基于Zigbee协议的温室无线传感器网络设计

论文摘要

信息获取技术是设施农业发展的关键技术之一。无线传感器网络是由现代三大信息技术（传感器技术、无线通信技术和计算机技术）高度集成的全新的信息获取和处理技术,能够满足设施农业的生产要求。本文的研究在“温室大棚群环境信息精确监测与预警系统”项目的支持下,基于Zigbee协议实现了多跳温室无线传感器网络。无线传感器网络是温室环境信息监控系统的重要组成部分,负责将传感器节点组成一个整体,汇聚环境信息并按时发送到网关节点,最后发送到终端设备。本文从协议角度来分析温室无线传感器网络监测系统的实现原理,主要研究内容如下：（1）对短距离通信协议、WSN国内外研究现状进行分析。分析研究IEEE 802.15.4通信规范及Zigbee协议技术标准,介绍Zigbee协议网络结构及各层负责的任务。将Zigbee技术和其它无线通信协议进行比对,得出Zigbee协议适用于温室生产的优点。最终选定Z-Stack2006版本协议栈组建无线传感器网络。（2）使用IAR集成开发环境进行Z-Stack协议栈编译和移植,并对网络拓扑结构、无线信号信道、路由深度和容量等网络特性进行配置。分析OSAL操作系统,研究并实现在OSAL操作系统中进行任务添加和对硬件资源进行管理。（3）分析协调发起网络过程、路由器及终端设备进入网络的过程。通过协议分析仪捕捉无线信号,分析研究网络建立过程中协调器节点发起网络、路由器节点加入网络的数据帧。（4）WSN的应用中节能是首要问题。通过分析WSN路由协议作用、拓扑控制在WSN中的地位和意义,重点研究LEACH算法中簇的形成以及对网络能量消耗的影响。在此基础上,针对温室大棚环境下的网络需求,对网络拓扑结构进行比较优化,得出适合温室大棚的拓扑结构,并进行测试。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 WSN在温室中的应用
• 1.4 研究内容与论文结构
• 第二章 无线传感器网络通信标准
• 2.1 IEEE 802.15.4标准
• 2.1.1 PHY层简介
• 2.1.2 MAC层简介
• 2.2 Zigbee协议概述
• 2.2.1 Zigbee简介
• 2.2.2 技术特点
• 2.2.3 应用领域
• 2.2.4 Zigbee与其他通信协议区别
• 2.3 Zigbee网络结构
• 2.3.1 Zigbee网络的设备分类
• 2.3.2 Zigbee网络拓扑结构
• 2.4 Zigbee协议栈
• 2.4.1 Zigbee物理层（PHY）
• 2.4.2 Zigbee访问控制层（MAC）
• 2.4.3 Zigbee网络层（NWK）
• 2.4.4 Zigbee应用层（APL）
• 2.5 本章小结
• 第三章 Z-Stack移植及OSAL操作系统
• 3.1 IAR7.30集成开发工具
• 3.2 Z-Stack2006协议栈构架
• 3.3 Z-Stack的移植
• 3.3.1 IAR7.30相应设置
• 3.3.2 存储区调整
• 3.3.3 烧写IEEE地址
• 3.3.4 网络类型配置
• 3.3.5 路由深度及网络容量配置
• 3.3.6 RF发射功率配置
• 3.4 OSAL操作系统
• 3.4.1 操作系统原理
• 3.4.2 操作系统主要函数
• 3.4.3 添加任务
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于Z-Stack的组网分析
• 4.1 协调器建立网络
• 4.1.1 协调器网络层主要功能
• 4.1.2 协调器启动网络的流程
• 4.1.3 协调器主程序
• 4.2 路由器加入网络
• 4.2.1 路由器网络层主要功能
• 4.2.2 路由器加入网络流程
• 4.2.3 路由器主程序
• 4.3 终端节点
• 4.3.1 终端节点网络层功能
• 4.3.2 终端主程序
• 4.4 用协议分析仪捕捉信号
• 4.5 本章小结
• 第五章 无线传感器网络路由协议分析与改进
• 5.1 无线传感器网络路由协议
• 5.1.1 路由协议概述
• 5.1.2 拓扑控制的意义
• 5.1.3 无线传感器网络的拓扑结构
• 5.2 无线传感器网络的分簇算法
• 5.2.1 LEACH算法概述
• 5.2.2 LEACH算法研究
• 5.2.3 LEACH算法关键技术
• 5.3 大棚环境内算法的改进
• 5.3.1 温室大棚环境特点
• 5.3.2 温室大棚内的能耗模型
• 5.3.3 温室大棚内的能耗计算
• 5.4 能耗实验
• 5.4.1 实验环境
• 5.4.2 实验结果
• 5.5 系统测试
• 5.5.1 系统部署方案
• 5.5.2 系统健壮性测试
• 5.6 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介