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基于ZigBee的环境监控网络路由协议研究

作　者: 张习胜
导　师: 林水生
学　校: 电子科技大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 无线传感器网络 ZigBee 路由协议网络生存时间 OPNET
分类号: TP277
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 266次
引　用: 2次
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内容摘要

无线传感器网络是由大规模的低功耗传感器节点组成的无线自组织网络,作为一项新型的信息获取处理技术,无线传感器网络可以广泛应用于环境监控、医疗、军事、家庭网络等应用中。在环境监控应用中,通过布置传感器节点在预定区域内,并通过其采集相关数据进行处理后通过多条路由传送到远方的监控主机平台,从而使得远方监控人员可以实时的监控目标区域的具体情况。IEEE 802.15.4/Zigbee作为一种专门应用于无线传感器网络领域的无线短距离通信技术标准,已经越来越多的应用于实际生活中。然而,也正因为无线传感器网络的应用领域太广泛,使得ZigBee标准的通用性高,而在具体的应用环境上效果却差强人意。因此,针对具体应用设计专门的高效路由协议是目前的研究热点之一。本文首先概述了无线传感器网络体系结构特点及研究现状,以及无线传感器网络中的各项关键技术。接下来介绍了目前无线传感器网络路由协议的国内外研究现状。然后分析了目前的无线传感器网络技术标准IEEE 802.15.4/ZigBee;第三章是对目前无线传感器网络领域内各种路由协议的分类与研究,接下来,我们分析了环境监控应用中的特点并评估了现有ZigBee路由协议在环境监控应用中的适应性,结合环境监控应用能量受限、数据流向规律性等特点,我们提出了一种改进现有ZigBee路由协议的方法,该方法通过能量分级、优化ZigBee网络的组网、能量自适应策略使之专门应用于环境监控领域。然后在OPNET仿真软件上搭建IEEE 802.15.4/ZigBee仿真平台,并分别将改进的协议与原协议在仿真平台上实现,通过对其性能比较可以发现,改进后的协议显著的提高了网络生存时间,分组投递率也更高;而在其他方面如路由控制开销、端到端延时等方面付出的代价却很小,达到了预期目标。最后我们在基于CC2430硬件平台上移植了商业ZigBee协议栈Z-Stack。并在此平台上成功的实现了ZigBee网络组网,并对其基本组网方式、网络地址分配方式等方面进行了测试验证。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-15
第一章绪论  15-21
  1.1 无线传感器网络概述  15-18
    1.1.1 无线传感器网络的体系结构  15-16
    1.1.2 无线传感器网络的关键技术  16-17
    1.1.3 环境监控网络的研究现状  17-18
  1.2 无线传感器网络路由协议研究现状  18-19
  1.3 课题背景与意义  19-20
  1.4 本文的内容安排  20-21
第二章 IEEE 802.15.4/ZIGBEE 标准  21-33
  2.1 IEEE 802.15.4/ZigBee2006 协议概述  21-24
    2.1.2 ZigBee 技术特点  21-22
    2.1.3 ZigBee 技术的应用前景  22-23
    2.1.4 短距离无线通信技术比较  23-24
  2.2 ZigBee 标准分层简介  24-27
    2.2.1 物理层  24-25
    2.2.2 MAC 层  25
    2.2.3 网络层  25-26
    2.2.4 应用层  26-27
  2.3 ZigBee 网络结构  27-32
    2.3.1 ZigBee 节点模型  27-28
    2.3.2 ZigBee 网络拓扑  28-29
    2.3.3 ZigBee 网络组网  29-32
  2.4 本章小结  32-33
第三章能量高效型路由协议研究  33-41
  3.1 无线传感器网络路由协议概述  33-35
    3.1.1 无线传感器网络路由协议分类  33-34
    3.1.2 无线传感器网络路由协议的关键技术问题  34-35
  3.2 能量高效型无线传感器网络路由协议  35-39
    3.2.1 无需维护路由表类路由协议  35-36
    3.2.2 分层类路由协议  36-38
    3.2.3 考虑能量代价型路由算法  38-39
  3.3 优化能耗方式对比  39-40
  3.4 本章小结  40-41
第四章适用于环境监控的ZIGBEE 路由协议设计  41-57
  4.1 环境监控网络特点与衡量指标  41-42
    4.1.1 环境监控网络特点  41-42
    4.1.2 监控网络路由协议性能衡量指标  42
  4.2 ZigBee 路由协议分析评估  42-50
    4.2.1 相关数据结构  43-44
    4.2.2 ZigBee 网络簇树路由算法  44-46
    4.2.3 ZigBee 网络AODVjr 算法  46-49
    4.2.4 ZigBee 路由算法应用于环境监控的性能分析  49-50
  4.3 优化ZigBee 网络组网方式  50-52
    4.3.1 优化后的组网方式  51-52
    4.3.2 动态配置网络参数  52
  4.4 改进的能量自适应ZigBee 路由算法  52-56
    4.4.1 节点能量分级  53-54
    4.4.2 辅助父节点发现流程  54-55
    4.4.3 路由发现广播半径优化  55
    4.4.4 路由路径选择  55-56
    4.4.5 辅助父节点建立后数据发送过程  56
  4.5 本章小结  56-57
第五章 ZIGBEE 路由协议OPNET 网络仿真分析  57-68
  5.1 OPNET 网络仿真软件介绍  57-58
  5.2 IEEE802.15.4/ZigBee 网络仿真平台搭建  58-61
    5.2.1 无线信道建模  58-59
    5.2.2 ZigBee 通用节点模型  59-60
    5.2.3 ZigBee 网络层进程模型  60-61
  5.3 仿真条件与参数设定  61-62
    5.3.1 拓扑相关参数  61-62
    5.3.2 能量与业务相关参数  62
  5.4 仿真结果分析  62-67
    5.4.1 网络生存周期  62-64
    5.4.2 路由开销  64-65
    5.4.3 分组投递率  65-66
    5.4.4 端对端延时  66-67
  5.5 本章小结  67-68
第六章 ZIGBEE 网络协议栈移植与实现  68-75
  6.1 测试平台介绍  68-71
    6.1.1 节点硬件  68-69
    6.1.2 ZigBee 协议栈  69
    6.1.3 软件平台  69-71
  6.2 组网功能测试  71-74
    6.2.1 网络拓扑结构  72
    6.2.2 网络地址分配验证  72-74
  6.3 本章小结  74-75
第七章总结与展望  75-77
  7.1 总结  75
  7.2 展望  75-77
致谢  77-78
参考文献  78-81
个人简历、在学期间的研究成果及发表的学术论文  81-82

基于ZigBee的环境监控网络路由协议研究

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