基于ZigBee技术的热计量表物联网能量均衡路由协议及组网优化研究

发布时间：2014-12-31 10:57

 

【摘要】 IEEE802.15.4/ZigBee作为一种专门应用于无线传感器网络领域的短距离、低复杂度、低速率、低成本的无线通信技术，已经被广泛应用于各个领域中。与其它网络通信技术不同，ZigBee是一种能量受限的网络，在其运行过程中能量极其有限。因此如何保证在有限的能量中最大限度延长ZigBee网络生存周期已经成为人们日益关注的问题。首先，结合热计量表物联网应用中ZigBee网络特有的拓扑结构和数据传输模型，提出了一种能量均衡的L-ZBR(Leach ZigBee Routing)路由算法，该算法依据网络规模及拓扑信息通过对簇头关键节点设定能量阀值，对能量消耗达到阀值的簇头关键节点动态寻找其子路由节点的代理父节点，通过代理父节点建立辅助路由路径，经由辅助路由路径分担原簇头关键节点数据转发任务。其次，通过分析和研究IEEE802.15.4组网连接机制，针对在组网过程中，新节点选择距离最近候选节点作为父节点易造成网络总体深度增加，节点负载不均衡的问题，提出了一种综合考虑候选父节点深度和负载状态的LRZ(Linear RegressionZigBee)组网算法，通过对候选父节点设置深度和负载权重，应用最小二乘法原理，从候选父节点中选择最优的节点作为子节点的入网父节点。最后，在NS2上构建ZigBee仿真平台，分别对L-ZBR路由算法和LRZ组网算法进行模拟仿真，并从网络拓扑结构、生存周期、死亡节点数目、分组递交率、网络剩余能量等五方面对改进前后算法进行了性能比较分析。

第 1 章 绪 论

 

1.1 课题背景与意义

目前在我国大部分地区还是执行按建筑面积计算热费的供热收费体制[1]，在这种供热体制下由于居民用户没有供热调节手段，不能根据用户自己要求调节供热水平，所以节约用热积极性不高，其次对于热力公司来说，由于收费困难，技术创新和设备改造积极性也遭受挫折。因此我国供热一直处于较低水平，导致热力资源的极大浪费。在这种背景下，国家相继提出了许多节能降耗计划，提出居民供热体制改革，居民用热不能粗放式按面积收费，要依照多用多付，少用少付的原则，进行热计量收费。因此分户热计量、精确计量技术得到了大大的推进，大量的热计量仪表也安装到了居民小区中。随着用户热量表使用越来越多，相应大量计量表数据抄收就成为一个关键问题。以往人工方式抄收，会造成了人力、物力及时间上的浪费。同时，原有的人为抄表方式还经常会出现错抄、漏抄等现象，不能保证数据的准确性。所以实现一种智能、快捷、实时、准确的热量数据采集方案是非常有必要的，同样也是时代发展的要求。

...............

 

1.2 IEEE802.15.4/ZigBee 研究现状

1.2.1 IEEE802.15.4 研究现状

IEEE802.15.4 工作组于 2000 年 12 月成立[11-12]，其致力于定义一种设备成本低并具有低功耗、低复杂以及低速率特点的短距离无线通信技术。IEEE802.15.4 标准正式通过于 2003 年 5 月，定义了媒体访问控制层和物理层规范[13-15]。目前低速率无线个域网的研究还是主要集中在仿真和实验阶段，现阶段研究方向主要集中在低功耗、安全性，路由机制以及其他特殊的应用场景下。在关于网络低功耗方面Neugebaure 提出了一种基于星型网络拓扑结构的针对 BO 自适应的新型算法，并分析了该算法的性能。Shu 应用一种基于 C 开发的 IEEE802.15.4 的仿真模型，通过全局的最优算法，最小化整个网络的能量消耗。

............

 

第 2 章 基于 ZigBee 技术的热计量表物联网体系架构

 

2.1 热计量表物联网体系架构研究
基于 ZigBee 技术的热计量表物联网其总体功能主要是对用户热计量表数据进行定期抄收以及对用户的用热情况进行实时监测和管理，从而实现热量数据的远程抄收，构建真正的智能热网。热计量表物联网总体采用物联网架构中的分层模式，主要分为三层，ZigBee 网络感知层、GPRS 网络传输层、远程热量数据管理中心应用层。热计量表物联网总体结构如图 2-1 所示。

............

