基于Zigbee無線定位技術(shù)研究畢業(yè)論文.doc

基于zigbee的無線定位技術(shù)研究 摘要：隨著現(xiàn)代通信技術(shù)和無線網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，人們對(duì)定位與導(dǎo)航的需求日益增大，尤其在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境，但是受定位時(shí)間、定位精度以及復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境等條件的限制，比較完善的封閉空間定位技術(shù)目前還無法很好地利用。本文的重點(diǎn)就在于設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種低成本、實(shí)用的無線傳感器定位系統(tǒng)。 本論文主要研究了基于zigbee網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)無線定位技術(shù)，它包括硬件平臺(tái)、節(jié)點(diǎn)通信程序和上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件三部分。本文詳細(xì)介紹了三部分的實(shí)現(xiàn)。其中，硬件平臺(tái)以集成了射頻與51微控制器的cc2430芯片為核心，該平臺(tái)包括射頻模塊、輔助電路、功能指示電路等。 論文最后對(duì)定位系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試。測(cè)試表明:本系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，是一個(gè)低成本、易實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)。關(guān)鍵詞： zigbee 無線定位 cc2430 z-stack the research wireless localization based on zigbee teacher：liu zhi (changchun university of science and technology of electronic information engineering institute,060412225 wang meng) abstract： with the rapid development of modern communication technology and wireless network,peoples demand for positioning and navigation is increasing. especially in complex indoor environments, but as the limitation of positioning time, positioning accuracy as well as the complexity of the indoor environment conditions, well-positioning technology is still unable to be used in an encloseure space. the combination of zigbee technology and localization is one of the key researches.this paper, aiming at zigbee network, investigates the indoor wireless location techniques and implements a real-time localization system. this paper achieves a localization system. three parts are included. they are hardware platform, communication program of nodes and pc monitor software. the achievement of every part is clear introduced in this paper. the core of hardware platform is cc2430 which is integrated by rf and 51 mcu, the localization nodes are designed and made. it includes rf module, auxiliary module and function indication circuits. in the end, practical test is implemented. this system is confirmed to be a good one, it is a low cost and easy achieved system.keywords: zigbee wireless localization cc2430 z-stack 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對(duì)本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 使用授權(quán)說明本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)校可以采用影印、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉?jī)?nèi)容。作者簽名： 日 期： 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名： 日期： 年 月 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。作者簽名：日期： 年 月 日導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日注 意 事 項(xiàng)1.設(shè)計(jì)（論文）的內(nèi)容包括：1）封面（按教務(wù)處制定的標(biāo)準(zhǔn)封面格式制作）2）原創(chuàng)性聲明3）中文摘要（300字左右）、關(guān)鍵詞4）外文摘要、關(guān)鍵詞 5）目次頁(yè)（附件不統(tǒng)一編入）6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結(jié)論7）參考文獻(xiàn)8）致謝9）附錄（對(duì)論文支持必要時(shí)）2.論文字?jǐn)?shù)要求：理工類設(shè)計(jì)（論文）正文字?jǐn)?shù)不少于1萬字（不包括圖紙、程序清單等），文科類論文正文字?jǐn)?shù)不少于1.2萬字。3.附件包括：任務(wù)書、開題報(bào)告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）。4.文字、圖表要求：1）文字通順，語(yǔ)言流暢，書寫字跡工整，打印字體及大小符合要求，無錯(cuò)別字，不準(zhǔn)請(qǐng)他人代寫2）工程設(shè)計(jì)類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計(jì)算機(jī)繪制，所有圖紙應(yīng)符合國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準(zhǔn)用徒手畫3）畢業(yè)論文須用a4單面打印，論文50頁(yè)以上的雙面打印4）圖表應(yīng)繪制于無格子的頁(yè)面上5）軟件工程類課題應(yīng)有程序清單，并提供電子文檔5.裝訂順序1）設(shè)計(jì)（論文）2）附件：按照任務(wù)書、開題報(bào)告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）次序裝訂引 言1第一章 緒 論21.1 課題研究背景與意義21.2 基于測(cè)距的定位技術(shù)介紹21.