ZigBee无线传感器网络建模与仿真研究

IZigBee无线传感器网络建模与仿真研究[摘要]ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术或无线网络技术,是一组基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的技术,是目前无线传感器网络的首选技术。本文以opnet软件为基础,利用opnet14.5软件中提供的Zigbee网络模型,分别搭建星型、树型和Mesh型拓扑及Zigbee无线传感器网络,仿真验证了几种拓扑的相关性能指标,并通过引入移动节点,使移动节点按照一定轨迹运动,仿真验证了节点移动性对网络性能的影响,为后续Zigbee无线传感器网络的相关应用研究提供技术参考。[关键词]ZigBee技术；OPNET；无线传感器；移动节点[中图分类号]TN702[文献标志码]AIIModelingandSimulationofZigBeewirelesssensornetworks[Abstract]ZigBeetechnologyisashortdistance,lowcomplexity,lowpower,lowdatarate,low-costtwo-waywirelesscommunicationstechnologyandwirelessnetworktechnology,isasetofstandardsdevelopedbasedonIEEE802.15.4wirelessnetworkingrelated,safetyandapplicationsoftwaretechnology,iscurrentlythepreferredtechnologyforwirelesssensornetworks.Inthispaper,opnetsoftwarebasedontheuseZigbeenetworkmodelopnet14.5softwareprovided,respectively,tobuildastar,treeandMeshtopologiesandZigbeewirelesssensornetworksimulationtoverifytheperformanceofseveralrelatedtopology,andbyintroducingmobilenode,themobilenodeinaccordancewithacertaintrajectorysimulationtoverifytheimpactofnodemobilityonnetworkperformance,andprovidetechnicalreferenceforappliedresearchrelatedfollowZigbeewirelesssensornetworks.[Keywords]ZigBeetechnology;OPNET;wirelesssensor;Themobilenode[Chineselibraryclassificationnumber]TN702[identificationcode]A目录1.引言...............................................12.无线传感器网络及Zigbee技术简介....................22.1无线传感器网络概述................................22.2无线传感器网络的起源及发展........................22.3ZigBee概述........................................23.OPNET网络仿真.....................................63.1OPNET的起源.....................................63.2OPNET建模机制...................................63.3OPNET的特点.....................................63.4OPNET仿真建模方法...............................73.5OPNET仿真中Zigbee网络三种拓扑结构...............84.仿真实现..........................................104.1仿真目标.........................................104.2仿真模型搭建......................................104.3仿真模型的配置....................................115.仿真结果分析......................................135.1执行仿真.........................................135.2分析仿真结果......................................13总结................................................16致谢................................................17参考文献............................................18附录A..............................................19附录B..............................................31陕西理工学院毕业设计第1页共44页1.