 

2.2 热计量表物联网特点分析和性能指标

2.2.1 热计量表物联网特点分析

基于 ZigBee 技术的热计量表物联网总体采用物联网架构模型，本身具有物联网特性，但是由于它的特殊应用环境又使其具有一些不同与物联网的自身特殊性质，基于 Zigbee 技术的热计量表物联网特点主要包括以下几方面。
(1)基于 ZigBee 技术的热计量表物联网主要是长期对热计量表状态进行监测以及采集相关热量数据，如出口温度，入口温度、流速、总流量、总热量、工作时间、热表状态等。
(2)在热计量表物联网中，一般以楼栋为一个单位构建局部 ZigBee 网络，笔耕文化推荐期刊，局部ZigBee 网络采用网状拓扑结构，所有节点均为全功能设备 FFD[33]。
(3)在热计量表物联网中，ZigBee 网络通信大都基于热量采集节点(热计量表)与中 ZigBee 心协调器(数据集中器)之间，普通数据采集节点之间不存在通信，数据传输具有一定的汇聚性和爆发性。

............

 

第 3 章 能量均衡的 L-ZBR 路由算法......................16
3.1 无线传感器路由协议研究 ....................... 16
3.2 ZigBee 路由算法分析 .................. 18
3.3 能量均衡的 L-ZBR 路由算法................... 21
3.4 本章小结......................... 26
第 4 章 LRZ 组网算法.....................27
4.1 ZigBee 网络结构研究 ............... 27
4.2 ZigBee 组网算法分析 .................... 31
4.3 LRZ 组网算法 ................ 33

4.4 本章小结..................... 39

 

第 5 章 ZigBee 路由协议 NS2 仿真分析

 

5.1 NS2 网络仿真平台概述
NS2 它是一种面向对象，离散时间驱动的网络环境模拟器。NS2 最早源于 1989年的 Real Network Simulator 项目[46]，此项目是由美国施乐(Xerox)公司支持，美国California 大学 Berkeley 分校开发的。NS2 平台是一种完全免费并且向使用者提供公开的源代码的网络仿真工具，使用者不需要支付任何费用，甚至可以参与到软件的开发中来。时至今日，NS2 所包含的组件已经非常丰富，几乎涵盖了网络技术的所有方面[46]。NS2 现有模块主要包括[47]：
(1)网络传输协议，如 TCP、UDP。
(2)队列管理机制，如 RED、CBQ、Droptail。
(3)路由算法，如 TORA、DSR、AODV、AOMDV。
(4)MAC 协议，如 802.3、802.11、802.15.4、SMAC。
(5)业务流产生器，如 VBR、CBR、FTP。

..............

 

结 论

 

ZigBee 技术作为一种新型的无线传感器网络标准依靠其低能耗、低成本、低延时、高可靠性等优势有着很好的研究价值和应用前景。随着 ZigBee 技术的不断发展与完善，其必将成为无线通信领域的一个璀璨新星，将为人们的工作和生活带来一场新的信息革命。本课题以科技部科技型中小企业技术创新基金管理中心资助的基金项目“新型超声波热量表及其远程服务系统网络设计及应用”（课题编号：11C26211300385），以及秦皇岛市科学技术局的基金项目“新型超声波热量表的机构设计及网络传输技术研究”（课题编号：秦科技[2011]53 号）为应用背景，围绕 IEEE802.15.4 组网方式和 Zigbee 路由算法的研究而展开。本文在全面介绍 ZigBee 协议栈和 ZigBee 网络层技术的基础上，重点对 IEEE802.15.4 组网机制和 ZigBee 路由协议进行了研究。本课题的研究成果主要包括以下几方面。

.............

参考文献:

[1] 杜青松,朱江,张尔扬.  基于闲时逆寻和路由学习机制的优化AODV路由协议[J]. 通信学报. 2011(08)
[2] 谢川.  基于ZigBee的AODVjr算法研究[J]. 计算机工程. 2011(10)
[3] 周峰.  NS2在网络仿真中的数据分析[J]. 科技创新导报. 2010(24)
[4] 张擎,刘淑美,柴乔林.  能量高效的ZigBee网络改进路由策略[J]. 计算机工程. 2010(07)
[5] 李云洁.  新兴低速近距离无线通信技术简介[J]. 移动通信. 2008(06)
[6] 任秀丽,于海斌.  ZigBee无线通信协议实现技术的研究[J]. 计算机工程与应用. 2007(06)
[7] 耿萌,张效义,于宏毅.  Zig Bee路由技术研究[J]. 传感器与微系统. 2006(11)
[8] 吴键,袁慎芳.  无线传感器网络节点的设计和实现[J]. 仪器仪表学报. 2006(09)
[9] 任志宇,任沛然.  物联网与EPC/RFID技术[J]. 森林工程. 2006(01)
[10] 朱向庆,王建明.  ZigBee协议网络层的研究与实现[J]. 电子技术应用. 2006(01)



本文编号：10956