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀31.4 無線定位系統(tǒng)未來發(fā)展趨勢(shì)3第二章 zigbee技術(shù)概述52.1 zigbee簡(jiǎn)介52.2 zigbee網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成52.2.1星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?2.2.2對(duì)等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?2.3 zigbee協(xié)議的研究82.4 zigbee技術(shù)應(yīng)用前景8第三章 基于zigbee技術(shù)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)103.1 zigbee定位技術(shù)的介紹103.2 系統(tǒng)所采用的算法介紹113.2.1 基于rssi測(cè)距算法113.2.2三邊測(cè)量法113.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)123.3.1硬件總體規(guī)劃123.3.2無線通信芯片cc2430123.3.3 cc2430射頻模塊設(shè)計(jì)133.3.5定位節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)16第四章 定位功能測(cè)試204.1 測(cè)試條件與環(huán)境204.2測(cè)試結(jié)果20第五章 結(jié) 論21致 謝23參考文獻(xiàn)2426引 言無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)源自美國(guó)軍方的“電子塵埃（emote)”技術(shù)，是目前國(guó)內(nèi)、外研究的熱點(diǎn)技術(shù)之一。該系統(tǒng)基于ieee802.15.4規(guī)范的無線技術(shù)，工作在2.4ghz，用于個(gè)人區(qū)域網(wǎng)和對(duì)等網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。zigbee是一種新興的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。他是一種介于紅外無線技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)提案。主要用于近距離無線連接。它依據(jù)802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很小的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器，所以它們的通信效率非常高。相對(duì)于現(xiàn)有的各種無線通信技術(shù)，無線zigbee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將是近距離通信最低功耗和成本的技術(shù)。這一技術(shù)目前正向工業(yè)、民用方向推廣和發(fā)展，市場(chǎng)前景廣闊。包括國(guó)家863計(jì)劃等項(xiàng)目都在進(jìn)行相關(guān)的研究工作。因此，本文介紹的基于zigbee技術(shù)的嵌入式無線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，這一無線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)可應(yīng)用于工業(yè)控制、信息家電、保安系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、港務(wù)運(yùn)輸、煤礦安全、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化合醫(yī)療監(jiān)護(hù)設(shè)備等許多行業(yè)和設(shè)備。具有廣泛的適應(yīng)性。并能彌補(bǔ)其他無線通信技術(shù)的不足，保證其安全性，降低服務(wù)成本。 第一章 緒 論 1.1 課題研究背景與意義 無線定位系統(tǒng)最初是為拉滿足遠(yuǎn)程航海等要求產(chǎn)生的。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無線定位服務(wù)逐漸走進(jìn)人們的生活。1996年，兩幫通信委員會(huì)制定啦e-911服務(wù)，要求所有無線業(yè)務(wù)提供商在移動(dòng)用戶發(fā)出緊急呼叫時(shí)，必須向安全服務(wù)系統(tǒng)提供用戶的位置信息和終端號(hào)碼。以便對(duì)用戶提供緊急救援行動(dòng)。此后定位服務(wù)就走向人們的生活的各個(gè)領(lǐng)域。在軍事上、商業(yè)上、生活中都發(fā)揮著其不可忽視的作用。 無線定位在實(shí)際應(yīng)用中有兩種意義，自我定位和基于網(wǎng)絡(luò)定位。其中自我定位是指被定為節(jié)點(diǎn)通過測(cè)量自己相對(duì)某個(gè)已知位置發(fā)送器的距離或者方向來確定自己的位置；而基于網(wǎng)絡(luò)的定位則利用一系列的測(cè)量方法和算法估算自己在網(wǎng)絡(luò)中的位置。 無線通信技術(shù)的成熟和發(fā)展帶動(dòng)啦新興無線業(yè)務(wù)的出現(xiàn)，越來越多的應(yīng)用都需要自動(dòng)定位服務(wù)。gps的出現(xiàn)解決啦軍事和民用的很多實(shí)際問題。但是，當(dāng)需要定位的物體位于建筑物內(nèi)部時(shí)，其定位精度就明顯下降，甚至無法工作。而且處于其成本高，能耗大等因素，許多情況下他們不適合在室內(nèi)或者是小范圍內(nèi)區(qū)域的環(huán)境中使用。因此，必須研究的室內(nèi)定位技術(shù)以彌補(bǔ)gps的不足。目前，常見的技術(shù)有紅外技術(shù)，以zigbee/ieee 802.15.4為代表的無線局域網(wǎng)技術(shù)，超聲波技術(shù)和rfid技術(shù)。而基于zigbee技術(shù)的定位系統(tǒng)，又以其功耗低，成本低，體積小等一系列的優(yōu)點(diǎn)而近年來倍受人們青睞。 1.2 基于測(cè)距的定位技術(shù)介紹 基于測(cè)距的技術(shù)，首先要測(cè)量被定為節(jié)點(diǎn)和參考節(jié)點(diǎn)之間的距離和方向，然后計(jì)算定位節(jié)點(diǎn)的位置。 定位的測(cè)量方法有很多種：如基于aoa的方法、基于tdoa的方法、基于toa的方法。這里我們主要介紹基于rssi測(cè)量方法。 基于rssi測(cè)量方法：首先根據(jù)發(fā)射節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度值，計(jì)算出信號(hào)在傳播過程中衰減程度；然后再利用理論和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯鬏敁p耗轉(zhuǎn)換成距離；最后利用三邊測(cè)量法或三角測(cè)量法計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的位置，因此rssi法需要多個(gè)參考節(jié)點(diǎn)。 由于rssi測(cè)量法是利用信號(hào)衰減程度來進(jìn)行測(cè)距的，所以周圍環(huán)境對(duì)信號(hào)的傳播有很大的影響，如溫度、障礙物等對(duì)信號(hào)衰減程度就會(huì)造成很大的影響，此外無線傳輸芯片所使用的天線也在很大程度上對(duì)信號(hào)產(chǎn)生一定的影響。但由于目前很多無線傳輸模塊都可以直接測(cè)量信號(hào)衰減的rssi值，因此這種方法的定位無需額外的硬件設(shè)備，滿足現(xiàn)在低功耗、低成本的發(fā)展趨勢(shì)。如果我們?cè)诰唧w應(yīng)用中，根據(jù)具體的應(yīng)用環(huán)境，找出一個(gè)最適合的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，再用一些修正的算法?duì)定位誤差加以修正，這無疑是一個(gè)十分好的定位算法。 此外還有一些不太常用的用于定位測(cè)距的算法，如接收信號(hào)相位差（pdoa）、近場(chǎng)電磁測(cè)距(nfer)等方法。而且我們還可以根據(jù)環(huán)境的要求使用混合的定位測(cè)距方法。如cricket系統(tǒng)即使用啦tdoa和pdoa混合的定位方法。1.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1992年，英國(guó)劍橋orl的actice badge系統(tǒng)是最早期的室內(nèi)定位系統(tǒng)之一。 