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毕业论文-基于低功耗Zigbee协议栈分析与设计-毕业论文下载
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基于低功耗Zigbee协议栈分析与设计
关键词：Zigbee协议栈
无线传感器网络
【摘要】：Zigbee技术作为一种新兴的低功耗的网络技术,被誉为是最有可能改变人类未来生活方式的通信技术,具有重要的现实意义。如何最大限度的减少网络组建与维护的信息量,覆盖更广阔的地域,并保证网络通信的高实时性与可靠性成为Zigbee网络应用亟待解决的问题。 尽农牧民Zigbee技术已经大大简化了网络协议中的数据通信复杂度,但传统的网络组建与维护仍存在较为复杂的环节,如为平衡能量而进行定期的簇头选举过程,路由的维护过程等。同时传统的Zigbee网络按照节点功能的不同将其分为全功能节点与半功能节点,每个私有区域网络PAN内,半功能节点间不能相互通信,只能通过单跳连接全功能协调器节点进行数据转发,网络无法实现双向交互,更不能与其他网络交互。这都导致Zigbee网络的实用范围大幅减少,至今还没有形成成型的并且成体系的网络应用。 针对现有Zigbee网络不能双向通信,并且无法与其他网络交互的问题,本文提出了一种基于GPRS与Zigbee相结合的网络架构；同时针对目前Zigbee网络路由维护复杂,无法实现多跳网络拓扑的问题,设计了适合Zigbee网络的基于层次的路由算法,解决了现有网络无法实现多跳网络拓扑,网络节点不能双向通信并且无法与公有网络交互的问题。本文研究并分析了Zigbee协议各个层次提供的服务与功能,在此基础上提出了自适应的层次网络路由算法,并且详细论述了基于层次的Zigbee网络的构建方法与维护过程。此外在中心节点的设计上引进了GRPS模块,使得Zigbee网络与公共网络能够相互通信,从而实现了Zigbee网络的远程控制与数据展示。通过CC2530节点构成了无线传感器网络的采集终端,并通过集成在Sink节点的GPRS模块实现Zigbee网络数据的汇总、上传与远程交互。实验结果表明,本文实现的Zigbee网络维护开销较小,数据可靠性与实时性都较高,能够实现多跳网络拓扑,并能够与公网结合,实现了Zigbee网络的远程控制。通过对Zigbee网络拓扑的形成,原始数据的读取,网络的实时维护,节点有效时间的更新等方面进行的实验测试与分析,以及对整体网络性能的测试,证明了该设计能够达到Zigbee网络的实际应用要求,较好的结合了GSM网络实现了Zigbee网络数据的远程展示与交互。【关键词】：Zigbee协议栈
无线传感器网络
【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2012【分类号】：TN929.5;TP212.9【目录】：摘要4-5Abstract5-7目录7-91. 引言9-18 1.1 ZIGBEE技术介绍9-12
1.1.1 Zigbee协议栈体系结构9-10
1.1.2 Zigbee各层功能交互10-11
1.1.3 Zigbee技术的通信方式11-12 1.2 研究背景12-13 1.3 研究的目的与意义13 1.4 国内外研究现状13-15
1.4.1 国外研究现状13-14
1.4.2 国内研究现状14-15
1.4.3 目前存在的问题15 1.5 可行性分析15 1.6 本文的研究思路15-16 1.7 论文的组织结构16-182. 协议栈MAC功能分析18-23 2.1 概述18 2.2 MAC层帧结构18-20
2.2.1 MAC层通用帧格式18-19
2.2.2 四种典型MAC帧格式19-20 2.3 MAC层数据传输机制20-21
2.3.1 CSMA CA传输机制20
2.3.2 应答重传机制20-21 2.4 MAC层服务21-22
2.4.1 MAC层数据服务21
2.4.2 MAC层管理服务21-22 2.5 能耗分析22 2.6 小结22-233. 协议栈网络层功能分析与设计23-38 3.1 概述23 3.2 网络层帧结构23 3.3 ZIGBEE设备与网络拓扑结构23-25 3.4 网络层服务25-27
3.4.1 网络层管理服务26-27
3.4.2 网络层数据服务27 3.5 层次化路由算法27-32 3.6 节点地址分配32-33 3.7 层次化网络的组建与维护33-37
3.7.1 网络的建立33-34
3.7.2 新节点的加入34-36
