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基于实时操作系统的ZigBee协议MAC与网络层研究与实现

2020-12-13阅读(823)

基于实时操作系统的ZigBee协议MAC与网络层研究与实现

论文摘要

ZigBee是近几年迅速发展起来的一项具有低功耗、低成本、低传输速率特点的无线传感网络（Wireless Sensor Network,简称WSN）通讯协议,非常适用于目前迫切需要发展的智能家居、智能农业、工业数据采集等领域。目前WSN各应用领域的飞速发展对通讯协议的数据传输稳定性、吞吐量、通讯实时性等基本性能都提出了更高的要求。其中,协议的实时响应时间直接影响着通讯协议栈所能达到的最大数据发送频率,这在很大程度上也就决定了WSN的通讯性能,制约着ZigBee协议在一些对通讯实时性要求较高的领域的发展。目前世界上主流的ZigBee协议栈,要么没有采用操作系统（如Microchip Stack）,导致代码凌乱、效率低下；要么采用的操作系统只是简单的实现了多任务调度并不是实时的（如TI Z-Stack）,从而严重影响了协议栈的实时性、吞吐量,并且因为源代码不公开无法对其进行改进。本文将从FreeRTOS实时操作系统入手,系统的阐述针对WSN的工作特点对操作系统内存管理和时间片进行的改进,并首次在该改进的FreeRTOS实时操作系统上独立实现了ZigBee的MAC层和网络层协议栈。通过对协议栈的实验及性能分析证明该协议栈在实时性、吞吐量方面有了显著提高,并且在低功耗、可靠性等方面表现优秀,真正地从实际应用角度开发出了适合工业应用的ZigBee协议栈。本文主要工作内容如下：I.通讯协议实现的硬件平台搭建。本文以MSP430F5438单片机和CC2420射频芯片为主要模块,为ZigBee协议的实现搭建了稳定的硬件工作平台。II.实时操作系统。选用开源且免费的FreeRTOS实时操作系统为母本,将经过统一内存管理与变时间片技术改进过的实时操作系统应用到ZigBee协议中去,为提高通讯协议的实时性、降低功耗打下基础。Ⅲ.ZigBee协议的MAC层实现。利用Cygwin、IAR Embedded Workbench开发平台采用C语言在实时操作系统的基础上实现了ZigBee协议栈MAC层。Ⅱ. ZigBee协议的网络层实现。用上述工具对ZigBee网络层做了代码实现。Ⅴ.实验与分析。对协议的可靠性、吞吐量、实时性、功耗性能进行测试,并作了对比分析。最后,对本文所做的工作以及获得的成果经验进行了简单总结,并且分析了本文的不足之处以及有待进一步解决的问题。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 缩略词
  • 第1章 绪论
  • 1.1. 课题背景
  • 1.2. WSN协议的研究现状
  • 1.3. 本文主要工作及章节安排
  • 第2章 无线传感节点硬件设计
  • 2.1. 无线传感节点结构概述
  • 2.2. 处理器模块
  • 2.3. 无线射频模块
  • 2.4. A/D转换模块
  • 2.5. 串行通讯模块
  • 2.6. 电源模块
  • 2.7. 本章小结
  • 第3章 FreeRTOS实时操作系统
  • 3.1. 实时操作系统概述
  • 3.2. 实时操作系统对WSN的重要性
  • 3.3. FreeRTOS实时操作系统简介
  • 3.4. 改进后的FreeRTOS
  • 3.4.1. 内存管理
  • 3.4.2. 时钟的定时时间片
  • 3.5. 本章小结
  • 第4章 ZigBee协议MAC层设计与实现
  • 4.1. WSN中的MAC协议分析
  • 4.1.1. MAC层职责及能量消耗分析
  • 4.1.2. MAC层分类介绍
  • 4.2. ZigBee的MAC层协议概述
  • 4.3. ZigBee协议MAC层功能实现
  • 4.3.1. MAC层基本属性的设置功能
  • 4.3.2. 信道扫描功能
  • 4.3.3. 网络信息更新
  • 4.3.4. 网络设备连接和断开
  • 4.3.5. 帧的收发
  • 4.4. ZigBee协议MAC层综合功能程序设计
  • 4.4.1. PAN的构建及管理
  • 4.4.2. 通讯任务
  • 4.5. MAC层实验与性能分析
  • 4.5.1. 点对点数据收发实验
  • 4.5.2. 多对一数据收发实验
  • 4.5.3. CSMA-CA算法测试实验
  • 4.5.4. 功耗测试
  • 4.6. 本章小结
  • 第5章 ZigBee协议网络层设计与实现
  • 5.1. ZigBee网络层概述
  • 5.2. 网络层拓扑结构
  • 5.3. 网络层基本功能实现
  • 5.3.1. 数据实体功能
  • 5.3.2. 管理实体功能
  • 5.4. 网络地址分配
  • 5.5. 路由算法
  • 5.6. 网络层实验及性能分析
  • 5.6.1. 组网实验
  • 5.6.2. 网络可靠性实验
  • 5.6.3. 网络健壮性测试
  • 5.7. 本章小结
  • 第6章 总结与展望
  • 6.1. 本文主要工作
  • 6.2. 后续研究工作
  • 附录A 开发环境
  • 附录B 部分程序源代码
  • 参考文献
  • 致谢
  • 硕士研究生期间发表（录用）论文与参与项目
  • 学位论文评阅及答辩情况表

    • 相关论文文献

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