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无线传感器网络Rangefree自身定位算法仿真分析
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实现无线定位中的CHAN算法
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基于IEEE802154无线个域网的研究与实现论文.pdf76页
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浙江工商大学
硕士学位论文
基于IEEE802.15.4无线个域网的研究与实现
姓名：王鲁克
申请学位级别：硕士
专业：计算机应用技术
指导教师：胡华
基于IEEE802．15．4无线个域网的研究与实现
随着通信技术和半导体技术的飞速发展，以及人们对无线接入
技术的需求日益增长，无线通信和无线网络均呈现出指数增长的趋
势。这有力地推动了无线通信向高速通信的方向发展。然而，工业、
农业、车载电子系统、家用网络、医疗传感器和伺服执行机构等却是
无线通信还未涉足或刚涉足的领域。这些领域对数据吞吐量的要求很
低，功率消耗也比现有标准提供的功率消耗低。此外，+为了促使简单
方便的、可以随意使用的无线装置大量涌现，需要在未来的个人活动
空间内布置大量的无线接入点，因而低廉的价格将起到关键作用。
802．15．4标准的制定为低功耗、低速率、低成本的无线个域网
的发展提供了一个标准的规范。
802．15．4规范的主要技术之一，由于其设
zigBee∞1作为IEEE
计实现复杂度较高，系统成本相对偏高，在许多简单的应用场合并不
适用。本文主要研究了基于IEEE802．15．4标准的无线个域网技术，
19硬件平台上设计实现了基于802．15．4标
并在CC2420+MSP430FG46
准的无线个域网协议栈。该协议栈的物理层和MAC层的实现完
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三维立体空间定位算法的研究与实现
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你可能喜欢　　作者简介：杜娟（1989—），女，四川绵阳人，硕士研究生，研究方向：嵌入式系统、软件工程、人工智能（E-mail：64" />
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周一至周五
9：00&22：00
基于ZigBee的立体书库标识与管理系统的实现
2013年3期目录
&&&&&&本期共收录文章20篇
　　作者简介：杜娟（1989—），女，四川绵阳人，硕士研究生，研究方向：嵌入式系统、软件工程、人工智能（E-mail：）；李众立（1948—），男，四川绵阳人，教授，硕士生导师，研究方向：嵌入式系统，人工智能，软件工程。 中国论文网 /8/view-4558705.htm　　摘要：长久以来，中国传统图书管理系统只有“仓储”的概念，没有“现代物流”的概念。本文提出一种基于ZigBee技术的标识与管理系统，并将这一系统应用于现代书库管理中。首先在书库工作现场构建基于ZigBee技术的无线局域网，然后将RFID扫描得到的信号经MCU处理后通过ZigBee通信模块发射到工作现场的网关节点，再通过RS-232的方式将网关数据传输到书库管理中心服务器，实现工作现场操作人员和中心服务器之间的信息实时交互与管理。 　　关键词：现代物流；ZigBee；无线局域网；RFID 　　中图分类号：TP212文献标识码：A 　　1引言 　　科学技术的不断前进推动着流通领域不断的革新与发展，基于ZigBee的书库的标识与管理系统融合了RFID技术、ZigBee技术和无线数据传输技术等，是先进的仓储物流管理方案，保证图书业务活动端数据的实时采集和传输，从而保证了实物流和信息流的完全一致，大大提高了书库物流效率， 加速了书库管理智能化的进程[1，2]。 　　2Zigbee 技术 　　Zigbee 是一种无线标准， Zigbee 的基础是IEEE 802.15.4，这是IEEE 无线个人区域网（Personal Area Network， PAN）工作组的一项标准。802.15.4 的MAC 层基于802.11 无线LAN 标准，但是它的物理层与流行的802.11b 物理层相似。ZigBee 有三个工作频段：2.402～2.480GHz、868～868.6MHz、902～928MHz， 共27个信道[3，4]。 　　3系统的设计与实现 　　3.1系统硬件设计 　　在每个书架上，都有一个显示屏和阅读器。