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研究生:陳仁一
研究生(外文):Jen-Yi Chen
論文名稱:無線感測系統節能型網路拓樸性能提昇之研究
論文名稱(外文):Technology Development for Performance Enhancement in Power-Saving Network Topology of Wireless Sensor System
指導教授:方志鵬方志鵬引用關係于治平
口試委員:于治平方志鵬高立人宋朝宗
口試日期:2016-07-13
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺北科技大學
系所名稱:電機工程研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
畢業學年度:104
語文別:中文
中文關鍵詞:ZigBeeIEEE802.15.4SimpliciTI無線感測網路
外文關鍵詞:ZigBeeIEEE802.15.4SimpliciTIWSN
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近年來,無線感測網路(WSN)的需求日益增多,因此有人重新定義了網路連線的最後一哩,也就是在每個人身邊一百公尺內的無線連接技術。所以,無線感測網路對於高性能、低功耗及長壽命之要求便日益提升,各種無線感測網路架構經常被討論及研究。而目前WSN常用的通訊協議有ZigBee、IEEE802.15.4、Bluetooth及Wi-Fi,各種不同的無線網路協議各有其應用領域。而對於智慧家庭、智慧工廠的應用以及土木及環境監控等不需要大量運算及傳輸的設備來說,使用Wi-Fi連線的成本效益就相對過高。而Bluetooth的協議,主要定位在個人區域網路的應用,是以點對點或一對多連線的應用為主,較不適合應用在無線感測網路。ZigBee通訊方式如網狀結構般能夠互相傳遞,具備低傳輸、低功耗及低成本且具休眠功能,綜觀以上特性,ZigBee實為無線感測網路的最佳協議,但因系統複雜,造成應用及開發上的難度較高,因此許多業界及開發者不願意選擇ZigBee當作連線標準。
本論文討論的SimpliciTI是一種相較於ZigBee更低成本、低功耗及易開發的無線傳輸協議。其P2P傳輸距離亦較ZigBee遠,但由於SimpliciTI架構較簡單,網路拓樸較受限制、網路可延伸範圍較小,若使用SimpliciTI來做應用將會受到許多限制。因此本論文除了討論及比較SimpliciTI與ZigBee兩種協議,亦將改善部分協議,使SimpliciTI具備自動組態、備援網路、延伸傳輸範圍及低電量時節電,透過以上功能達到SimpliciTI性能提升之目的,使得SimpliciTI比ZigBee更適合用在土木監控及環境監控等不易維護感測節點的應用。
In recent years, rapid expansion of wireless device applications has increased the demand for Wireless Sensor Network (WSN). The last mile of internet connection technology, namely, the wireless connection within a 100 meters radius per person, has therefore been redefined. The growing need for high performance, low power consumption and long life cycle products has resulted in the introduction of new WSN architecture that are able to support more wireless connections and larger framework. Communication protocols application to WSN most widely discussed and studied are ZigBee, IEEE802.15.4, Bluetooth and Wi-Fi. Each protocol has its own characteristics and limitations. Wi-Fi is comparatively too expensive to apply into fields such as smart family, smart factory, and environment monitoring, since the end devices do not require massive amount of data computing and bulk data transfer. Bluetooth, on the other hand, is mainly used within local private networks of small scale applications such as point to point or one-to-many connection, not suitable for WSN which calls for a wider and larger framework. While ZigBee communication method such as mesh, allows relaying of data amongst mesh nodes in one network distribution, lesser workload, relatively cheaper and support sleep mode. After reviewing the above mentioned characteristics, ZigBee can be considered as the most suitable protocol for WSN. However, due of the complexity of ZigBee system structure, the development and the application of ZigBee can be challenging, therefore developers and industries are not willing to use ZigBee as the benchmark protocol.
SimpliciTI discussed in this paper is a communication protocol that is similar to ZigBee but comparatively lower in cost and power consumption and easier to develop and apply into the field of WSN. The Peer to Peer transfer distance of SimpliciTI is longer than ZigBee. However, SimpliciTI is a simplified protocol, the network topology, range and application has its limitation. Therefore, aside from a comprehensive comparison of the difference between SimpliciTI and ZigBee, this paper also propose functions to be added to SimpliciTI protocol, such as automatic configuration, backup network, expansion of transmission range and power-saving to enhance SimpliciTI a better application in the field of WSN, that to make SimpliciTI more suitable to apply into fields such as construction and environment monitoring which is restricted to frequent maintenance of end devices.
目 錄

摘 要 i
ABSTRACT iii
誌 謝 v
目 錄 vi
表目錄 viii
圖目錄 ix
第1章 緒論 1
1.1 緒論 1
1.2 研究動機及目的 2
1.3 論文架構 3
第2章 無線感測網路系統介紹與性能比較 4
2.1 無線感測網路介紹 4
2.2 無線網路技術介紹 5
2.3 短距離無線網路通訊介紹 6
2.4 ZigBee通訊協定規範探討 7
2.4.1 IEEE 802.15.4標準協定 7
2.4.2 ZigBee通訊協定架構 9
2.4.3 ZigBee網路裝置 11
2.4.4 ZigBee網路拓樸 12
2.5 SimpliciTI通訊協定規範之探討 13
2.5.1 SimpliciTI通訊協定架構 13
2.5.2 SimpliciTI Port 14
2.5.3 SimpliciTI網路裝置 15
2.5.4 SimpliciTI網路拓樸 15
2.6 SimpliciTI RE與ZigBee Route之比較 17
2.6.1 ZigBee及SimpliciTI封包 17
2.6.2 ZigBee Router及SimpliciTI Range Extender 20
第3章 節能型無線感測系統網路拓樸分析 與性能提昇 24
3.1 SimpliciTI網路穩定性探討 25
3.1.1 SimpliciTI組網自動恢復 25
3.1.2 SimpliciTI備援網路機制 28
3.2 SimpliciTI RE延展性討論 31
3.3 節點電量資訊擷取及應用 36
3.4 節能型無線感測網路改善之方式總結 39
第4章 節能型網路拓樸性能提昇機制之系統測試與驗證 40
4.1 網路穩定性改善驗證 40
4.1.1 組網自動恢復功能 40
4.1.2 網路備援機制功能 42
4.2 RE轉傳限制改善測試 44
4.3 低電量自動切換網路 47
4.4 節能型網路拓樸性能提昇機制測試及驗證總結 50
第5章 結論與未來研究方向 51
5.1 結論 51
5.2 未來研究方向 52
參考文獻 53
參考文獻
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