ZigBee系统节能方法的研究

发布时间：2017-03-19 04:06

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【摘要】：ZigBee是一种应用于无线传感器网络(Wireless Sensor Network)的通信技术。近年来随着ZigBee技术的不断发展和成熟,它广泛应用于环境监测、工农业监控、医疗军事、交通运输、智能家居等领域。ZigBee系统通常采用周期性的数据传输机制,适用于那些长期无人值守、数据信息量需求不大的应用场景。例如在无线抄表系统、管道监控、桥梁隧道安全监测、空气质量监测等非实时性系统中,一般采用电池对节点进行能量供应,所以节点的能量成为了ZigBee系统的重要资源,也决定了整个系统的使用时间。因此,在电池供电的条件下研究如何节省能量,提高能量利用率,延长ZigBee系统的使用时间成为了ZigBee技术应用领域的热点问题。本文研究应用于长周期性ZigBee系统的休眠唤醒的节能方法,解决ZigBee系统中能耗的关键问题。主要在以下两个方面进行的研究:首先,从应用场景角度上分析ZigBee系统的能耗问题。通过分析不同的休眠唤醒的节能机制,采用浅休眠唤醒模式应用在ZigBee系统中,降低系统的能耗,提高系统的能量利用率。其次,比较分析同步休眠和异步休眠方法,采用同步休眠方法设计了节点周期性的休眠唤醒工作方案。在方案中分析和研究了长时间定时休眠和网络休眠唤醒不同步的问题,采用休眠定时器循环工作的方法解决节点长时间定时休眠的问题和网络逐级时间同步的方法解决系统休眠唤醒不同步的问题。本文结合无线抄表系统的应用场景完成了休眠唤醒节能方案的设计与实现。在硬件上设计了ZigBee节点核心板电路和底板电路,其中核心板电路主要是无线通信电路,底板电路包括串口通信电路、按键电路等。软件上是在Z-Stack协议栈中实现了系统的组网和数据收发以及节点同步休眠唤醒等功能。最后,在实验中设计了能耗测试方案。采用多个节点进行了能耗的测试,验证了ZigBee系统节能方案的有效性。能耗测试实验结果表明系统的使用时间达到了预期设计的目标,也验证了休眠唤醒的节能机制在一定的条件下是能够较好地降低系统的能耗。
【关键词】：节能方法 休眠唤醒 时间同步
【学位授予单位】：重庆邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN92
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-11
• 第1章 绪论11-16
• 1.1 选题背景11-12
• 1.2 研究现状12-14
• 1.3 论文的主要工作14-15
• 1.4 论文组织结构15-16
• 第2章 ZigBee系统节能方法的分析16-23
• 2.1 ZigBee系统能耗分析16-19
• 2.1.1 ZigBee系统应用场景的特点16-18
• 2.1.2 ZigBee节点能耗分析18-19
• 2.2 ZigBee系统节能方法的研究19-22
• 2.2.1 休眠唤醒的节能方法20-21
• 2.2.2 休眠唤醒节能方法的比较21-22
• 2.3 本章小结22-23
• 第3章 ZigBee系统休眠唤醒节能方案研究23-36
• 3.1 ZigBee系统休眠唤醒节能方法的分析23-26
• 3.1.1 同步休眠唤醒方法23-24
• 3.1.2 异步休眠唤醒方法24-25
• 3.1.3 同步与异步休眠唤醒方法的比较25-26
• 3.2 ZigBee系统休眠唤醒的节能方案设计26-35
• 3.2.1 ZigBee系统节点入网的设计28-29
• 3.2.2 节点与协调器的数据传输的设计29
• 3.2.3 ZigBee系统定时休眠的分析与研究29-30
• 3.2.4 同步休眠唤醒方法的分析与研究30-35
• 3.3 本章小结35-36
• 第4章 ZigBee系统节能方案的设计与实现36-54
• 4.1 ZigBee系统测试平台硬件设计36-39
• 4.1.1 ZigBee节点硬件总体方案设计36
• 4.1.2 低功耗硬件芯片的选型36-37
• 4.1.3 ZigBee节点电路设计37-39
• 4.2 ZigBee系统测试平台的软件设计39-53
• 4.2.1 ZigBee系统总体设计39-42
• 4.2.2 Z-Stack软件开发平台42-43
• 4.2.3 协调器节点的设计43-44
• 4.2.4 路由节点的设计44-45
• 4.2.5 终端节点的设计45-47
• 4.2.6 系统组网的设计与实现47-49
• 4.2.7 节点休眠唤醒的设计与实现49-51
• 4.2.8 节点长时间定时休眠的设计与实现51-52
• 4.2.9 串口通信的设计与实现52-53
• 4.3 本章小结53-54
• 第5章 系统测试与分析54-62
• 5.1 测试环境的搭建54-55
• 5.2 功能测试55-56
• 5.2.1 ZigBee系统组网与数据收发测试55-56
• 5.3 性能测试56-61
• 5.3.1 ZigBee系统能耗测试56-59
• 5.3.2 ZigBee系统能耗分析59-61
• 5.4 测试结果分析61
• 5.5 本章小结61-62
• 第6章 总结与展望62-64
• 6.1 工作总结62
• 6.2 工作展望62-64
• 致谢64-65
• 参考文献65-69
• 攻读硕士学位期间从事的科研工作及取得的研究成果69

【参考文献】

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1 高霞;袁明波;饶

本文编号：255496