發(fā)布時(shí)間：2014-12-31 10:57

 

【摘要】 IEEE802.15.4/ZigBee作為一種專門應(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的短距離、低復(fù)雜度、低速率、低成本的無(wú)線通信技術(shù)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域中。與其它網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)不同，ZigBee是一種能量受限的網(wǎng)絡(luò)，在其運(yùn)行過(guò)程中能量極其有限。因此如何保證在有限的能量中最大限度延長(zhǎng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)生存周期已經(jīng)成為人們?nèi)找骊P(guān)注的問(wèn)題。首先，結(jié)合熱計(jì)量表物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中ZigBee網(wǎng)絡(luò)特有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸模型，提出了一種能量均衡的L-ZBR(Leach ZigBee Routing)路由算法，該算法依據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模及拓?fù)湫畔⑼ㄟ^(guò)對(duì)簇頭關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)定能量閥值，對(duì)能量消耗達(dá)到閥值的簇頭關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)尋找其子路由節(jié)點(diǎn)的代理父節(jié)點(diǎn)，通過(guò)代理父節(jié)點(diǎn)建立輔助路由路徑，經(jīng)由輔助路由路徑分擔(dān)原簇頭關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)。其次，通過(guò)分析和研究IEEE802.15.4組網(wǎng)連接機(jī)制，針對(duì)在組網(wǎng)過(guò)程中，新節(jié)點(diǎn)選擇距離最近候選節(jié)點(diǎn)作為父節(jié)點(diǎn)易造成網(wǎng)絡(luò)總體深度增加，節(jié)點(diǎn)負(fù)載不均衡的問(wèn)題，提出了一種綜合考慮候選父節(jié)點(diǎn)深度和負(fù)載狀態(tài)的LRZ(Linear RegressionZigBee)組網(wǎng)算法，通過(guò)對(duì)候選父節(jié)點(diǎn)設(shè)置深度和負(fù)載權(quán)重，應(yīng)用最小二乘法原理，從候選父節(jié)點(diǎn)中選擇最優(yōu)的節(jié)點(diǎn)作為子節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)父節(jié)點(diǎn)。最后，在NS2上構(gòu)建ZigBee仿真平臺(tái)，分別對(duì)L-ZBR路由算法和LRZ組網(wǎng)算法進(jìn)行模擬仿真，并從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、生存周期、死亡節(jié)點(diǎn)數(shù)目、分組遞交率、網(wǎng)絡(luò)剩余能量等五方面對(duì)改進(jìn)前后算法進(jìn)行了性能比較分析。

第 1 章 緒 論

 

1.1 課題背景與意義

目前在我國(guó)大部分地區(qū)還是執(zhí)行按建筑面積計(jì)算熱費(fèi)的供熱收費(fèi)體制[1]，在這種供熱體制下由于居民用戶沒(méi)有供熱調(diào)節(jié)手段，不能根據(jù)用戶自己要求調(diào)節(jié)供熱水平，所以節(jié)約用熱積極性不高，其次對(duì)于熱力公司來(lái)說(shuō)，由于收費(fèi)困難，技術(shù)創(chuàng)新和設(shè)備改造積極性也遭受挫折。因此我國(guó)供熱一直處于較低水平，導(dǎo)致熱力資源的極大浪費(fèi)。在這種背景下，國(guó)家相繼提出了許多節(jié)能降耗計(jì)劃，提出居民供熱體制改革，居民用熱不能粗放式按面積收費(fèi)，要依照多用多付，少用少付的原則，進(jìn)行熱計(jì)量收費(fèi)。因此分戶熱計(jì)量、精確計(jì)量技術(shù)得到了大大的推進(jìn)，大量的熱計(jì)量?jī)x表也安裝到了居民小區(qū)中。隨著用戶熱量表使用越來(lái)越多，相應(yīng)大量計(jì)量表數(shù)據(jù)抄收就成為一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。以往人工方式抄收，會(huì)造成了人力、物力及時(shí)間上的浪費(fèi)。同時(shí)，原有的人為抄表方式還經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)抄、漏抄等現(xiàn)象，不能保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。所以實(shí)現(xiàn)一種智能、快捷、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的熱量數(shù)據(jù)采集方案是非常有必要的，同樣也是時(shí)代發(fā)展的要求。

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1.2 IEEE802.15.4/ZigBee 研究現(xiàn)狀

1.2.1 IEEE802.15.4 研究現(xiàn)狀

IEEE802.15.4 工作組于 2000 年 12 月成立[11-12]，其致力于定義一種設(shè)備成本低并具有低功耗、低復(fù)雜以及低速率特點(diǎn)的短距離無(wú)線通信技術(shù)。IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)正式通過(guò)于 2003 年 5 月，定義了媒體訪問(wèn)控制層和物理層規(guī)范[13-15]。目前低速率無(wú)線個(gè)域網(wǎng)的研究還是主要集中在仿真和實(shí)驗(yàn)階段，現(xiàn)階段研究方向主要集中在低功耗、安全性，路由機(jī)制以及其他特殊的應(yīng)用場(chǎng)景下。在關(guān)于網(wǎng)絡(luò)低功耗方面Neugebaure 提出了一種基于星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的針對(duì) BO 自適應(yīng)的新型算法，并分析了該算法的性能。Shu 應(yīng)用一種基于 C 開(kāi)發(fā)的 IEEE802.15.4 的仿真模型，通過(guò)全局的最優(yōu)算法，最小化整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量消耗。

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第 2 章 基于 ZigBee 技術(shù)的熱計(jì)量表物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)

 

