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基于ZigBee技术的无线传感器网络的研究与实现

林子敬  
【摘要】: 集成智能传感器技术、微机电系统技术和网络通讯技术三大技术而形成的无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术(任丰原等,2003),具有非常广阔的应用前景,是当前国际上备受关注的、多学科高度交叉的新兴前沿研究热点之一。无线传感器网络一般由大量廉价的微型传感器节点组成,因此如何在有限的硬件条件下实现大规模自组织网络的高效通信为无线传感器网络协议提出了新的挑战。 IEEE 802.15.4标准是IEEE针对低速率无线个人区域网络(Low-rate Wireless Personal Area Network, LR-WPAN)制定的标准,旨在为低功耗的通信设备提供一种经济、高效的无线网络。ZigBee协议采用IEEE802.15.4标准的物理层和链路层,并在其上增加了网络层、安全模块和应用支持子层等模块,从而实现了大区域网络覆盖。ZigBee由于其在低功耗、低复杂度、自组织等方面的优势,逐渐成为了无线传感器网络的首选通信协议。 本文主要研究基于无线传感器网络的机器人导航应用中ZigBee协议的相关技术。首先分析无线传感器网络的特点,探讨无线传感器网络的体系结构及其相关应用,并介绍ZigBee各层网络协议。随后,针对ZigBee路由发现方法需要消耗大量通信代价的缺点,提出一种基于受限泛洪的路由发现方法,仿真实验结果表明该方法能够有效的降低路由发现的通信代价。另外,本文还针对ZigBee路由协议在机器人导航应用中的不适应性,提出一种改进的树形路由协议TR4MRN,它采用一种基于代理节点的方法实现移动节点的动态路由,同时采用单向连接树形拓扑方法,增大了网络覆盖面,提高了网络自愈能力。最后,在本实验室研制的CC2431无线传感器网络节点平台上实现一个ZigBee协议栈,并通过协议性能和功能测试以及机器人导航系统的搭建,验证了该协议栈可行性。 本文的研究内容得到了国家自然科学基金项目的资助,项目编号60535010。


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