1998年，由microsoft公司開發(fā)的radar定位系統(tǒng)利用“指紋識(shí)別法”技術(shù)定位，他是基于rssi技術(shù)的室內(nèi)無線射頻定位系統(tǒng)，利用信號(hào)傳播模型和經(jīng)驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的場(chǎng)景法定位。 1999年，bat system作為active badge系統(tǒng)的后繼發(fā)展，實(shí)現(xiàn)啦最高達(dá)3cm的定位精度，他是使用超聲波和設(shè)頻信號(hào)收發(fā)器，基于toa技術(shù)定位的一種定位系統(tǒng)。 2000年，由麻省理工大學(xué)研制的cricket系統(tǒng)從硬件的尺寸和價(jià)格上都有所突破，是現(xiàn)在仍在使用的室內(nèi)定位系統(tǒng)之一。 2001年，基于tdoa測(cè)距的ahlos系統(tǒng)使用啦一種迭代的定位算法。 2002年，加利福尼亞大學(xué)的calamari系統(tǒng)是一種為傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的ad-hoc定位系統(tǒng)，他同時(shí)采用拉toa和rssi兩種技術(shù)進(jìn)行定位。 無線定位系統(tǒng)在中國(guó)的發(fā)展起步比較晚，但發(fā)展速度非?？臁：芏啻笮⌒凸径枷嗬^推出自己的定位解決方案。其中比較典型的有：中興的cdma移動(dòng)通信系統(tǒng)定位業(yè)務(wù)解決方案，康柏電腦公司的移動(dòng)定位服務(wù)解決方案，中軟安人的3g車載無線定位系統(tǒng)以及蘇州工業(yè)園區(qū)的基于wi-fi的實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)等等。由于近兩年zigbee技術(shù)在國(guó)內(nèi)的興起，又有很多家小公司做起啦基于zigbee技術(shù)的定位系統(tǒng)，并且都達(dá)到不錯(cuò)的定位效果。其中包括：赫立訊的無線定位解決方案，深圳金圖旭昂的zigbee無線定位方案以及北京博控的zigbee定位產(chǎn)品在消防中的應(yīng)用等等。此外，成都的無線龍通訊科技有限公司還在2008年初，特意推出啦一本關(guān)于zigbee定位技術(shù)的書，也引起啦不錯(cuò)的反響。 1.4 無線定位系統(tǒng)未來發(fā)展趨勢(shì)隨著無線定位系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外突飛猛進(jìn)的發(fā)展，近年來涌現(xiàn)出啦越來越多的無線技術(shù)，這些技術(shù)在定位行業(yè)的發(fā)展上也起到啦很大的作用。從一開始at&t cambridge 研究室研制的基于紅外技術(shù)的有源標(biāo)簽用于室內(nèi)物體的定位開始，到基于ieee 802.11 的無線局域網(wǎng)定位系統(tǒng)，再到使用超聲波技術(shù)的cricket系統(tǒng)和基于rssi技術(shù)的spoton系統(tǒng)。用于定位的無線技術(shù)發(fā)展得很迅速。目前，出啦上述技術(shù)外，圍繞微雷達(dá)技術(shù)和uwb技術(shù)的定位研究也在進(jìn)行中。2006年根據(jù)ieee802.15.4a標(biāo)準(zhǔn)制定的nanotron公司的css定位系統(tǒng)又進(jìn)一步淘汰啦uwb的方案。而剛剛推出的zigbee技術(shù)又以低價(jià)格、低功耗等一定的特點(diǎn)在市場(chǎng)上占有拉一定的優(yōu)勢(shì)。由于zigbee技術(shù)是一門新推出的無線通信系技術(shù)，仍有很大的發(fā)展前景，所以放眼未來，使用zigbee技術(shù)作為無線定位系統(tǒng)的組網(wǎng)基礎(chǔ)無疑會(huì)成為無線定位系統(tǒng)最好的選擇。第二章 zigbee技術(shù)概述 2.1 zigbee簡(jiǎn)介 zigbee技術(shù)是由英國(guó)invensys公司、口本二菱電氣公司、美國(guó)motorola公司以及荷蘭philips等公司于2002年共同提出的，其目的是用來設(shè)計(jì)開發(fā)具有低成本、低速率、低功耗的無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在此項(xiàng)技術(shù)推出的同時(shí)，上過幾家公司宣布組成zigbee聯(lián)盟，該聯(lián)盟致力于定義允許不同廠商制造的設(shè)備相互兼容的應(yīng)用綱要。到目前為止，除了上面提到的invensys等國(guó)際知名的大公司外，還有許多來自各個(gè)國(guó)家的公司也加入其中，如中國(guó)的華為技術(shù)有限公司等，zigbee聯(lián)盟的成員企業(yè)已經(jīng)達(dá)到了200多家。其中包括了芯片制造商、系統(tǒng)集成商、消費(fèi)類電子廠商及軟件開發(fā)商等等，而且，這個(gè)聯(lián)盟還在不斷地發(fā)展壯大。 2003年11月，ieee正式發(fā)布了ieee 802.15.4辦議標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)作為zigbee技術(shù)的物理層和mac層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)由zigbee技術(shù)聯(lián)盟制定，應(yīng)用層根據(jù)用戶自己的應(yīng)用需要進(jìn)行開發(fā)。2004年末，zigbee聯(lián)盟正式發(fā)布了該項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步推進(jìn)了該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，許多生產(chǎn)商相應(yīng)的推出了戶己的芯片產(chǎn)品和開發(fā)系統(tǒng)，如freescale的mc13192, ti公司的chipcon系列cc2430 , cc2431 , jennic的jns 121以及韓國(guó)radiopulse公司的mg2455 等等。 zigbee技術(shù)的主要特點(diǎn)包括：成本低，模塊的初始成本估計(jì)在6美元左右，最終目標(biāo)要在1美元以內(nèi)，而且zigbee協(xié)議是免專利費(fèi)的；可靠性高，采用碰撞避免機(jī)制，同時(shí)為了保證傳輸數(shù)據(jù)的可靠性，建立了完整的應(yīng)答通信協(xié)議；具有安全保密性，zigbee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，采用aes-128(advanced encryption standard)算法對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行加密；網(wǎng)絡(luò)容量大，可支持多達(dá)65000個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)；功耗低，可以采用休眠模式，兩節(jié)五號(hào)電池可支持長(zhǎng)達(dá)半年以上的使用時(shí)間，當(dāng)然不同的應(yīng)用功耗是不同的。 2.2 zigbee網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成 zigbee網(wǎng)絡(luò)層支持三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。分別為：星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹錉罹W(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟约熬W(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在星狀網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)主要由zigbee協(xié)調(diào)器控制，它主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的初始化和維護(hù)工作。