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基于ZigBee的铁路集装箱站信息系统组网和路由协议分析.pdf

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西南交通大学硕士研究生学位论文 第1IT页environment of container station yard,does emulation experiments to compareproperties between original and the improved routing protoc01.Experiment resultsindicate that networking scheme and improvement of routing algorithm proposed bythis paper make some progress in the al ca of controlling network flow distributionand balancing network load,extending the lifetime of the whole network,demonstrate the feasibility of this scheme in container ination system.Key wordscontainer;ZigBee;energy balance;NS2西南交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1.保密口,在 年解密后适用本授权书;2.不保密、彰使用本授权书。请在以上方框内打“4”学位论文作者签名台霹日期炯歹.占.影指导老师签名~日姆l西o’.舀.g’西南交通大学学位论文创新性声明本人郑重声明所呈交的学位论文,是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本学位论文的主要创新点如下1.针对铁路集装箱站信息系统的设计目标,给出了基于ZigBee技术的组建网络的总体设计方案,并对站场网络覆盖和集装箱终端节点加入网络给出了具体实现方法。2.在均衡网络能量消耗方面,本文对ZigBee原有AODVjr路由协议进行了一定的改进。采用基于门限值的方案来构建群,利用跳数和能量的加权来选择路由,从而提出了一种延长网络寿命的路由改进策略。台蹲2莎i,s,譬西南交通大学硕士研究生学位论文 第l页第1章绪论1.1课题研究的背景及意义集装箱是一种装载货物的特定容器,将集装箱在铁路车辆上进行货物运送,并通过一种或几种交通工具方便的实现多种运输方式联运,便于对货主实现门到门的运输服务,因此集装箱运输是一种先进的运输方式【l】。集装箱运输已经成为当今世界国与国、地区与地区之间物资贸易与运输的主流。集装箱结点站是集装箱运输中的一个极为重要的中间环节,主要用于集装箱的堆存、装箱、拆箱和待中转等。实现铁路集装箱结点站的综合自动化,能对集装箱实时跟踪查询,避免人为错误,加快集装箱的周转速度,减少箱停时间,更好的为货主服务。然而目前国内的集装箱站点自动化建设仍比较落后,多数以人力资源利用为主,自动化程度低、信息处理和交换能力差。由于集装箱的不断移动性和场地以及各种装卸机械布线的限制,大多数仍采用人工抄录、无线高频电话等方式进行通信,通信质量和通信安全性难以得到保证。随着传感器技术、无线通信技术和数据处理技术的迅猛发展,出现了集这三种技术为一体的传感器器件。大量的这种具有无线通信和数据处理能力传感器器件通过一定的协议构成自组织网络,可以进行数据收集和传输,为用户提供有用信息,这就是无线传感器网络Wireless Sensor Network,WSN技术。在2000年12月,电气和电子工程师协会Institute of Electrical andElectronics Engineers,IEEE成立了IEEE 802.15.4工作组,致力于定义一种供廉价的固定、便携或移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线连接技术。ZigBee正是这种技术的商业化命名,这个名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式,蜜蜂通过ZigBee形状的舞蹈来分享新发现的食物源的位置、距离和方向等信息【21。在标准化方面,IEEE 802.15.4工作组主要负责制定物理层和MAC层的协议,其余协议主要参照和采用现有的标准。ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术,主要用于近距离无线连接。它依据802.15.4标准.在很多微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量.以多跳的方式将数据从~个传感器传到另~个传感器。IEEE802.15.4规范是~种经济、高效、西南交通大学硕士研究生学位论文 第2页低数据速率小于250KBps、工作在2.4 GHz和868/91 5 MHz的无线技术,它是ZigBee应用层和网络层协议的基础。将ZigBee无线通信技术嵌入集装箱站场各种设备中,可以实现集装箱站点自动化系统的通信组网,构成ZigBee混合网。并根据现场节点的具体布置情况,采用改进的路由算法,实现对集装箱的定位和信息采集。通过基于ZigBee的集装箱信息系统组网和路由协议的研究,达到提高集装箱站点工作效率,实现资源共享的目的,这对推动集装箱运输业的进一步发展具有重要的现实意义。