基于ATmega平台IEEE802.15.4标准协议的设计与实现

摘要

随着无线通信、传感器技术、嵌入式应用及微电子技术的快速发展，人们可以很方便的获取周围所需的信息，为无线传感器网络的发展提供了广阔的前景。由于IEEE802.15.4标准协议具有低速率、低功耗、低成本等技术优势，因此非常适用于远程的智能监控系统、智能家居控制系统、智能矿山、智能城市等。IEEE802.15.4标准协议旨在为小范围内不同设备的通信的互连提供开放的标准。IEEE802.15.4标准协议这些特点使其成为很多高校和研究机构研究的热点，研究比较成功的代表是Zigbee协议，Zigbee协议栈就是在IEEE802.15.4标准基础上建立的，定义了协议的MAC和PHY层。
　　目前，很多科研机构及公司还在继续研究IEEE802.15.4标准协议。一方面，虽说IEEE802.15.4标准协议已经发展多年，但是还存在有待优化和改进的地方;另一方面，很多公司虽然提供了IEEE802.15.4标准的源代码，但是在关进模块均是以库的形式给出的，没法看到他们设计的思路及实现的过程。此外，虽有很多公司在研究，但都是专注于其公司特定的硬件平台的，并没在其它平台上进行设计和实现，比如本文采用的Atmega128L平台。
　　鉴于上述原因，本文在自主设计的硬件平台Atmega128L上，对国际标准协议IEEE802.15.4进行了设计、优化及实现。为了提高协议的可扩展性，在该标准协议的实现中，本文采用了有限状态机的设计思想，把复杂的逻辑处理分离开来，用状态及变换来表示其复杂的交互过程。为了论证设计的状态机的正确性，本文提出了一种基于图论中的深度优先遍历的深度优先隔代清除算法，实验结果表明设计的有限状态机是符合IEEE802.15.4国际标准的、是正确的。为了提高协议的灵活度，降低节点的能耗，本文设计并实现了一种基于自适应CAP和CFP的调节和管理方法。该方法是根据上层不同的应用对CAP和CFP进行智能调节，实践应用结果表明，该方法有效的降低了节点能耗，并适合某些特定的上层应用。本文的设计思想对IEEE802.15.4标准协议的理论和应用研究具有一定意义，IEEE802.15.4标准协议的实现其继续完善和扩展也具有重要的作用。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景和研究意义

1．1．1 无线传感器网络概述

1．1．2 无线传感器网络主要用途

1．1．3 研究意义

1．2 研究现状及发展趋势

1．3 论文研究内容及组织结构

第2章 相关理论技术

2．1 涉及到的标准理论

2．1．1 IEEE802．15．4标准概述

2．2 IEEE 802．15．4帧的分类和结构

2．2．1 信标帧

2．2．2 数据帧

2．2．3 确认帧

2．2．4 命令帧

2．3 有限状态机思想

2．4 重构思想

2．5 本章小结

第3章 软件详细设计

3．1 IEEE 802．15．4帧组装和解析

3．1．1 帧组装的设计

3．1．2 帧解析的设计和实现

3．2 标准802．15．4关键模块设计

3．2．1 关联过程模块设计

3．2．2 间接传输中事务处理模块的设计

3．2．3 GTS请求和分配模块的设计

3．2．4 时间模块的设计和实现

3．3 重构既有代码的设计

3．3．1 在代码中应用重构的必然性

3．3．2 重构技术的使用

3．3．3 重构后的优势对比

3．4 本章小结

第4章 状态机设计与CFP和CAP智能调节

4．1 有限状态机的设计

4．1．1 IEEE 802．15．4 MAC层理论分析

4．1．2 交互式状态机的提出

4．1．3 基于IFSM的IEEE 802．15．4 MAC层状态机的设计

4．1．4 实验验证

4．2 超帧的结构和特点

4．3 对CAP和CFP自适应调节和管理

4．3．1 数据发送效率分析

4．3．2 传统的分配算法

4．3．3 改进分配算法思想

4．3．4 实验分析以及两种算法的对比与分析

4．4 本章小结

第5章 实验分析和验证

5．1 实验平台的搭建

5．2 开发工具和测试工具

5．3 实验结果和分析

第6章 总结和展望

6．1 本文工作总结

6．2 工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表论文情况