ZigBee协议栈的分析与设计

厦门大学硕士学位论文ZigBee协议栈的分析与设计姓名：闫沫申请学位级别：硕士专业：电路与系统指导教师：卢贵主;周剑扬20070501ZigBee协议栈的分析与设计作者：闫沫学位授予单位：厦门大学相似文献(7条)1.学位论文周小舟基于802.15.4协议的ZigBee协议栈实现2006随着通讯技术的日益成熟，人与人之间被各种有线和无线通讯技术联系在一起。在一些应用场合，传统的有线通讯方式已经远远不能满足现代社会信息互通的需要，各种无线网络正在成为有线网络的扩展与替代，多种通信技术的应用进一步丰富了人们的通信手段。按照通讯距离划分，无线通信网络大致分为卫星通讯网、无线广域网、无线城域网、无线局域网以及更小的无线个人网络。本文研究无线个人网络(WirelessPersonalAreaNetwork，简称WPAN)相关技术及其应用。本文以IEEE802.15系列的无线个人网络技术标准为背景(802.15.4协议是组建WPAN网络的物理层和MAC层技术的新标准)，对WPAN网络的相关技术及发展进行了详细的研究。重点针对组建WPAN网络的新兴技术ZigBee技术进行了研究，研究内容包括网络拓扑结构分析与优化、路由算法、网络通讯等诸多方面，并且着重介绍如何去构建ZigBee网络协议栈。针对WPAN技术是新兴技术，实验研究时需要相关芯片作为基础，成本较难控制且无法根据研究需要加以改进，不够灵活，因此对WPAN网络各个层次进行仿真是较为有效的方法，特别是当应用研究集中于软件层面时。本文在Windows2000和Cygwin环境下，基于开源软件ns，构建了一个网络仿真模拟平台，对本文提出的协议栈进行了仿真研究，为WPAN技术的软件应用研究提供了工具和手段。2.学位论文马骏基于ZigBee技术的嵌入式监控系统设计与实现2009无线传感器网络是由部署在被监控区域内的大量携带传感器的设备节点通过无线通信的方式组成的一个多跳自组织的网络系统，能够协作地感知、采集和处理覆盖区域中被监测对象的信息，它能够广泛应用于医疗护理、环境监测、军事、商业等领域。Zigbee技术是一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术。完整的Zigbee协议栈由物理层、介质访问控制层(MAC层)、网络层、安全层和应用层组成。其中物理层和MAC层协议由IEEE802.15.4协议定义，网络层和安全层由Zigbee联盟制定，应用层根据用户自己的需要，对其进行开发利用，Zigbee技术是为低速率网络设计的无线网络协议，是目前最适合无线传感器网络的标准协议。目前对无线传感器网络的研究尚处于起步阶段，少数投入实用的商业产品在集成多种传感器、大面积监控范围、可靠性等方面距离实际需求还相差甚远。本文应用德州仪器推出开放式商业化ZigBee协议栈--Z-Stack，设计了一个应用于烟草仓库树簇拓扑监控网络系统。文章具体工作包括：首先，介绍了无线传感器网络的概念、特点以及体系结构，简要介绍IEEE802.15.4协议，分层次重点介绍了ZigBee协议。接着，对烟草仓库监控系统的需求进行深入分析，给出了系统设计思想，并且给出了2.4GHz射频硬件电路设计详细的实现过程以及对四种传感器的选型。然后，深入分析Z-Stack协议栈工作原理。包括对网络建立流程、树簇拓扑网络的建立、分布式网络地址分配、自愈路由算法等进行了深入讨论。之后设计了对温湿度传感器驱动。在对Z-StackOSAL机制分析后，设计编写了应用层代码，完成了软件部分设计。最后，设计了多种实验：通信距离测试、传感器测试、树簇网组网实验等，验证了硬件设计的正确性和网络地址分配、自愈路由算法的有效性，验证了设计的监控系统功能达到了预期的效果。3.学位论文刘倩ZigBee技术在矿灯监控中的应用研究2009ZigBee技术是一种新兴的，具有统一技术标准的短距离、低功耗无线通信技术，主要应用于低速传输场合，可以作为无线传感器网络的通信协议。@@面向特定应用领域、功能强大、灵活可靠的嵌入式系统已经获得了迅速的发展。