星狀網(wǎng)中的其他設(shè)備叫做終端設(shè)備，直接和協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信。在樹狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中，zigbee協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)形成網(wǎng)絡(luò)和選擇網(wǎng)絡(luò)主要參數(shù)，然后通過路由節(jié)點(diǎn)擴(kuò)張網(wǎng)絡(luò)。在樹狀網(wǎng)絡(luò)中，路由節(jié)點(diǎn)使用等級(jí)路由機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和控制信息，樹狀網(wǎng)絡(luò)可以使用信標(biāo)使能的通信。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)允許全對(duì)等通信，但是網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中的路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送的不是標(biāo)準(zhǔn)信標(biāo)幀。 但是從功能上主要分為星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和對(duì)等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)兩種類型。其中樹狀網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)同屬于對(duì)等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。下面分別對(duì)這兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹。 在介紹具體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之前先介紹兩個(gè)概念：全功能設(shè)備(full functiondevice, ffd和精簡(jiǎn)功能設(shè)備(reduced function device, rfd) 。 ffd的特點(diǎn)有：支持任何網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、可以成為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器或路由器、可以充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的任何設(shè)備以及能和任何設(shè)備通信；rfd的特點(diǎn)有:不能成為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、不能有子節(jié)點(diǎn)、只能和自己的父節(jié)點(diǎn)通信。 2.2.1星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2-1所示。星狀拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由一個(gè)叫作個(gè)域網(wǎng)(personal area network, pan)主協(xié)調(diào)器的中央控制器和多個(gè)從設(shè)備組成，其中主協(xié)調(diào)器必須為ffd設(shè)備，從設(shè)備既可為ffd設(shè)備也可為rfd設(shè)備。 圖2-1星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖 星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的形成：首先選擇一個(gè)具有全功能的設(shè)備(ffd)做為網(wǎng)絡(luò)的pan主協(xié)調(diào)器，然后由它來建立一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)，并確定該網(wǎng)絡(luò)的唯一的一個(gè)pan標(biāo)識(shí)符，即panid號(hào)。每個(gè)星狀網(wǎng)絡(luò)中只有唯一的一個(gè)pan主協(xié)調(diào)器，所以每個(gè)星型網(wǎng)絡(luò)通信都是獨(dú)立于當(dāng)前其他星型網(wǎng)絡(luò)的，所以應(yīng)該選擇一個(gè)新的panid號(hào)以確保網(wǎng)絡(luò)的唯一性，這種特點(diǎn)是zigbee技術(shù)所特有的。當(dāng)協(xié)調(diào)器建立了新的網(wǎng)絡(luò)以后，其他從設(shè)備就可以加入到這個(gè)網(wǎng)絡(luò)之中，做為這個(gè)星狀網(wǎng)絡(luò)的子節(jié)點(diǎn)。其中，從設(shè)備可以是ffd設(shè)備，也可以是rfd設(shè)備。 目前，星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)起來比較容易等特點(diǎn)而被大量應(yīng)用在遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制中。星狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單主要體現(xiàn)在緊需要執(zhí)行很少的上層協(xié)議、對(duì)路由功能的控制相對(duì)容易，而且方便管理。大部分管理工作都是由pan 協(xié)調(diào)器來完成的。但是由于其只能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)，所以在大規(guī)模組網(wǎng)的場(chǎng)合里便無法應(yīng)用，而且如果通信中某個(gè)節(jié)點(diǎn)的斷開，便會(huì)對(duì)其他節(jié)點(diǎn)的通信造成影響，一定程度上限制了無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，同時(shí)星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也很難實(shí)現(xiàn)高密度的擴(kuò)展。 2.2.2對(duì)等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?zigbee網(wǎng)絡(luò)中的樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜途W(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬煞N結(jié)構(gòu)同屬于對(duì)等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问?，其中樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2-2所示，其中防調(diào)器和路由器都是ffd設(shè)備，終端設(shè)備為rfd。終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)只能與自己的父節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，從屬于不同父節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)之間不能進(jìn)行通信。 圖2-2樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2-3所示，網(wǎng)狀拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都是ffd設(shè)備。節(jié)點(diǎn)間是完全對(duì)等的通信，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以與它的無線通信范圍內(nèi)的其它節(jié)點(diǎn)通信，但也需要有一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)防調(diào)器，通常把第一個(gè)在信道中通信的節(jié)點(diǎn)作為防調(diào)器節(jié)點(diǎn)。 