面向智慧实验室的ZigBee无线传感器网络路由研究与应用

摘要

随着IBM提出的“智慧地球”被列为美国国家战略以后，我国也提出了“感知中国”的思想。作为“智慧地球”、“感知中国”核心的“物联网”在世界各地开始蓬勃发展，其在室内智慧化方面的应用也日益完善。其中无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）在室内物联网中的应用是WSN技术应用研究领域的热点之一。而且由于传感器节点能量有限，网络环境较复杂，对WSN路由协议的优化研究具有重要的学术意义和实用价值。本文以实验室智慧化建设应用为背景，对其网络层按需距离矢量路由协议（Ad-hoc On-Demand Distance Vector Routing, AODV）进行了分析研究，提出了基于改进蚁群算法和多径路由机制的优化算法，实现了延长ZigBee节点网络寿命，提高WSN整体性能的目的。
　　本研究主要内容包括：⑴分析了无线传感器网络路由协议的研究现状，结合ZigBee协议规范对其网络层进行了研究，包括拓扑结构、组网技术、网络层地址分配机制等，并提出了ZigBee无线传感器网络和智慧实验室的结构和特点。⑵在分析了ZigBee路由协议的基本思想、工作过程的基础上，从智慧实验室的实际出发，提出了智慧实验室中WSN路由协议设计需考虑的因素和路由算法改进的思路：通过引入改进的蚁群算法和多径路由机制，提出了一种基于 AODVjr的多路径LD-ACO-AOMDVjr协议，并通过仿真实验验证了改进后的路由协议在算法收敛性、丢包率、网络能耗和网络寿命方面都具有明显的优势。⑶依据软件分层式架构，结合具体应用背景下的网络数据业务需求，设计了一种适合智慧实验室WSN的通用型应用层管理平台架构，并将改进后的路由算法应用到智慧实验室WSN之中，设计并开发基于客户端和服务器（C/S）架构的智慧实验室WSN应用层管理平台，实现了对实验室数据业务信息的高效管理以及网络拓扑、改进算法路径寻优等信息的直观显示。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 无线传感器网络路由算法研究现状

1.3 论文主要工作

1.4 论文结构安排

第二章 智慧实验室与ZigBee无线传感器网络

2.1 智慧实验室的组成及特点

2.2 ZigBee无线传感器网络组成及特点

2.3 本章小结

第三章 ZigBee无线传感器网络路由算法分析

3.1 ZigBee无线传感器网络路由算法

3.2 ZigBee无线传感器网络路由算法不足分析

3.3 本章小结

第四章 ZigBee无线传感器网络路由算法改进与仿真

4.1 算法改进的新机制

4.2 ZigBee无线传感器网络路由算法改进方案

4.3 基于Matlab的路由算法仿真与性能分析

4.4 本章小结

第五章 改进算法在智慧实验室中的应用

5.1 智慧实验室模型的体系结构

5.2 智慧实验室应用层管理系统结构设计

5.3 智慧实验室应用层管理系统数据库设计

5.4 智慧实验室应用层管理系统实现

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 本文总结

6.2 研究展望

参考文献

致谢

攻读学位期间所获得的相关科研成果