引言无线传感器网络(WSN,WirelessSensorNetwork)是综合传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息技术及无线通信技术的新型网络,它实时监测、感知和采集网络分布区域内各种监测对象的信息,通过嵌入式系统对信息进行处理,以自组织网络多跳中继方式将信息传送到终端用户,成为当前国际上备受关注的多学科交叉研究热点领域。随着无线传感器网络的不断发展,其应用涉及社会生活的各个方面。同时，提出了更小功耗、更低成本、更可靠、更方便使用的要求,在此情况下，ZigBee技术应运而生。作为新兴的近距离、低功耗、低速率、低成本无线网络技术，ZigBee具有自动选择、连接网络及自我恢复等功能，物理层和MAC层遵循IEEE802.15.4标准，网络层和应用层由Zigbee联盟制定。基于ZigBee的无线传感器网络将传感器技术、通讯技术及计算机技术相结合，具有采集、传输和处理信息的能力，在家用系统控制、楼宇自动化、工业监控等领域有广阔的市场前景。随着各种便携式个人通信设备与家用电器设备的增加，人们享受蜂窝移动通信系统带来的便利的同时，对短距离的无线与移动通信又提出了新的需求，使得短距离无线通信异军突起，包括无线局域网(WLAN)、蓝牙(Blue-Tooth)技术、无线保真(WiFi)、超宽带(UWB)以及ZigBee技术等各种热点技术相继出现，均展现出各自巨大的应用潜力。其中，低速率、低功耗、低成本的ZigBee技术作为无线传感器网络的主要支撑技术获得广泛的关注。ZigBee作为一种新兴的短距离无线通信技术，正有力地推动着低速率无线个人区域网络LR-WPAN(Low-RateWirelessPersonalAreaNetwork)的发展，可以广泛应用于工业控制、家庭自动化、医疗护理、智能农业、消费类电子和远程控制等领域，将拥有广阔的应用前景。预计随着Zigbee技术以及相关技术的发展，低速率应用将日益广泛，在我们的生活中扮演越来越重要的角色。ZigBee的提出弥补了短距离无线通信技术应用研究的空白，现在该技术已经成为研究的新热点，在不久的未来，基于ZigBee技术的产品将会形成一个新的浪潮，势不可挡地席卷全球，而它的发展前景将同计算机、互联网一样融入人们生活的每一个角落，给人们的生活带来方便和快捷。研究Zigbee组网技术，可为下一步应用打下良好理论基础，方便进行系统设计。本文将结合当今的发展趋势和ZigBee的技术特点，对ZigBee做详细的研究和实验开发。网络仿真技术是一种建立网络设备和网络链路的统计模型，并模拟网络流量的传输，从而获取网络设计或优化所需要的网络性能数据的仿真技术。网络仿真技术具有以下特点:(1全新的模拟实验机理，使其具有在高度复杂的网络环境下得到高可信度结果的特点;(2)使用范围广，既可以用于现有网络的优化和扩容，也可以用于新网络的设计，而目_特别适用于中大型网络的设计和优化;(3)初期应用成本不高，而目_建好的网络模型可以延续使用，后期投资还会不断下降。日前用于网络仿真尤其是无线网络仿真的主流平台有NetworkSimulato-2(简称NS-2),OPNET,GloMoSim以及OMNeT++等。一个好的仿真环境应该是模块化、层次化的，并能充分利用工作站的图形。OPNET就是这样一个强大的而向对象的通用网络仿真环境。作为一个全而的集成开发环境，OPNET主要用于对通信网络进行描述、仿真和性能分析。此外，OPNET提供了对无线传输各方面特性的建模能力，所有的无线特性与高层脚议模型无缝连接，使无线技术研发人员可以利用OPNET先进的仿真能力和丰富的脚议模型库来优化研发流程，更有效地开发诸如802.11,UWB,蓝牙及3G/4G等无线通信技术。陕西理工学院毕业设计第2页共44页2.无线传感器网络及Zigbee技术简介2.1无线传感器网络概述微电子技术、计算机技术和无线通信技术的进步，推动了低成本、低功耗、多功能微型传感器的快速发展，使其在微小体积内集成信息采集、数据处理和无线通信等多种功能。而传感器网络通过各类集成化传感器的协作，以有线、无线等多种通信方式，将感知对象的信息传送到观察者。一般认为，短距离低功率无线通信技术最适合传感器网络使用，采用这类通信技术的传感器网络被称作无线传感器网络(WSN,WirelessSensorNetwork),它由部署在监测区域内大量具有特定功能的微型传感器节点组成，通过自组织无线通信方式，相互传递信息，协同完成特定功能。无线传感器网络涉及传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理等多种技术领域，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，发送给终端用户。2.2无线传感器网络的起源及发展对无线传感器网络技术的研究源自美国军方，美国国防部高级研究计划局的分布式传感器网络项目(DSN,DistributedSensorNetworks)利用网络节点价格低廉、隐蔽性强等特点，将其投放到指定监控区域，实现无人职守条件下对预定目标的监控，开启了现代传感器网络研究的先河。到目前为止，出现了很多无线传感器网络节点试验平台，根据时间先后和技术特点，可将无线传感器网络的发展大致分为四个时期:1)第一代:点对点传输的传感器网络雏形。2)第二代:具有获取多种信息及综合处理能力的传感器网络。3)第三代:加入现场总线技术的智能化传感器网络。4)第四代:大量多功能传感器与无线技术结合，逐渐形成无线传感器网络。20世纪80至90年代，对无线传感器网络的研究主要集中在军事领域。1994年，UCLA的WilliamJ.Kaiser教授向DARPA提交了研究建议书“LowPowerWirelessIntegratedMicrosensors，对推动无线传感器网络的研究具有里程碑的意义。1998年，CJ.Pottie从网络研究的角度重新阐释了无线传感器网络的科学意义,DARPA巨资启动了SensIT研究计划，目标是实现战场监测，建立快速任务分配和查询的反应式网络系统。2001年美国陆军提出了“灵巧传感器网络通信计划(SSW)，将无人值守式弹药、传感器和战斗系统所用的机器人系统联成网络，改进未来战斗系统的生存能力。同时，商