圖2-3網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖 其中樹狀網(wǎng)絡(luò)中任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)的故障都會(huì)使與其相連的子節(jié)點(diǎn)部分脫離網(wǎng)絡(luò)。如果在穩(wěn)定的無線電射頻環(huán)境中，需要有一定的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，而且網(wǎng)絡(luò)有一定的穩(wěn)定性和擴(kuò)展性，那么樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵⑹且粋€(gè)很好的選擇。 2.3 zigbee協(xié)議的研究 zigbee協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)是由物理層(physical layer,phy) ,媒體訪問控制層(medium access control sub-layer, mac)、網(wǎng)絡(luò)層(network layer, nwk）和應(yīng)用層(application layer, apl）組成的。其中，phy層和mac層協(xié)議由ieee 802.15.4定義，網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的協(xié)議由zigbee聯(lián)盟定義，而應(yīng)用層又包含應(yīng)用支持子層(application support sub-layer, aps),應(yīng)用框架(application framework, af), zigbee設(shè)備對(duì)象(zigbee device objects,zdo)和由制造商制定的應(yīng)用對(duì)象。其中各個(gè)層之間的通信是通過各層的數(shù)據(jù)或管理服務(wù)接口實(shí)現(xiàn)的。 2.4 zigbee技術(shù)應(yīng)用前景 zigbee標(biāo)準(zhǔn)的制定不是用來與藍(lán)牙及其它已經(jīng)存在的標(biāo)準(zhǔn)競(jìng)爭(zhēng)的，它的出發(fā)點(diǎn)是希一望能夠?qū)崿F(xiàn)一種易布建的低成本無線網(wǎng)絡(luò)。在產(chǎn)品發(fā)展初期，以工業(yè)或企業(yè)市場(chǎng)的感應(yīng)式網(wǎng)絡(luò)為主，提供感應(yīng)辨識(shí)、燈光和安全控制等功能，慢慢地逐漸將市場(chǎng)拓展至家庭應(yīng)用領(lǐng)域。通常zigbee技術(shù)適用的場(chǎng)合主要有：要求設(shè)備成本低，數(shù)據(jù)傳輸量少的應(yīng)用；要求設(shè)備體積小、功耗低，長(zhǎng)時(shí)間無需更換電池的場(chǎng)合；需要大范圍的通信覆蓋，網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備非常多的遠(yuǎn)程監(jiān)控中。 由于zigbee標(biāo)準(zhǔn)還制定了能使不同制造商之間共享網(wǎng)絡(luò)資源的應(yīng)用框架，其目標(biāo)定位在現(xiàn)存的系統(tǒng)還不能滿足產(chǎn)品需求的特定的市場(chǎng)，因而有著廣闊的應(yīng)用前景。其應(yīng)用領(lǐng)域主要包括以下幾個(gè)方面：家庭和樓宇網(wǎng)絡(luò)中涉及到的空調(diào)溫度的監(jiān)控、照明設(shè)備的自動(dòng)控制、電表和水表的計(jì)量控制、窗簾的自動(dòng)控制、家用電器的遠(yuǎn)程控制等；工業(yè)控制中涉及到的各種監(jiān)控器、傳感器的自動(dòng)化控制等；商業(yè)領(lǐng)域的智能標(biāo)簽等；公共場(chǎng)所的煙霧探測(cè)器等；農(nóng)業(yè)控制上收集各種土壤信息和氣候信息等；以及老人與行動(dòng)不便者的緊急呼叫器和醫(yī)療傳感器等等。 無論學(xué)術(shù)界還是實(shí)業(yè)界，人們看重zigbee還有更重要的一點(diǎn)：zigbee技術(shù)為醞釀了20余年的普適計(jì)算理論，首次提供了一個(gè)從理論走向現(xiàn)實(shí)的技術(shù)平臺(tái)。zigbee標(biāo)準(zhǔn)的普及，可以說是計(jì)算技術(shù)第四次浪潮的第一波。隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，微處理芯片的組網(wǎng)功能會(huì)進(jìn)一步加強(qiáng)，使得智能傳感器與無線通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合將會(huì)變得更加容易。應(yīng)用高性能的嵌入式處理器可以使信息網(wǎng)絡(luò)的功能越來越強(qiáng)，相信在不久的將來，我們周圍的生活環(huán)境將是無所不在的網(wǎng)絡(luò)。 第三章 基于zigbee技術(shù)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3.1 zigbee定位技術(shù)的介紹 隨著無線技術(shù)在定位領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，近些年來逐漸出現(xiàn)了很多用于定位的無線通信技術(shù)，比較典型的有紅外技術(shù)、超聲波技術(shù)以及同時(shí)兼顧定位精度和成本考慮的rfid方案。隨著zigbee協(xié)議的推出，人們便開始了基于zigbee技術(shù)定位的研究。2006年，德州儀器(ti)公司率先推出了一款帶有定位引擎的并且滿足zigbee協(xié)議的片上系統(tǒng)(soc)解決方案cc2431。這款來自chipcon產(chǎn)品系列的器件可滿足多種應(yīng)用要求，其中包括資產(chǎn)和設(shè)備跟蹤、庫(kù)存控制、病人監(jiān)護(hù)、遠(yuǎn)程控制、安全監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等。此外，ti領(lǐng)先的zigbee協(xié)議棧z-stack還可提供相關(guān)支持。 cc2431建立在業(yè)界首款針對(duì)低功耗rf應(yīng)用的soc解決方案cc2430的基礎(chǔ)上的，封裝小、功能強(qiáng)。它內(nèi)置有摩托羅拉為其專門設(shè)計(jì)的一款定位引擎，是基于接收到的信號(hào)強(qiáng)度rssi測(cè)量的定位引擎，其中rssi值隨距離增大而減小。cc2431基于rssi的定位引擎能根據(jù)接收信號(hào)的強(qiáng)度與已知cc2430參考節(jié)點(diǎn)的位置準(zhǔn)確計(jì)算出有關(guān)節(jié)點(diǎn)的位置，然后將位置信息發(fā)送給接收端，如電腦、pda、手機(jī)等。相比于集中型的定位系統(tǒng)，rssi功能降低了網(wǎng)絡(luò)流量與通信延遲，在典型應(yīng)用中可實(shí)現(xiàn)3-5m的精度。 除了使用像cc2431這種帶定位功能的zigbee芯片之外，近兩年已經(jīng)有越來越多的企業(yè)、研究所和高校在從事研究利用zigbee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行定位的工作。都是利用一些已有的或是經(jīng)過改進(jìn)的一些定位算法，再利用zigbee技術(shù)的組網(wǎng)功能進(jìn)行位置的估計(jì)。并且有些地方已經(jīng)進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，例如，停車場(chǎng)車輛定位、礦井下人員定位、發(fā)生火災(zāi)時(shí)消防隊(duì)員的定位以及醫(yī)院或家庭里老人或重病人的定位監(jiān)護(hù)等等。隨著定位技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，基于zigbee網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)在未來人們生活中將會(huì)得到越來越多的應(yīng)用。 