基于Zigbee的多信道无线传感器网络的研究与实现

论文摘要

IEEE802.15.4/Zigbee是一种短距离、低传输速率、低功耗的无线标准,近年来已经被广泛地应用于无线传感器网络中。在该协议的MAC层中,规定每个PAN（Personal Area Network个人区域网络）内所有节点均工作在一个单一的信道上,而该协议的PHY层以及多种Zigbee芯片在2.4GHz频段内都可以支持多达16个信道。因此,本文提出了一种基于Zigbee的多信道无线传感器网络方案,在该方案中传感器节点采用分簇的结构,每个簇都工作在一个与相邻簇不同的信道上。本文首先在网络拓扑结构、同步时序设计、信道分配算法、数据传送机制等方面提出了自己的方案。然后通过仿真分析了该多信道方案中部分机制的可行性及工作性能,发现了信道分配算法的潜在问题并提出了解决办法,从CSMA-CA和轮询机制中选择了后者作为数据传送机制。最后,设计并搭建了一个Zigbee硬件平台实现了这种分层分簇的多信道无线传感器方案,并对该平台进行了多方面的硬件和软件测试,该系统各模块工作正常,实现了预期的功能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景概述
• 1.2 论文主要工作
• 1.3 论文章节架构
• 第2章 Zigbee 无线传感器网络技术简介
• 2.1 Zigbee 技术概述
• 2.1.1 Zigbee 技术简介
• 2.1.2 Zigbee 与其它短距离无线通信技术比较
• 2.1.3 Zigbee 的协议标准及制定组织
• 2.2 IEEE802.15.4 协议（物理层）
• 2.3 IEEE802.15.4 协议（MAC 层）
• 2.3.1 超帧结构
• 2.3.2 保证鲁棒性的几个机制
• 2.3.3 四类帧结构
• 2.4 Zigbee Alliance 协议（网络层）
• 2.4.1 新建网络
• 2.4.2 节点加入网络
• 第3章 基于多信道的无线传感器网络研究
• 3.1 多信道Zigbee 方案的提出
• 3.2 近年IEEE 多信道协议相关工作综述
• 3.2.1 根据协议适用的网络分类
• 3.2.2 根据网络拓扑结构分类
• 3.2.3 根据信道分配方式分类
• 3.3 一种多信道Zigbee 方案的设计
• 3.3.1 ARCH 的网络拓扑结构
• 3.3.2 MMSN 的信道分配算法
• 3.3.3 两者结合而设计的一种多信道方案
• 3.4 多信道分配算法的仿真分析
• 3.4.1 仿真模型
• 3.4.2 仿真结果与分析
• 第4章 一种Zigbee 无线传感器网络系统实现方案
• 4.1 拓扑结构与信道分配方案的选择
• 4.2 时间同步机制及时序设计
• 4.2.1 由中心节点协调的时间同步机制
• 4.2.2 簇头节点时序设计
• 4.2.3 簇内传感器节点时序设计
• 4.3 CSMA-CA 与轮询机制的比较与仿真
• 4.3.1 CSMA-CA 算法
• 4.3.2 轮询机制
• 4.3.3 仿真模型
• 4.3.4 仿真结果比较分析
• 4.4 帧结构的设计
• 4.4.1 Beacon 帧
• 4.4.2 Cluster-head Beacon 帧
• 4.4.3 轮询帧
• 4.4.4 Data 帧
• 第5章 系统硬件平台的设计与实现
• 5.1 主要芯片的选择
• 5.2 节点硬件结构
• 5.2.1 主电路板的设计
• 5.2.2 传感器子电路板的设计
• 5.2.3 指示灯子电路板的设计
• 5.3 单片机程序下载及调试设备
• 5.3.1 BDM 调试器简介
• 5.3.2 BDM 调试器的选型
• 第6章 系统软件程序的设计与实现
• 6.1 CodeWarrior 软件平台简介
• 6.2 程序整体架构
• 6.2.1 程序结构与分工
• 6.2.2 主要数据结构
• 6.3 关键函数解析
• 6.3.1 PHY 层及硬件接口函数
• 6.3.2 MAC 层函数
• 6.3.3 网络层及主程序
• 第7章 系统测试
• 7.1 硬件测试
• 7.1.1 单片机及普通IO 口的测试
• 7.1.2 射频芯片功能测试
• 7.2 软件测试
• 7.2.1 CSMA-CA 机制测试
• 7.2.2 Zigbee 协议标准组网的测试
• 7.2.3 簇间与簇内同步的测试
• 7.2.4 多信道簇内轮询的测试
• 第8章 总结与展望
• 8.1 总结与分析
• 8.2 进一步工作展望
• 参考文献
• 致谢