基于ZigBee协议的移动传感器网络覆盖问题的研究

论文摘要

随着传感技术、微机电系统、网络、无线通信等技术的发展,无线传感器网络正成为一个热门的研究领域。无线传感器网络由大量相互协作的微小节点组成,而每个节点都具有有限的感知、计算及无线通信能力。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和无线通信技术,能够协作地完成实时监测、传感和采集目标对象的信息,并对其进行处理,传送给需要信息的用户。目前,无线传感器网络有着广泛的应用领域,比如军事防御、工业控制、生物医学、环境监测、灾后救援和对危险区域的远程控制等等。网络覆盖是无限传感器网络的基本问题,本文主要围绕无线传感器网络覆盖优化控制问题进行研究。本文提出了一种新颖传感器节点设计方法,即基于ZigBee协议的移动传感器网络节点的设计。它是以DSP TMS320F2812为控制核心,配备了电源模块、电机驱动模块、ZigBee无线通信模块和低成本、低功耗的传感器模块的单元。对所设计的移动传感器网络节点进行了基本的实验测试,包括传感器节点的组网通信调试和电机调试。实验结果表明,该设计能基本满足移动传感器网络移动性、数据采集、数据处理和数据传输等要求。同时,本文针对无线传感器网络覆盖优化控制问题设计了一种基于正六边形网格划分的移动无线传感器网络部署算法。在传感器随机分布的条件下,将传感器区域划分为正六边形网格,运用蚁群算法搜索各个正六边形网格区域内冗余的传感器节点,并把其调度到对应的正六边形网格中心点,这样不仅保证传感器网络达到最大覆盖程度,同时又缩短了传感器节点的移动距离,从而节省了整个系统的能量消耗。基于Matlab平台的仿真和基于所设计的移动传感器网络节点的测试表明此算法能有效的进行区域的完全覆盖,减小传感器节点的移动距离,具有很好的适应性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 无线传感器网络概述
• 1.1.1 无线传感器网络结构
• 1.1.2 传感器节点的结构
• 1.1.3 无线传感器网络的特点
• 1.2 无线传感器网络研究的热点问题
• 1.3 ZigBee技术
• 1.3.1 ZigBee技术概述
• 1.3.2 ZigBee的主要特性
• 1.3.3 ZigBee网络拓扑结构
• 1.3.4 ZigBee协议架构
• 1.4 课题的背景及研究意义
• 1.5 论文的研究工作及组织结构
• 第2章 无线传感器网络覆盖研究现状
• 2.1 网络覆盖的基本概念
• 2.2 无线传感器网络覆盖控制问题分类
• 2.2.1 按传感器节点配置方式不同分类
• 2.2.2 按传感器节点是否具有移动能力分类
• 2.3 无线传感器网络覆盖控制算法研究现状
• 2.3.1 静态网络覆盖控制算法
• 2.3.2 移动网络覆盖控制算法
• 2.4 亟待解决的问题
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于正六边形网格划分的移动传感器网络部署算法
• 3.1 算法概述
• 3.2 正六边形网格划分理论
• 3.2.1 理论假设
• 3.2.2 理论基础
• 3.2.3 六边形网格划分
• 3.3 蚁群算法
• 3.3.1 蚁群算法的原理
• 3.3.2 蚁群算法的数学模型
• 3.3.3 蚁群算法的实现步骤
• 3.3.4 蚁群算法的复杂度分析
• 3.4 算法的实现步骤
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于ZigBee协议的移动传感器网络节点硬件设
• 4.1 节点设计概述
• 4.2 电源模块
• 4.3 DSP微控制器模块
• 4.4 电机驱动模块
• 4.5 ZigBee无线通信模块
• 4.6 传感器模块
• 4.7 本章小结
• 第5章 移动传感器网络节点的软件设
• 5.1 软件设计简介
• 5.1.1 MPLAB IDE开发环境
• 5.1.2 CCS开发环境
• 5.2 基于ZigBee协议组网通信的软件设计
• 5.2.1 协调器程序设计
• 5.2.2 终端设备程序设计
• 5.3 电机调试
• 5.3.1 电机驱动
• 5.3.2 速度检测
• 5.3.3 PID控制算法
• 5.3.4 软件设计
• 5.4 本章小结
• 第6章 系统的仿真与测试
• 6.1 移动传感器节点的软件测试
• 6.1.1 传感器节点组网通信测试结果
• 6.1.2 传感器节点电机调试结果
• 6.2 HGSDA算法的Matlab仿真
• 6.3 算法的测试
• 6.4 本章小结
• 第7章 结论
• 7.1 本文研究工作总结
• 7.2 未来工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表论文情况