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基于ZigBee技术的无线抄表系统研究

作 者: 徐鹏
导 师: 周建民;曹青松
学 校: 华东交通大学
专 业: 精密仪器及机械
关键词: ZigBee技术 无线抄表平台 抄表终端节点
分类号: TP212.9
类 型: 硕士论文
年 份: 2009年
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内容摘要


ZigBee技术是一种新出现的短距离、低功耗、低成本的无线通信技术。它主要依据IEEE802.15.4无线标准,在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。ZigBee技术以其协议简单、成本低、功能丰富、组网容易等特点,在智能家居、楼宇自动化、工业监控、医疗检测等领域具有广阔的市场空间。通过与传统人工抄表、IC卡预付费表、有线抄表以及无线抄表的优缺点作比较,ZigBee无线抄表技术以其技术先进、易实现、可靠性高、成本低、易普及等优点,成为未来无线抄表系统发展的趋势之一。由于无线抄表系统对系统功耗和抗干扰性等要求非常高,因此本文选用具有低功耗、高抗干扰性等特点的ZigBee无线传感器网络技术,建立一套适用于居民小区的无线抄表网络模型,并对该网络模型的通信、能耗等方面展开相关的研究工作。本文的主要研究工作如下:(1)针对现有无线抄表网络存在的功耗大、可靠性差等问题,本文考虑到居民小区的实际应用环境,在参考了ZigBee网络中的星型与树型拓扑网络模型之后,提出了一种新型的星-树型网络模型,即采用星型和树型网络模型相结合构建新的网络模型。通过分析该网络模型中的各设备的功能和工作原理,文中提出了网络层的具体设计方法,并对抄表网络中各设备之间的工作过程和数据传输方式进行了详细阐述。(2)为了减少抄表网络中的信息冗余量,提高网络通信的成功率与正确率,本文根据无线抄表系统总体设计方案,构建了ZigBee无线抄表开发平台,并通过该平台对新组建的星-树型网络进行了通信、抗干扰和能耗测试。实验结果表明:尽管只是在实验室里进行了验证,但在短距离范围内确保较高的通信成功率与正确率还是有保证的。(3)为了降低抄表节点的能耗,本文在构建ZigBee无线抄表开发平台的过程中,针对ZigBee无线抄表系统,采用低功耗的Atmega88单片机以及CC1100无线收发模块设计了一种新型的抄表终端节点。本文的研究工作丰富了ZigBee技术在无线抄表中的研究领域,为降低无线抄表系统开发成本奠定基础,同时也为ZigBee技术在其他领域中的研究与开发提供了参考。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
主要缩略词说明  9-10
第一章 绪论  10-15
  1.1 引言  10
  1.2 无线抄表系统的研究现状  10-13
    1.2.1 国内外研究现状  10-13
    1.2.2 现有无线抄表技术的分析  13
  1.3 国内外主要产品  13-14
  1.4 主要研究内容  14-15
第二章 ZigBee 无线通信技术及其网络介绍  15-21
  2.1 引言  15
  2.2 ZigBee 协议的构架  15
  2.3 ZigBee 协议的物理层  15-16
    2.3.1 工作频带和数据速率  16
    2.3.2 物理层数据包格式  16
  2.4 ZigBee 协议的媒介接入控制层(MAC 层)  16-18
    2.4.1 MAC 层概述  16-17
    2.4.2 MAC 层帧结构  17-18
  2.5 ZigBee 网络简介  18-20
    2.5.1 典型ZigBee 网络模型介绍  18-20
    2.5.2 ZigBee 网络的特点  20
  2.6 本章小结  20-21
第三章 基于ZigBee 技术无线抄表网络模型的构建  21-32
  3.1 引言  21
  3.2 ZigBee 无线抄表系统的总体方案  21-23
    3.2.1 抄表终端  22
    3.2.2 集中器  22
    3.2.3 路由器  22
    3.2.4 GPRS 数据中心  22-23
  3.3 无线抄表网络的构建  23-25
  3.4 无线抄表网络层的设计  25-29
    3.4.1 无线抄表网络层的整体设计  26-28
    3.4.2 无线抄表网络的具体功能设计与实现  28-29
  3.5 ZigBee 抄表系统的组网过程  29-31
    3.5.1 发起网络  29
    3.5.2 连接网络  29-31
  3.6 本章小结  31-32
第四章 ZigBee 无线抄表平台的组建  32-42
  4.1 引言  32
  4.2 ZigBee 无线抄表平台硬件设计  32-36
    4.2.1 主控模块电路  33-34
    4.2.2 射频模块电路  34
    4.2.3 串口模块电路  34-35
    4.2.4 供电模块电路  35-36
  4.3 系统软件设计  36-41
    4.3.1 软件开发工具  36-37
    4.3.2 程序开发  37-41
  4.4 本章小结  41-42
第五章 系统测试与结果分析  42-48
  5.1 引言  42
  5.2 测试的环境  42
  5.3 测试方案  42-43
  5.4 测试结果  43-47
    5.4.1 节点入网实验  43-45
    5.4.2 网络的数据传输测试实验  45-47
    5.4.3 功耗测试  47
  5.5 本章小结  47-48
第六章 总结  48-50
  6.1 主要工作回顾  48
  6.2 后续研究工作的展望  48-50
参考文献  50-52
附录1 无线抄表终端节点电路图  52-53
附录2 ZigBee 无线抄表网络实物图  53-54
附录3 部分程序代码  54-67
个人简历 在读期间发表的学术论文  67-68
致谢  68

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化元件、部件 > 发送器(变换器)、传感器 > 传感器的应用
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