基于嵌入式ARM/TinyOS的ZigBee网络层协议的设计与实现

论文摘要

无线传感器网络是一个多学科交叉的研究热点,它是因特网产生以来,对人类生活方式会产生巨大影响的新兴技术之一。它具有广阔的应用前景,随着电子产业的不断发展,具有高效节能灵活组网的无线产品必然会得到更广泛的应用。不久的将来,无线传感器网络将会渗透到生活的各个方面,最终实现现实世界和数字世界的完美交互。本论文实现了一种基于ARM/TinyOS平台的ZigBee协议栈实现方案,实现并测试了网络层以下全部功能。本设计可以为工业应用提供基础平台。论文简述了无线传感器网络的原理、研究现状、发展前景和选题的研究意义,介绍了ZigBee协议的特点、应用场合、协议基本规范以及网络层的一些关键技术。在开发平台搭建过程中,详细介绍了TinyOS操作系统的移植过程,提出了一种可行的调试方案,并对调试工具链进行了实验验证。软件方面,分析了nesC语言的特点,介绍了几种传感器网络操作系统,给出了TinyOS环境下协议栈的软件架构。在OpenZB项目的基础上,重点介绍了网络层协议的实现方案,并对网络协议的一些关键问题给出了解决方法,包括网络地址分配,信标调度和路由机制,实现了全功能的网络层协议。最后通过组建一个小型簇树网络对协议栈的基本功能进行了验证,给出了实验结果。实验表明,基于该平台的ZigBee协议栈,可实现节点组网,自动配置,网络维护与修复,多跳数据通信等基本功能,同时支持星形、树形和网状网三种拓扑。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 无线传感器网络概述
• 1.2 无线传感器网络研究现状
• 1.3 选题背景及意义
• 1.4 课题主要工作和论文结构
• 2 IEEE802.15.4/ZigBee协议介绍
• 2.1 ZigBee协议栈的体系结构
• 2.2 ZigBee协议的特点及应用场合
• 2.2.1 ZigBee协议的特点
• 2.2.2 ZigBee协议的应用场合
• 2.3 ZigBee协议功能综述
• 2.3.1 两种功能设备
• 2.3.2 三种节点类型
• 2.3.3 三种网络拓扑
• 2.3.4 两种工作模式
• 2.4 网络层关键技术
• 2.4.1 网络地址分配
• 2.4.2 常用路由算法
• 2.4.3 信标冲突避免
• 2.5 本章小结
• 3 基于TinyOS的系统开发平台的搭建与改进
• 3.1 无线传感器网络操作系统概述
• 3.1.1 无线传感器网络操作系统的设计需求
• 3.1.2 几种典型无线传感器网络操作系统介绍
• 3.1.3 无线传感器网络操作系统设计的主要技术
• 3.2 TinyOS综述
• 3.2.1 TinyOS的特点
• 3.2.2 nesC语言简介
• 3.3 TinyOS的移植与安装
• 3.3.1 编译工具链的安装
• 3.3.2 Make系统修改
• 3.4 TinyOS开发环境的改进
• 3.4.1 TinyOS环境下编译系统介绍
• 3.4.2 gcc工具链的改进
• 3.4.3 基于OpenJTAG的调试环境定制
• 3.5 本章小结
• 4 网络层协议的实现
• 4.1 协议栈的架构
• 4.1.1 协议栈的软件架构
• 4.1.2 节点硬件结构
• 4.2 网络层接口设计
• 4.2.1 网络层帧格式
• 4.2.2 网络层功能接口实现
• 4.3 路由实现
• 4.3.1 MESH路由简介
• 4.3.2 MESH路由实现
• 4.3.3 路由建立与维护
• 4.4 信标调度策略实现
• 4.5 本章小结
• 5 系统组网测试
• 5.1 节点应用测试程序设计
• 5.2 网络基本功能验证
• 5.3 节点组网测试
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情冼
• 致谢