基于ZigBee技术的协议开发与平台设计

论文摘要

无线传感器网络,是由大量分布的不同规格和功能的具有感知、计算和通信能力的微型传感器节点通过自组织的方式构成的一个小范围的无线网络。其目的是协作和感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息,并发送给观察者。无线传感器网络可用来监控环境、机器甚至人类自己。无线传感器网络具有十分广阔的应用前景,已经引起了世界许多国家军事界、学术界和工业界的高度重视,同时,在基础理论和工程技术两个层面都提出了大量的挑战性研究课题。IEEE802.15.4是一个新兴的无线通讯协议,它确定了低速个人区域网络标准,定义了物理层PHY和介质访问层MAC。本文首先对ZigBee协议进行了详细的研究。ZigBee技术是一种低速、低功耗、低成本的短距离无线网络技术,主要面向自动化和远程控制的应用。ZigBee的物理层和MAC层遵守IEEE802.15.4标准,网络层、应用层遵守ZigBee联盟制定的规范。在短距离低速率无线通信方面,ZigBee有着蓝牙和无线局域网无法比拟的优势;在家用系统控制、楼宇自动化、工业监控领域具备广阔的市场。在详细研究了无线传感器网络的相关知识,以及ZigBee技术的发展概况、协议构架、网络拓扑实现的理论基础上,提出了一个基于ZigBee技术的无线传感器网络平台。设计了系统的总体结构,包括硬件结构、软件开发以及通讯接口等,并对所构建的无线传感器网络进行了试验,对试验数据进行了分析和整理。硬件部分包括微处理器ATmega128与无线收发芯片CC2420的硬件连接以及相关外围电路设计,软件部分包括网络组网、通信和路由方案的设计,ZigBee协议的程序编写以及调试,在此基础上进行了简单的网络构建以及通讯测试。作为实际应用系统的前期原理性实现,目前小范围实验网络运行良好,完成了预期的目标。该系统为无线传感器网络研究提供了一个新颖的系统开发平台。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题开发背景以及国内外研究现状
• 1.1.1 课题开发背景
• 1.1.2 国内外无线传感器网络研究现状
• 1.2 无线传感器网络综述
• 1.2.1 无线传感器网络的起源和发展
• 1.2.2 无线传感器网络的体系结构
• 1.2.3 无线传感器网络的特点与应用
• 1.2.4 无线传感器网络系统设计的关键技术
• 1.3 本文的主要工作与内容安排
• 1.4 小结
• 第二章 ZigBee技术综述
• 2.1 ZigBee技术
• 2.1.1 ZigBee发展概况
• 2.1.2 ZigBee技术特点及应用
• 2.1.3 ZigBee技术与其它无线技术的比较
• 2.2 ZigBee协议栈
• 2.2.1 IEEE802.15.4物理层（PHY层）
• 2.2.2 IEEE802.15.4媒体接入控制层（MAC层）
• 2.2.3 网络层（NWK层）
• 2.2.4 应用层（APL层）
• 2.3 小结
• 第三章 ZigBee网络构架的研究
• 3.1 ZigBee网络配置
• 3.1.1 协调器（Coordinator）节点功能说明
• 3.1.2 路由器（Router）节点功能说明
• 3.1.3 终端（End Device）RFD节点功能说明
• 3.2 ZigBee网络拓扑
• 3.2.1 星形结构
• 3.2.2 树形结构
• 3.2.3 网格（Mesh）形结构
• 3.3 ZigBee协议的无线传感器网络实现
• 3.3.1 网络的建立
• 3.3.2 网络的关联
• 3.4 基于ZigBee的路由研究
• 3.4.1 ZigBee路由协议基本思想
• 3.4.2 数据结构
• 3.4.3 网络层地址分配机制
• 3.4.4 路由成本
• 3.4.5 树型（Tree）路由算法分析
• 3.4.6 Z-AODV路由算法分析
• 3.4.7 Tree+Z-AODV路由算法的分析
• 3.5 ZigBee路由的实现
• 3.5.1 基本路由算法实现
• 3.5.2 路由发现算法实现
• 3.6 小结
• 第四章 ZigBee无线开发平台的设计与实现
• 4.1 ZigBee开发平台总体设计
• 4.1.1 系统开发硬件平台
• 4.1.2 系统的开发环境与开发工具
• 4.2 微控制器模块ATmega128
• 4.2.1 微控制器ATmega128
• 4.2.2 ATmega128性能介绍
• 4.3 CC2420无线射频收发模块
• 4.3.1 芯片的选择
• 4.3.2 芯片的主要性能特点
• 4.3.3 芯片内部结构
• 4.3.4 配置IEEE 802.15.4工作模式
• 4.4 无线模块与微控制器的连接
• 4.5 串口电路
• 4.6 JTAG接口
• 4.7 小结
• 第五章 ZigBee协议在开发平台上的实现
• 5.1 ZigBee网络组网算法的实现
• 5.2 ZigBee路由程序设计
• 5.3 算法验证结果
• 5.4 开发体会
• 5.5 小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