1.2无线传感器网络概述无限传感器网络f35】是由大量密集的微型智能传感器节点组成,通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统,其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息,并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者是构成传感器网络的三个要素。在WSN中,节点不仅能够借助中间节点的转发来实现通信,还可以监测本地环境的变化,收集和处理相关的传感信息。各传感节点协作运行来完成某项任务,并根据网络的规模选用合适的路由协议来转发信息。1.2.1无线传感器网络的特点无线传感器网络有别于传统的网络,有其独有的特点【6,刀,主要包括以下几点第一,无线传感器网络通过无线方式连接。无线的连接具有很强的灵活性,它不需要有固定的事先建立好的节点之间的连接,而且即便网络节点的位置发生了变化,’也不会对网络的连通带来太大的影响,适合于动态的网络环境。第二,无限传感器网络是一种分布式的传感系统。通过在某一区域分散大量的节点,各个节点对其附近的区域进行观测,全部的节点从整体上实现了对整个区域的监控。一个区域的空间越大,它各个部分的环境信息的差异也会越明显,这时单靠少量的节点测到的信息根本不可能代表整个区域的情况。由于传感器节点的成本相对比较低,可以安置大量的节点,使得它们覆盖被测区域的各个角落,这样获得的信息综合起来就会更加精确的反映整个区域的情况。西南交通大学硕士研究生学位论文 第3页节点信息的冗余度越高,获得信息的精确度也会越高。第三,无线传感器网络是~种自组织网络。与传统的有线网络相比,对无限传感器网络的人工干预的可能性很小。在很多情况下,我们无法对网络进行人工配置,这就需要各个节点可以相互协作建立它们之间的连接,完成网络的初始化、启动监控任务、网络的故障自我修复等工作。所有这些,都要求网络具有自我调节的能力,即各个传感器节点能够感知到网络结构的变化,通过相互协调,适应网络的这种动态性,维护应用的正常运行。第四,无线传感器网络节点在电池能量、计算能力和存储容量等方面有限制。由于传感器节点微型化,节点的电池能量有限,所以传感器节点的电池能量限制是整个网络设计的关键约束之一,它直接决定了网络的工作寿命。另一方面,传感器节点的计算和存储能力有限,使得其不能进行复杂的计算,传统Internet网络上成熟的协议对无线传感器网络而言开销太大,难以使用,必须重新设计简单而有效的算法。第五,无线传感器网络中数据是被分散处理的。不同于传统网络中的具有中央控制节点的系统,传感器网络不是将各个节点的数据都传送到中央节点统一处理。每个节点都具有一定的数据处理能力,它们会根据需要对数据进行处理,然后再传输。这样可以减少网络流量,提高有限的带宽利用率。第六,无限传感器网络是以数据为中心。在无限传感器网络中人们只关心某个区域的某个指标的值,而不会去关心具体某个节点的观测数据。以数据为中心的特点要求无限传感器网络能够脱离传统网络的寻址过程,快速有效的组织起各个节点的信息并融合提取出有用信息直接传送给用户。1.2.2无线传感器网络的应用无线传感器网络本身的特点决定了在军事、工农业生产、交通、气象、医疗、安全、家庭等各个领域都有广阔的应用前景l引,特别是在一些人类无法到达或者无法工作的环境下,可以代替人类收集、处理需要的信息。根据工作方式的不同,一般可以将无限传感器网络的应用分为两类一类是事件检测,另一类是数据采集。事件检测型的应用中,散布在一定区域的传感器的工作是检测特定的事件是否发生,一旦检测到发生,即通过无线网络将此消息发送出去。这一类的应西南交通大学硕士研究生学位论文 第4页用例子如军事上利用无线传感器网络对特定的区域进行监控,看是否有敌人入侵或受到武器攻击;在家庭中用无线传感器网络进行防火、防盗等。数据采集类的应用中,传感器对周围的有关数据进行采集,并进行简单处理后通过无线传感器网络发送给服务器进行汇总、分析。比如,在自动化农业中,用温度、湿度传感器组成的无限传感器网络对农作物的生长环境进行监控和分析;在生物研究中,在需要跟踪研究的动物身上放上传感器,通过无限传感器网络了解它们的生活习性等。1.3本论文研究的主要内容本论文在全面深入研究ZigBee规范的基础上,提出了基于ZigBee技术的铁路集装箱站信息系统网络组网方案,并通过对典型无线路由算法的分析比较,设计了对原有路由协议的改进。该改进将门限值调整、集群和基于跳数、能量的加权选路合理的结合起来,延长了网络的生存期。论文章节安排如下第一章阐述了课题研究的背景及意义,并对无线传感器网络的特点及应用进行了一定的介绍。第二章全面深入地对IEEES02.15.4/ZigBee标准进行了研究分析,包括ZigBee协议的整体框架、ZigBee技术的特点、ZigBee协议栈及各层的规范,重点放在网络层的分析。第三章对典型无线传感器路由协议的原理、特点进行了分析与比较。第四章根据铁路集装箱站信息系统的需求,设计了基于ZigBee技术的铁路集装箱站信息系统的整体组网方案。并对站场网络覆盖的设计、集装箱终端节点加入网络的方式做了详细的分析。第五章针对ZigBee规范中原有Cluster-Tree与AODV相结合路由协议在能量均衡上的缺陷,提出了基于能量均衡的改进的ZigBee路由算法,并详细描述了算法改进的设计与实现。第六章利用NS2强大的网络模拟环境,对系统整体组网方案和改进的路由协议进行仿真测试,验证组网方案和路由协议的正确性。西南交通大学硕士研究生学位论文 第5页第2章Z i gBee技术标准2.1 Z i gBee无线技术概述近年来,随着无线网络技术的快速发展,无线网络技术变得越来越重要,也出现了很多相关的应用和产品。目前,基于IEEE802.15.4协议的无线传感器网络,逐步成为被广泛讨论和研究的课题之一。