基于时钟同步的ZigBee网络节能技术研究

【摘要】：传感器技术以及无线通信的进步促进了无线传感器网络的快速发展,其中ZigBee技术以其低功耗、自组织以及组网方便等优势近年来受到越来越多的关注与研究,广泛应用于军事、家居以及医疗等领域。在其应用的诸多领域中,节点数量巨大、部署环境复杂以及能量供应受限等特点使得能量成为无线传感器网络中的关键资源,因此如何有效节约能量,延长节点网络的工作周期成为研究的重点。 本文首先介绍了ZigBee技术及其应用领域,简要阐述了ZigBee协议栈的结构以及各部分功能,同时简述无线时间同步技术的设计要求和几种流行的同步算法。然后搭建一个ZigBee无线网络系统,在分析网络需求的前提下提出系统设计方案,然后完成网关板、ZigBee节点的硬件设计。接着完成网关程序设计,实现用户与ZigBee节点的通信；完成ZigBee组网程序设计,网络由协调器和若干节点构成；编写安卓上位机软件,软件运行于手持设备,实现ZigBee网络参数查询与设置、传感器数据传输等功能。最后测试系统性能,进行ZigBee通讯性能测试,测试结果符合设计要求。 在系统搭建完成的基础上,通过对比不同节能方法的特点,提出两种基于休眠／唤醒的节能机制：异步时钟休眠机制和同步时钟休眠机制。首先分析它们实现的原理以及优缺点,然后计算相同时间内功耗的比较,得出同步时钟机制在本系统情况下更有优势的结论。由于传统无线时间同步算法能耗较高以及同步时间误差大,本文提出一种基于卡尔曼滤波的时间同步算法,首先建立系统时钟模型,接着本地时钟与标准时钟通过时间消息交换补偿本地时钟,由于上述方法同步精度较差,需要应用卡尔曼滤波和线性二次型最优控制方法校正状态变量,提高时钟同步精度。最后通过仿真验证算法的可行性。 【关键词】：无线传感器网络 ZigBee技术 网关 节能机制研究 卡尔曼滤波
【学位授予单位】：北方工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN925
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 1 绪论8-11
• 1.1 研究背景与意义8-9
• 1.2 国内外研究现状9
• 1.3 研究的内容9-10
• 1.4 论文组织形式10-11
• 2 ZigBee技术11-21
• 2.1 ZigBee技术11-15
• 2.1.1 ZigBee技术与应用11-12
• 2.1.2 ZigBee协议栈12-15
• 2.2 时间同步算法15-20
• 2.2.1 时间同步算法设计要求16-17
• 2.2.2 常见时间同步算法17-20
• 2.3 本章小结20-21
• 3 ZigBee无线传感网络系统搭建21-42
• 3.1 系统总体介绍21-22
• 3.2 系统硬件设计22-23
• 3.2.1 网关硬件设计22-23
• 3.2.2 ZigBee模块硬件设计23
• 3.3 网关软件设计23-31
• 3.3.1 网关服务器程序设计23-27
• 3.3.2 I/O复用27-29
• 3.3.3 多线程机制29-31
• 3.4 ZigBee软件设计31-33
• 3.4.1 ZigBee开发环境搭建31
• 3.4.2 ZigBee终端通信机制31-33
• 3.5 安卓上位机软件设计33-40
• 3.5.1 安卓开发平台搭建34
• 3.5.2 安卓上位机设计34-40
• 3.6 系统的测试40-41
• 3.7 本章小结41-42
• 4 节能技术研究42-53
• 4.1 ZigBee网络能耗分析42-43
• 4.2 ZigBee休眠/唤醒机制43-44
• 4.2.1 异步时间休眠/唤醒机制43-44
• 4.2.2 同步时间休眠/唤醒机制44
• 4.3 节能机制性能分析44-47
• 4.4 基于卡尔曼滤波的时间同步算法47-52
• 4.4.1 系统模型建立47-50
• 4.4.2 时间同步算法设计50-52
• 4.5 本章小结52-53
• 5 总结与展望53-55
• 5.1 论文完成工作总结53
• 5.2 展望53-55
• 参考文献55-57
• 申请学位期间的研究成果及发表的学术论文57-58
• 致谢58

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