基于ZigBee协议的无线传感器网络研究

论文摘要

无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）是一种集成了计算机技术、通信技术、传感器技术的新型智能监控网络,己成为当前无线通信领域研究的热点。同传统监控网络相比,无线传感器网络具有以数据为中心、自组织等特点。现代监控网络对功耗、成本、安全等方面提出更加严格的要求,ZigBee技术应运而生,为无线传感器网络的发展提供了契机。为实现网络覆盖面广、数据处理能力强、组网灵活和传输可靠性高等指标,选择CC2430射频SoC和ARM7处理器,设计了具有双处理器的网络节点的硬件平台。CC2430的8051内核专门用来运行ZigBee协议栈,而ARM7用来通过串口控制协议栈的工作并对网络中的采集到的数据进行复杂的处理。设计了加强的射频前端电路,通过射频功率放大器与低噪声放大器提高系统的发射功率与接收灵敏度。分析了ZigBee协议的架构和各层规范,在此基础上基于符合ZigBee规范和IEEE802.15.4标准的ZStack协议栈,设计了网络协调器、路由器和终端节点的应用程序。该程序实现了ZigBee的组网与节点间通信,使用Z-Tool串口通信工具和Packet Sniffer软件包测试了网络结构与功能。测试结果表明,设计的网络系统具有建立网络灵活、网络通信延时小、低成本、低功耗、网络覆盖面大等优点,十分适合应用于有特殊要求的无线传感器网络应用场合。该网络平台的研究和成功实现为后期的无线传感器网络应用研究做了必要的准备。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 无线传感器网络概述
• 1.2.1 无线传感器网络的体系结构
• 1.2.2 无线传感器网络的节点结构
• 1.2.3 无线传感器网络的国内外发展现状
• 1.3 ZigBee概述
• 1.3.1 ZigBee的概念
• 1.3.2 ZigBee的主要特性
• 1.4 课题的主要研究内容
• 第2章 ZigBee协议栈分析
• 2.1 ZigBee协议栈的基本架构
• 2.1.1 ZigBee协议架构
• 2.1.2 ZigBee网络拓扑结构
• 2.1.3 服务原语
• 2.2 物理层
• 2.2.1 物理层概述
• 2.2.2 物理层服务规范
• 2.2.3 物理层数据包格式
• 2.2.4 2.4GHz频段的物理层技术
• 2.3 MAC层
• 2.3.1 MAC层功能
• 2.3.2 MAC层服务规范
• 2.3.3 MAC层的帧格式和帧类型
• 2.4 网络层
• 2.4.1 网络层规范概述
• 2.4.2 网络层数据帧格式
• 2.5 应用层
• 2.5.1 应用支持子层（APS）
• 2.5.2 应用框架（AF）
• 2.5.3 ZigBee设备对象（ZDO）
• 2.5.4 ZigBee设备对象管理平台
• 2.6 本章小结
• 第3章 基于ZigBee无线传感器网络系统硬件设计
• 3.1 硬件整体结构
• 3.2 CC2430 及其外围电路
• 3.2.1 收发芯片简介
• 3.2.2 CC2430 射频模块
• 3.2.3 芯片外围电路设计
• 3.3 射频前端电路
• 3.3.1 功率放大器
• 3.3.2 低噪声放大器
• 3.3.3 射频开关与滤波器
• 3.4 嵌入式处理器
• 3.4.1 处理器简介
• 3.4.2 处理器体系结构与功能模块
• 3.4.3 处理器外围电路设计
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于ZigBee无线传感器网络系统软件设计
• 4.1 ZStack开发过程
• 4.1.1 开发环境和协议栈的安装
• 4.1.2 ZStack协议栈的程序文件结构
• 4.1.3 ZStack协议栈的程序启动流程
• 4.2 节点应用程序设计
• 4.2.1 编译选项和编译器配置文件
• 4.2.2 ZStack协议栈关键API函数
• 4.2.3 ZStack串口命令解析函数
• 4.3 主控处理器（LPC2138）的软件设计
• 4.3.1 开发环境与处理器底层操作
• 4.3.2 uCOS-II嵌入式操作系统
• 4.3.3 UART总线驱动程序设计
• 4.4 本章小结
• 第5章 系统组网测试与分析
• 5.1 串口控制ZStack协议栈
• 5.1.1 Z-Tool直接控制CC2430
• 5.1.2 ARM7 处理器控制CC2430
• 5.2 分析网络数据帧
• 5.2.1 建立网络数据帧
• 5.2.2 加入网络数据帧
• 5.2.3 网络中收发数据
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