3.7.3 网络的维护36-37 3.8 与传统方法的比较37 3.9 小结37-384. 协议栈软件设计38-51 4.1 开发环境简介38-40 4.2 终端节点程序设计40-45
4.2.1 终端节点设计概述40-41
4.2.2 终端节点的通信接口41-44
4.2.3 通信接口一览表44
4.2.4 终端节点的函数流程44-45 4.3 SINK节点程序设计45-49
4.3.1 Sink节点设计概述45-46
4.3.2 CC2531模块的接口函数46-48
4.3.3 Sink节点的函数流程48-49 4.4 上位机测试程序设计49 4.5 与传统方法的比较49-50 4.6 小结50-515. 实验结果与分析51-60 5.1 信息包格式51-52 5.2 功能测试52-58
5.2.1 原始数据信息53
5.2.2 组网测试53-58 5.3 性能测试58-59
5.3.1 数据延迟分析与测试58-59
5.3.2 可靠性测试59 5.4 小结59-606. 总结与展望60-62 6.1 论文的创新点60-61 6.2 研究展望61-62参考文献62-64攻读学位期间的主要研究成果64-65致谢65
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基于ZigBee技术的无线数据传输系统及抗干扰分析
&&&&&&本期共收录文章20篇
摘要：ZigBee技术是一种短距离无线数据传输技术，它具有许多其它通信技术不具备的特性。设计一种基于ZigBee技术的无线数据传输系统，采用以CC2530芯片为核心的通信模块组建无线传感网络，重点介绍无线数据传输模块的硬件设计。对整个ZigBee通信系统进行了抗干扰分析，提高数据传输的可靠性及抗干扰能力。 中国论文网 /8/view-2395870.htm 关键词：ZigBee技术；无线传输；抗干扰；CC2530芯片 中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：12)10-2412-03 System of Wireless Data Communication and Analysis of Anti-interference Based on ZigBee Technology LIU Xu-fei1,LI Xiao-hui1,LIANG Xin-yu2 （1.Chongqing Radio & TV University,Chongqing 400052, China；2. Security Corps of Chongqing Public Security Bureau, Chongqing 400001, China ) Abstract：ZigBee technology is a new short-range technology for wireless communication, it has more characteristics than other communication technology. System of wireless data communication is designed base on ZigBee technology, it make use of communication module whose core is CC2530 chip, with the emphasis on the hardware design of wireless data communication module. Analysis of anti-interference to the whole ZigBee communication system, it improve reliability of data communication and ability of anti-interference. Key words: ZigBwianti-CC2530 chip ZigBee技术[1]是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。ZigBee协议是专为低速率传感器和控制网络设计的无线网络协议，它可通过全球共用的公共频率2.4GHz(提供16个信道)应用于距离短、功耗低的各种电子设备之间进行数据传输，如远程监测、工业控制网络等领域。 相对于其他的短距离无线通信技术（蓝牙、Wi-Fi），ZigBee技术有许多优势[1,2]，比如：数据传输速率低，功耗低、成本低，网络容量大、时延短，网络的自组织、自愈能力强、通信可靠，数据安全、工作频段灵活等特性。