同时嵌入式设备为了适应网络化发展，需要各种网络通信接口。@@本课题将二者有机结合起来，构建嵌入式无线通信网络，应用到矿灯灯房监控中。矿灯充电节点将采集的数据通过ZigBee无线网络传送至灯房监控中心，实现对矿灯充电状态和使用情况的有效控制和管理。@@本文首先介绍了课题相关背景，移植了Linux操作系统，完成了嵌入式系统平台的构建。详细介绍了ZigBee协议栈结构，研究了较新的ZigBee2006协议的基本功能实现，着重分析了网络层和应用层架构，实现了ZigBee协议在FFD和RFD节点的移植。@@其次，本文利用高性能ARM9芯片S3C2410和无线通信模块构建一个具有ZigBee协调器功能的中心控制平台，给出了S3C2410及其接口电路的设计。分析了ZigBee芯片CC2430无线收发模块原理及片上MCU。@@接着，本文分析了矿灯充电控制原理，对充电蓄电池端电压、电流、温度等数据进行采集，经A/D转换电路送至CC2430的MCU，实现矿灯充电的监测和无线通信，进而提高了矿灯充电系统的可靠性和灯房管理的智能化。本文搭建的嵌入式ZigBee无线网络平台可扩展多种传感器，从而为井下安全提供更多的监测功能。@@最后，在研究ZigBee拓扑结构的基础上，利用IAR交叉编译调试器、串口调试器和PacketSniffer工具给出了矿灯蓄电池温度无线传输的测试，分析了捕捉到的数据包内容。@@关键词：ZigBee技术；Linux；S3C2410；CC2430；矿灯充电4.学位论文余峰基于ZigBee的铁路集装箱站信息系统组网和路由协议研究2009集装箱运输作为一种快速、安全、低成本的运输方式，在全球货运中起着十分重要的作用。但是随着集装箱运输的不断发展，集装箱信息采集的自动化、实时化却相对滞后，信息采集的效率较低，严重影响了集装箱运输业的进一步发展。而ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低成本的无线网络技术，可以嵌入各种设备中。利用ZigBee技术构建集装箱站点通信网络，实现集装箱信息的自动采集，将提高集装箱站点的工作效率，为集装箱运输实现智能化、现代化管理奠定基础。本论文针对集装箱跟踪、管理中存在的效率低、人力成本高、出错率高、实时性差等问题，给出了基于ZigBee技术的组建网络的总体设计方案，重点研究了网络层路由算法的改进策略。@@本文首先介绍了无线传感器网络的特点及应用，然后介绍了基于IEEE802.15.4的ZigBee技术标准、ZigBee协议栈，重点分析了ZigBee协议网络层规范。接下来，在分析和研究了ZigBee网络拓扑和现有的无线传感器网络路由协议、算法的基础上，提出了基于ZigBee技术的铁路集装箱站信息系统的总体组网方案，实现了ZigBee网状网络组网；并从均衡消耗整个网络能量的角度，提出了对原有Cluster-Tree与AODV相结合的路由算法的改进方案。改进的路由算法利用门限值、基于权重的路由选择和分群的思想，较好的解决了网络节点过早死亡和网络分割的问题，达到了延长整个网络生存期的目的。@@最后，利用NS2仿真软件，模拟集装箱站场的网络拓扑环境，对原有路由协议和改进的路由协议进行仿真实验和性能对比。实验结果表明：本文提出的组网方案和对路由算法的改进，在摔制网络流量分布，平衡网络负载方面取得了一定的成效，延长了整个网络的生存期，论证了本方案在集装箱站信息系统中的可行性。@@关键词：集装箱；ZigBee;能量均衡；NS25.学位论文马钢基于ZigBee的井下人员跟踪定位系统设计与实现2008煤矿井下环境复杂，存在多种安全隐患。近年来我国煤矿事故频繁发生，造成重大人员伤亡和经济损失，现有的煤矿安全监控系统已经无法满足安全生产需要。无线传感器网络是集无线通讯、数据采集和信息处理功能于一体的新型分布式自组织数据采集网络，ZigBee技术是一种新兴的最具代表性的无线传感网络，具有统一技术标准和低成本、低功耗等特点。将ZigBee技术应用于煤矿安全监测，将有效地提高煤矿安全生产监控和管理水平。