基于低功耗蓝牙MESH的组网系统的研究与设计

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随着社会的高速发展,智能物联网已越来越多地应用在各个领域当中。物联网讨论最多的就是数据传播的载体,当前常见的方式有Wifi和Zigbee,但是Zigbee的设备支持率不高,且需要对设备进行特殊配置,而Wifi虽然常用于日常生活当中,但是却有传输功耗较大的缺陷。本文针对传统Mesh网络节点负载较大,功耗较高的缺陷,以低功耗为主要研究方向,设计一种以低功耗蓝牙为传输载体的应用于小型物联网范围的Mesh网络系统,实现局域网范围内的低功耗应用网络。主要的研究内容有:1、设计一种Mesh网络体系结构,以低功耗蓝牙为传输媒介,以“单连接、多广播”为蓝牙通信方式,实现多用户、多时段共同工作的功能,初步实现小范围物联局域网的模型。2、定义网络建立和网络维护过程,详细描述节点入网、节点退网、工作反馈和数据共享的逻辑过程,并且自定义设备端的节点状态,网络通信报文和不同情景下的网络数据包,满足网络中所有数据交互的需要。3、以洪泛路由为基础,设计一种改进的路由策略。以临近节点集作为主要路由基准,确定到每个节点的唯一路由路径,降低冗余数据包在网内传输的次数,提高数据传输速率,降低路由负载;网内设备节点根据邻近节点集设置定时器,周期性地切换开发板工作模式,降低自身的运行功耗。同时使用NS-2网络仿真器对优化路由进行仿真和分析,证明路由策略的有效性和可行性。4、分别对低功耗设备节点、手机控制端以及Mesh服务器进行设计和实现。设备节点实现BLE数据通信,临近节点信息获取,外接设备驱动控制和工作模式切换等功能;手机控制端实现低功耗蓝牙设备发现,Mesh网络建立和维护,设备节点工作控制等功能,同时针对控制端低功耗蓝牙连接对象复用性低的弊端,提出新的重连规范,并在系统测试章节对重连规范进行测试;服务器实现Mesh网络信息数据存储、备份和共享,多用户信息存储和共享的功能,是多用户、多控制端介入Mesh网络的中继。5、对最终实现的网络系统进行系统测试。以各模块成品操作和Packet Sniffer软件抓包作为主要的测试手段,结果证明网络系统功能良好,满足总体设计要求。相比于常规Mesh网络,本文设计的网络系统在设备功耗上平均降低了13.34%;数据传输成功率最低为98.46%,属于无线网络传输的合理范围,同时针对提出的重连规范进行了多次重连测试,相比普通重连的方式,在成功率上平均提升了一倍,极大地增加了连接对象的复用率。
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