ZigBee无线网络通信系统开发与节能技术研究

【摘要】：集合传感技术、网络与通信技术、计算技术三大技术于一身的ZigBee无线传感网络,具有低功耗、低成本、自组织以及分布式等诸多优点,未来将在工业现场、家居环境、智能交通、医疗以及军事等诸多领域有广泛应用。 以车间等工业现场为例,要实现仪表之间的无线组网、通信以及上位机管理等,对于无线传感网络的要求,较其常规大型组网应用有一定区别。第一、车间等场所仪表数量较少,所以与仪表连接的zigbee节点数量也较少；第二、必须保证节点的健壮性,否则节点失效导致与节点连接的仪表无法正常进行通信；第三、对于手持仪表设备,由于距离不断变化,网络也更加不稳定,频繁变化,不利于仪表的正常通信,因此必须对仪表的运动距离加以限制；第四、邻近车间不同的zigbee网络之间不能相互干扰,而且节点要能实现既能加入指定网络又能在不同网络(或者不通车间)之间自由切换。第五、部分仪表有大数据文件的传输需求。第六、某些情况下,仪表或车间需要远程管理和访问。针对以上问题,本文基于Z-STACK协议栈对无线传感网络在特殊场合的应用进行研究,并重点解决了上述问题。开发了网络维护、在线节点查询、配置PANID和信道、重启单个设备或整个网络、查询节点的配置参数信息以及恢复出厂化设置等功能,对传统ZigBee设备不支持大数据量传输进行改进。使无线通信系统功能更加完善,在一定程度上具有通用性,有利于ZigBee无线通信技术进一步推广应用。 传统的时钟同步算法具有通信信息开销大以及同步时钟误差较大等缺点。本文提出了一种新颖的ZigBee网络节能算法——基于ZigBee-WIFI协同方式的时钟同步机制。zigbee无线传感节点可以通过内置的接收信号强度寄存器(RSSI),感知同一频段下WiFi周期性发送的信标帧,并用其作为参考时钟,通过补偿校正本地的时钟。此方法校正后时钟同步精度并不理想。在此基础上提出了一种基于状态空间的时钟模型,采用卡尔曼滤波器和离散线性定常系统的二次型最优控制校正算法(DLQR)跟踪和校正状态变量,获得很好的时钟校正精度。最后分析了时钟同步误差与校正周期的关系,综合多方面因素,得出基于ZigBee-WIFI协同方式进行的时钟同步机制使ZigBee网络节能效果显著提高。 本系统已应用于时代集团车间的仪表组网,性能较稳定。基于ZigBee-WIFI协同方式的时钟同步机制实现无线传感网络高效节能,同时能达到很好的时钟同步精度,目前处于算法仿真阶段,还没应用于实际系统中。 【关键词】：无线传感网络 ZigBee-WiFi协同 卡尔曼滤波 DLQR
【学位授予单位】：北方工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TN92
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 1 绪论8-13
• 1.1 无线传感器网络的研究背景8-10
• 1.1.1 无线传感器网络的基本概念8
• 1.1.2 无线传感器网络的发展历程8-9
• 1.1.3 无线传感器网络的国内外研究现状9
• 1.1.4 无线传感器网络的应用现状9-10
• 1.2 选题意义10-11
• 1.3 研究内容11-12
• 1.4 论文组织形式12-13
• 2 无线网络通信系统设计13-27
• 2.1 无线网络通信系统需求分析13-16
• 2.1.1 ZigBee与其它短距离无线通信技术的对比13-14
• 2.1.2 ZigBee不同硬件开发平台对比14-15
• 2.1.3 ZigBee不同软件开发平台对比15-16
• 2.2 无线传感网络概述以及通信标准16-23
• 2.2.1 无线传感网络协议概述16-17
• 2.2.2 IEEE 802.15.4标准17-20
• 2.2.2.1 物理层(PHY)规范17-19
• 2.2.2.2 媒介访问控制层(MAC)规范19-20
• 2.2.3 ZigBee规范20-23
• 2.2.3.1 网络层20-21
• 2.2.3.2 应用层21-23
• 2.3 无线网络通信系统设计23-26
• 2.3.1 无线通信系统的总体结构23-24
• 2.3.2 无线节点硬件设计24-25
• 2.3.3 无线网关硬件设计25-26
• 2.4 本章小结26-27
• 3 系统软件开发27-35
• 3.1 ZigBee软件集成开发平台27-28
• 3.2 ZStack协议栈简介28
• 3.3 无线网关的软件开发28-30
• 3.4 无线节点的软件开发30-34
• 3.5 无线节点接收信号强度RSSI的应用34
• 3.6 本章小结34-35
• 4 ZigBee-WIFI协同无线传感网络的节能技术研究35-50
• 4.1 无线传感网络的节能研究的必要性35
• 4.2 休眠节能策略分析35-37
• 4.3 同步时钟与异步时钟能耗对比37-38
• 4.4 无线传感网络节能研究的现状38-39
• 4.5 ZigBee-WiFi协同时钟同步算法39-48
• 4.5.1 算法概述39-41
• 4.5.2 算法总体结构41-42
• 4.5.3 WiFi信标信号的提取42-43
• 4.5.4 异常值检测43
• 4.5.5 时钟校正43-48
• 4.5.5.1 方法一：补偿校正本地时钟偏差43-45
• 4.5.5.2 方法二：本地时钟偏差的最优化跟踪校正45-48
• 4.6 同步误差与校正周期的权衡48-49
• 4.7 本章小结49-50
• 5 总结与展望50-52
• 5.1 总结50-51
• 5.2 展望51-52
• 参考文献52-55
• 申请学位期间的研究成果及发表的学术论文55-56
• 致谢56

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