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基于蚁群优化和能量管理的ZigBee网络路由研究

作　者: 彭友
导　师: 杨恢先
学　校: 湘潭大学
专　业: 物理电子学
关键词: ZigBee技术 蚁群算法 信息素 智能家居
分类号: TP212.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


无线传感网络是一种全新的集成了传感技术、嵌入式技术和无线网络通讯技术等而形成的信息采集和处理技术,具有十分广阔的应用前景,当前受到国际上许多专家学者重点关注,是新兴前沿的多学科高度交叉研究热点之一。无线传感网络中的基于ZigBee技术的网络一般由大量低成本的微型ZigBee传感器节点组成,因此在有限的资源条件下、恶劣的环境状况下如何实现大规模网络的高效可持续通信对ZigBee网络路由协议提出了新的挑战。IEEE 802.15.4标准旨在为低功耗,低速率的通信提供一种可靠和经济的无线网络技术。ZigBee协议采用IEEE802.15.4标准的物理层和介质访问控制层,并结合网络层、应用支持子层和安全模块等,实现了自组织无线网络覆盖。具有高效节能优势的ZigBee无线传感网络在工业控制、智能家居等领域都有很大的应用潜力。论文首先分析ZigBee网络的特点,探讨ZigBee网络的体系结构及其相关应用,围绕ZigBee协议和蚁群优化算法展开,提出了基于能量管理和蚁群优化的ZigBee路由协议改进算法,达到实现提高ZigBee网络整体性能的目的。然后在NS2仿真平台,对ZigBee组网和路由过程进行了网络仿真。仿真实验结果表明该方法能够有效的降低节点能耗提高网络性能。另外,论文还针对ZigBee网络在自身资源有限和所处环境恶劣的情况下基本路由算法容错性较低,提出一种改进的基于蚁群优化的ZigBee容错路由算法。它采用一种基于蚁群优化的方法实现选择路由的可信度控制,均衡了节点能量和容错之间的矛盾,在保障能耗的情况下提高了网络容错能力。同样对算法基于NS2仿真平台进行了网络仿真,仿真实验结果表明该方法能够明显提高网络容错性能。在ARM平台上实现了一个简单的基于ZigBee协议的智能家居系统,并通过移植改进的蚁群优化路由协议,对家居环境数据采集功能测试以及性能分析,验证了改进ZigBee路由协议的可行性。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章 绪论  10-15
  1.1 研究的背景和意义  10-12
  1.2 ZigBee 技术起源与研究进展  12
  1.3 本论文的主要工作  12-13
  1.4 论文的组织结构  13-15
第2章 ZigBee 网络与蚁群路由算法研究  15-32
  2.1 无线传感网络概述  15-23
    2.1.1 无线传感网络体系结构  15-16
    2.1.2 无线传感网络协议栈结构  16-18
    2.1.3 ZigBee 技术概述  18-19
    2.1.4 ZigBee 技术特点  19
    2.1.5 ZigBee 技术与常用无线通信协议的比较  19-20
    2.1.6 ZigBee 网络评价指标  20-21
    2.1.7 ZigBee 研究热点  21-23
  2.2 ZigBee 路由协议  23-25
    2.2.1 无线传感网络路由协议分类  23
    2.2.2 ZigBee 路由协议  23-25
    2.2.3 路由协议分析对比  25
  2.3 蚁群算法  25-28
    2.3.1 蚁群算法原理  25-26
    2.3.2 蚁群算法基本模型  26-27
    2.3.3 蚁群算法在网络路由应用的优点与不足  27-28
  2.4 蚁群路由算法模型  28-30
    2.4.1 AS 算法模型  28-29
    2.4.2 ACS 模型  29-30
  2.5 优化算法  30-31
    2.5.1 DE 算法，GA 算法和PSO 算法  30
    2.5.2 几种优化算法的对比  30-31
  2.6 本章小结  31-32
第3章 基于能量管理与蚁群优化的ZigBee 路由算法  32-38
  3.1 经典ZigBee 路由算法优缺点  32-33
    3.1.1 AODV 协议及其优缺点  32
    3.1.2 蚁群算法及其优缺点  32-33
  3.2 改进的路由算法实现  33-35
    3.2.1 ACO-AODV 算法设计思路  33-34
    3.2.2 算法设计流程  34-35
  3.3 仿真实验与结果  35-37
    3.3.1 实验环境  35
    3.3.2 实验仿真结果  35-37
  3.4 本章小结  37-38
第4章 基于蚁群算法的ZigBee 节能容错路由算法  38-45
  4.1 概述  38
  4.2 容错路由算法与蚁群路由算法  38-39
    4.2.1 传统容错路由算法  38-39
    4.2.2 蚁群路由算法  39
  4.3 EAFT 算法的设计  39-42
    4.3.1 算法设计原理  39-41
    4.3.2 算法设计流程  41-42
  4.4 实验仿真与算法分析  42-44
    4.4.1 实验仿真环境  42
    4.4.2 仿真结果  42-44
  4.5 本章小结  44-45
第5章 基于改进路由算法的ZigBee 智能家居设计  45-56
  5.1 概述  45
  5.2 智能家居无线传感网络总体结构及原理  45
    5.2.1 ARM 控制中心  45
    5.2.2 ZigBee 网络  45
  5.3 智能家居无线传感网络的硬件设计  45-48
    5.3.1 ARM 控制中心  45-46
    5.3.2 ZigBee 无线与传感器模块  46-48
  5.4 智能家居无线传感网络的软件设计  48-51
    5.4.1 操作系统平台定制  49
    5.4.2 设备驱动开发与应用软件源程序的编译和调试  49-50
    5.4.3 ZigBee 模块软件设计  50-51
  5.5 改进的ZigBee 网络路由协议的移植  51-53
  5.6 调试，实验效果与分析  53-55
  5.7 本章小结  55-56
第6章 总结与展望  56-58
参考文献  58-61
致谢  61-62
个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果  62

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化元件、部件 > 发送器（变换器）、传感器 > 传感器的应用
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