可重构ZigBee网络组网和路由选择方式研究

论文摘要

IEEE 802.15.4/Zigbee规范因其低速率,低功耗和低成本的特征而非常适合作为无线传感器网络（Wireless Sensor Network,WSN）的无线通信技术。目前在使用该技术构建WSN时,网络中节点对环境适应能力较差。由于2.4GHz频率的穿透能力有限,一旦节点周围环境发生改变,节点之间的通信链路会因为障碍物的遮挡而断开,从而大大降低了节点的通信效率。针对这种问题,本文提出了可重构的ZigBee网络。本文首先阐述了课题研究的背景、目的和意义以及与本课题有关的各项关键技术。通过一个自建的簇树（Cluster-Tree）型ZigBee网络仿真模型,讨论了使用ZigBee技术构建簇树型ZigBee网络时,网络性能受哪些因素的影响,影响程度如何的问题。在簇树型ZigBee网络的基础上,为了使节点更好的适应外界环境的变化,提高节点间通信链路的可靠性,文章提出了可重构网络的路由策略和组网方法。仿真证明,可重构ZigBee网络具的网络稳定性和网络穿透性较好,有效的改善了系统的流量均衡和系统的通信延时。为了验证可重构网络的实际应用效果,文章以蓄电池生产控制作为一个实例给出了可重构网络的软件和硬件的实现方式,其中软件实现是本文的重点。在片上程序的实现中,根据ZigBee网络节点间通信的特点,文章提出了APDU数据封装,简化节点交互式通信,提高了节点间通信的实时性。文章给出了节点的看门狗和系统唤醒的实现方式,提高了单个网络节点自身的可靠性。同时,为了与现场控制软件更好的融合,文章还给出了如何在上位机软件中实现软件融合的方法。最后,在硬件实现中,文章给出了网络节点各个部分的硬件电路设计方案。本课题经过软硬件设计和现场测试,已实现了最初的设计目标。构建出了一个具有高度灵活性的可重构ZigBee网络。以后的开发者可以不必深入了解ZigBee协议的情况下就可以方便的创建一个基于ZigBee技术的网络控制系统,并能在平台上开发其它的应用任务,为以后的研究提供了参考并奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景及意义
• 1.2 课题的研究现状与进展
• 1.3 课题的主要工作
• 第2章 ZigBee 网络层简介
• 2.1 ZigBee 简介
• 2.2 ZigBee 网络层关键技术
• 2.2.1 ZigBee 网络使用频谱和ISM 开放频带
• 2.2.2 ZigBee 使用的网络节点
• 2.2.3 组建ZigBee 网络
• 2.2.4 网络层地址分配机制
• 2.2.5 ZigBee 路由协议
• 2.2.5.1 簇树（Cluster-Tree）路由算法
• 2.2.5.2 精简按需距离矢量（AODVjr）路由算法
• 2.3 ZigBee 网络拓扑结构
• 2.3.1 星形（Star）网络
• 2.3.2 簇树型（Cluster-Tree）网络
• 2.3.3 网格型（MESH）网络
• 第3章 可重构 ZigBee 网络整体设计
• 3.1 可重构ZigBee 网络
• 3.2 可重构网络的路由算法
• 3.3 可重构网络的网络层地址分配
• 3.4 跨点寻址在AODVjr 局部修复机制中的应用
• 3.5 网络的可重构性
• 3.6 可重构网络性能分析
• 3.6.1 NS（Network Simulator）网络仿真软件
• 3.6.2 跨点寻址的性能分析
• 3.6.3 簇树（Cluster-Tree）网络性能分析
• 3.6.3.1 仿真参数
• 3.6.3.2 仿真结果及分析
• 3.6.3.3 协调者中心位置网络吞吐量研究
• 3.6.4 可重构网络性能分析
• 第4章 可重构 ZigBee 网络通信平台的软件实现
• 4.1 技术方案的制定
• 4.1.1 无线通信模块
• 4.1.2 主控制器模块
• 4.1.3 信息发布模块
• 4.1.4 信息采集模块
• 4.2 片上程序研发工作
• 4.2.1 TI Z-Stack 协议栈
• 4.2.2 ZigBee 技术中直接寻址和间接寻址
• 4.2.2.1 直接寻址
• 4.2.2.2 间接寻址
• 4.2.3 应用层协议数据单元封装（APL Protocol Data Unit，APDU）
• 4.2.3.1 APDU 的格式
• 4.2.3.2 APDU 在节点间交互式通信中的应用
• 4.2.4 Z-Stack 中的任务和事件
• 4.2.5 串口收发程序
• 4.2.5.1 串口收发程序解读
• 4.2.5.2 串口事件在TI Z-Stack 中的应用
• 4.2.6 向任务中添加串口事件
• ProcessEvent 函数'>4.2.7 XyAPP_ProcessEvent 函数
• 4.2.8 看门狗设计
• 4.2.9 硬件计时器设计
• 4.2.10 A/D 转换程序
• 4.2.11 信息回调函数
• 4.3 上位机软件研发工作
• 4.3.1 上位机软件整体设计
• 4.3.2 串口通信编程
• 4.3.2.1 添加CSerialPort 串口操作类
• 4.3.2.2 串口程序的编写
• 4.3.3 上位机设计
• 4.3.3.1 串口设置
• 4.3.3.2 网络节点信息显示
• 4.3.3.3 数据采集
• 4.3.4 可重构网络在蓄电池生产过程中的应用
• 4.3.4.1 上位机软件与组态软件的融合
• 4.3.4.2 ActiveX 控件在WinCC6.0 中的应用
• 第5章 可重构 ZigBee 网络的硬件实现
• 5.1 电路设计工作
• 5.2 器件选型与采购
• 5.3 系统硬件设计
• 5.4 产品的集成与调试
• 第6章 总结和展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间主要科研成果