ZIGBEE无线传感器网络协议改进及实现

摘要

随着微机电系统、片上系统、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展，孕育出无线传感器网络，并以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革。无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。无线传感器网络作为以上多种高新技术融合的产物己经成为计算机科学和网络通信科学中一个活跃的研究分支，引起了学术界和工业界的高度重视，它被认为是对二十一世纪产生巨大影响力的技术之一。它的研究在方便人类生活、环境监测、工业自动控制、军事侦察现代化等方面具备很高的理论和现实意义。本文就是在这样的背景下，探索研究组网迅速，通讯安全，体积微小的无线传感器网络。本文在回顾了无线传感器网络技术的国内外发展现状，并详细分析了本无线传感器网络项目的需求的基础上，选用了稳定、安全、低成本、节能的ZigBee无线通讯协议，设计和实现了ZigBee无线数据传输平台，并对ZigBee无线传感器网络在路由算法和信道切换机制进行了初步的研究。本文主要工作有以下几个方面：(1)在对短距离通信技术及IEE802.15.4/Zigbee协议分析研究的基础上，本文提出了无线传感器网络的系统结构及传感器节点的设计方案。采用ARM7芯片和CC2520射频芯片，建立了工作频率为2.4GHz的ZigBee协议的无线数据传输平台。文中详细说明了ZigBee协议栈各层的开发以及开发过程中所采用的关键的技术和遇到的问题。(2)无线传感器网络项目中有节点定位的需求，所以需要对ZigBee协议栈任务和定位任务之间进行切换。为了使任务间切换更加稳定和快速，设计了ZigBee协议栈在实时操作系统UC/OS下的任务分割。文中详细定义了ZigBee协议栈的物理层、MAC层、网络层等各层任务的优先级和堆栈长度，也提出了一种任务间的协调机制。(3)本文设计并实现了面向ZigBee协议的信道切换机制。文中提出了两种信道切换序列方案：仿蓝牙序列和混度序列；通过仿真比较仿蓝牙序列和混沌序列在平衡性和汉明相关性的差异，通过性能比较后确定使用混沌序列进行信道切换。随后详细叙述了如何通过结合项目中的GPS定位模块实现面向ZigBee协议的信道切换机制的过程，此机制使ZigBee协议在通讯的安全性和稳定性上有了很大幅度的提升。(4)本文对ZigBee协议的路由算法也进行了一些改进。在经典的AODV路由协议应用过程中在节能、安全性和稳定性等方面存在很大缺陷，针对这些缺陷并基于GPS模块所提供的位置信息提出了一些ZigBee路由算法的改进策略：动态功率调整和区域概率广播。通过NS-2仿真工具对本文提出的机制进行仿真测试后，发现改进后的路由协议在网络延时和节能等方面都有较大改进。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 课题背景和意义

1.2 无线传感网络的国内外研究进展

1.3 无线传感网络概述

1.3.1 无线传感网络系统结构

1.3.2 无线传感网络的特点

1.4 基于ZIGBEE 技术的无线传感器网络

1.5 无线传感器网络项目需求分析

1.6 系统框架

1.6.1 系统硬件框架

1.6.2 系统软件框架

1.7 论文内容与结构安排

第二章 IEEE 802.15.4 标准与 ZigBee 协议

2.1 IEEE 802.15.4 标准与 ZigBee 协议概述

2.2 ZIGBEE 网络结构

2.2.1 网络设备组成

2.2.2 网络拓扑结构

2.3 ZIGBEE 协议栈

2.3.1 ZIGBEE 协议栈基本结构

2.3.2 IEEE 802.15.4 物理层

2.3.3 IEEE 802.15.4 MAC 层

2.3.4 ZigBee 协议网络层

2.3.5 ZigBee 协议应用层

2.4 几种常用短距离通讯技术比较

2.4.1 ZigBee 与蓝牙技术的比较

2.4.2 ZigBee 与Wi-Fi 技术的比较

2.5 CC2520 简介

2.5.1 CC2520 接口

2.5.2 CC2520 收发缓存区的读写

2.5.3 CC2520 内部寄存器

2.6 本章小结

第三章 ZigBee 协议栈实现及关键技术研究

3.1 协议栈的结构设计

3.2 协议栈的运行流程

3.3 协议栈各层的具体实现

3.3.1 物理层实现

3.3.2 MAC 层实现

3.3.3 网络层实现

3.3.4 ZigBee 应用层实现

3.3.5 ZigBee 网络应用层的框架设计

3.4 ZigBee 协议栈在RTOS 下的任务分割

3.4.1 实时系统中的长任务问题

3.4.2 ZigBee 标准的协议栈在UC/OS 下的任务分割

3.5 本章小结

第四章 面向ZigBee 协议的信道切换机制

4.1 2.4GHz ISM 频段上各无线协议的干扰分析

4.2 信道切换序列设计

4.2.1 仿蓝牙序列

4.2.2 ICMIC 混沌序列

4.3 信道切换序列仿真

4.3.1 平衡性能

4.3.2 汉明相关性

4.4 信道切换机制实现

4.5 本章小结

第五章 基于位置信息的ZigBee 路由协议改进

5.1 AODV 路由协议原理

5.1.1 路由的建立与维护

5.1.2 ZigBee 路由协议与经典AODV 路由协议比较

5.2 AODV 路由协议存在的问题

5.3 无线网络路由协议国内外研究现状

5.4 AODV 路由协议的改进

5.4.1 基于位置信息的动态功率调整

5.4.2 基于位置信息的洪泛路由控制

5.5 NS-2 实验仿真

5.5.1 仿真平台介绍

5.5.2 仿真场景

5.5.3 仿真结果与分析

5.6 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文