运用电子标签技术建立货物身份，运用射频识别及ZigBee技术定位[5]每一件货物在仓库及货架位置，电子标签依靠阅读器发送过来的载波将存储的信息发送到阅读器，再由内嵌在阅读器中的ZigBee模块，通过ZigBee网络，最终传送给作为协调器的ZigBee 模块，从而使多台RFID阅读器无线连接自动组网或者与其他仪器、设备及不同协议读写器之间联网，实现数据的多点无线采集和传输的目的来实时掌握图书的物流信息，并将图书信息及书架信息动态的显示在书架的显示屏上。如图1。 　　采用的方法是在RFID系统的阅读器同ZigBee模块相连，来达成远距离标识与管理系统。这主要有以下几个优点： 　　1）低功耗，时延小。因为ZigBee 的传输速率低、数据量小，因此信号的收发的时间短，在非工作模式下，ZigBee模块又处于休眠状态下。 　　2）传输距离较满足实际应用。通信距离较大一般在10～100 m 内，加大发射功率后可以进一步地扩大其射频距离，并且在实际应用中可以通过建立多跳通信后，其通信距离也会提高。 　　3）网络容量很大。一个ZigBee 网络最多可包括255 个节点，再通过网络协调器将网络互连，其网络容量将达到很大，一个Zigbee 网络可以容纳最多65536 个从设备和一个主设备。 　　4）自组织网络。网络协调器可以自组织网络，采用CSMA/CA 方式进行信道接入。 　　3.2系统终端结构图 　　书库标识与管理系统终端由CPU、RAM、FLASH、液晶显示模块、RFID阅读器、Zigbee 无线通信模块、A/D 转换器、电源装置以及一些接口组成。其结构图如图2。 　　4系统软件设计 　　4.1网络的建立及设备的加入 　　ZigBee网络中，只有协调器可以建立网络，首先协调器的应用层调用NLME_NETWORK_FORMATION.request原语，发出建立网络请求，网络层收到这个原语后，要求MAC层执行信道能量扫描。然后网络层管理实体发送MLME_SCAN.request原语。MAC层收到后首先通过发送信标请求命令帧开始执行主动扫描，通过记录每次接收到的信标帧信息，扫描可用信道网络活动情况，并将扫描结果记录在个域网描述符列表中，最后找到一个最优信道。接着随机选择一个不与已有标识号冲突的网络标识号，并选择16位网络地址为0x0000，然后网络层向MAC层发送MLME_START.request原语。请求开始发送信标帧，运行新的个域网。网络层收到个域网启动状态后，通过NLME_NETWORK_FORMATION.confirm原语将告知应用层建立要求的网络状态。最后协调器应用层通过发送NLME_PERMIT_JOIN.request原语允许设备与网络连接。 　　子设备应用层首先设定待扫描的信道以及每个信道扫描的时间，调用NLME_NETWORK_DISCOVERY.request原语寻找合适的网络，网络层收到原语后，通过MLME_SCAN.request原语要求MAC层执行主动扫描获得目前网络描述参数。完成扫描后，网络层将发送NLME_NETWORK_DISCOVERY.confirm原语告知应用层。应用层根据情况调用NLME_JOIN.request原语从邻居表中选择所发现的网络加入。如果有多个设备满足要求，将选择到协调器节点深度最低的设备。网络确定后，网络层将请求MAC层管理实体对逻辑信道、PAN标识符等有关属性进行配置，发送MLME_SYNC.request原语获得它所要连接协调器的信标，实现与协调器的同步。然后调用MLME_ASSOCIATE.request原语到MAC层，协调器接收到连接请求后返回给子设备确认帧。协调器的网络层将分配唯一的16位网络地址给设备，并根据设备提供的信息在它的邻居表中为子设备创建新的入口，随后向MAC发送表明连接成功的MLME_ASSOCIATE.request原语。协调器网络层将通过向应用层发送NLME_JOIN.indication原语表明设备已经成功同网络连接。设备的MAC层收到来自协调器的连接响应命令帧后，通过MLME_ASSOCIATE.confirm原语发送给设备应用层表明加入成功，设备的网络层将在邻居表中设置逻辑地址信息。如图3。
