论文摘要
随着网络和通信技术的发展,近距离、低速、低成本的无线技术吸引了众人的目光。ZigBee作为一种新兴的短距离无线通信技术,具有简单易用、近距离、低速率、低功耗且成本低廉等特点。这些特点使该技术能够广泛地应用于工业控制、家庭自动化、医疗护理、智能农业、消费类电子和远程控制等领域。尤其对工业控制、家庭自动化和遥测遥控领域而言,以往的无线通信技术诸如蓝牙等存在实现过于复杂、功耗大、传输距离近、组网规模太小等缺点,而ZigBee技术的出现弥补了无线通信技术在实际应用中的不足。本文以深入分析ZigBee标准为基础,全面地分析了ZigBee地址分配、组成簇、路由选择等问题,指出了当前的ZigBee标准在地址分配方面的不足之处,针对以上问题提出了一种改进的ZigBee无线传感器网络的地址扩展机制及其对应的路由选择算法,对提出的改进机制及路由算法进行了具体系统实现,并通过模拟仿真验证了提出的改进机制的有效性。论文的主要贡献如下：1)提出了一种ZigBee无线传感器网络的可扩展的分布式地址分配机制。ZigBee标准提出的分布式地址分配机制具有一些缺点：扩展深度的问题、浪费地址、地址不足等。本文首先分析ZigBee分布式地址分配机制和它在具体应用中存在的缺点,综述了目前针对该缺点的研究领域所做的各种研究成果,提出了一种可扩展的分布式地址分配机制。该方法在组成初期均匀树之后,随着网络的扩张,需要添加新均匀树,因此是对应全体网络拓扑的不均匀性的地址分配机制。提出的机制根据地址不足及网络使用的必要性适当地组成层次簇树,在每个簇树内仍然利用ZigBee分布式地址分配机制。用MATLAB编程模拟程序确认提出机制的地址分配成功率。仿真结果表明,与ZigBee标准的分布式地址分配机制相比,本文提出的扩展地址分配机制提高地址分配率。2)提出了一种采用邻居节点的ZigBee路由选择算法。ZigBee协议的一个主要目的是实现不受时间、场所等条件制约的数据传输。ZigBee按深度顺序分配地址,并按此地址进行路由选择。ZigBee标准用层次路由和路由发现算法进行路由选择。层次路由算法的缺点是因为用层次簇树,虽然目的地节点在一跳距离内,但如果没连接为簇结构,则不能直接传输数据,却需要通过父节点、协调器远距离地多跳传输。路由发现为了解决此问题,提出在一跳距离内的节点之间的通信算法,但还是具有缺点。本文分析为了改进ZigBee路由算法的以往的研究,提出了一种采用具有邻节点表的邻居节点的路由选择算法,对以往的ZigBee的路由选择算法进行了有效优化,从而达到提高网络效率和节省网络整体能耗的目的。仿真结果确认,与层次路由、路由发现相比,提出机制减少数据传输跳数和传输能量。3)提出了一种基于代理传输的簇头替换延期机制。每个传感器确定位置后几乎换不了电池,在无线传感器网络中有效地管理能量是非常重要问题之一。在ZigBee标准中,因为全节点组成均匀树,按此树进行数据通信,所以簇头节点的能量消耗比一般节点较多,死亡速度也较快。本文考察在能量有效的路由协议研究中较多的基于簇、树、链的路由协议的研究,提出了在ZigBee环境下为了有效地利用能量的簇组成机制。为了减小簇头死亡速度,该机制将初始簇组成得全网能耗均匀,为了减少由于频繁的簇再组成的能量消耗,用两个临界值进行代理传输及簇头替换。通过模拟分析证明提出机制的优势。仿真结果表明,与传统的ZigBee标准、LEACH、PEGASIS相比,提出的机制减少了节点死亡速度,延长全网络寿命。4)实现对于结合三个机制的ZigBee协议系统。本文为了进一步升级ZigBee协议的性能,提出了关于ZigBee的三个主要协议；扩展的分布式地址分配机制、采用邻居节点的ZigBee路由选择算法、基于代理传输的簇头替换延期机制。本文考察对于结合该三个机制的ZigBee协议的簇组成、地址分配方法、路由选择算法。最后通过模拟实验确定结合系统的优点。