ZigBee网络能耗优化机制的研究与实现

发布时间：2017-08-11 19:22

  本文关键词：ZigBee网络能耗优化机制的研究与实现

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【摘要】：ZigBee是以IEEE802.15.4标准为基础发展起来的无线通信技术,广泛应用于军事、工业控制、电子消费等设备中。由于受到使用环境和应用场合的限制,ZigBee网络的节点没有固定设施支持,不能由交流电持续供电,大多采用容量有限的电池供电。因此,为了延长ZigBee网络的生存期,对网络能耗进行优化变得非常重要,这对于ZigBee网络的发展也有着重要的推动作用。 本文针对ZigBee网络的能耗优化机制进行了研究与验证,分别从网络休眠机制、路由机制、协议栈具体实现三个方面进行了优化与改进。具体地工作内容与创新点如下： 1.首先研究了ZigBee网络的特点,由于ZigBee协议本身支持一些低功耗的功能,因此着重分析了协议本身对于低能耗的支持性。然后对ZigBee网络节点的各个模块的能量消耗情况进行了分析,明确了节点各模块的能耗,同时对ZigBee网络现有的节能机制进行了研究,为下一步的能耗优化工作指出了重点。 2.通过分析得出通信阶段消耗在ZigBee节点能耗中占主要部分,为了降低通信消耗,需要尽可能的降低射频芯片的能量消耗。对ZigBee网络中射频芯片的睡眠机制进行了研究,制定了一种主控设备控制的网络集体休眠和唤醒策略。在不影响ZigBee网络正常运行的前提下,此策略可以按需动态的控制射频芯片以及MCU的开启和关闭,从而大大降低了网络中节点的能耗,并在实际的ZigBee网络中进行了验证。 3.在降低ZigBee网络单个节点能耗的基础上,考虑到网络中一些骨干节点由于过度参与数据转发等,和其他节点相比能量消耗比较大,从而很快耗尽能量离开网络,导致网络分割。因此,从延长网络的生存期出发,对现有ZigBee网络的路由协议进行了研究,并且制定了一种能量均衡的路由策略。这种策略的目的在于为相互通信的节点寻找一种新的路由,使源节点与目的节点路径上的各中继节点的能量消耗相当,这样网络中各子节点的能量分布相近,从而大大的延长了网络的生存周期。 4.对于一种商用的ZigBee协议栈的实现ZigBee PRO Stack,分析了协议栈的运行过程,包括协议栈各个类型设备内部的状态切换以及为了维持网络拓扑而进行的信息交互等。在不影响ZigBee协议规定的基本功能的基础上,对协议里相对冗余的部分进行了优化,以及对一些数据发送的策略进行了调整,精简协议的实现,从而在一定程度上降低了功耗。
【关键词】：ZigBee协议 能耗优化 网络休眠 能量均衡
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN92
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-8
• 目录8-10
• 第一章 绪论10-16
• 1.1 论文研究背景及意义10-13
• 1.1.1 ZigBee协议概述m10-12
• 1.1.2 ZigBee网络能耗优化的研究意义12-13
• 1.2 论文主要工作13-16
• 1.2.1 研究内容及目标13-14
• 1.2.2 论文章节安排14-16
• 第二章 ZigBee网络的能耗分析16-22
• 2.1 ZigBee网络节点的能量消耗分析16-17
• 2.2 目前常用的节能机制研究与分析17-20
• 2.3 ZigBee网络能耗优化的研究方向20-22
• 第三章 ZigBee网络休眠策略的研究与实现22-34
• 3.1 关于射频芯片睡眠机制的研究22-25
• 3.1.1 报文驱动的节能机制研究22-23
• 3.1.2 时间驱动的节能机制研究23-25
• 3.2 主控设备控制的网络休眠策略设计25-26
• 3.2.1 网络集体休眠和唤醒策略的具体设计25-26
• 3.3 ZigBee节点网络休眠策略的实现26-34
• 3.3.1 ZigBee网络的软硬件平台介绍27-31
• 3.3.2 网络休眠策略的执行及能耗优化分析31-34
• 第四章 ZigBee能量均衡路由策略的研究34-50
• 4.1 ZigBee网络的路由协议研究与分析34-37
• 4.1.1 ZigBee协议的地址分配机制34-36
• 4.1.2 ZigBee的路由协议分析36-37
• 4.2 一种基于能量均衡的路由策略研究37-43
• 4.2.1 能耗降低的路由协议研究37-38
• 4.2.2 路由代价的分析38-39
• 4.2.3 节点能量分区与路由发现策略39-43
• 4.3 能量均衡的路由策略的仿真分析43-50
• 4.3.1 NS2仿真软件简介43
• 4.3.2 仿真结果及性能分析43-50
• 第五章 ZigBee协议栈的能耗优化分析50-58
• 5.1 一种商用ZigBee协议栈的实现分析50-55
• 5.2 ZigBee PRO Stack协议栈的优化55-58
• 第六章 总结与展望58-60
• 6.1 论文的研究工作总结58-59
• 6.2 下一步的工作59-60
• 参考文献60-63
• 致谢63

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 黎宁,毛郑建;Ad Hoc网络中的节能机制[J];电讯技术;2004年03期

2 杨喜敏;;传感器网络中的能量消耗问题研究[J];单片机与嵌入式系统应用;2006年01期

3 赵志峰,郑少仁;Ad hoc网络技术讲座 第1讲 Ad hoc网络的体系结构和信道接入协议[J];中国数据通信;2002年12期

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本文编号：657863