發(fā)布時間：2014-12-31 10:57

 

【摘要】 IEEE802.15.4/ZigBee作為一種專門應用于無線傳感器網(wǎng)絡領(lǐng)域的短距離、低復雜度、低速率、低成本的無線通信技術(shù)，已經(jīng)被廣泛應用于各個領(lǐng)域中。與其它網(wǎng)絡通信技術(shù)不同，ZigBee是一種能量受限的網(wǎng)絡，在其運行過程中能量極其有限。因此如何保證在有限的能量中最大限度延長ZigBee網(wǎng)絡生存周期已經(jīng)成為人們?nèi)找骊P(guān)注的問題。首先，結(jié)合熱計量表物聯(lián)網(wǎng)應用中ZigBee網(wǎng)絡特有的拓撲結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸模型，提出了一種能量均衡的L-ZBR(Leach ZigBee Routing)路由算法，該算法依據(jù)網(wǎng)絡規(guī)模及拓撲信息通過對簇頭關(guān)鍵節(jié)點設定能量閥值，對能量消耗達到閥值的簇頭關(guān)鍵節(jié)點動態(tài)尋找其子路由節(jié)點的代理父節(jié)點，通過代理父節(jié)點建立輔助路由路徑，經(jīng)由輔助路由路徑分擔原簇頭關(guān)鍵節(jié)點數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務。其次，通過分析和研究IEEE802.15.4組網(wǎng)連接機制，針對在組網(wǎng)過程中，新節(jié)點選擇距離最近候選節(jié)點作為父節(jié)點易造成網(wǎng)絡總體深度增加，節(jié)點負載不均衡的問題，提出了一種綜合考慮候選父節(jié)點深度和負載狀態(tài)的LRZ(Linear RegressionZigBee)組網(wǎng)算法，通過對候選父節(jié)點設置深度和負載權(quán)重，應用最小二乘法原理，從候選父節(jié)點中選擇最優(yōu)的節(jié)點作為子節(jié)點的入網(wǎng)父節(jié)點。最后，在NS2上構(gòu)建ZigBee仿真平臺，分別對L-ZBR路由算法和LRZ組網(wǎng)算法進行模擬仿真，并從網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)、生存周期、死亡節(jié)點數(shù)目、分組遞交率、網(wǎng)絡剩余能量等五方面對改進前后算法進行了性能比較分析。

第 1 章 緒 論

 

1.1 課題背景與意義

目前在我國大部分地區(qū)還是執(zhí)行按建筑面積計算熱費的供熱收費體制[1]，在這種供熱體制下由于居民用戶沒有供熱調(diào)節(jié)手段，不能根據(jù)用戶自己要求調(diào)節(jié)供熱水平，所以節(jié)約用熱積極性不高，其次對于熱力公司來說，由于收費困難，技術(shù)創(chuàng)新和設備改造積極性也遭受挫折。因此我國供熱一直處于較低水平，導致熱力資源的極大浪費。在這種背景下，國家相繼提出了許多節(jié)能降耗計劃，提出居民供熱體制改革，居民用熱不能粗放式按面積收費，要依照多用多付，少用少付的原則，進行熱計量收費。因此分戶熱計量、精確計量技術(shù)得到了大大的推進，大量的熱計量儀表也安裝到了居民小區(qū)中。隨著用戶熱量表使用越來越多，相應大量計量表數(shù)據(jù)抄收就成為一個關(guān)鍵問題。以往人工方式抄收，會造成了人力、物力及時間上的浪費。同時，原有的人為抄表方式還經(jīng)常會出現(xiàn)錯抄、漏抄等現(xiàn)象，不能保證數(shù)據(jù)的準確性。所以實現(xiàn)一種智能、快捷、實時、準確的熱量數(shù)據(jù)采集方案是非常有必要的，同樣也是時代發(fā)展的要求。

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1.2 IEEE802.15.4/ZigBee 研究現(xiàn)狀