本文深入研究了ZigBee网络技术和IEEE802.15.4.协议，分析了ZigBee技术的特点并与其它无线通讯技术进行了全面比较，得出了ZigBee应用于井下人员定位系统的可行性与优势。在此基础上，结合国内外跟踪定位系统的发展状况及定位技术的最新研究成果，设计了以RSSI定位技术为基础的井下人员跟踪定位系统总体方案。系统采用ZigBee无线网络与光纤以太网相结合的方式构建数据通讯平台，将井下多个工作面的人员定位数据等信息传输到井上控制室的数据处理服务器。本文介绍了系统的功能设备划分，并详细介绍了硬件设备的电路设计，包括基于CC2430的ZigBee模块、定位分站、基准定位器、移动定位终端及光纤传输接口的电路设计。ZigBee网络应用开发基于TI的ZigBee协议栈Z-Stack，本文介绍了基于Z-Stack的功能设备软件设计。针对井下设备的防爆要求，本文系统介绍了本质安全型防爆技术，提出了系统设备本质安全设计方法。最后，本文介绍了ZigBee模块及网络测试方法。基于ZigBee的井下人员跟踪定位系统必将在矿井安全生产管理中起到重要的作用，具有重要的实际应用价值。6.学位论文陈镇利基于ZigBee技术的星型网的实现2007ZigBee技术是一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术，具有成本低、体积小、功耗小、低速率及组网灵活等特点，主要是用在低速无线个域网(LowRate-WirelessPersonalAreaNetwork，LR-WPAN)，比如智能家居、建筑自动化和工业监控等领域。ZigBee技术是在IEEE802.15.4标准基础上建立的，它的PHY层和MAC层是IEEE802.15.4．标准定义的，它的网络层、应用支持子层由ZigBee技术联盟制定，而具体的应用层则是根据用户自己的需要而开发的。作为一门新兴的技术，ZigBee技术已经在国内外引起了不少人的关注，ZigBee联盟目前已经拥有220多个成员。本课题正是看到了ZigBee技术的蓬勃发展，开始对ZigBee技术进行研究。由于本实验室初次涉及ZigBee技术的研究，本课题从ZigBee的协议栈开始，深入理解Zigbee技术的整个工作流程以及各个层的功能；采用PICl8LF4620单片机和CC2420无线收发模块作为硬件平台，在Mircochip的精简ZigBee协议栈上着手组建一个包含多个节点的ZigBee无线星型网络；本课题的最后部分还提出了一种不完全符合ZigBee协议规范的树型网络的设计思路。通信测试表明，本课题所设计组建的无线星型网络工作稳定，能够用于一些小型的任务中(比如小型的无线传感网络)。为了完善和提高网络的性能，未来还将做进一步的改进。7.学位论文王彬煤矿瓦斯监测层次型无线传感器网络的实现2007我国煤矿自然条件复杂，安全隐患较多，现有的有线监控系统由于自身的局限性还难以对井下重要环境参数——瓦斯实施全面、灵活的监测，不可避免地留下大量的安全隐患。在有线监控系统的基础上进一步融合基于无线传感器网络的无线瓦斯监测系统，构成煤矿安全监测无线与综合信息系统，将极大地提高煤矿瓦斯监测与预警水平。正是在这种背景下，本文提出一种适合于煤矿巷道瓦斯监测的层次型无线传感器网络系统。层次型无线传感器网络的节点在硬件上主要由四部分组成——处理器模块、无线通信模块、传感器模块和能量供应模块。网络的软件平台是在ZigBee协议栈基础上开发设计的，ZigBee技术是一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术，适用于要求低成本、低功耗的煤矿瓦斯监测无线传感器网络。根据煤矿瓦斯监测的需求，本文设计了层次型无线传感器网络的拓扑控制机制，论述了网络的拓扑生成过程，拓扑结构发生变化时的相应处理以及网络的重启机制；并根据此拓扑控制机制设计了网络的路由机制。在煤矿环境监控过程中，工作人员需要周期性获得监测区域的瓦斯浓度信息，以便随时掌握监测区域环境的变化情况，并对未来可能发生的事故做出预测，