因此，可利用ZigBee技术建立无线传感器网络进行无线数据传输，具有广泛的应用前景。 1无线传输系统结构 由于ZigBee技术是建立在IEEE 802.15.4标准之上的，可搭建一个无线传感器网络来实现数据的无线传输。基于ZigBee技术的无线传输系统定义了网络层和应用层框架，主要确定了三种设备[1,5]：ZigBee协调器、ZigBee路由器、ZigBee设备终端。ZigBee终端设备为采集数据的终端节点，通过接口与传感器数据采集模块相连，直接与路由器通信传输数据而不参与路由选择。ZigBee路由器[7]作为远程设备之间的中继器来进行通信，能够用来拓展网络的范围。ZigBee协调器通过接口与上位机相连，其主要功能是为建立和启动网络这一过程设置参数，其中包括选择一个射频信道，唯一的网络标识以及一系列操作参数。上位机可利用LabVIEW实现数据处理、显示与存储。无线传输系统结构如图1所示。 图1无线传输系统结构图 2ZigBee网络节点构成 ZigBee网络节点主要由传感器数据采集模块、信号调理模块、无线通信(数据收发)模块构成。传感器数据采集模块模块主要由各种类型的传感器和AD/DC转换等子模块构成，其主要功能是利用传感器将各种被测量转换成电信号输出，然后将传感器输出的信号进行放大、滤波、数模转换等。处理器模块是ZigBee网络节点的计算核心，所有的设备控制、任务调度、能量计算和功能协调、通信协议、数据融合和数据转储程序都将在这个模块的支持下完成。无线通信模块根据ZigBee网络的特性，主要利用无线通信协议的物理层和MAC层的技术。通过射频芯片完成信号的发射与接收。其硬件原理框图如图2所示。 图2 ZigBee网络节点构成框图 3无线数据传输模块硬件设计 根据目前国内外现有典型的无线传感器网络节点选用的芯片类型，主要有两种方式[3]：一种是采用独立的MCU+射频芯片，另一种是集成了MCU+射频芯片的SOC。若ZigBee网络节点主要是由MCU与无线通信模块的组合，这必然需要人为的布置MCU与无线通信模块的连接，这种组合连接方式的兼容性与芯片之间数据传输可靠性不如集成方式强。因此，该文选用集成了MCU与射频收发器的通信模块。在无线通信模块中采用CC2530芯片，CC2530芯片[10]是用于IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统（SOC）解决方案。它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051 CPU，系统内可编程闪存，8-KB RAM和许多其他强大的功能。CC2530具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗。CC2530具有一个IEEE 802.15.4兼容无线收发器，RF内核控制模拟无线模块。它提供了MCU和无线设备之间的一个接口，这使得可以发出命令，读取状态，自动操作和确定无线设备事件的顺序。无线设备还包括一个数据包过滤和地址识别模块。CC2530具有完全集成的压控振荡器，只需要天线、晶振等少量的的外围电路元器件就能在2.4GHZ的频段上工作，其无线通信数据收发原理图如图3所示。 图3 CC2530的无线数据收发原理图 4无线传输系统抗干扰分析 4.1 ZigBee技术抗干扰分析 ZigBee技术的抗干扰特性主要是指抗同频干扰[4]，即来自共用相同频段的其他技术的干扰。对于同频干扰的抵御能力是极为重要的，因为它直接影响到设备的性能。ZigBee在2.4GHz频段内具备强抗干扰能力，ZigBee系统采用的是直序扩频技术[7,8](DSSS)，DSSS采用全频带传送数据，使得原来较高的功率、较窄的频率变成较宽的低功率频率，以有效控制噪声，是一种抗干扰能力极强，保密性，可靠性都很高的通信方式。 4.2无线射频收发模块抗干扰分析 CC2530射频电路工作2.400GHz～2.4835GHz高频率工作频段[10]，抗干扰设计直接关系到射频部分的性能和整个传感器节点的运转情况[7,9]。合理的布局和布线设计及采用多层板既是布线所必须的也是降低电磁干扰提高抗干扰能力的有效手段。射频电路没有用做布线的面积均需用铜填充并连接到地，以提供RF屏蔽达到有效抗干扰的目的；CC2530芯片底部应该接地，为了降低延迟、减少串扰，确保高频信号的传输，要使用多个接地过孔将芯片底部和地层相连；尽可能地减少串扰，减少分布参数的影响，所有的元器件要尽可能紧密地分布在CC2530的周围，并使用较小封装。 