ZigBee技术无线传感器网络在工业监控系统中的应用研究

摘要

无线传感器网络是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。无线传感器网络综合了传感器、嵌入式计算机、现代网络以及无线通信和分布式信息处理等技术。它能够通过各类集成化的微型传感器协调完成对各种环境或监控对象的信息实时监测、感知和采集，并将这些信息通过自组织多跳无线网络传送到用户终端，从而实现物理世界、计算机世界与人类社会的三元世界的连通。
　　 ZigBee是一种新兴的短距离、低速率、低成本、低功耗的无线网络技术，它具有很强的自组织、自愈能力和高安全性，很适合于用于无线传感器网络。本文提出把ZigBee无线传感器网络应用于工业监控网络中，以解决目前有线监控网络存在的一些问题。
　　 本文在深入研究zigBee技术的协议规范、网络结构和路由算法后，根据工业监控的要求，设计了一个ZigBee无线传感器网络。采用CC2430芯片设计了网络中协调器、路由器与传感器三种节点的硬件电路。由于CC2430芯片的通信距离只有75m左右，在电路中增加一个PA芯片来延长通信距离以满足工业中对距离的要求。节点的硬件电路采用模块化设计思想，可以减少设计的复杂度，减小无线电路的干扰。
　　 在软件方面，本文采用MSSTATE LRWPAN协议栈。根据实际需要，增加了上位机对传感器节点参数的修改功能。为了降低节点功耗，设计了传感器节点的休眠模式，并解决了休眠模式产生的无法接受上位机命令帧的问题。此外，为了简化节点处理数据的复杂度，提高网络处理数据的能力，提出了一套网络中数据帧格式。
　　 最后，测试了ZigBee无线传感器网络的各项指标，结果表明达到设计要求。并且分析了系统中可能存在的干扰，对此提出一定的措施来减少干扰的影响。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 课题的背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 工业监控系统研究现状

1.2.2 无线传感器网络研究现状

1.3 本文主要研究内容及组织结构

第2章 ZigBee技术

2.1 zigBee技术概况

2.2 几种近距离无线通信技术比较

2.3 ZigBee协议规范

2.3.1 ZigBee协议栈结构

2.3.2 物理层

2.3.3 MAC层

2.3.4 网络层

2.3.5 应用层

2.4 ZigBee网络结构

2.4.1 功能类型

2.4.2 节点类型

2.4.3 网络拓扑结构

2.5 ZigBee路由算法研究

2.5.1 Cluster-Tree

2.5.2 AODVjr

2.5.3 zigBee路由策略研究

2.6 本章小结

第3章 系统硬件设计

3.1 系统总体设计

3.2 ZigBee芯片选型

3.3 ZigBee节点硬件设计

3.3.1 CC2430芯片概述

3.3.2 协调器节点硬件电路设计

3.3.3 路由器节点硬件电路设计

3.3.4 传感器节点硬件电路设计

3.4 本章小结

第4章 系统软件设计

4.1 软件开发平台介绍

4.2 MSSTATE_LRWPAN协议栈概述

4.3 协议栈在工业监控网络中的实现

4.4 网络中各节点软件设计

4.4.1 协调器节点软件设计

4.4.2 路由器节点软件设计

4.4.3 传感器节点软件设计

4.5 通信数据包的设计

4.6 本章总结

第5章 系统测试与结果分析

5.1 通信距离测试

5.2 ZigBee网络组网测试

5.3 ZigBee网络通信测试

5.4 节点抗干扰研究

5.5 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

附录A（攻读学位期间所发表的学术论文目录）

附录B（系统硬件电路图）