　　4.2网络的整体结构的设计 　　本系统是基于IEEE802.15.4技术标准的ZigBee网络协议[6，7]与RFID相结合的无线标识与管理系统。该系统中汇集了大量的ZigBee节点和RFID节点，需要采用混合组网的结构才能覆盖较为广的范围。为了减少整个网络的功耗，保证网络中各节点的寿命，把节点分为四种类型，四种类型的节点收到数据包后，分别采取不同的数据包转发方式，从而达到降低能量消耗的功效。把网络中的节点分成四类：协调器（Coordinator）、RN+（RN：RoutingNode）、RN-和RFD。中心协调器、RN+以及RN-都是属于FFD节点。使用AODVjr路由算法的节点是RN+和中心协调器，使用ClusterTre算法的是RN-和RFD节点。中心协调器的主要作用是建立一个新的网络，给新网络设定相关的参数以及多网络中的节点进行管理，同时会存储网络节点中的一些相关信息等。当网络形成后，中心协调器还能够给其他节点充当路由节点。一般情况下由于中心协调器的重要性，采用的是持续的交流供电系统。而终端的RFD节点只是负责收集数据等信息，所以能够降低ZigBee网络能量消耗的策略主要还是是针对RN+和RN-节点。 　　5系统的测试 　　5.1系统数据传输可行性测试 　　先由ZigBee主节点组织一个网络，然后将与读写器相连的ZigBee终端节点加入到网络中。之后，ZigBee终端节点与ZigBee主节点之间就建立了点对点的数据传输关系。然后就可以把射频卡放到读写器天线辐射的范围内（经过测试为76mm），再检测上位机是否可以对射频卡内的信息进行控制[8]。 　　在实验前，首先要连接好硬件电路，做好以下工作： 　　1）将读写器应用程序写入STC89C52单片机中； 　　2）将ZigBee无线数据传输主节点和终端节点的应用程序分别通过CC2430、CC2431仿真器下载到各自的微处理器中； 　　3）开启上位机监控程序。 　　首先在ZigBee主节点上通电，先让其建立一个网络，然后给ZigBee终端节点和读写器通上电源，让其加入由主节点创建的网络中。将射频卡放到读写器辐射范围内，分别点击上位机程序的寻卡、防冲突、选择按钮，如果均出现“成功”表明选择射频卡成功，如出现“失败”说明读写器出现异常或者射频卡没有在天线区域范围内。然后，就可以对射频卡进行读写操作。 　　5.2系统无线传输距离的测试 　　由于本文的创新点就是利用ZigBee无线技术来实现RFID读写器与上位机之间的数据传输，因此ZigBee无线传输距离是非常重要的[9]，表1是分别在空旷的实验室数据传输距离和在有障碍物的实验室条件下数据传输的距离。 　　通过表1我们看出开放空间条件下ZigBee无线通信技术传输数据的距离和在有障碍物条件下的数据传输的距离的差距还是很大的，而且在开放空间的条件下无线传输的距离十次测量的数据差别不大，而在有障碍物条件下，差别就比较大。原因可能因为具体环境比较复杂，无线信号受到的影响比较大，因此测试的结果数据差别相对比较大。所以在现实应用中，要根据现场环境的条件来放置主节点，这样才能顺利的完成传输数据。 　　6结束语 　　用ZigBee无线技术来实现RFID读写器与上位机之间数据传输，理想情况下传输距离可达50多米，如果再加大功率，数据无线通信距离可以更长，而且数据传输时没有方向限制，设备安装时也不需要布线，可支持多达上万个节点，极大的增加了识别系统的灵活性。由于ZigBee技术的稳定性还没有通过现实应用的严格考验，所以ZigBee无线通信技术走向成熟并大量应用到现实中还需时日。但是，ZigBee技术和射频识别系统的结合是大势所趋，随着信息技术的不断发展，两者相结合后的优势将更为突出，基于ZigBee技术的物流标识系统将得到更好的应用。 　　参考文献 　　[1]康东，石喜勤，李勇鹏.射频识别核心技术与典型应用开发案例[M].北京：人民邮电出版社，. 　　[2]吴迪，龙兵，刘震.电子设备诊断系统中RFID系统与ZigBee网络混合组网的设计与实现[J].电子元器件应用，2011，4 　　[3]高守玮，吴灿阳.ZigBee技术实践教程[M].北京：北京航空航天大学出版社.-50. 　　[4]ZigBee Wireless Networking Overview[J].Texas Instrument.2008. 　　[5]金春，罗祖秋，罗凤，陈前斌.ZigBee技术基础及案例分析[M].北京：国防工业出版社，2008. 　　[6] XiaohuiLi，kanglingFang， Jinguang Gu et al.An ImProved ZigBee Routing Strategy for Monitoring System[C].First International Conferenee on Intelligent Networks and Intelligent，8. 　　[7]Jennic ZigBee Stack UserGuide[S].JN-UG-3017Revision1.4.2007.5 　　[8]刘雅举，蔡振江，张莉等.基于射频芯片的ZigBee无线传感器网络节点的设计[J].微计算机信息，-49. 　　[9] 张育琪，基于ZigBee技术的无线数据采集系统设计[D].西安：西安电子科技大学，2010.
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