IEEE802.15.4是一种新兴的无线通信协议,是IEEE组织确定的低速个人局域网Personal心eaNetwork标准191。这个标准定义了物理层Physical Layer’PHY和介质访问层Medium Access Layef,MAC。但是,仅仅定义物理层和介质访问层并不能完全解决问题。因为没有统一的使用规范,不同厂家生产出的设备存在兼容性问题。于是ZigBee联盟应运而生,众多设备生产厂家联合在一起,推出一套标准化平台ZigBee【13】。ZigBee从IEEE802.15.4标准开始着手,定义了允许不同厂商制造的设备相互兼容的应用纲要。ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据数率、低成本的具有统一技术标准短距离无线通信技术110,11,12】,主要用于近距离无线连接。它依据802.15.4标准,在很多微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量,以多跳的方式将数据从一个传感器传到另一个传感器。IEEE802.15.4规范是一种经济、高效、低数据速率小于250KBps、工作在2.4GHz和868/915MHz的无线技术,它是ZigBee应用层和网络层协议的基础。ZigBee的主要特点1.低速率ZigBee根据不同的工作频段,其数据传输速率会有所不同,但都处于较低的速率。2.4GHz频段为250kbps, 915MHz频段为40kbps,868MHz频段为20kbps。2.低功耗这是ZigBee的一个显著特点,由于收发信息功耗较低、在MAC层采用了休眠机制以及休眠激活、信道接入时延很短,使得ZigBee节点非常省电。一般ZigBee节点的电池工作时间可以长达6~24个月。西南交通大学硕士研究生学位论文 第6页3.低成本由于ZigBee协议栈相对于蓝牙、Wi.Fi要简单得多,降低了对通信控制器的要求,因此可以采用规模很小的存储器,大大降低了器件成本。且由于ZigBee协议免专利费用,因此可进一步降低软件的应用费用。4.短时延ZigBee的通信时延以及从休眠状态激活的时延都非常短。典型的搜索设备时延为30ms,休眠激活的时延是15ms,活动设备信道接入的时延为15ms,因此ZigBee技术适用于对时延敏感的应用,而且节省了能量。5.免许可无线通信频段ZigBee采用的物理、MAC层协议是IEEE802.15.4,而它正是工作在2.4GHz或868/915MHz的工业科学医疗ISM频段,对全球2.4GHz频段均免许可使用,868MHz在欧洲,915MHz则在北美被免许可使用。6.多种组网方式ZigBee网络可通过网络协调器组成星状、树状、网状等多种组网方式。组网方式灵活,并可通过节点设备的加入和退出使网络呈现动态变化的特点。7.近距离通信由于低功耗的特点,ZigBee设备的发射功率较小。一般相近的两个ZigBee节点间的通信距离在10.100m内,在加大无线发射功率后,也可增加到l-3km;但通过相邻节点的接续通信传输,建立起ZigBee设备的多跳通信链路,还可使ZigBee的实际通信距离大幅度增加。8.可靠数据传输ZigBee的介质接入控制子层采用CSMA/CA接入算法,同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避开了发送数据的竞争和冲突。9.自配置ZigBee网络节点能够感知周围节点的存在,并确定连接关系,构成结构化网络。节点设备可随时加入和退出网络,是一种自配置、自组织的组网模式。10.三级安全模式ZigBee提供了基于循环冗余校验CRC的数据包完整性校验,支持鉴权和认证,并在数据传输中提供了三级安全处理。协议栈各层可以根据实际需要灵活确定其安全属性。西南交通大学硕士研究生学位论文 第7页2.2 Z j gBee协议栈结构ZigBee协议栈由~组子层构成,每层为其上层提供一组特定的服务。数据实体提供数据传输服务,管理实体提供全部其他服务。每个服务实体通过一个服务接入点SAP为其上层提供服务接口,并且每个SAP提供了~系列的基本服务指令来实现相应的功能。服务是一个协议层服务提供者向其上一层服务用户提供的功能,通过服务提供层和服务用户层之间的信息流来描述的,而服务用户的功能是建立在其下一层提供的服务基础之上的。ZigBee应用层ZigBeel网络层IEEE802.1 5.4MAC8618E丹E.E5MSOH2.z15P.4HY I IE能EE¨8022州.15Y.4图2.1 ZigBee协议栈的体系结构模型【121ZigBee协议栈的体系结构如图2.1所示。它虽然基于标准的七层开放式系统互联osl模型,但仅对那些涉及ZigBee的层予以定义。IEEE802.15.4--2003标准定义了最下面两层物理层PHY和介质接入摔制子层MAc。而ZigBee联盟提供了网络层NwK和应用层APL框架的设计【9】’其中应用层的框架包括了应用子层APS、ZigBee设备对象ZDO和由制造商制定的应用对象。2.3 l EEE802.1 5.4/Z i gBee标准详解2.3.1 Z i gBee物理层ZigBee的通信频率在物理层来规范,ZigBee根据不同的国家和地区为其提供不同的工作频率范围,ZigBee所使用的频率范围分为2.4GHz和868/915MHz物理层。两个物理层都是基于直接序列扩频DSSS.Direct Sequence SpreadSpectrum技术,使用相同的物理层数据包格式,区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率的不同。-.■●;;i●●Jzj∞Be族盟lT。..L一一_一一田_暑N._们.▲一
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