基于IEEE 802.15.4/ZigBee的无线传感器网络研究

摘要

无线传感器网络是在微电子、无线通信和嵌入式系统等技术的快速进步中发展起来的一种新型网络。它能够实时监测、感知、采集和处理各种监测对象的信息，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，是当前国际上备受关注的新兴前沿科技研究热点之一。低成本、低功耗的IEEE 802.15/4/ZigBee协议为无线传感器网络提供了节点之间进行通信的国际标准，它是由IEEE 802.15.4-2003标准的物理层和媒体访问控制层再加上ZigBee规范的网络层和应用层组成的。TinyOS是加州大学伯克利分校的科研人员为传感器节点mica设计的无线传感器网络操作系统。 将基于IEEE 802.15.4/ZigBee的无线传感器网络应用到工业现场设备层，以期待解决工业现场设备层中因为采用了有线传感器网络而带来的布线成本高、数据传输时抗干扰能力差等问题。本文从课题的实际应用开发入手，引入了基于IEEE 802.15.4/ZigBee的无线传感器网络硬件研究平台C51RF-3和软件开发环境IAR。在无线传感器网络的实际应用中，传感器节点离不开操作系统的支持。针对这个问题，实现了将TinyOS移植到课题研究平台的传感器节点微处理器CC2430芯片上。为了给传感器节点之间进行通信提供一个统一的国际标准，在移植了TinyOS的传感器节点上采用组件分层思想实现了无线通信协议IEEE 802.15.4/ZigBee。针对TinyOS在实际应用中经常出现的过载现象，分析了TinyOS内核调度机制，并实现了一种基于时限优先级的TinyOS任务调度算法。经过实验测试表明，基于时限优先级的TinyOS任务调度算法提高了传感器节点的数据包吞吐量和任务的实时性响应。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究背景

1.2国内外研究概况

1.2.1国外研究概况

1.2.2国内研究概况

1.3研究目的和意义

1.4本文主要研究内容

1.5本文组织结构

第二章无线传感器网络研究平台介绍

2.1无线传感器网络

2.1.1无线传感器网络结构

2.1.2无线传感器网络特点

2.2基于IEEE802.15.4/ZigBee的无线传感器网络

2.3硬件平台

2.3.1硬件研究平台C51RF-3

2.3.2CC2430高频无线模块

2.4软件环境IAR

2.5本章小结

第三章TinyOS在CC2430上的移植

3.1无线传感器网络操作系统TinyOS

3.1.1轻量线程

3.1.2主动消息

3.1.3事件驱动模式

3.1.4基于组件编程

3.1.5硬件抽象层

3.1.6并行处理

3.2nesC语言

3.2.1接口

3.2.2组件

3.2.3属性申明

3.3TinyOS协议栈

3.4TinyOS在CC2430上的移植

3.4.1TinyOS移植思想

3.4.2TinyOS移植实现

3.5本章小结

第四章IEEE802.15.4/ZigBee协议在TinyOS上的实现

4.1IEEE802.15.4/ZigBee协议

4.1.1协议体系结构

4.1.2协议关键概念

4.2IEEE802.15.4/ZigBee协议分析

4.2.1IEEE802.15.4-2003物理层

4.2.2IEEE802.15.4-2003媒体访问控制层

4.2.3ZigBee网络层

4.2.4ZigBee应用层

4.3IEEE802.15.4/ZigBee协议在TinyOS上的实现

4.3.1协议实现基础

4.3.2协议实现细节

4.3.3协议实现难点

4.4本章小结

第五章基于时限优先级的TinyOS任务调度法实现

5.1实时任务调度的分类

5.2TinyOS内核调度机制

5.3TinyOS中的过载现象

5.4基于时限优先级的TinyOS任务调度算法

5.4.1TinyOS任务调度算法的分析

5.4.2基于时限优先级的TinyOS任务调度算法实现

5.5性能测试

5.6本章小结

第六章总结与展望

6.1论文工作总结

6.2论文尚待深入研究的内容

参考文献

致谢

附录A攻读学位期间发表的论文