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基于ZIGBEE的无线传感网增强型路径传输算法及其硬件验证

摘要 无线传感网络是由计算机技术，通信技术和传感器技术三者相互融合而成的新兴技术。近年来，随着无线通信技术的快速发展，无线传感器变得更加低成本、降低了能耗，增加了更多的功能，大大提高了使用和使用的范围的广度和深度。同时，还不断导致医疗卫生、军事领域，在建筑领域和许多其他业务的一部分的可能性的方方面面的无线传感器网络的应用和发展。

拓扑是网络的根本,通过控制拓扑使得我们的工作更加方便，在很多方面，为我们的应用打下了厚实的基础。比如精确的同步时间，详细的定位目标，已经完善的融合数据等等。但是节点的能源续航能力底下这一问题成为了现在社会关于无线传感这方面的研究热点。

无线传感网络体现在我们生活的方方面面。由于成本的限制，工作环境是非常复杂的因素，所以它的传感器节点的使用可靠性较低，所以它是非常重要的改善网络的宽容。

本文通过研究有关材料，自愈算法找到一个路径，树结构的基础上，同时保持简单的路由树结构的特点，并能实现本地时出现在顶部节点故障自愈，会降低节点接入网络可用，该算法对传统树拓扑通过添加一个备份节点或者改变连接的方式，可以实现快速的可靠的拓扑。

备份功能会产生一种算法，这周算法是一种可以自愈的并且具备可继承的熟悉的算法，当节点发生故障的时候，它会根据优先级来自动的修复本地的网络，实现网络的可用性。

关键字：无线传感器  网络  拓扑控制  自愈

 

目录

第一章绪论 5

1.1课题背景 6

1.2课题来源及本人所做的工作 7

1.3论文组织结构 7

第二章无线传感器网络的概述 9

2.1 无线传感器网络体系结构 9

2.1.1 无线传感器网络结构 9

2.1.2 传感器节点结构 10

2.1.3 传感器网络通信体系结构 11

2.2无线传感器网络的特征 13

2.2.1 与现有无线网络的区别 13

2.2.2 传感器节点的限制 13

2.2.3 传感器网络的特点 14

2.3 无线传感器网络的应用 15

2.4 无线传感器网络面临的挑战 16

第三章路径传输协议及自愈技术 18

3.1 ZIGBEE技术 18

3.1.1 ZIGBEE技术优势分析 18

3.1.2 ZIGBEE网络拓扑结构 20

3.2无线传感器网络拓扑控制技术 20

3.2.1 拓扑控制技术概述 20

3.2.2 拓扑控制的意义 21

3.2.3拓扑控制的设计目标 22

3.3 无线传感器网络中的路径传输协议 23

3.3.1 路径传输协议的概念及作用 23

3.3.2路径传输协议设计的关键问题 23

3.3.3典型的路径传输协议简介 24

第四章算法的设计与实现 28

4.1增强型路径传输算法的设计 28

4.1.1 算法综述 28

4.1.2 自愈的特性 28

4.1.3节点通信代码模块化实现 30

4.1.4 算法的进一步研究 32

4.2 算法的硬件实现 35

4.2.1 CC2430节点简介 35

4.2.2 CC2430收发器 35

4.2.3 CC2430典型外设 35

第五章系统调试与测试 36

5.1 开发环境 36

5.1.1 IAR简介 36

5.1.2 利用IAR对CC2430编程 37

5.1.3 串口调试工具 37

5.2 硬件验证步骤 38

第六章总结与展望 42

6.1总结 42

6.2展望 42

致谢 43

参考文献： 45

附录I 缩略词 46

 

第一章绪论

1.1课题背景

在网络技术飞速发展的今天，各种无线技术和电子集成技术的发展也相当快，并且日渐成熟，这使得很多微型的传感器很够做到低成本的量产，并且还能够具备多样的功能。无线节点体积小但功能却很丰富，大量的节点组成无线网络能够监测大范围区域。它能够非常迅速的感知网络，迅速采集信息并处理，其覆盖的区域则可以通过感知这些设备的信息并且发送给检查者。这些细小的节点也被人们称之为智能尘埃，因为他们体积小，重量轻的这些属性。它在传播时可以感知物理世界的变化。

早在九十年代，美国就开始研究无线网络，特别是在军事上的研究。一直到二十世纪末，在美国的商业周刊上有这么一段描述，他说21世纪最为重要的一项技术就是无线传感网络。随后，我们就进入快速发展技术的阶段。无线传感网络作为当时最为先进的网络技术包含了当时科学知识的顶尖水平，并且凝聚了当时的尖端科学研究，它可以自主的获取信息，方便了人们的信息采集研究可用于医学，军事，交通等很多方面。这一顶尖的技术从诞生起就引起了社会各国的高度关注。无论是海陆空，传感网络都可以无视当前严酷的环境进行正常工作，采集信息传递出去，这极大的改变了人们的生活方式。

