基于改进ZigBee路由协议的智能家居系统研究与设计

摘要

当今社会，物联网的发展得到人们越来越多的关注。作为物联网应用中的重要领域，智能家居系统成为相关学者及产业链上各厂商争相研究的对象。节能、便捷、低成本的生活方式使人们对智能家居系统提出了更高的要求，其中提高系统的稳定性、降低系统功耗和增强可扩展性成为智能家居系统的研究重点。
　　本文是对基于ZigBee通信技术的智能家居系统的研究，主要研究ZigBee路由协议的改进及智能家居系统的设计方案，解决传统路由协议路由开销高、节点能耗大及关键节点能量耗尽死亡所造成的系统网络分割或瘫痪;应用改进的路由协议及ACE反应器框架设计出稳定性好，扩展性强的新型智能家居系统。
　　本文首先介绍了课题来源及研究现状，阐述了ZigBee技术的基本原理及现有路由协议的优缺点，为选用ZigBee技术作为智能家居系统的通信手段提供了理论基础。其次论文在现有的ZBR路由协议的基础上，提出了改进的ZigBee路由协议M-ZBR，主要改进节点地址分配方式和网络路由选择机制，添加节点能量均衡策略。仿真结果表明在路由开销和节点能量消耗方面M-ZBR明显低于树路由协议和ZBR路由协议。将此协议设计应用于智能家居的ZigBee网络通信模块可大大提高系统的稳定性并降低节点的功耗。
　　然后本文介绍了智能家居系统的设计方案，主要包括ZigBee通信模块设计、智能网关设计、中控机设计以及基于ACE反应器框架的系统软件设计。其中中控机为智能家居系统提供了软件运行平台及协议转换策略;ACE框架简化了系统软件的实现，使系统运行稳定、扩展性增强。最后论文对所设计的智能家居系统进行了测试，结果显示系统实现了预期功能，且运行稳定。

目录

摘要

注释表

缩略词

第一章 绪论

1．1 课题来源

1．2 智能家居系统发展现状

1．2．1 国外智能家居系统的发展现状

1．2．2 国内智能家居系统的发展现状

1．3 本文的研究意义

1．4 论文工作及组织结构

第二章 ZigBee主要技术

2．1 ZigBee协议栈

2．2 ZigBee网络组网

2．2．1 ZigBee网络设备类型

2．2．2 ZigBee网络拓扑结构

2．3 ZigBee典型路由协议分析

2．3．1 Cluster-Tree路由协议

2．3．2 AODV和AODVjr协议

2．3．3 ZBR路由协议

2．4 本章小结

第三章 ZigBee路由协议的改进

3．1 M-ZBR路由协议设计

3．1．1 组网策略

3．1．2 通信及路由策略

3．1．3 节点能量均衡策略

3．1．4 路由维护机制

3．1．5 网络的维护

3．2 M-ZBR协议正确性仿真验证

3．2．1 仿真实验环境

3．2．2 仿真结果与分析

3．3 M-ZBR协议正确性理论分析

3．4 本章小结

第四章 智能家居系统总体设计

4．1 智能家居系统分析

4．1．1 功能需求分析

4．1．2 性能要求分析

4．2 系统总体框架

4．3 智能网关设计

4．3．1 智能网关硬件

4．3．2 智能网关软件层次结构

4．4 ZigBee通信模块设计

4．5 控制节点设计

4．6 中控机设计

4．6．1 中控机软件结构

4．6．2 Manager功能模块

4．6．3 Server功能模块

4．6．4 WSN功能模块

4．6．5 上行协议

4．6．6 下行协议

4．7 本章小结

第五章 基于ACE的系统软件实现

5．1 ACE简介

5．1．1 ACE体系架构

5．1．2 Reactor框架

5．1．3 ACE_Task框架

5．1．4 ACE的优点

5．2 Manager功能模块实现

5．2．1 Manger消息格式

5．2．2 Manager模块类结构

5．2．3 模块间的流程

5．3 Server功能模块实现

5．3．1 Server功能模块类结构

5．3．2 模块间的流程

5．4 WSN功能模块实现

5．4．1 WSN功能模块类结构

5．4．2 模块间的流程

5．5 智能家居系统测试

5．5．1 测试环境

5．5．2 测试过程及结果分析

5．6 本章小结

第六章 总结和展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文

附录