[[alternative]]Design and implementation of a ZigBee-based emulation platform for underwater acoustic sensor networks

碩士[[abstract]]近年來海底活動頻繁，無論是海洋資源挖掘、水中活動監控或是水下環境的探索，皆須用到水下感測網路傳輸技術，而水下傳輸係使用聲波當做媒介，這與一般陸面傳輸使用無線電波最大的差異之處，然而水下相關研究往往受限於技術、器材不足或是相關經費考量等因素而無法實現。而在本文中，我們開發一個仿真的水下感測網路環境平台，可透過設定水下的環境參數及模擬的方式得到結果，日後可依據此結果探討水下傳輸協定的可行性與否，或做為比較的依據。[[abstract]]In recent years, there are a variety of flourishing submarine activities. Regardless of marine resource digging, submarine activity monitoring, or underwater environmental exploration, it is requires application to underwater sensor transmission network technology. Underwater transmission utilizes acoustic waves as the media, different from adopting radio waves for transmission on the land. However, restricted to technologies, insufficient devices and equipments, or considerations on limited expense, studies relative to underwater transmission cannot be implemented successfully. Therefore, in this thesis, an environmental platform for underwater sensor network was developed, and the results were extracted through simulation. In the future, the simulation results in this research can be applied to help researchers probe into the feasibility of various underwater transmission protocols or serve as reference for the researchers in the future.[[tableofcontents]]目錄 致謝 1 第一章 緒論 1 1.1 研究動機與目的 1 1.2 論文架構 3 第二章 背景知識 4 2.1 水下聲波網路 4 2.1.1 水下聲速 5 2.1.2 水下聲波訊號衰減 7 2.1.3 水下傳輸距離 8 2.2 水下無線感測網路 10 2.3 感測網路模擬軟體 11 2.4 ZigBee 通訊協定介紹 14 2.4.1 ZigBee通訊協定架構 15 2.4.2 ZigBee 裝置介紹 16 2.4.3 IEEE 802.15.4 實體層通訊協定 17 2.5 XBee通訊模組 19 2.5.1 XBee角色 20 2.5.2 XBee傳輸 22 2.5.3 XBee資料傳輸格式 23 2.5.4 XBee設定 27 2.6 Arduino開發控制板 29 2.7 Arduino 程式 31 第三章 仿真水下感測網路平台 34 3.1 平台背景概述 34 3.2 平台硬體及架構說明 34 3.3 平台執行 35 3.4 碰撞機制驗證 37 3.4.1 時間戳記定義 37 3.4.2 碰撞驗證及資料儲存 38 3.5 動態等待及控制傳送機制 40 3.6 平台硬體限制 41 第四章 仿真系統實作與驗證 43 4.1 系統實作 43 4.2 實體設備連接 43 4.3 仿真環境場景設計 44 4.4 實驗數據及分析結果 48 4.5 場景限制 49 第五章 結論與未來展望 51 5.1 結論 51 5.2 未來工作展望 51 參考文獻 53 附錄 英文論文 55 圖目錄 圖2‑1、水中聲速變化 5 圖2‑2、海水吸收係數變化 7 圖2‑3、(a) 24kHz、(b) 240kHz、(c) 2,400kHz、(d) 24,000kHz頻率中最大傳輸距離 9 圖2‑4、水下感測網路示意 10 圖2‑5、正常傳輸（左）與傳輸延遲（右）示意 11 圖2‑6、ZigBee通訊協定架構 16 圖2‑7、ZigBee網路拓樸 17 圖2‑8、ZigBee無線網路頻帶 19 圖2‑9、XBee Series 2 傳輸模組 20 圖2‑10、通用格式 24 圖2‑11、資料接收格式 25 圖2‑12、資料傳送格式 26 圖2‑13、AT Command 資料格式 27 圖2‑14、UART轉USB阜轉接板 28 圖2‑15、X-CTU軟體起始畫面 29 圖2‑16、X-CTU軟體設定介面 29 圖2‑17、Arduino Uno（左）、Seeeduino V3.0（右） 31 圖2‑18、Sketch軟體畫面 33 圖3‑1、平台架構圖 35 圖3‑2、時間戳記定義示意 38 圖3‑3、資料儲存陣列 38 圖3‑4、碰撞驗證機制示意 39 圖3‑5、資料儲存流程示意 40 圖3‑6、傳送端等待時間示意 41 圖4‑1、仿真水下感測網路平台實體完成圖 43 圖4‑2、Arduino與SD 模組對應腳位示意 44 圖4‑3、場景1設備擺放位置示意 45 圖4‑4、場景2設備擺放位置示意 46 表目錄 表2‑1、水下感測網路與無線感測網路比較 4 表2‑2、水下聲速公式比較 6 表2‑3、市面上常見網路模擬器比較 13 表2‑4、ZigBee規格 14 表2‑5、XBee Series 2 規格 20 表2‑6、Seeeduino v3.0規格 31 表3‑1、平台執行流程 36 表4‑1、Arduino與SD 模組對應腳位 44 表4‑2、場景1水下環境參數設定 46 表4‑3、場景2水下環境參數設定 47 表4‑4、平台碰撞發生率 48 表4‑5、場景1平台運作結果 49 表4‑6、場景2平台運作結果 49[[note]]學號: 702410183, 學年度: 10