嵌入式ZigBee网络的研究应用及其与Internet的融合

论文摘要

传感器技术、微机电系统、现代网络和无线通信技术的发展,使得无线传感器网络成为研究的热点。国内外对无线传感器网络的研究主要集中在MAC算法、路由算法、定位算法及数据融合算法等独立算法上,却迟迟没有成型的整套解决方案标准化,IEEE 802.15.4/ZigBee标准的出现不仅打破这种局面,而且为工业控制、家居自动化控制和遥测遥控等领域提供了一种无线互联互通的标准,为应用及相关产业的发展提供了有力的契机。本文首先对IEEE802.15.4/ZigBee协议进行了研究分析,并重点研究了ZigBee网络组网及路由算法,提出了以数据为中心的路由算法选择策略和基于资源平衡的路径选择算法,并使用网络仿真软件NS2验证了所提出算法的有效性。然后介绍了自主设计开发的ZigBee节点及扩展板电路和准ZigBee协议软件。ZigBee节点及扩展板电路包括使用CC2430芯片设计的节点电路和扩展电路板中的OLED、键盘和RS-232串口等电路;准ZigBee协议软件开发中提出了具有良好可移植性和可扩展性的协议软件实现框架,编程实现了ZigBee协议中规定的各层参数、数据结构和服务,为协议栈各层设计了有限状态机─协议栈实现的难点,为用户程序开发提供了友好的API接口函数和两种编程模式。为了实现ZigBee网络与Internet的融合,本课题还利用目前比较先进的嵌入式系统技术和GPRS无线通信技术,研发了ZigBee-GPRS网关。本文从硬件和软件两个角度介绍了ZigBee-GPRS网关的实现。硬件部分包括嵌入式Z-G网关核心板与扩展板硬件电路设计;软件部分包括嵌入式系统上使用的bootloader、Linux系统内核及文件系统的配置与移植,GPRS自动拨号脚本的编写,ZigBee-GPRS网关实现协议转换的关键技术与编程方法。最后本文给出了整个系统测试的方法、结果及结果分析。通过测试,验证了本课题开发的准ZigBee协议软件和ZigBee-GPRS网关的实用性,并且整个系统具有良好的通用性,即针对具体应用,开发设计相应的用户程序,便可实现一般到具体的转变。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景与研究意义
• 1.2 本课题其它关键技术
• 1.2.1 ARM 嵌入式系统
• 1.2.2 GPRS 网络
• 1.2.3 网络仿真软件 NS2
• 1.3 本课题研究内容与本文安排
• 1.3.1 本课题研究内容
• 1.3.2 本文安排
• 第二章 IEEE802.15.4/ZigBee 标准的介绍与分析
• 2.1 概述
• 2.1.1 IEEE802.15.4/ZigBee 协议框架
• 2.1.2 ZigBee 网络拓扑及组成设备
• 2.2 物理层协议
• 2.3 MAC 层协议
• 2.4 网络层协议
• 2.4.1 新网络的建立
• 2.4.2 新节点加入网络的方式
• 2.4.3 以孤儿方式加入或重新加入网络
• 2.5 应用层协议
• 2.5.1 应用层协议中的关键概念
• 2.5.1.1 应用层端口地址
• 2.5.1.2 对象绑定
• 2.5.1.3 寻址模式
• 2.5.2 应用支持子层（APS）
• 2.5.3 应用层架构（AF）
• 2.5.4 ZigBee 设备对象（ZDO）
• 2.6 本章小结
• 第三章 ZigBee 路由算法的研究与改进
• 3.1 等级簇树路由
• 3.1.1 簇树地址分配机制
• 3.1.2 簇树路由算法
• 3.2 AODVjr 介绍
• 3.3 ZigBee 路由（ZBR）
• 3.3.1 ZBR 路由算法选择策略及基于数据服务类型的路由选择算法
• 3.3.2 ZBR 算法流程
• 3.3.3 路由发现算法流程
• 3.3.3.1 路由请求帧处理算法
• 3.3.3.2 路由应答帧处理算法
• 3.3.4 路径损耗度量机制及基于资源均衡的路径选择算法
• 3.4 本章小结
• 第四章 ZigBee 网络节点的硬件与软件
• 4.1 硬件电路设计
• 4.1.1 CC2430 介绍及基于CC2430 的节点电路
• 4.1.2 扩展板电路设计
• 4.1.2.1 OLED 电路设计
• 4.1.2.2 RS-232 串口电路设计
• 4.1.2.3 键盘电路设计
• 4.2 软件开发
• 4.2.1 集成开发环境简介及仿真器配置
• 4.2.2 硬件抽象层（HAL）程序开发
• 4.2.2.1 OLED 显示模块驱动程序
• 4.2.2.2 键盘驱动程序
• 4.2.2.3 RS-232 驱动程序
• 4.2.2.4 协议栈相关的驱动程序
• 4.2.3 ZigBee 协议栈软件
• 4.2.3.1 ZigBee 物理层协议软件开发
• 4.2.3.2 ZigBee MAC 层协议软件的开发
• 4.2.3.3 ZigBee 网络层协议软件开发
• 4.2.3.4 ZigBee 应用层协议软件开发
• 4.2.4 ZigBee 用户应用程序
• 4.3 本章小结
• 第五章 基于 ARM 的 Z-G 网关的硬件设计与软件开发
• 5.1 基于 S3C2410A 处理器的 Z-G 网关的硬件电路
• 5.1.1 嵌入式系统的核心电路板
• 5.1.2 嵌入式系统扩展电路板
• 5.1.3 GRPS Modem 及其连接
• 5.2 系统软件的配置与移植
• 5.2.1 bootloader 的编译与移植
• 5.2.2 Linux 操作系统裁减与移植
• 5.2.3 文件系统的建立
• 5.3 GPRS 自动拨号上网程序的开发
• 5.4 Z-G 网关功能软件的开发
• 5.4.1 GPRS 网络数据收/发中的Socket 编程
• 5.4.2 ZigBee 网络数据收/发中的串口访问
• 5.5 本章小结
• 第六章 系统整体测试与结果分析
• 6.1 测试设备与条件
• 6.2 测试软件配置与烧写
• 6.2.1 ZigBee 节点程序的配置与烧写
• 6.2.2 Z-G 网关软件的配置与烧写
• 6.3 测试实验与结果分析
• 6.3.1 ZigBee 网络测试与结果分析
• 6.3.2 系统整体测试与分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 附录A ZigBee路由表与路由发现表
• 附录B RREQ与RREP格式
• 附录C SSD1303初始化函数
• 附录D 键盘扫描API接口程序
• 附录E 波特率设置宏定义
• 附录F aplGetStatus（）返回状态
• 附录G S3C2410与RTL8019连接电路原理图
• 附录H 拨号脚本配置参数说明
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文、科研及获奖情况