基于ZigBee的无线组网的研究（论文）

目 录 摘 要 I Abstract II 第1章 绪 论 1 1.1 选题背景 1 1.2 选题的目的及意义 1 1.3 国内外发展概况 2 第2章 ZigBee协议 5 2.1 技术简介 5 2.1.1 ZigBee联盟的由来 5 2.1.2 ZigBee技术优势 5 2.1.3 ZigBee的应用 6 2.2 ZIGBEE网络体系结构 7 2.2.1 功能类型 7 2.2.2 节点类型 7 2.2.3 拓扑结构 7 2.2.4 工作模式 9 2.3 原语的概念 10 第3章 ZigBee组网方案的设计 11 3.1 ZIGBEE协议栈架构 11 3.2 组网方案的设计 12 3.2.1 网络初始化 12 3.2.2 节点通过协议器加入网络 14 3.2.3 节点通过已有节点加入网络 16 第4章 ZigBee协议的算法 19 4.1 ZIGBEE路由算法设计目标 19 4.2 路由成本 19 4.3 网络地址分配机制 20 4.4 CLUSTER-TREE路由算法 20 4.5 AODV路由算法 21 4.6 改进AODV的AODVJR路由算法 21 4.7 ZBR路由算法的设计 25 4.7.1 ZBR算法的设计 25 4.7.2 路由维护 28 第5章 ZigBee网络试验 30 5.1 平台介绍 30 5.1.1 硬件平台 30 5.1.2 软件平台 31 5.2 星状网通信实验 33 5.2.1 实验内容 33 5.2.2 实验步骤 33 5.2.3 实验参考程序 37 结 论 40 致 谢 41 参考文献 42 ### 基于ZigBee的无线组网的研究 #### 一、绪论与选题背景 **选题背景**：随着物联网技术的发展，低功耗、低成本且高效的无线通信技术成为研究热点之一。ZigBee作为一种新兴的无线通信技术标准，专门针对低速无线个域网（LR-WPAN）而设计，具有低成本、低功耗和短距离通信等特点，适用于军事、工业自动化、智能家居等多个领域。 **选题的目的及意义**：虽然ZigBee技术已经得到了广泛应用，但由于其出现时间相对较晚，相关的规范和技术细节仍在不断完善之中。本研究旨在深入探讨ZigBee技术的网状网络组网方案，并对其进行优化改进，以提高网络效率并减少通信延迟，为ZigBee技术的实际应用提供理论支持和技术方案。 **国内外发展概况**：在国外，ZigBee技术已经在智能家居、环境监测等方面有了一定的应用基础，但在大规模部署和特定场景下的优化方面还有待探索。在国内，虽然ZigBee技术的应用起步较晚，但近年来发展迅速，尤其是在智慧城市建设和工业物联网领域。 #### 二、ZigBee协议详解 **技术简介**： - **ZigBee联盟的由来**：ZigBee联盟成立于2002年，是由多家公司共同发起的技术联盟，致力于推广ZigBee技术的标准制定和应用推广。 - **ZigBee技术优势**：ZigBee技术具有低成本、低功耗、安全性高、网络容量大等优点，特别适合用于自动控制和远程监控系统。 - **ZigBee的应用**：广泛应用于智能家居、智能照明、安防系统、环境监测、医疗健康监测等多个领域。 **ZIGBEE网络体系结构**： - **功能类型**：包括物理层、MAC层、网络/安全层和应用框架层。 - **节点类型**：协调器、路由器和终端设备。 - **拓扑结构**：主要包括星型、树型和网状网络三种拓扑结构。 - **工作模式**：包括主动模式、被动模式以及混合模式等，不同的工作模式适用于不同的应用场景。 **原语的概念**：原语是操作系统中的基本操作单元，在ZigBee协议中主要用于节点之间的交互和通信。 #### 三、ZigBee组网方案的设计 **ZIGBEE协议栈架构**：通常包括物理层（PHY）、介质访问控制层（MAC）、网络层（NWK）和应用层（APL），每一层都有明确的功能划分。 **组网方案的设计**： - **网络初始化**：网络初始化是指协调器启动后建立网络的过程，包括网络参数的设置、信道的选择等。 - **节点通过协议器加入网络**：新节点加入网络时，首先通过协议器（通常是协调器或路由器）发送加入请求，协议器验证节点身份后分配网络地址。 - **节点通过已有节点加入网络**：当网络中有多个路由器时，新节点可以通过任一路由器加入网络，这种方式可以提高网络的灵活性和稳定性。 #### 四、ZigBee协议的算法 **ZIGBEE路由算法设计目标**：旨在寻找最短路径、最小化能耗并确保数据传输的可靠性。 **路由成本**：衡量路由选择过程中所需资源的一个指标，通常考虑的因素包括距离、能量消耗、信号强度等。 **网络地址分配机制**：为了保证网络中各节点的唯一性，需要采用一定的网络地址分配机制，常见的方法包括静态分配和动态分配两种。 **CLUSTER-TREE路由算法**：一种适用于树型拓扑结构的路由算法，通过构建层次化的网络结构来提高数据传输效率。 **AODV路由算法**：按需距离矢量（Ad hoc On-demand Distance Vector）算法，适用于移动自组织网络，通过按需建立路由来降低网络开销。 **改进AODV的AODVJR路由算法**：针对AODV算法控制开销过高的问题，提出了基于最快路径的AODVjr算法，该算法通过简化路由发现过程和路由表结构、取消Hello消息等方式降低控制开销。 **ZBR路由算法的设计**：结合AODVjr算法和Cluster-Tree算法的优点，提出了一种新的ZBR路由算法。该算法能够在保持较低控制开销的同时，实现高效的路由选择。 #### 五、ZigBee网络试验 **平台介绍**： - **硬件平台**：包括ZigBee模块、微控制器、传感器等硬件设备。 - **软件平台**：使用IAR Embedded Workbench等开发工具进行编程。 **星状网通信实验**： - **实验内容**：通过构建一个简单的星状网络，测试网络中数据包的成功传输率和网络性能。 - **实验步骤**：首先配置网络参数，然后启动协调器和终端节点，观察终端节点的数据传输情况。 - **实验参考程序**：根据实验目的编写相应的程序代码，用于控制节点的行为和数据传输。 #### 结论 通过对ZigBee协议及其组网方案的深入研究，提出了改进的组网方案和路由算法，有效提高了网络的性能和效率。实验结果证明了这些改进措施的有效性和可行性，为进一步推动ZigBee技术在实际应用中的普及提供了有力支持。