城市排水系统ZigBee网络模拟技术研究

论文摘要

ZigBee是一种新兴的短距离、低速率、低成本和低功耗的无线网络技术,非常适合于工业控制、汽车自动化、农业自动控制和医用设备等领域。本课题以基于ZigBee技术的传感器网络为基础的城市排水管网监测系统为背景,选用著名的网络模拟软件OPNET,对城市排水监测系统的ZigBee传感器网络进行了系统建模与仿真,目的是通过对ZigBee传感器网络的建模与仿真研究,研究影响ZigBee网络性能的因素,为城市排水管网监测系统监管的信息化作出合理的指导性建议。本文首先介绍了城市排水系统和排水管网管理的现状,并介绍了ZigBee技术和ZigBee网络的基本知识,分析并比较了现有几种网络仿真软件的优缺点,研究了OPNET的三层建模原理,并用它建立了ZigBee无线网络的仿真模型。并在此仿真模型的基础上,以城市排水管网的ZigBee网络为背景,设计了四组实验,分别对影响ZigBee网络性能的因素:网络拓扑结构、网络节点规模、节点的发射功率和网络负载等四个因素进行了仿真研究,得到了ZigBee网络性能的数据和曲线,比如MAC层数据包端到端时延、丢包率和应用层数据包端到端时延等。通过对四个实验的对比分析和计算,得出了网络拓扑和节点的发生功率对ZigBee网络的性能影响较低小,不会影响ZigBee网络的正常数据传输;通过在原有网络14个终端节点的基础上,增加12个终端节点,导致了MAC层的数据包的端到端时延从0.008s增加到0.16s,此数据能说明因为节点规模的增加,导致ZigBee网络的性能变差。通过让ZigBee网络中的10个路由节点和终端节点一样产生应用层的数据,且其速率相等,结果导致MAC层的数据包端到端时延从0.01s剧增到0.36s,出现了大量丢失数据的现象,得出影响ZigBee网络性能的主要因素是节点规模和网络的负载。本文对城市排水管网监测系统的基础ZigBee网络进行了研究和模拟,研究的成果可以对城市排水管网的监测系统的建设提出科学的指导性建议。也可以对ZigBee网络的实现和性能评估提供仿真的支持,为各种应用领域的ZigBee网络的设计和规划提供参考。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 课题的产生背景和研究意义
• 1.1.1 课题产生的背景
• 1.1.2 课题的研究意义
• 1.2 国内外现状
• 1.3 课题的研究目的、内容和技术路线
• 1.3.1 课题的研究目的
• 1.3.2 本课题的研究内容
• 1.3.3 本课题的技术路线
• 1.4 本人所做的主要工作
• 2 ZigBee 网络技术研究
• 2.1 ZigBee 概述
• 2.2 ZigBee 的技术特点
• 2.3 ZigBee 技术的应用
• 2.4 ZigBee 网络的设备
• 2.4.1 网络设备组成
• 2.4.2 网络节点类型
• 2.4.3 ZigBee 网络的工作模式
• 2.5 ZigBee/IEEE802.15.4 标准介绍
• 2.5.1 ZigBee 技术的体系结构
• 2.5.2 ZigBee 网络的拓扑结构
• 2.6 ZigBee 的安全性
• 3 城市排水管网监测系统 ZigBee 网络的建模
• 3.1 网络仿真工具简介
• 3.2 网络模拟工具的选优
• 3.3 OPNET 建模基础
• 3.3.1 三层建模机制
• 3.3.2 OPNET 网络仿真的流程
• 3.4 基于 ZigBee 技术的城市排水管网监测系统
• 3.4.1 基于 ZigBee 技术的城市排水管网监测系统的框架
• 3.4.2 影响城市排水管网监测系统 ZigBee 网络通信的主要因素
• 3.5 城市排水管网监测系统 ZigBee 网络网元模型的建立
• 3.5.1 城市排水管网监测系统 ZigBee 网络的 ZigBee 终端节点的模型
• 3.5.2 城市排水管网监测系统 ZigBee 网络的 ZigBee 路由节点的模型
• 3.5.3 城市排水管网监测系统 ZigBee 网络的协调节点的模型
• 4 城市排水管网监测系统 ZigBee 网络性能的仿真研究
• 4.1 环境参数设置
• 4.1.1 OPNET 的参数设置
• 4.1.2 城市排水管网监测系统 ZigBee 网络中统计量的设置
• 4.2 城市排水管网监测系统 ZigBee 网络的性能仿真
• 4.2.1 ZigBee 网络拓扑对系统性能的影响
• 4.2.2 节点规模对 ZigBee 网络的性能的影响
• 4.2.3 节点发射功率对 ZigBee 网络的性能的影响
• 4.2.4 网络负载对 ZigBee 网络的性能的影响
• 4.3 仿真结果的分析
• 5 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 作者在攻读学位期间发表的论文目录