基于能量感知的ZigBee网络树路由算法研究及应用

摘要

无线传感器网络可为物联网底层提供感知监测的数据，必然会在大数据和物联网快速发展的机遇下得到蓬勃发展。但是，无线传感器网络受到实时性和能量供给等方面制约。研究表明， ZigBee节点间无线通信消耗的能量占节点总能耗的50％以上，选取合适的ZigBee网络路由算法，来解决节点能耗过大的问题，进而提高 ZigBee网络的传输性能，推动ZigBee技术在复杂恶劣环境下的应用，具有较高的理论和实用价值。
　　传统的ZigBee网络树路由算法只能沿着树状结构向上或者向下进行数据通信。优点在于算法简单，复杂度低，组网迅速。缺点在于路由选择时没有考虑邻居节点，很大程度上增加了节点转发跳数，并且ZigBee不同节点间的能量分布不均衡，会出现部分节点因频繁使用而变为失效节点的问题。通过对ZigBee路由算法进行对比分析，综合考虑国内外专家学者的研究方案，提出本课题的优化策略。本课题主要研究工作如下：
　　（1）针对ZigBee网络树路由算法存在路径选择不优和能耗分布不均衡等问题，利用ZigBee网络层规范定义的邻居表，提出一种基于能量感知的ZigBee网络树路由优化算法。该算法主要从三个方面加以改进，其一考虑算法的实用性，判断节点是否具有路由转发功能；其二采用动态的能量阈值判断节点的能量状态，限制低能量节点使用，以避免网络分割的问题；其三按照树状结构计算所有剩余能量大于能量阈值的下一跳邻居节点到目的节点之间的跳数，选择合适的下一跳节点，以降低路由开销，并避免网络环路效应。搭建NS2.35新协议平台，仿真实验结果表明该算法明显改善网络分组递交率、节点转发跳数、端到端延时及能耗等性能，与经典的树路由算法、参考文献提出的树路由改进算法相比，节点的使用寿命分别延长了19.40%、12.68%左右。
　　（2）为了验证该优化算法的实用性，根据项目的需要，将改进算法应用在智能限电控制系统中。该系统在电力公司办公区原有限电控制器基础上，增加ZigBee模块、温湿度测量模块、3G模块，其中为了验证算法降低网络能耗的性能，ZigBee模块中网络层的树路由算法采用不同的树路由算法，同时通过硬软件设计验证改进算法提出限制低能量节点使用的策略。测试结果表明，该系统的网络生命周期比未采用优化算法的系统延长了25.00%左右，并实现了智能限电的功能，具有一定的应用推广价值。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 课题国内外研究现状

1.3 课题主要研究内容

1.4 论文的结构安排

第2章 ZigBee协议体系及其路由算法

2.1 ZigBee网络协议体系

2.2 ZigBee网络地址分配机制

2.3 ZigBee网络路由算法概述

2.4 基于NS2的ZigBee网络路由算法仿真及分析

2.5 本章小结

第3章 基于能量感知的ZigBee网络树路由优化算法

3.1 优化算法的设计目标

3.2 邻居表的引入

3.3 ZigBee网络树路由优化算法的提出

3.4 优化算法实现的伪代码

3.5 仿真实验

3.6 本章小结

第4章改进算法在智能限电控制系统中的应用

4.1 引言

4.2 ZigBee及其树路由改进算法应用在系统中的可行性分析

4.3 智能限电控制系统的设计

4.4 系统测试结果及分析

4.5 不同算法下的系统对比测试结果及分析

4.6 本章小结

结论

1.课题的工作总结

2.课题展望

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果

声明

致谢