基于IEEE802.15.4标准的无线传感器网络组网研究与实现

摘要

无线传感器网络是一种特殊Ad-Hoc网络,它具有自组织、快速展开、抗毁坏性强等特点,在军事、环境监测、医疗健康、工业控制等方面有着十分广阔的应用前景。近年来,随着无线通信、集成电路、传感器及微电机系统等技术的发展,使得大规模生产体积小、成本低、具有数据收集、短距离无线通信和数据处理能力的传感器节点成为可能。技术条件的成熟和大量潜在的应用需求使得无线传感器网络受到人们越来越多的关注和重视。无线传感器网络正成为国内外无线网络研究的一个热点。 IEEES02.15.4通信协议是短距离无线通信的IEEE标准,它是无线传感器网络通信协议中物理层与MAC层的一个具体实现。主要的目的是在个人操作空间(POS)内为相互通信的设备提供通信标准。在此标准之上,可以实现多种路由协议、拓扑控制算法和具体应用。 无线传感器网络作为当今信息领域新的研究热点,是一个多学科交叉领域,所需研究的内容是由多种具体技术构成的。本文通过基于IEEE802.15.4协议的无线传感器组网系统的开发,对无线传感器网络所涉及的多个关键技术进行了研究和实现,使它们能够在具体的软硬件平台上得以工作。 本文进行的主要工作如下： (1) 无线传感器网络节点硬件开发以TI公司的MSP430F169微控制器和CC2420射频无线通信芯片为基础进行了无线传感器网络节点硬件的开发。该硬件平台与IEEE802.15.4标准兼容,可以作为协议实现的基础平台。文中描述了硬件设计目标、设计思路和关键模块的实现。 (2) IEEE802.15.4协议栈分析和实现研究了IEEE802.15.4网络协议栈(包括物理层,MAC子层),在此基础上,提出了协议栈实现的目标和总体没计。分析了实现协议栈所需的关键技术,给出了这些技术的实现。描述了协议栈所需完成的分层功能和工作流程,包括硬件抽象层、物理层、MAC层等。并利用硬件平台对协议栈工作进行了验证。 (3) 路由协议的研究和实现提出了一种常见的实验室应用场合,基于此场合分析了路由协议所需具备的特征。提出了一种基于网格的分簇多跳路由协议,从拓扑控制和路由算法两方面给出了协议的框架以及网络分簇、簇头选取、路由维护和数据传输的机制。利用OMNet++仿真工具对协议进行了仿真,给出了结果分析,并在IEEE802.15.4标准基础上,在硬件平台中对协议进行了验证。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

§1.1课题背景

§1.2无线传感器网络的结构

§1.2.1网络结构

§1.2.2体系结构

§1.2.3节点结构

§1.3无线传感器网络的关键技术

§1.4无线传感器网络的研究现状

§1.5本文的组织安排

第二章IEEE802.15.4标准

§2.1 IEEE802.15.4标准简介

§2.2网络设备类型和网络拓扑

§2.3 IEEE802.15.4标准的体系结构

§2.3.1物理层

§2.3.2 MAC子层

§2.4本章小结

第三章基于网格的分簇多跳路由协议

§3.1无线传感器网络的路由协议概述

§3.1.1无线传感器网络路由协议特征

§3.1.2无线传感器网络路由协议分类

§3.2现有路由协议分析

§3.2.1平面型路由协议

§3.2.2分层型路由协议

§3.3无线传感器网络路由协议设计要求

§3.4应用场合分析

§3.4.1应用场合

§3.4.2网络模型

§3.5基于网格的分簇多跳协议设计

§3.5.1协议概述

§3.5.2协议框架设计

§3.5.3基于虚拟网格的网络拓扑控制

§3.5.4改进的地理信息与能量感知路由算法

§3.5.5数据传输

§3.6协议仿真分析

§3.6.1 OMNet++仿真工具简介

§3.6.2协议仿真

§3.6.3协议分析

§3.7本章小结

第四章硬件平台设计

§4.1无线传感器网络硬件开发概述

§4.2硬件平台整体设计方案

§4.2.1设计目标

§4.2.2总体方案

§4.3主要芯片选型

§4.3.1微控制器单元

§4.3.2无线通信模块

§4.4数据采集系统硬件设计

§4.4.1 MSP430与TSZ-CC2420接口电路

§4.4.2电源电路

§4.4.3时钟电路

§4.4.4 USB接口电路

§4.5本章小结

第五章软件平台设计与路由算法实现

§5.1软件平台总体架构

§5.2硬件抽象层实现

§5.2.1时钟初始化

§5.2.2 IO配置

§5.2.3 SPI操作

§5.2.4 USB操作

§5.2.5定时器初始化

§5.3支撑服务层实现

§5.3.1节拍器

§5.3.2原语数据结构

§5.3.3任务调度器

§5.3.4定时器复用

§5.4 IEEE802.15.4协议栈实现

§5.4.1概述

§5.4.2物理层

§5.4.3 MAC层

§5.5拓扑控制和路由算法实现

§5.5.1簇成员信息和簇形成

§5.5.2簇头选举

§5.5.3簇间多跳路由的形成与维护

§5.6本章小结

第六章系统验证

§6.1验证方法

§6.2 IEEE802.15.4协议栈验证

§6.2.1 PAN建立验证

§6.2.2设备关联验证

§6.2.3数据发送和接收验证

§6.3基于网格的分簇多跳路由协议验证

§6.3.1簇头选取验证

§6.3.2路由形成验证

§6.4本章小结

第七章总结与展望

§7.1全文总结

§7.2课题展望

参考文献

攻读硕士研究生期间发表论文情况