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基于TinyOS无线传感器网络协议研究

作　者: 林喜源
导　师: 胡家宝
学　校: 武汉理工大学
专　业: 计算机应用
关键词: 无线传感器网络(WSN) TinyOS NesC ZigBee 网络节点
分类号: TN929.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

无线传感器网络(WSN)是在微电子、无线通信和嵌入式等技术的飞速发展中，产生的一种新的信息获取和处理模式。由于无线传感器网络具有十分广阔的应用前景，已经引起了世界上许多国家军事界、学术界和工业界的高度重视，人们开始在基础理论和工程技术两个层面进行大量的挑战性研究工作。目前对无线传感器网络协议的研究仍处于起步阶段。本文主要是基于TinyOS对无线传感器网络协议进行研究，从硬件平台的搭建和协议的构建两个方面展开。基于无线传感器网络是应用相关性很强的网络，在深入分析无线传感器网络特点、网络协议的体系后，详细讨论网络节点的构架和设计，提出更为完善的节点模型，为硬件平台实施提供了参考方法。基于网络协议的重要性，在分析无线传感器网络特点的基础上，深入学习ZigBee协议和深入研究TinyOS操作系统中运用各种技术成果之后，使用nesC语言在TinyOS中实现ZigBee协议的MAC层数据处理。本文为无线传感器网络应用提供了新的节点模型和在TinyOS中使用主动消息在无线传感器网络中实现ZigBee协议提供技术路线图。本文共分7章。第1章阐述了无线传感器网络的工程价值、国内外有关无线传感器网络研究方面的进展、介绍本题课来源及研究意义，最后是论文所做的一些主要工作。第2章通过常用无线通信网络介绍，在进行是否有基站进行分类后，重点分析移动Ad Hoc与无线传感器网络，最后论述无线传感网络协议栈。第3章重点对硬件平台设计进行讨论。在结合无线传感网络应用特点的基础上，提出一个更为完善的节点模型，在详细讨论节点模型各个功能模块和介绍国内常用的研究平台后，提出无线传感器节点设计的构想。第4章详细介绍可能应用到无传感器网络中的ZigBee协议，介绍协议的框架后，重点分析各层之间的数据实现和管理实体信息交互过程，从数据流的角度实现对ZigBee协议整体理解。第5章深入研究在TinyOS中各种技术成果如何使用nesC语言来具体的实现，分析网络协议栈构建原理。第6章使用nesC语言通过主动消息机制实现在TinyOS中初步实现ZigBee协议MAC层帧的处理过程。第7章是本文的总结和展望。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-14
  1.1 无线传感器网络研究工程价值  9-11
  1.2 国内外无线传感器网络研究进展  11-12
  1.3 本课题来源及研究意义  12-13
  1.4 本论文研究内容  13-14
第2章无线传感器网络  14-24
  2.1 无线网络  14-17
    2.1.1 蜂窝网络  14-15
    2.1.2 无线局域网  15
    2.1.3 Ad Hoc 网络  15-17
  2.2 移动 Ad Hoc 网络与无线传感器网络  17-21
    2.2.1 Ad Hoc 网络多跳原理  17-18
    2.2.2 移动 Ad Hoc 网络  18-19
    2.2.3 无线传感器网络  19-21
    2.2.4 无线传感器网络与移动 Ad Hoc 网络差异  21
  2.3 无线传感器网络协议栈  21-24
    2.3.1 网络参考模型  21-22
    2.3.2 无线传感器网络协议栈  22-24
第3章无线传感器节点  24-36
  3.1 节点结构  24-32
    3.1.1 执行模块  25
    3.1.2 传感器模块  25-26
    3.1.3 处理器模块  26-29
    3.1.4 通信模块  29-31
    3.1.5 能量供应模块  31-32
  3.2 常见节点  32-34
    3.2.1 Mica 系列  32-33
    3.2.2 GAINS3  33-34
  3.3 节点设计构想  34-36
    3.3.1 应用背景  34
    3.3.2 芯片选择  34-35
    3.3.3 节能策略  35-36
第4章 ZigBee 协议  36-45
  4.1 短距离通信协议比较  36-37
  4.2 ZigBee 协议栈  37-41
    4.2.1 物理层  38-39
    4.2.2 媒体访问控制层  39
    4.2.3 网络层  39-40
    4.2.4 应用层框架  40-41
  4.3 ZigBee 协议栈中数据流  41-44
    4.3.1 设备入网  41-42
    4.3.2 设备绑定  42-43
    4.3.3 数据收发操作  43-44
  4.4 ZigBee 协议节能机制分析  44-45
第5章 TinyOS  45-60
  5.1 TinyOS 操作系统  45-53
    5.1.1 轻量线程  45-47
    5.1.2 主动消息  47-49
    5.1.3 事件驱动模式  49-50
    5.1.4 基于组件编程  50-51
    5.1.5 硬件抽象层  51-53
    5.1.6 并发模型  53
  5.2 nesC 语言  53-57
    5.2.1 接口  54-55
    5.2.2 组件  55-56
    5.2.3 属性申明  56-57
  5.3 nesC 程序开发平台  57-58
    5.3.1 cygwin  57
    5.3.2 eclipse  57-58
  5.4 TinyOS 协议栈  58-60
第6章 ZigBee 协议的 MAC 层模拟  60-75
  6.1 主动消息数据结构  60-62
    6.1.1 类型定义  60-61
    6.1.2 数据结构  61-62
  6.2 ZigBee 协议 MAC 层  62
  6.3 实现机制  62-72
    6.3.1 TOSSIM  63
    6.3.2 模拟程序  63-72
  6.4 模拟结果分析  72-75
第7章总结与展望  75-76
参考文献  76-79
致谢  79-80
作者在硕士期间发表的学术论文  80

基于TinyOS无线传感器网络协议研究

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