本論文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)就是利用zigbee網(wǎng)絡(luò)，以及已有定位算法所開發(fā)出的一套基于zigbee技術(shù)的無線定位系統(tǒng)。對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括：對(duì)定位系統(tǒng)所采用算法的選擇、硬件芯片的選取及外圍電路的設(shè)計(jì)以及各部分軟件功能的實(shí)現(xiàn)。下面將對(duì)各個(gè)部分的設(shè)計(jì)做詳細(xì)的介紹。 3.2 系統(tǒng)所采用的算法介紹 3.2.1 基于rssi測(cè)距算法 由于傳感器節(jié)點(diǎn)自身具備通信能力，通常通信控制芯片都有測(cè)量rssi值的功能，所以利用這種技術(shù)來測(cè)距可大大地降低功率和成本。但這種方法的不足就是直接使用時(shí)會(huì)有很大的誤差，其誤差主要來源于信號(hào)實(shí)際傳播的過程中周圍環(huán)境影響造成的信號(hào)衰減與理論或經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒环?，從而造成?shí)際測(cè)量的誤差。 radar系統(tǒng)是使用rssi測(cè)距的最典型的系統(tǒng)。在radar系統(tǒng)中，忽略了走廊以及樓梯等的影響，主要考慮建筑物墻壁對(duì)信號(hào)傳播的影響，建立了信號(hào)衰減和傳播距離間的關(guān)系模型，如公式(3-1)所示： (3-1) 其中p(司表示基站接收到用戶的信號(hào)強(qiáng)度；表示基站接收到在參考節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號(hào)的強(qiáng)度，假設(shè)所有節(jié)點(diǎn)的發(fā)送強(qiáng)度相同；n表示參考節(jié)點(diǎn)和路徑損耗之間的比例因子，依賴十建筑物的結(jié)構(gòu)和使用的材料；表示參考節(jié)點(diǎn)和基站的距離；d表示需要計(jì)算的節(jié)點(diǎn)和基站的距離；表示節(jié)點(diǎn)和基站間墻壁個(gè)數(shù)；c表示信號(hào)穿過墻壁個(gè)數(shù)的閩值；waf表示信號(hào)穿過墻壁的衰減因子，依賴于建筑物的結(jié)構(gòu)和使用的材料。 本文以上述模型為理論基礎(chǔ)，參考cc2431定位模型，根據(jù)具體環(huán)境的要求，反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，設(shè)計(jì)了如下的參考模型，作為利用rssi測(cè)距的理論模型依據(jù)(如公式(3-2)： (3-2) 其中，a為一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，要在實(shí)際使用環(huán)境中去測(cè)量它的值，在本文中，我們根據(jù)使用環(huán)境，多次測(cè)量取平均值，最后我們選擇40為a的經(jīng)驗(yàn)值；b是信號(hào)接收節(jié)點(diǎn)距離發(fā)射節(jié)點(diǎn)1米時(shí)，信號(hào)衰減值，在此處為20；d為發(fā)射點(diǎn)到接收點(diǎn)的距離。這里需要強(qiáng)調(diào)的是，rssi的值是一個(gè)負(fù)數(shù)值，所以在上面的公式中我們?nèi)ssi的絕對(duì)值。這樣我們根據(jù)這個(gè)模型，就可以在測(cè)量到rssi值以后，通過計(jì)算得到相應(yīng)的距離值。 3.2.2三邊測(cè)量法三邊測(cè)量法，已知a,b,c二個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)分別為（）、（）、（）以及它們到未知節(jié)點(diǎn)。的距離分別為 , , ,假設(shè)節(jié)點(diǎn)o的坐標(biāo)為(x,y)。 那么存在下列公式: (3-3) (3-4) (3-5)由上式可以得到節(jié)點(diǎn)o的坐標(biāo)，如公式(3-6): (3-6) 3.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 3.3.1硬件總體規(guī)劃定位節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)框架如圖3-1所示。硬件電路設(shè)計(jì)包括兩部分:無線通信模塊設(shè)計(jì)和輔助功能模塊設(shè)計(jì)。無線通信模塊為節(jié)點(diǎn)間的無線數(shù)據(jù)收發(fā)接口，它是節(jié)點(diǎn)核心部分。輔助功能模塊完成定位狀態(tài)指示、供電、串口通信等輔助功能，它通過rs232串口轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)pc機(jī)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸。為了降低開發(fā)成本，硬件平臺(tái)沒有按節(jié)點(diǎn)功能分別單獨(dú)設(shè)計(jì)，而是將所有功能放在了一個(gè)平臺(tái)上。根據(jù)節(jié)點(diǎn)實(shí)際功能要求，只需焊接所需器件即可。 圖3-1 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)框圖 3.3.2無線通信芯片cc2430cc2430芯片為chipcon公司生產(chǎn)的2.4 ghz射頻系統(tǒng)單芯片。它沿用了以往cc2420芯片的架構(gòu)，在單個(gè)芯片上整合了zigbee射頻(rf)前端、內(nèi)存和微控制器。它使用1個(gè)8位mcu(8051)，具有128 kb可編程閃存和8 kb的ram，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(adc)、幾個(gè)定時(shí)器(timer), aes 128協(xié)同處理器、看門狗定時(shí)器(watchdog timer),32 khz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路(power on reset)、掉電檢測(cè)電路(brown out detection)，以及21個(gè)可編程vo引腳。cc2430芯片采用0.18urn cmos工藝生產(chǎn)，工作時(shí)的電流損耗為27 ma。在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27 ma或25 mao cc2430的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式的超短時(shí)間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長(zhǎng)的應(yīng)用。 cc2430的主要性能參數(shù)如下： (1)工作頻帶范圍:2.400-2.4835ghz; (2)采用ieee 802.15.4規(guī)范要求的直接序列擴(kuò)頻方式; (3)數(shù)據(jù)速率達(dá)250kbps，碼片速率達(dá)2mchip/s; (4)采用o-qpsk調(diào)制方式; (5)超低電流消耗(rx: 18.8ma，tx: 17.4ma)，高接收靈敏度(-95dbm); (6)抗鄰頻道干擾能力強(qiáng)(30/45db); (7)內(nèi)部集成有vco, lna, pa以及電源整流器，采用低電壓供電(2.1-3.6v); (8)輸出功率編程可控; (9) ieee 802.15.4 mac層硬件可支持自動(dòng)幀格式生成、同步插入與檢測(cè)、16bit crc校驗(yàn)、電源檢測(cè)、完全自動(dòng)mac層安全保護(hù)(ctr, cbc-mac, ccm); (10)與控制微處理器的接口配置容易(4總線spi接口); (11)開發(fā)工具齊全，提供有開發(fā)套件和演示套件; (12)采用qlp-48封裝，外形尺寸只有7x7mm。 3.3.3 cc2430射頻模塊設(shè)計(jì)無線通信模塊包括cc2430芯片及其相關(guān)外圍電路。