基于ZigBee网状结构的无线温度传感网络研究与设计

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近年来,随着传感器技术、嵌入式技术和无线通信技术的不断发展,无线传感器网络成为在国际上备受关注的前沿热点领域。它在工业、农业、军事、科研等领域均有广阔的应用前景。ZigBee是近年来发展起来的以IEEE802.15.4协议为基础的无线通信技术,其近距离、低速率、低成本的特点是无线传感网络领域无线通信技术的理想选择。  传感器网络在实际应用中可能布置于各种复杂环境中,传感节点可能因为环境因素造成失败或者发生动态移动和能量耗尽的情况。本文设计实现基于ZigBee网状结构的无线温度传感网络(Temperature Wireless Sensor Networksbased on ZigBee Mesh),在本文中简称ZM_TWSN,文中充分考虑到无线传感网络在应用的各种异常情况,对ZigBee网状结构的路由算法和路由机制进行深入研究,提出了具有低功耗、短时延、动态和灵活组网特性的无线网络组网方案,实现对一定区域环境中温度参数的实时监测和预警。  本文在对ZigBee无线传感网络相关技术进行研究的基础上,确定了ZM_TWSN的目标与需求。然后对ZigBee拓扑结构类型进行研究对比,得出ZigBee网状网络具有的优势。研究网状网络Cluster-Tree和AODVjr路由算法,提出采用基于数据特性的策略对ZigBee协调器、路由器和终端设备进行路由算法的选择。经以上研究提出ZM_TWSN无线网络组网方案。组网方案确定后,分别从总体、硬件和软件对ZM_TWSN进行设计实现,总体设计确定了ZM_TWSN总体结构,硬件选用JN5148 ZigBee硬件芯片和DS18B20温度传感器,设计出ZigBee协调器、终端设备和路由器关键设备的板卡原型。软件对ZigBee PRO协议栈进行研究,重点对ZigBee协调器、路由器和终端设备节点的软件进行详细设计。最后对设计完成的ZM_TWSN进行集成与测试。  ZM_TWSN采用ZigBee网状网络拓扑结构基于数据特性的路由选择策略,硬件设计启用看门狗,软件组网采用状态机,来应对无线传感网络应用中可能出现的各种异常情况,保障无线温度传感网络长久稳定地运行。经测试证实ZM_TWSN能够实现温度参数的监控功能。ZigBee无线网络满足自组织、自修复、动态组网、低功耗和短时延的目标。这也是本文的优势所在。
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