ZigBee无线网络技术研究

论文摘要

近年来,随着计算机技术、网络技术与无线通信技术的高速发展和广泛应用,无线传感器网络成为一个在国际上备受关注的前沿热点的研究领域。它在环境监测、军事、医疗健康、家庭智能监控和其他商业领域有着广泛的应用前景。ZigBee技术是一种新兴的短距离无线通信协议,因其功耗低、网络容量大等优点而更加适用于传感器网络。首先介绍了无线传感器网络的体系结构、应用领域、特点以及目前国内外的研究进展,在此基础上提出采用ZigBee协议作为无线传感器网络的通信协议。由于无线传感器网络对能耗有特别严格的要求,本文从网络组建,路有协议规划方面,对原来的LEACH路由算法进行了改进,使得在组建大型无线网络时,网络消耗的能量比较低,从而有效地延长了无线传感网络的生存周期。本文以智能家居作为无线传感器网络研究的实体模型,提出了ZigBee技术在智能家居系统中的实现方案,采用Linux操作系统和32位ARM微处理器S3C2410为基础,构建了智能家居无线网络系统,实现了对家庭网络家电的集中、无线控制。本文主要的研究内容包括以下几个方面:首先,分析了ZigBee无线技术的协议框架,研究了各个通信协议层的具体功能与作用。其次,设计了基于ZigBee无线技术的智能家居系统。硬件方面,主要分析了家庭网关的硬件平台,详细介绍了其网络部分的硬件电路,并设计了ZigBee射频电路模块;软件方面,主要搭建了ARM-Linux操作系统平台,移植了ZigBee协议栈,并编写了ZigBee硬件模块的驱动程序。再次,分析了ZigBee技术的组网算法,设计了ZigBee上层通讯协议,并对智能家居系统进行了测试。最后,从无线传感器网络的能耗出发,分析了无线传感器网络主要的路由协议,从性能方面对它们进行了比较分析;着重研究了LEACH算法,并对算法做出了改进,最后对两种算法进行仿真比较,改进后的LEACH算法对网络的生命周期以及网络能量损耗方面都有很大的提高改进。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 无线传感器网络
• 1.2 智能家居系统
• 1.2.1 智能家居的发展历史及现状
• 1.2.2 家庭网关发展历史与现状
• 1.2.3 无线技术的发展状况
• 1.3 无线传感器网络面临的能耗问题
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 ZigBee协议分析
• 2.1 ZigBee 的技术特点以及与其它协议的比较
• 2.2 ZigBee 协议栈结构层次
• 2.2.1 ZigBee 协议物理层（PHY）
• 2.2.2 ZigBee 协议MAC 层
• 2.2.3 ZigBee 协议网络层（NWK）
• 2.2.4 ZigBee 协议应用层（APL）
• 2.3 本章小结
• 第3章 基于ZigBee技术的智能家居网络系统设计
• 3.1 智能家居系统的构成与功能分析
• 3.1.1 总体功能框图
• 3.2 家庭网关硬件平台
• 3.2.1 家庭网关硬件平台框架
• 3.2.2 以太网接口电路
• 3.2.3 ZigBee 无线接口电路
• 3.2.4 ZigBee 无线射频模块设计
• 3.3 家庭网关的软件设计
• 3.3.1 系统软件体系架构
• 3.3.2 ARM-Linux 系统平台的搭建
• 3.3.3 ZigBee 协议栈移植
• 3.3.4 MC13192 驱动程序实现
• 3.4 本章小结
• 第4章 ZigBee组网算法及系统测试
• 4.1 ZigBee 组网算法实现
• 4.2 上层通信协议设计
• 4.3 系统测试
• 4.3.1 测试用的终端控制节点
• 4.3.2 网络形成
• 4.3.3 功能验证
• 4.4 本章小结
• 第5章 无线传感器网络路由算法分析
• 5.1 引言
• 5.2 无线传感网络路由算法的特点
• 5.3 典型无线传感网络路由算法简介
• 5.3.1 泛洪式算法（Flooding）
• 5.3.2 GEAR 算法
• 5.3.3 定向扩散算法（Directed Diffusion）
• 5.3.4 低功耗自适应聚类路由算法（LEACH）
• 5.3.5 典型无线传感网络路由算法比较
• 5.4 LEACH 算法分析
• 5.4.1 LEACH 算法概述
• 5.4.2 LEACH 协议能量模型及相关参数的确定
• 5.4.3 LEACH 算法细节
• 5.5 LEACH 算法的改进与仿真
• 5.5.1 分群数量不均衡改进方案
• 5.5.2 簇头之间距离限制
• 5.5.3 LEACH 算法实现
• 5.5.4 仿真试验
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