一般情况下，无线网络中的节点布置的数量都很多，并且分布位置比较密集。但是传感器的节点在某方面毕竟是有所限制的，比如节点电池的续航能力，节点的信息处理能力，存储能力等等。而该网络使用的情形一般都是环境比较恶劣的情况，这使得为节点更换电源等操作变得很困难。同时它的处理存储等能力也不会太高，这些情况都是的拓扑变化极大，当我们在设计网络的时候必须要把这些因素都考虑在内。

以现在的科技水平，能做到对接点数量，能源功耗，的减少，并且能延长网络的寿命的技术主要可以分为三个类别。第一种是数据传输控制技术。传感器网络的每一层分别对应节能措施。通过能量优先、网络层路由协议设计和数据传输过程中的融合处理技术等来避免冲突;第二种是拓扑控制技术，我们可以保证业务不断的情况下，并且确保功率不变，来进行控制。通常会选算法中中心节点，减少非主要的节点之间的通信，形成一张经过优化的节约能耗的新型网络拓扑。一个完善的拓扑可以提高信息传输的速率，提高MAC协议的数据融合的速率。在许多的方面运用，如为时间同步提供了基础和目标位置，以及延长了网络生存的时间;第三种是路径自愈技术，在节点出现故障，能够及时检测到故障的节点和相应的对故障节点算法操作，保证数据可以及时反馈，以提高通信的效率，延长整个网络的生存。

优化网络技术是非常重要的。处于非常严酷的环境中的无线网络中的节点经常会因为硬件的问题导致整个网络的故障，使部分网络拓扑瘫痪。这也是无线研究面临的问题之一。 

1.2课题来源及本人所做的工作

毕业设计的课题是 “基于无线传感器网络技术能增强传输路径算法和硬件验证”主要来自:

国家自然科学基金项目，无线多媒体传感器网络数据收集能源效率的优化机制研究(61202355)

基于现在的社会上的关于这方面的研究和设计，做出以下工作：

(1)通过网络以及书籍，了解无线网络的结构和特点，熟悉无线拓扑控制和路径传输等无线部分的主要技术。

(2)审查文件的自愈路径，分析网络断链的和设计路由、空心、节点退出场景等，来增强的传输路径的算法。计划节能传感器、传感器网络的传输需求能源效率和平衡的效果。

(3)研究现在现有的无线传感器网络拓扑控制技术，分析适用于无线传感器网络，但是节点传输距离在不同的控制策略对网络性能的影响，同时还分析了时间节点故障时的数据处理方案。

(4)学习和使用IAR嵌入式工作台IDE编译器软件，通过它们可实现修改代码，也可以实现树的三层网络拓扑动态更新拓扑结构。了解好拓扑中的节点，组层三层网络的组网架构，并且通过调试工具进行测试，验证路径自愈功能。

本文的创新点主要是如下:

(1)通过无线的相关协议，来实现网络中的所有节点之间进行信息传输。

(2)节点故障时，动态更新拓扑结构，保证除了故障节点外，每个节点之间的通信。

1.3论文组织结构

本次研究的主题是基于现有的科学技术加强无线网络的传输路径算法并且硬件加以验证，根据无线网络自主愈合的路径，提出了实现网络断链、路由、空心、节点退出场景等增强的传输路径的算法。

第一章绪论：第一章表述了本次论文的题目背景情况，并且对无线传感网络的未来的方向做了一些归纳，然后对无线传感网络的现状产生的原因做出了一些解释，点出一些可以实现的的创新点，最后简述了本次研究主题的结构安排和内容。

第二章无线传感器网络概述：第二章先对无线网络的基础知识体系结构进行一定的描述和介绍。第一：简述了无线网络由哪些构成，该网涵盖了无线网络的细小的节点，并通过拓扑连接起来。第二：表明了无线网络的特色特征及应用场景。

第三章路径传输协议及自愈技术：第三章先简述了无线传感器网络的主要三大技术，分别是拓扑控制技术、传输协议和自愈技术，这当中主要包括路径传输的自愈基础和前提，然后讨论了拓扑控制这一重要技术，阐述了这一技术的研究方向，说明产生故障产生问题的主要原因。

第四章基于ZIGBEE无线传感网增强型路径传输算法的设计与实现：本章主要是对基于无线传感器网络的路径传播的技术增强的算法进行了分析，并根据一些现有的路径自愈技术，结合自己的想法，设计一个更好的传输路径算法，一步一步进行每个模块的设计，然后在设计完成后，使用IAR嵌入式工作台IDE编译器软件编码，实现树的三层网络拓扑的数据传输。

第五章基于ZIGBEE无线传感网增强型路径传输算法的硬件验证的调试与测试：这一章主要是算法调试和测试，通过测试使用串口调试工具，一步一步从简单到复杂分模块测试，通过测试模块，测试问题及时记录和调试，提出了解决方案，最后，综合各个模块，完成整个硬件的验证算法。

第六章总结与展望：总结了全文的主要研究成果，指出了目前研究工作中存在的问题和不足，并分析了自愈技术的未来努力方向。

 

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