由于cc2430將8051內(nèi)核與無線收發(fā)模塊集成到了一個(gè)芯片當(dāng)中，從而簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)過程，省去了單片機(jī)和無線收發(fā)芯片之間接口電路的設(shè)計(jì)，縮短了硬件開發(fā)周期。本將cc2430芯片引腳全部引出，便于定位功能模塊功能擴(kuò)展。對(duì)射頻電路來說，解決好器件間干擾問題是至關(guān)重要的。建議無線通信模塊采用pcb雙層板，頂層用于信號(hào)線布線，底層用于電源和地布線，在無布線的開放區(qū)域采用少量過孔相連到地。另外，務(wù)必使cc2430芯片底部可靠接地。外圍器件尺寸盡量小，可使用0402規(guī)格組容器件。如果使用pcb天線，為了減少板材對(duì)pcb天線的影響，使天線獲得最佳性能，可以采用rf4板材，板材介電常數(shù)為4.5.厚度為1 mm，敷銅厚度為0.35um。輔助功能模塊pcb制作無特殊要求。 3.3.4功能模塊設(shè)計(jì) 輔助功能模塊包括供電電路、串口電路、功能指示電路等。實(shí)際中的各種節(jié)點(diǎn)根據(jù)功能要求，分別選取所需部分電路焊接器件，即可完成各自功能。 (1)供電電路設(shè)計(jì) 根據(jù)zigbee多種節(jié)點(diǎn)用電特點(diǎn)，供電電路設(shè)計(jì)了兩種方式，電池供電和直流(dc)電源模塊供電，使用單刀雙擲開關(guān)實(shí)現(xiàn)兩種供電方式間的切換。其中，直流(dc)電源模塊為sv供電，使用電壓轉(zhuǎn)換芯片ams 1117-3.3獲得3.3v電壓，該芯片能夠提供高達(dá)500ma的電流輸出，電路簡(jiǎn)單，僅需要兩個(gè)l0uf的擔(dān)電容即可輸出3.3v的恒定電壓。電池供電方式采用2節(jié)aa電池供電。供電電路如圖3-2所示。 圖3-2 供電電路 (2)串口轉(zhuǎn)換電路 串口轉(zhuǎn)換電路采用美信公司的max3232雙通道轉(zhuǎn)換芯片，工作電壓范圍為3v -5.5v，該電路主要用于協(xié)調(diào)器與pc之間的串口電壓轉(zhuǎn)換。串口轉(zhuǎn)換電路如圖3-3所示。 圖3-3 串口轉(zhuǎn)換電路(3)狀態(tài)指示電路加蜂鳴器、指示燈等器件用于定位節(jié)點(diǎn)狀態(tài)指示。狀態(tài)指示電路如圖3-4所示。圖3-4 狀態(tài)指示電路除了上面介紹的幾種功能電路外，還包括復(fù)位電路、按鍵電路和jtag下載電路等。實(shí)際模塊效果如圖3-5和3-6所示。其中，圖3-5中所示模塊為盲節(jié)點(diǎn)和參考節(jié)點(diǎn)。圖3-6所示模塊為網(wǎng)關(guān)。 圖3-5 盲節(jié)點(diǎn)和參考節(jié)點(diǎn)的模塊圖 圖3-6 網(wǎng)關(guān)模塊圖3.3.5定位節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位的基本思想是盲節(jié)點(diǎn)將周圍所有的一跳范圍內(nèi)的參考節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度(rssi)返回到網(wǎng)關(guān)，由網(wǎng)關(guān)將信號(hào)強(qiáng)度值傳送到上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件，上位機(jī)軟件調(diào)用相應(yīng)的定位算法，計(jì)算出盲節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置并實(shí)現(xiàn)必要的顯示。因此，首先需要在硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的通信，可分為如下五步進(jìn)行(數(shù)據(jù)量類型有定位算法決定，這里以rssi為例)。圖3-7為傳感器網(wǎng)絡(luò)定位通信流程圖。(1)主節(jié)點(diǎn)查詢未知節(jié)點(diǎn)。在協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)(協(xié)調(diào)器)成功建立網(wǎng)絡(luò)后，網(wǎng)關(guān)要查詢盲節(jié)點(diǎn)的位置信息，首先要給該節(jié)點(diǎn)發(fā)送定位請(qǐng)求信號(hào)，通信方式為廣播方式，保證所有的盲節(jié)點(diǎn)都可收到該查詢請(qǐng)求。(2)盲節(jié)點(diǎn)廣播rssi值信號(hào)。盲節(jié)點(diǎn)接收到查詢請(qǐng)求命令后，廣播一系列(如300次)rssi值，在數(shù)據(jù)包中設(shè)定跳數(shù)為1，從而保證只有在一跳范圍內(nèi)的參考節(jié)點(diǎn)才能接收到該數(shù)據(jù)包。 (3)參考節(jié)點(diǎn)預(yù)處理rssi值。一跳范圍內(nèi)的參考節(jié)點(diǎn)接收到rssi blast信號(hào)，記錄該盲節(jié)點(diǎn)的rssi值，由于墻壁、行人等多種環(huán)境干擾源的存在，rssi會(huì)出現(xiàn)一定幅度的擾動(dòng)，因此各參考節(jié)點(diǎn)可對(duì)接收到的rssi進(jìn)行適當(dāng)預(yù)處理(如使用高斯概率模型處理)，對(duì)預(yù)處理后的rssi值作平均。 (4)盲節(jié)點(diǎn)發(fā)送rssi的數(shù)據(jù)包請(qǐng)求信號(hào)。接收到數(shù)據(jù)包請(qǐng)求命令信號(hào)后，參考節(jié)點(diǎn)將各種所需參量按一定格式打包，發(fā)送到盲節(jié)點(diǎn)。 圖3-7 傳感器網(wǎng)絡(luò)定位通信流程圖（5）盲節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)包發(fā)送到網(wǎng)關(guān)。盲節(jié)點(diǎn)按照一定規(guī)則，將數(shù)據(jù)包發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。考慮到網(wǎng)關(guān)除了組網(wǎng)和串口通信功能外，它可以作為參考節(jié)點(diǎn)使用，故只需要編寫兩種節(jié)點(diǎn)程序即可。網(wǎng)關(guān)特有的功能用虛線標(biāo)出。其余部分為參考節(jié)點(diǎn)功能程序。下面簡(jiǎn)要介紹一下各類節(jié)點(diǎn)工作流程圖。圖3-8為網(wǎng)關(guān)的定位流程圖，圖3-9為盲節(jié)點(diǎn)和參考節(jié)點(diǎn)的定位流程圖。兩種流程圖都是基于命令調(diào)用模式的。圖3-8 網(wǎng)關(guān)的定位流程圖 圖3-9 盲節(jié)點(diǎn)的定位流程圖第四章 定位功能測(cè)試 4.1 測(cè)試條件與環(huán)境任何一種定位空間，都有其特殊性。樓宇內(nèi)定位，主要空間就是走廊和房間。特殊的環(huán)境，可以使用特定的方法。 4.2測(cè)試結(jié)果在室內(nèi)環(huán)境中，測(cè)試結(jié)果如表4-1所示。這是一組測(cè)試數(shù)據(jù)，從測(cè)試結(jié)果可知，在靠近墻壁的區(qū)域，定位誤差較大，在中心區(qū)域，定位誤差較小。圖4-1 房間內(nèi)測(cè)試結(jié)果從多次測(cè)試結(jié)果分析可知，在40m距離上，定位精度為3m。室內(nèi)使用基于數(shù)值匹配的定位算法定位精度可以在2m以內(nèi)，但復(fù)雜度很大。上位機(jī)定位監(jiān)測(cè)軟件z-location_engine。它較好的實(shí)現(xiàn)了定位效果顯示功能。 根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況，可以知道，本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)一定的定位功能，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。但定位效果仍不理想。分析原因有以下幾條: (1)定位節(jié)點(diǎn)天線非理想全向天線，而基于rssi和lqi的距離定位方法都是假定天線為理想全向的。 (2)硬件平臺(tái)有待改進(jìn)，有效的無線傳輸距離較短。為保證定位精度，需要較高的節(jié)點(diǎn)密度，不利于降低實(shí)際應(yīng)用成本。 (3) rssi-d和lqi-d模型建立的不精確，導(dǎo)致距離測(cè)量有較大的誤差存在。 (4)節(jié)點(diǎn)放置位置有待優(yōu)化。根據(jù)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，節(jié)點(diǎn)如果距離地面、墻壁等較近，影響無線傳輸距離。在一個(gè)具體應(yīng)用中，應(yīng)該找出來一個(gè)較合理的節(jié)點(diǎn)放置高度。 (5)顯示動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)效果不理想，上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)性有待提高。 (6)傳輸模型的建立依賴硬件平臺(tái)，硬件平臺(tái)改變，即使測(cè)試環(huán)境不變，整個(gè)傳輸模型也需要重新建立。第五章 結(jié) 論 近些年來，zigbee技術(shù)依靠其低成本、低功耗等優(yōu)勢(shì)占據(jù)了一部分無線通信市場(chǎng)，在人們生活中的各個(gè)領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用。本文就是在zigbee技術(shù)組網(wǎng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一個(gè)無線定位系統(tǒng)，再次拓寬了zigbee技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，然后又結(jié)合具體的實(shí)際環(huán)境，將系統(tǒng)應(yīng)用到了小區(qū)的室外停車場(chǎng)中。論文主要完成的工作和結(jié)論如下： 首先，研究了現(xiàn)有的用十無線定位的算法以及當(dāng)今比較流行的幾種無線定位技術(shù)，并分析了現(xiàn)有的一些定位系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)與不足，最后基十成本、功耗、實(shí)現(xiàn)難易程度等方面因素的考慮，并結(jié)合具體應(yīng)用環(huán)境確定了本系統(tǒng)的最終設(shè)訓(xùn)一方案； 其次，對(duì)zigbee協(xié)議進(jìn)行了具體的研究，對(duì)各個(gè)層的協(xié)議規(guī)定都有了很深的了解。依據(jù)本系統(tǒng)所使用的協(xié)議棧的特點(diǎn)，進(jìn)行了本定位系統(tǒng)應(yīng)用profile的設(shè)計(jì)，自定義了一系列用于定位系統(tǒng)的cluster。然后基十對(duì)網(wǎng)絡(luò)層的了解，分析了各種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的適用范圍及實(shí)現(xiàn)的難易程度，并最終選擇了樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作為系統(tǒng)的組網(wǎng)依據(jù)； 再次，通過對(duì)系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計(jì)，使用了cc2431和cc2430。由于其剛剛問世不久，所以對(duì)它了解的人不是很多。我們這里利用它更低成本、更低功耗、且相對(duì)傳輸距離較遠(yuǎn)等優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行了系統(tǒng)定位模塊的設(shè)計(jì)。經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，證明該模塊的性能在定位系統(tǒng)的應(yīng)用上要好于現(xiàn)有其他zigbee模塊。 然后，對(duì)定位系統(tǒng)的軟件部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)，根據(jù)節(jié)點(diǎn)所實(shí)現(xiàn)的不同功能完成了協(xié)調(diào)器、參考點(diǎn)以及移動(dòng)節(jié)點(diǎn)軟件部分的設(shè)計(jì)。利用滿足zigbee-2006規(guī)范協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)了本定位系統(tǒng)的軟件程序編寫。出十節(jié)能方面的考慮，軟件設(shè)計(jì)上采用了休眠喚醒的機(jī)制，并目_分析了系統(tǒng)運(yùn)行過程中，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)可能遇見的問題，并采取相應(yīng)的方法進(jìn)行了解決，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的魯棒性能。本定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基本達(dá)到了預(yù)期的要求，目前在較為理想的環(huán)境中可以滿足移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的定位需求，系統(tǒng)因其更低成本、較低的功耗等特點(diǎn)，且具有較高的實(shí)用價(jià)值。但由于本人能力有限，未來對(duì)于基于zigbee網(wǎng)絡(luò)的無線定位技術(shù)還需要有更多理論和實(shí)踐的研究，仍有許多地方有待進(jìn)一步研究，其中主要包括： (1)對(duì)定位算法有待進(jìn)一步的研究，可以使用多種算法相結(jié)合的方式來提高定位的精度，通過算法的優(yōu)化，期望可以用最少的參考節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)更高精度的定位性能; (2)由于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，涉及到很多算法的軟件實(shí)現(xiàn)，本系統(tǒng)中所有的數(shù)學(xué)運(yùn)算都是由單片機(jī)本身處理的，因此為了提高運(yùn)算的速度，我們可以考慮和專門的運(yùn)算處理器相結(jié)合的方式來進(jìn)行今后定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。這樣可以提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度，更好的達(dá)到實(shí)時(shí)定位的要求； (3)本系統(tǒng)采用的樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)節(jié)點(diǎn)的擺放位置以及各個(gè)節(jié)點(diǎn)參數(shù)的設(shè)計(jì)上都有很多的要求。新出的zigbee pro規(guī)范對(duì)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了更好的定義，今后可以通過使用滿足zigbee pro規(guī)范的協(xié)議棧來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而使系統(tǒng)有了更好的網(wǎng)絡(luò)自愈功能； (4)在今后更大更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)的同步也是一個(gè)值得注意的問題，我們可以通過使用信標(biāo)幀等方式來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)同步要求，從而可以提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能。 致 謝 感謝我的導(dǎo)師劉智老師。在劉智老師的諄諄教導(dǎo)下， 我的畢業(yè)設(shè)計(jì)及論文順利完成 。在由我不知道什么是zigbee到完成整個(gè)zigbee無線定位設(shè)計(jì)，是劉智導(dǎo)師給拉我學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)和幫助。同時(shí)感謝我的研究生學(xué)長(zhǎng)張衛(wèi)東。在張衛(wèi)東學(xué)長(zhǎng)的幫助下我克服啦重重困難，掌握了大量關(guān)于zigbee方面的知識(shí)。 最后謝謝長(zhǎng)春理工大學(xué)能給