基于ARM和ZigBee的无线传感器网络低功耗系统研究与实现

发布时间：2017-09-01 07:09

  本文关键词：基于ARM和ZigBee的无线传感器网络低功耗系统研究与实现

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【摘要】：无线传感器网络是由部署在特定监测区域的传感器节点,通过自组织方式构成的一种通信网络,能够采集环境数据信息、实时监控所受控对象信息,并对采集的信息处理,通过无线协议传送给管理人员。实际应用中,采集信息的节点常被置于偏远或者环境恶劣的区域,节点常采用干电池供电,供给能量或换电池都不易。因此,如何降低节点能耗,延长整个无线传感网络寿命就显得非常重要。在WSN中,介质访问控制(MAC)协议负责管理信道的使用方式,为节点分配有限的频谱资源,无线网络的性能主要取决于MAC协议,若要降低节点能耗,合理的设计与改进MAC协议就成为一个关键性问题。本文首先介绍了无线传感网络中ZigBee技术发展与应用,并深入研究了IEEE802.15.4MAC协议存在的能耗问题,针对存在的问题,引入了基于S-MAC协议机制的周期性侦听／睡眠、碰撞避免等措施对协议进行改进,通过INS2仿真,对这两种MAC协议的能耗进行比较。其次,在改进协议栈的基础上,重点介绍了基于ARM与CC2530所构成的低功耗无线传感网络系统的实现。本系统由1个协调器节点、3个终端节点组成ZigBee网络,通过修改Z-Stack协议栈的MAC底层协议,实现节点数据的低功耗传输,并移植Linux系统到嵌入式ARM处理器作为嵌入式网关。为方便系统的管理与数据显示,采用了网络编程、多线程、串口与QT编程实现了系统软件设计,实现了一个功能齐全的无线传感器网络系统。最后,根据仿真测试,当数据量较小时,改进协议栈后的节点能耗在理论上降低30%左右,实际测试也表明,在很大程度上提高了传感器节点的电池使用寿命,因此本文的研究在降低能耗方面具有很大的实际应用价值,尤其是对于采用电池供电的无线传感器网络。
【关键词】：无线传感器网络 ZigBee协议栈 低功耗 MAC ARM
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN92;TP212.9
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-14
• 1.1 无线传感器网络研究现状及发展趋势10-11
• 1.2 课题研究背景与意义11-12
• 1.3 论文研究内容与结构安排12-14
• 第二章 ZigBee及嵌入式系统14-20
• 2.1 ZigBee介绍14-18
• 2.1.1 ZigBee网络拓扑结构15-16
• 2.1.2 ZigBee协议栈体系结构16-18
• 2.2 嵌入式系统介绍18-19
• 2.3 本章小结19-20
• 第三章 无线传感器网络低功耗研究与设计20-36
• 3.1 系统硬件低功耗研究20-22
• 3.1.1 ZigBee硬件选型20-21
• 3.1.2 系统控制器选型21-22
• 3.2 ZigBee协议栈MAC层协议节能研究22-25
• 3.2.1 节点各模块能耗分析22-23
• 3.2.2 MAC层协议存在问题分析23
• 3.2.3 MAC层协议改进措施分析23-25
• 3.3 NS2能耗模拟仿真25-28
• 3.3.1 仿真参数配置25-27
• 3.3.2 仿真结果分析27-28
• 3.4 ZigBee时钟同步算法研究与设计28-30
• 3.4.1 时钟同步算法的分类与比较28-29
• 3.4.2 DMTS算法研究与实现29-30
• 3.5 ZigBee协议栈MAC层协议改进实现30-35
• 3.6 本章小结35-36
• 第四章 基于ARM与CC2530无线传感网络系统实现36-54
• 4.1 系统总体架构与功能分析36-38
• 4.2 ZigBee无线传感器网络设计38-45
• 4.2.1 终端节点设计38-41
• 4.2.2 协调器节点设计41-42
• 4.2.3 基于IAR应用程序开发42-45
• 4.3 ARM嵌入式网关设计45-51
• 4.3.1 嵌入式Linux开发平台搭建45-49
• 4.3.2 ARM网关应用程序开发49-51
• 4.4 人机交互界面设计51-53
• 4.5 本章小结53-54
• 第五章 系统测试54-60
• 5.1 节点能耗测试54-55
• 5.2 系统功能模块测试55-58
• 5.3 本章小结58-60
• 第六章 结论60-62
• 6.1 总结60
• 6.2 展望60-62
• 致谢62-64
• 参考文献64-68
• 附录A (攻读硕士期间的学术成果)68

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 何秀春;张金榜;刘军;林语;;基于TPSN和DMTS的低能耗时间同步算法[J];电子设计工程;2014年03期

2 杨宗凯,赵大胜,王玉明,程文青,何建华;无线传感器网络时钟同步算法综述[J];计算机应用;2005年05期

3 贺抗生;邝继顺;姚焯善;;基于能量和邻居信息的传感器睡眠调度协议[J];计算机应用;2008年06期

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中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 匡哲君;无线传感器网络节能策略的研究[D];吉林大学;2014年

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本文编号：770644