2.1 熱計(jì)量表物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)研究
基于 ZigBee 技術(shù)的熱計(jì)量表物聯(lián)網(wǎng)其總體功能主要是對(duì)用戶熱計(jì)量表數(shù)據(jù)進(jìn)行定期抄收以及對(duì)用戶的用熱情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和管理，從而實(shí)現(xiàn)熱量數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程抄收，構(gòu)建真正的智能熱網(wǎng)。熱計(jì)量表物聯(lián)網(wǎng)總體采用物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中的分層模式，主要分為三層，ZigBee 網(wǎng)絡(luò)感知層、GPRS 網(wǎng)絡(luò)傳輸層、遠(yuǎn)程熱量數(shù)據(jù)管理中心應(yīng)用層。熱計(jì)量表物聯(lián)網(wǎng)總體結(jié)構(gòu)如圖 2-1 所示。

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2.2 熱計(jì)量表物聯(lián)網(wǎng)特點(diǎn)分析和性能指標(biāo)

2.2.1 熱計(jì)量表物聯(lián)網(wǎng)特點(diǎn)分析

基于 ZigBee 技術(shù)的熱計(jì)量表物聯(lián)網(wǎng)總體采用物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)模型，本身具有物聯(lián)網(wǎng)特性，但是由于它的特殊應(yīng)用環(huán)境又使其具有一些不同與物聯(lián)網(wǎng)的自身特殊性質(zhì)，基于 Zigbee 技術(shù)的熱計(jì)量表物聯(lián)網(wǎng)特點(diǎn)主要包括以下幾方面。
(1)基于 ZigBee 技術(shù)的熱計(jì)量表物聯(lián)網(wǎng)主要是長(zhǎng)期對(duì)熱計(jì)量表狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)以及采集相關(guān)熱量數(shù)據(jù)，如出口溫度，入口溫度、流速、總流量、總熱量、工作時(shí)間、熱表狀態(tài)等。
(2)在熱計(jì)量表物聯(lián)網(wǎng)中，一般以樓棟為一個(gè)單位構(gòu)建局部 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，筆耕文化推薦期刊，局部ZigBee 網(wǎng)絡(luò)采用網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所有節(jié)點(diǎn)均為全功能設(shè)備 FFD[33]。
(3)在熱計(jì)量表物聯(lián)網(wǎng)中，ZigBee 網(wǎng)絡(luò)通信大都基于熱量采集節(jié)點(diǎn)(熱計(jì)量表)與中 ZigBee 心協(xié)調(diào)器(數(shù)據(jù)集中器)之間，普通數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)之間不存在通信，數(shù)據(jù)傳輸具有一定的匯聚性和爆發(fā)性。

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第 3 章 能量均衡的 L-ZBR 路由算法......................16
3.1 無(wú)線傳感器路由協(xié)議研究 ....................... 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 本章小結(jié)......................... 26
第 4 章 LRZ 組網(wǎng)算法.....................27
4.1 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)研究 ............... 27
4.2 ZigBee 組網(wǎng)算法分析 .................... 31
4.3 LRZ 組網(wǎng)算法 ................ 33

4.4 本章小結(jié)..................... 39

 

第 5 章 ZigBee 路由協(xié)議 NS2 仿真分析

 

5.1 NS2 網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)概述
NS2 它是一種面向?qū)ο�，離散時(shí)間驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境模擬器。NS2 最早源于 1989年的 Real Network Simulator 項(xiàng)目[46]，此項(xiàng)目是由美國(guó)施樂(lè)(Xerox)公司支持，美國(guó)California 大學(xué) Berkeley 分校開(kāi)發(fā)的。NS2 平臺(tái)是一種完全免費(fèi)并且向使用者提供公開(kāi)的源代碼的網(wǎng)絡(luò)仿真工具，使用者不需要支付任何費(fèi)用，甚至可以參與到軟件的開(kāi)發(fā)中來(lái)。時(shí)至今日，NS2 所包含的組件已經(jīng)非常豐富，幾乎涵蓋了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的所有方面[46]。NS2 現(xiàn)有模塊主要包括[47]：
(1)網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，如 TCP、UDP。
(2)隊(duì)列管理機(jī)制，如 RED、CBQ、Droptail。
(3)路由算法，如 TORA、DSR、AODV、AOMDV。
(4)MAC 協(xié)議，如 802.3、802.11、802.15.4、SMAC。
(5)業(yè)務(wù)流產(chǎn)生器，如 VBR、CBR、FTP。

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結(jié) 論

 

ZigBee 技術(shù)作為一種新型的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)依靠其低能耗、低成本、低延時(shí)、高可靠性等優(yōu)勢(shì)有著很好的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景。隨著 ZigBee 技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，其必將成為無(wú)線通信領(lǐng)域的一個(gè)璀璨新星，將為人們的工作和生活帶來(lái)一場(chǎng)新的信息革命。本課題以科技部科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金管理中心資助的基金項(xiàng)目“新型超聲波熱量表及其遠(yuǎn)程服務(wù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)及應(yīng)用”（課題編號(hào)：11C26211300385），以及秦皇島市科學(xué)技術(shù)局的基金項(xiàng)目“新型超聲波熱量表的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)研究”（課題編號(hào)：秦科技[2011]53 號(hào)）為應(yīng)用背景，圍繞 IEEE802.15.4 組網(wǎng)方式和 Zigbee 路由算法的研究而展開(kāi)。本文在全面介紹 ZigBee 協(xié)議棧和 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì) IEEE802.15.4 組網(wǎng)機(jī)制和 ZigBee 路由協(xié)議進(jìn)行了研究。本課題的研究成果主要包括以下幾方面。

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本文編號(hào)：10956