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Z-stack协议栈组网过程研究文献综述

 2020-04-14 09:04  

1.目的及意义

Z-Stack协议栈是由美国德州仪器公司开发的针对于ZigBee无线通讯的一个开发环境。ZigBee技术又名“紫蜂”技术,起源于国外,它的协议是由ZigBee联盟在IEEE 802.15.4协议的基础上修改完善后得到的,采用4层的结构,从下至上依次是物理层、MAC层、网络层和应用层。作为一种近距离的无线通讯系统,它具有传输速率低、作用范围小,但是低功耗低成本、容量大、组网灵活特点,在当今这个“物联网”越来越受到人们的重视的时代,具有这些特点的ZigBee技术也获得了较大的发展。

ZigBee技术的应用非常广泛,国内外也有很多的学者从事着这方面的研究。在国外,ZigBee技术已经渗透进人们生活的方方面面。来自澳大利亚Curtin大学的学者Mohammad Ali Moridi、Mostafa Sharifzadeh与Hyong Doo Jang以及来自秋田大学(Akita University)的学者Youhei Kawamura就研究了基于无线传感器网络的地下通讯监测系统的发展情况。地下矿山作业的危险性是相当高的,因此确保地下矿山作业的安全是非常重要的。在过去的几年里,无线传感器网络的应用的确大大缓解了这一问题,但是在这种恶劣环境中传感器网络的可靠性还有待提高。为此,研究者利用ZigBee网络研发了一套更为全面的地下矿山环境检测与通讯系统。该系统实时监测矿井内温度、湿度和照明度数并控制矿山通风风扇,通过实验表明检测与通讯系统能可靠地运行。

来自阿尔及利亚的学者Amar Abane与另外三位来自法国的学者Mehammad Daah,Samia Bouzefane以及Paul Muhethaler研究了一种利用ZigBee技术支持的命名数据网络。命名数据网络(NDN)是一种允许使用数据的自然名称而不是主机的逻辑地址进行通信的新架构。近年来,一些研究项目证明了命名数据网络能够支持新兴的物联网应用,如家庭自动化,智能城市和智能农业应用。研究者将NDN技术与ZigBee技术集成,为需要无线传感/驱动能力、移动性支持和低功耗的物联网应用提供更好的支持,并在三种不同场景的实验展示了NDN在物联网环境中的适用性和易用性。

在国内,ZigBee技术也有较大的发展,在医疗监控,环境监测,无线定位以及智能家居等方面都有较大的研究成果。例如在医疗监控方面,采用ZigBee网络进行通讯,其灵活的组网以及大容量、低功耗非常适合医院这种人流量较大的场合。广东工业大学的学者黎寰在ZigBee传统路由算法高控制高开销的基础上提出了改进思路,并将改进后的路由算法运用于医疗监控,充分利用了ZigBee网络的上述特性。

在环境监测方面,往往是传感器与ZigBee网络相结合的方式,不仅可以进行农作物生长环境的监测,也可以完成环境污染(例如PM2.5,核辐射)的监测。湖南大学的张涛学者就设计了一种蔬菜大棚环境监测系统。该系统可以监测大棚内各种环境参数,例如湿度、光照强度、土壤水分、二氧化碳浓度等,并通过间隔采样的方式来降低能耗,延长节点使用时间。同时也具有监测动物入侵的功能。结合ZigBee技术,借助Z-Stack协议栈完成检测系统的组网,使用微波感侦测技术来检测是否有动物入侵。

华东理工大学的肖海玲设计出一种基于ZigBee技术的PM2.5/核辐射环境监测与远程报警系统。该系统利用TI公司的低功耗CC2530模块作为无线射频模块的核心,使用Z-Stack协议栈完成组网,并结合传感采集技术和GSM短信技术完成整个系统的搭建,在模拟粉尘环境和放射性环境中测试表明系统均可以可靠运行。

在无线定位方面,不仅可以通过传统的手段RSSI进行节点定位,还可以做到对信标节点的运动的记录,累计信标节点的运动距离,记载相应的数据,这在运动场上是十分实用的。吉林大学的学者项亮亮研发了一套足球跑位监控系统,主要研究了基于ZigBee定位技术的足球训练系统的应用,并在此基础上实现了统计对运动员在训练中跑动距离的总和,总跑动时间,记录了运动员反应速度,战术执行程度等。在测距的时候运用RSSI测距手段来测量运动员(节点)的位置,利用Z-Stack协议栈组网将移动节点、参考节点、协调器联结起来,实现节点定位,并使用上位机对信息进行处理。

福建华侨大学的学者刘鋆与华中师范大学的学者赵尔敦,陈怡通过对基于RSSI的三边定位算法的改进,设计了一个基于Z-Stack协议栈的定位系统,通过优化算法大大减小了由于衰减模型参数的不精确而导致的定位误差。

在智能家居方面,小米的智能家居系统也利用了ZigBee技术,将各种家用设备连接在一个网络中,方便人们对它们进行控制,并可以实时掌握各个设备的运行情况以及获取这些设备上的读数。同时ZigBee的低功耗的特点也使得那些不能直接供电的设备获得了比采用WiFi或者蓝牙技术来进行联网更长久的续航时间。

武汉纺织大学的学者陈博,邓在辉,同小军三人将ZigBee技术用于现代化教学中。学者们提出了用物联网技术建设校园,实现智能化管理校园的设想,并设计了基于ZigBee技术的教学信息显示系统,该系统主要以网关、LCD显示节点和上位机组成,利用Z-Stack协议栈完成组网通讯。同样的,来自华南大学的欧阳宏志,胡清,张韵三位学者提出了一种以教室为中心,构建智能管理监控系统的设想。该系统能够监控教室的电器使用情况,做到节能型校园,智能的考勤方式也方便了学校的管理。

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