本文關(guān)鍵詞： ZigBee 鄰居表 路由 能耗 感知　出處：《東北電力大學(xué)》2017年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可為物聯(lián)網(wǎng)底層提供感知監(jiān)測的數(shù)據(jù),必然會(huì)在大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的機(jī)遇下得到蓬勃發(fā)展。但是,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)受到實(shí)時(shí)性和能量供給等方面制約。研究表明,ZigBee節(jié)點(diǎn)間無線通信消耗的能量占節(jié)點(diǎn)總能耗的50%以上,選取合適的ZigBee網(wǎng)絡(luò)路由算法,來解決節(jié)點(diǎn)能耗過大的問題,進(jìn)而提高ZigBee網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能,推動(dòng)ZigBee技術(shù)在復(fù)雜惡劣環(huán)境下的應(yīng)用,具有較高的理論和實(shí)用價(jià)值。傳統(tǒng)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)樹路由算法只能沿著樹狀結(jié)構(gòu)向上或者向下進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。優(yōu)點(diǎn)在于算法簡單,復(fù)雜度低,組網(wǎng)迅速。缺點(diǎn)在于路由選擇時(shí)沒有考慮鄰居節(jié)點(diǎn),很大程度上增加了節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù),并且ZigBee不同節(jié)點(diǎn)間的能量分布不均衡,會(huì)出現(xiàn)部分節(jié)點(diǎn)因頻繁使用而變?yōu)槭Ч?jié)點(diǎn)的問題。通過對(duì)ZigBee路由算法進(jìn)行對(duì)比分析,綜合考慮國內(nèi)外專家學(xué)者的研究方案,提出本課題的優(yōu)化策略。本課題主要研究工作如下:(1)針對(duì)ZigBee網(wǎng)絡(luò)樹路由算法存在路徑選擇不優(yōu)和能耗分布不均衡等問題,利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)層規(guī)范定義的鄰居表,提出一種基于能量感知的ZigBee網(wǎng)絡(luò)樹路由優(yōu)化算法。該算法主要從三個(gè)方面加以改進(jìn),其一考慮算法的實(shí)用性,判斷節(jié)點(diǎn)是否具有路由轉(zhuǎn)發(fā)功能;其二采用動(dòng)態(tài)的能量閾值判斷節(jié)點(diǎn)的能量狀態(tài),限制低能量節(jié)點(diǎn)使用,以避免網(wǎng)絡(luò)分割的問題;其三按照樹狀結(jié)構(gòu)計(jì)算所有剩余能量大于能量閾值的下一跳鄰居節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)之間的跳數(shù),選擇合適的下一跳節(jié)點(diǎn),以降低路由開銷,并避免網(wǎng)絡(luò)環(huán)路效應(yīng)。搭建NS2.35新協(xié)議平臺(tái),仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該算法明顯改善網(wǎng)絡(luò)分組遞交率、節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)、端到端延時(shí)及能耗等性能,與經(jīng)典的樹路由算法、參考文獻(xiàn)提出的樹路由改進(jìn)算法相比,節(jié)點(diǎn)的使用壽命分別延長了19.40%、12.68%左右。(2)為了驗(yàn)證該優(yōu)化算法的實(shí)用性,根據(jù)項(xiàng)目的需要,將改進(jìn)算法應(yīng)用在智能限電控制系統(tǒng)中。該系統(tǒng)在電力公司辦公區(qū)原有限電控制器基礎(chǔ)上,增加ZigBee模塊、溫濕度測量模塊、3G模塊,其中為了驗(yàn)證算法降低網(wǎng)絡(luò)能耗的性能,ZigBee模塊中網(wǎng)絡(luò)層的樹路由算法采用不同的樹路由算法,同時(shí)通過硬軟件設(shè)計(jì)驗(yàn)證改進(jìn)算法提出限制低能量節(jié)點(diǎn)使用的策略。測試結(jié)果表明,該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)生命周期比未采用優(yōu)化算法的系統(tǒng)延長了25.00%左右,并實(shí)現(xiàn)了智能限電的功能,具有一定的應(yīng)用推廣價(jià)值。
[Abstract]:Wireless sensor networks can provide perceptual monitoring data for the bottom of the Internet of things, and will certainly flourish under the opportunity of big data and the rapid development of the Internet of things. Wireless sensor network is restricted by real-time and energy supply. The research shows that the energy consumption of wireless communication between ZigBee nodes is more than 50% of the total energy consumption. The proper routing algorithm of ZigBee network is chosen to solve the problem of excessive energy consumption of nodes and improve the transmission performance of ZigBee network. Promote the application of ZigBee technology in complex and harsh environment. The traditional ZigBee network tree routing algorithm can only carry out data communication up or down along the tree structure. The advantage is that the algorithm is simple and the complexity is low. The disadvantage is that the neighbor nodes are not taken into account in routing selection, which greatly increases the number of forwarding hops of nodes, and the energy distribution between different nodes in ZigBee is not balanced. Some nodes will become invalid nodes because of frequent use. Through the comparative analysis of ZigBee routing algorithm, comprehensive consideration of domestic and foreign experts and scholars' research programs. The main research work of this paper is as follows: 1) aiming at the ZigBee network tree routing algorithm, there are some problems such as poor path selection and unbalanced distribution of energy consumption. Based on the neighbor table defined by the ZigBee network layer specification, an energy-aware ZigBee network tree routing optimization algorithm is proposed, which is mainly improved from three aspects. Firstly, the practicability of the algorithm is considered to determine whether the node has the function of routing and forwarding. Secondly, the dynamic energy threshold is used to judge the energy state of the node, which limits the use of the low energy node, so as to avoid the problem of network segmentation. Thirdly, according to the tree structure, the number of hops between the next-hop neighbor node and the destination node whose residual energy is greater than the energy threshold is calculated, and the appropriate next-hop node is selected to reduce the routing overhead. And avoid the network loop effect. Build a new NS2.35 protocol platform, simulation results show that the algorithm significantly improves the performance of the network packet delivery rate, node forwarding hops, end-to-end delay and energy consumption. Compared with the classical tree routing algorithm and the improved tree routing algorithm proposed in reference, the service life of nodes is prolonged by 19.40% respectively. In order to verify the practicability of the optimization algorithm, according to the need of the project. The improved algorithm is applied to the intelligent power limit control system, which adds the ZigBee module and the temperature and humidity measurement module to the 3G module on the basis of the original power limit controller in the office area of the power company. In order to verify the performance of the algorithm to reduce network energy consumption, different tree routing algorithms are used in the network layer tree routing algorithm in ZigBee module. At the same time, the improved algorithm is proved by hardware and software design to limit the use of low-energy nodes. The test results show that the network life cycle of the system is about 25.00% longer than that of the system without optimization algorithm. The function of intelligent power limit is realized, which has certain application value.
【學(xué)位授予單位】：東北電力大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TN92

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本文編號(hào)：1493458