1.2.1 IEEE802.15.4 研究現(xiàn)狀

IEEE802.15.4 工作組于 2000 年 12 月成立[11-12]，其致力于定義一種設備成本低并具有低功耗、低復雜以及低速率特點的短距離無線通信技術(shù)。IEEE802.15.4 標準正式通過于 2003 年 5 月，定義了媒體訪問控制層和物理層規(guī)范[13-15]。目前低速率無線個域網(wǎng)的研究還是主要集中在仿真和實驗階段，現(xiàn)階段研究方向主要集中在低功耗、安全性，路由機制以及其他特殊的應用場景下。在關(guān)于網(wǎng)絡低功耗方面Neugebaure 提出了一種基于星型網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的針對 BO 自適應的新型算法，并分析了該算法的性能。Shu 應用一種基于 C 開發(fā)的 IEEE802.15.4 的仿真模型，通過全局的最優(yōu)算法，最小化整個網(wǎng)絡的能量消耗。

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第 2 章 基于 ZigBee 技術(shù)的熱計量表物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)

 

2.1 熱計量表物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)研究
基于 ZigBee 技術(shù)的熱計量表物聯(lián)網(wǎng)其總體功能主要是對用戶熱計量表數(shù)據(jù)進行定期抄收以及對用戶的用熱情況進行實時監(jiān)測和管理，從而實現(xiàn)熱量數(shù)據(jù)的遠程抄收，構(gòu)建真正的智能熱網(wǎng)。熱計量表物聯(lián)網(wǎng)總體采用物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中的分層模式，主要分為三層，ZigBee 網(wǎng)絡感知層、GPRS 網(wǎng)絡傳輸層、遠程熱量數(shù)據(jù)管理中心應用層。熱計量表物聯(lián)網(wǎng)總體結(jié)構(gòu)如圖 2-1 所示。

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2.2 熱計量表物聯(lián)網(wǎng)特點分析和性能指標

2.2.1 熱計量表物聯(lián)網(wǎng)特點分析

基于 ZigBee 技術(shù)的熱計量表物聯(lián)網(wǎng)總體采用物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)模型，本身具有物聯(lián)網(wǎng)特性，但是由于它的特殊應用環(huán)境又使其具有一些不同與物聯(lián)網(wǎng)的自身特殊性質(zhì)，基于 Zigbee 技術(shù)的熱計量表物聯(lián)網(wǎng)特點主要包括以下幾方面。
(1)基于 ZigBee 技術(shù)的熱計量表物聯(lián)網(wǎng)主要是長期對熱計量表狀態(tài)進行監(jiān)測以及采集相關(guān)熱量數(shù)據(jù)，如出口溫度，入口溫度、流速、總流量、總熱量、工作時間、熱表狀態(tài)等。
(2)在熱計量表物聯(lián)網(wǎng)中，一般以樓棟為一個單位構(gòu)建局部 ZigBee 網(wǎng)絡，筆耕文化推薦期刊，局部ZigBee 網(wǎng)絡采用網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)，所有節(jié)點均為全功能設備 FFD[33]。
(3)在熱計量表物聯(lián)網(wǎng)中，ZigBee 網(wǎng)絡通信大都基于熱量采集節(jié)點(熱計量表)與中 ZigBee 心協(xié)調(diào)器(數(shù)據(jù)集中器)之間，普通數(shù)據(jù)采集節(jié)點之間不存在通信，數(shù)據(jù)傳輸具有一定的匯聚性和爆發(fā)性。

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第 3 章 能量均衡的 L-ZBR 路由算法......................16
3.1 無線傳感器路由協(xié)議研究 ....................... 16
3.2 ZigBee 路由算法分析 .................. 18
3.3 能量均衡的 L-ZBR 路由算法................... 21
3.4 本章小結(jié)......................... 26
第 4 章 LRZ 組網(wǎng)算法.....................27
4.1 ZigBee 網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)研究 ............... 27
4.2 ZigBee 組網(wǎng)算法分析 .................... 31
4.3 LRZ 組網(wǎng)算法 ................ 33

4.4 本章小結(jié)..................... 39

 

