无线传感器网络的定位算法和超帧调度机制的研究

论文摘要

基于IEEE802.15.4标准的Zigbee技术是一种新兴的低成本、低功耗、低速率的短距离无线通信技术。随着Zigbee技术越来越多地被应用与环境监测、家庭自动化和医疗护理等领域,无线传感器网络的定位技术和同步技术也收到越来越多的关注。本文的主要的工作有三个部分:首先,系统地介绍了无线传感器网络中的定位算法,并对APIT、Ecolocation分布式定位算法进行了仿真和比较;然后,分析了Zigbee树簇型网络的超帧调度算法中存在的问题,并给出了改进的方法;最后,设计并实现了一个Zigbee网络平台。无线传感器网络的节点定位是目标定位、监控等一系列应用的前提,也是无线传感器网络的支撑技术。本文系统地介绍了目前存在的定位算法,重点介绍了与距离无关的定位算法,并对经典的分布式定位算法APIT、Ecolocation进行了仿真和比较,为进一步研究基于Zigbee的定位算法打下了基础。时间同步对于无线传感器网络至关重要,且由于无线传感器网络与应用相关的特性,在众多不同的应用中很难采用同一的时间同步机制。本文主要介绍了Zigbee树簇型网络中,如何通过对信标帧的调度,实现整个网络的同步。并分析了调度算法中存在的一系列问题,着重研究了使用调度算法引起的网络容量大小的问题,提出通过对网络中协调器进行分组(同一分组中的协调器可以同时发送信标帧),可以在一定程度上改进网络的容量。为了进行进一步的研究,结合符合IEEE802.15.4的无线微控器JN5121,自行设计了具有温湿度采集能力的Zigbee节点,并开发了一个具有可视化界面的Zigbee网络。最后,本文总结了所作的工作,并对将来的工作进行了展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 无线传感器网络概述
• 1.2 无线传感器网络的体系结构
• 1.2.1 无线传感器网络结构
• 1.2.2 传感器节点结构
• 1.2.3 传感器网络协议栈
• 1.3 无线传感器网络的特征
• 1.3.1 与现有无线网络的区别
• 1.3.2 无线传感器网络的特点
• 1.4 IEEE802.15.4协议
• 1.4.1 物理层
• 1.4.2 媒体接入控制层（MAC）层
• 1.4.3 超帧结构
• 1.5 Zigbee协议
• 1.5.1 简介
• 1.5.2 Zigbee网络层
• 1.6 本文的主要工作与篇章结构
• 第二章 无线传感器网络中的定位技术
• 2.1 无线传感器定位简介
• 2.2 计算节点位置的基本方法
• 2.2.1 三边测量法
• 2.2.2 三角测量法
• 2.2.3 极大似然估计法
• 2.3 测距无关的定位算法
• 2.3.1 质心算法
• 2.3.2 DV-Hop算法
• 2.3.3 APIT算法
• 2.3.4 Ecolocation算法
• 2.4 其它分类方法
• 2.4.1 分布式与集中式
• 2.4.2 粗粒度与细粒度
• 2.5 算法仿真与分析
• 2.6 本章小节
• 第三章 超帧调度算法—SDS
• 3.1 简介
• 3.2 信标帧冲突问题
• 3.2.1 直接超帧冲突
• 3.2.2 间接信标帧冲突
• 3.3 超帧冲突问题的解决方法
• 3.3.1 时分（TD）解决方法
• 3.3.2 信标特有时隙的解决方法
• 3.4 SDS算法
• 3.5 SDS算法的总结和问题
• 3.6 本章小节
• 第四章 SDS算法的改进和分析
• 4.1 简介
• 4.1.1 图的染色
• 4.1.2 Welsh-Powell算法
• 4.2 协调器的分组
• 4.3 SDS算法的改进
• 4.4 本章小节
• 第五章 Zigbee网络平台的设计与实现
• 5.1 网络平台的总体设计
• 5.2 网络节点的硬件设计
• 5.2.1 节点的硬件设计
• 5.2.2 模块简介
• 5.2.3 JN5121简介
• 5.3 网络节点的软件设计
• 5.3.1 交叉编译环境的搭建
• 5.3.2 JN5121的开发过程
• 5.3.3 路由器程序设计
• 5.3.4 Zigbee协调器程序设计
• 5.4 PC端程序的设计
• 5.4.1 开发环境简介
• 5.4.2 GUI模块
• 5.4.3 串口接收模块
• 5.5 本章小节
• 第六章 总结和展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