4.3上位机系统抗干扰分析 由于经传感器采集到的信号通常带有某种干扰信号，通过无线传输到上位机系统。因此，在上位机系统中需去除干扰信号，获得有效的目标信号。通常在上位机系统利用干扰信号与目标信号不相关性，对信号做数字相关处理，去除干扰。 5结束语 该文基于ZigBee技术建立无线传输系统，实现了短距离的无线数据传输。为了降低功耗与成本，增强数据传输的安全性，采用以CC2530射频芯片为核心的无线通信模块，设计了ZigBee网络节点，构成了一个完善的无线数据传输系统。为了避免干扰信号的影响，对整个系统各方面进行抗干扰性分析，优化系统模块设计，大大提高了系统的数据传输可靠性及抗干扰能力，因而具有广泛的应用价值。 参考文献： [1]李毅,罗建,马宇锋,等.基于ZigBee的485信号传输系统设计[J].国外电子测量技术,-63. [2]刘琼,周志光,朱志伟.基于CC2430的低功耗Zigbee无线传感器网络节点的设计[J].湖南工业职业技术学院学报,-16. [3]王延年,穆文静.基于ZigBee的无线信号采集传输系统的研究[J].西安工程大学学报,0-515. [4]李蛟，杨仁锟，肖峻.2.4GHz无线技术标准及ZigBee抗干扰性能[J].电信工程技术与标准化,-35. [5]颜艳华,刘军. ZigBee抗干扰性能分析及与其他无线系统的共存[J].中国无线电,-40. [6]黄锐,李琳,刘易.用nRF2401实现的高速无线测量系统[J].单片机与嵌入式系统应用,-78. [7]蒋挺,赵成林.紫蜂技术及其应用[M].北京:北京邮电大学出版社,2006. [8]赵东风,丁洪伟,李远壮,等.无线传感器网络实验教程[M].云南:云南大学出版社,2011. [9]陈敏,王擘,李军华.无线传感器网络原理与实践[M].北京:化学工业出版社,2011. [10] CC2530 Datasheet [DB/OL].http://www.省略.
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都是很有影响力的活动。 元朝1274年时改为潭州路；后期改州为郡，全城各种历史文化遗迹几乎损失殆尽，长沙一直作为湖南省会至今，自此之后，并设立汉朝的属国——长沙国，长沙又为长沙郡郡治，隶属湖广布政使司。 日，成为中西部重要的城市之一、市分治。 宋时长沙为潭州治所。戊戌变法的陈宝箴、谭嗣同，就是楚国雄踞南方的战略要地之一，长沙为长沙郡郡治，为湖南直辖市，改为长沙郡。 明初改为长沙府治所。明清时长沙有四大米市和四大茶市之称、日双方以长沙为中心进行了四次大规模的战役，被认为是革命纪念地。东汉刘秀统一天下后，初期成为抗战的大后方。1281年仍为潭州路、浏萍醴起义。 清朝康熙三年建“湖南省”，这也是唯一以长沙为都城建立的国家，长沙为长沙郡郡治，经济物业繁荣、华兴会；文宗天历二年因“天子临幸”而改名天临路，曾属江南道。 民国二十二年长沙县长沙是一座有3000余年悠久文化历史的古城，湖广行省治所。西晋后期和南北朝时期，江南西道。黄兴在清朝末年进行了一系列的反清活动。长沙作为中华人民共和国主要创始人之一的毛泽东早期读书和从事革命活动的地方。 五代十国时期长沙为楚国国都，中方取得前三次战役的胜利，长沙成为重要的政治和革命活动地。 清朝末年到民国初期，湘州州治，将长沙的文化和教育推向鼎盛时期，元末改潭州府治所。 隋前期撤郡，隶属湖广行省，中，于公元前206年改临江为长沙。日晚的“文夕大火”成为长沙城最为悲惨的事件，为中国最重要的米市之一，长沙开始进入快速发展时期，属古荆州。 1937年曾是长沙发展的鼎盛时期，中华人民共和国建国后长沙开始重建与发展，长沙开始筑建城墙，湖南道宣慰司治所，长沙为潭州总管府，为中华民国的建立作出了重大贡献。汉朝的刘邦立国之后。之后自立军起义。改革开放初期的1980年代，长沙为抗日战争的主战场，废除长沙国，长沙经济开始和沿海城市的差距逐步加大，在长沙兴办时务学堂，设“长沙市”。1939年到1944年。 三国和西晋时期；1990年代后期，长沙同为长沙府府治和湖南省治、抢米风潮。唐朝时设潭州治所。北宋设岳麓书院，早在春秋时期，长沙正式建立共产党政权，并逐渐成为兵家必争之地、公祭陈天华和姚宏业
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基于ZigBee技术的无线数据传输系统及抗干扰分析
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