第 5 章 ZigBee 路由協(xié)議 NS2 仿真分析

 

5.1 NS2 網(wǎng)絡仿真平臺概述
NS2 它是一種面向?qū)ο�，離散時間驅(qū)動的網(wǎng)絡環(huán)境模擬器。NS2 最早源于 1989年的 Real Network Simulator 項目[46]，此項目是由美國施樂(Xerox)公司支持，美國California 大學 Berkeley 分校開發(fā)的。NS2 平臺是一種完全免費并且向使用者提供公開的源代碼的網(wǎng)絡仿真工具，使用者不需要支付任何費用，甚至可以參與到軟件的開發(fā)中來。時至今日，NS2 所包含的組件已經(jīng)非常豐富，幾乎涵蓋了網(wǎng)絡技術(shù)的所有方面[46]。NS2 現(xiàn)有模塊主要包括[47]：
(1)網(wǎng)絡傳輸協(xié)議，如 TCP、UDP。
(2)隊列管理機制，如 RED、CBQ、Droptail。
(3)路由算法，如 TORA、DSR、AODV、AOMDV。
(4)MAC 協(xié)議，如 802.3、802.11、802.15.4、SMAC。
(5)業(yè)務流產(chǎn)生器，如 VBR、CBR、FTP。

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結(jié) 論

 

ZigBee 技術(shù)作為一種新型的無線傳感器網(wǎng)絡標準依靠其低能耗、低成本、低延時、高可靠性等優(yōu)勢有著很好的研究價值和應用前景。隨著 ZigBee 技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，其必將成為無線通信領(lǐng)域的一個璀璨新星，將為人們的工作和生活帶來一場新的信息革命。本課題以科技部科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金管理中心資助的基金項目“新型超聲波熱量表及其遠程服務系統(tǒng)網(wǎng)絡設計及應用”（課題編號：11C26211300385），以及秦皇島市科學技術(shù)局的基金項目“新型超聲波熱量表的機構(gòu)設計及網(wǎng)絡傳輸技術(shù)研究”（課題編號：秦科技[2011]53 號）為應用背景，圍繞 IEEE802.15.4 組網(wǎng)方式和 Zigbee 路由算法的研究而展開。本文在全面介紹 ZigBee 協(xié)議棧和 ZigBee 網(wǎng)絡層技術(shù)的基礎上，重點對 IEEE802.15.4 組網(wǎng)機制和 ZigBee 路由協(xié)議進行了研究。本課題的研究成果主要包括以下幾方面。

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參考文獻:

[1] 杜青松,朱江,張爾揚.  基于閑時逆尋和路由學習機制的優(yōu)化AODV路由協(xié)議[J]. 通信學報. 2011(08)
[2] 謝川.  基于ZigBee的AODVjr算法研究[J]. 計算機工程. 2011(10)
[3] 周峰.  NS2在網(wǎng)絡仿真中的數(shù)據(jù)分析[J]. 科技創(chuàng)新導報. 2010(24)
[4] 張擎,劉淑美,柴喬林.  能量高效的ZigBee網(wǎng)絡改進路由策略[J]. 計算機工程. 2010(07)
[5] 李云潔.  新興低速近距離無線通信技術(shù)簡介[J]. 移動通信. 2008(06)
[6] 任秀麗,于海斌.  ZigBee無線通信協(xié)議實現(xiàn)技術(shù)的研究[J]. 計算機工程與應用. 2007(06)
[7] 耿萌,張效義,于宏毅.  Zig Bee路由技術(shù)研究[J]. 傳感器與微系統(tǒng). 2006(11)
[8] 吳鍵,袁慎芳.  無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的設計和實現(xiàn)[J]. 儀器儀表學報. 2006(09)
[9] 任志宇,任沛然.  物聯(lián)網(wǎng)與EPC/RFID技術(shù)[J]. 森林工程. 2006(01)
[10] 朱向慶,王建明.  ZigBee協(xié)議網(wǎng)絡層的研究與實現(xiàn)[J]. 電子技術(shù)應用. 2006(01)



本文編號：10956