尽可能地避开低能量
节点"
这种改进方案的目的都是为了均衡网络能量消耗,延长网络寿命"
通过NS一2
仿真平台仿真,结果表明:
基于最小剩余能量的ZigBee路由选择方案在不牺牲其他
性能指标的前提下,降低了网络整体能耗,延长了网络生存时间"
本文由六章组成,第一章介绍无线传感器网络的基本概念!
国内外研究现状,第工程硕士学位论文zigBee无线传感器网络研究
二章分析802.巧.4协议和ZigBee规范,第三章设计无线传感器网络节点,第四章分
析ZigBee路由的性能,完成网络层源代码的开发,第五章介绍基于最小剩余能量
ZigBee路由协议,提出算法,进行仿真,并对仿真结果进行分析"
第六章对研究结
果进行总结"
工程硕士学位论文ZigBee协议栈结构
221沙ee协议栈结构
本章介绍的是基于IEEE802.15.4的无线网络标准ZigBee协议,即ZigBee的MAC
以及PHY层采用工EEESO2.15.4标准,上层包括网络层和应该层由ZigBee联盟定义,
应用层由应用程序框架(Profile)和用户层组成ZigBee协议上层主要通过Z一Sta"
k
协议栈来实现,ZigBee协议参考模型如图2.1所示"
图2.1ZigBoe协议参考模型
2.1zigBee协议相关概念
ZigBee技术涉及到许多专用的通信方面概念"
其协议由一组子层构成,各层为其
上层提供一组特定的服务:
一个数据实体提供数据传输服务,一个管理实体提供全部
其他服务"
每个服务实体通过一个服务接入点(SAP)为其上层提供服务接口,并且
每个SAP提供了一系列的基本服务指令来实现相应的功能"
ZigBee通信协议满足国际标准组织(150)七层开放式系统互联(051)模型,但
仅对那些涉及zigBee的层予以定义〔4]〔5〕"
物理层(PHY)和介质接入控制子层(MAC)
由IEEESO2.15.4标准定义"
ZigBee联盟负责提供网络层和应用层框架的设计,应用
层的框架包含了应用支持子层(APS)!
ZigBee设备对象(ZDO)以及由制造商制订的
应用对象"
IEEE802.15.4有三个工作频段〔5,〔6〕,属于工业科学医疗(ISM)领域,分别是2.4GHz
频段和868/915MHz频段"
在工EEESO2.15.4规定了3种传输速率,共27个信道:
在
868MHz频段有一个传输速率为20kb/S的信道;
在915MHz频段有十个传输速率为
40kb/s的信道;
在2.4GHz频段有十六个传输速率为250kb/S的信道"
这些信道的中
心频率应按如下定义〔5,(k为信道数):
fc=868.3MH:
(k=o)(2.1)
fc=906+2(k一l)MHz(k=1,2,,10)(2.2)
fc=2405+5(k一
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- zigbee 无线 传感器