基于zigbee無線定位裝置設(shè)計(jì)

1、-. z.*學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目：基于zigbee的無線人員定位裝置設(shè)計(jì)系別：機(jī)電工程系班級： 11測控技術(shù)與儀器1班姓名：群指導(dǎo)教師：晨光2015年6月* 日-. z基于zigbee的無線定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘要近些年來zigbee技術(shù)在應(yīng)用越來越廣泛，作為一種新型技術(shù)開展了不過二十年，但是它的應(yīng)用可以說方方面面，比方智能家居、物聯(lián)網(wǎng)、科學(xué)檢測。本論文也是對zigbee技術(shù)在無線通信方面的研究，研究了基于zigbee的人員定位技術(shù)。在定位技術(shù)中涉及了基于RSSI定位算法。并利用zigbee硬件平臺和軟件測試平臺設(shè)計(jì)了一種定位裝置。其中，硬件平臺以集成了射頻與51 微控制器的CC2431 芯片為核心

2、，該平臺包括射頻模塊、輔助電路、功能指示電路等。實(shí)際節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)其類型特點(diǎn)，選取硬件電路的不同局部加以實(shí)現(xiàn)。節(jié)點(diǎn)通信程序的開發(fā)以TI 公司提供的Z-Stack 協(xié)議棧為根底，論文介紹了節(jié)點(diǎn)間通信流程，給出了各類節(jié)點(diǎn)詳細(xì)的通信實(shí)現(xiàn)方法。在IAR Embedded WorkbenchEW環(huán)境中編寫了上位機(jī)監(jiān)測軟件，論文給出了詳細(xì)的軟件實(shí)現(xiàn)方案在。關(guān)鍵字：ZigBee 技術(shù)；無線定位；RSSI；CC2430/CC2431；Z-stack The Dsign of the Wireless Location System based on ZigbeeAbstractZigBee technology

3、,based on the IEEE802.15.4 protocol,is a newly developed range wireless munication technology with the merits of low cost、low power at parable lower data rate. While the ZigBee technology is more and more adopted in application areas like home automation, telemeter and remote control,automation, med

4、ical treatment and so on,the real-time localization in the ZigBee bees a hot topicThesi s,aiming at ZigBee network,investigates the wireless location, Discussion of based location algorithm for wireless sensor network positioning echanism and on this basis, designs a low-cost and practical for indoo

5、r wireless positioning system. This paper a location system，three parts are included.They are hardware platform,program of nodes and PC monitor software.The core of hardware platform is which is integrated by RF and 51 MCU,the localization nodes are designed and . It includes RF module, au*iliary mo

6、dule and function indication circuits. In actual , Based on the function differences of nodes, different parts of the hardware can be selected to achieve corresponding functions. The e*ploitation of node program is based on Z-Stack protocol stack which is provided by TI, The introduces the nodes mun

7、ication flow elaborate. The achievement ways of different of nodes are given .In IAR WorkbenchEWcircumstance, the PC monitor is piled, elaborate software solution is proposed in this paper.Keywords : ZigBee；Wireless Location；RSSI；CC2430/CC2431；Z-stack-. z目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc4210040791

8、前言 PAGEREF _Toc421004079 h 2HYPERLINK l _Toc4210040801.1課題研究背景 PAGEREF _Toc421004080 h 2HYPERLINK l _Toc421004081國外開展?fàn)顩r PAGEREF _Toc421004081 h 2HYPERLINK l _Toc421004082國開展?fàn)顩r PAGEREF _Toc421004082 h 2HYPERLINK l _Toc4210040831.2課題的主要容及構(gòu)造安排 PAGEREF _Toc421004083 h 2HYPERLINK l _Toc4210040842 zigbee技

9、術(shù)簡介 PAGEREF _Toc421004084 h 2HYPERLINK l _Toc4210040852.1 ZigBee開展概述 PAGEREF _Toc421004085 h 錯(cuò)誤！未定義書簽。HYPERLINK l _Toc421004086標(biāo)準(zhǔn) PAGEREF _Toc421004086 h 2HYPERLINK l _Toc421004087物理層概述 PAGEREF _Toc421004087 h 2HYPERLINK l _Toc421004088物理層效勞規(guī) PAGEREF _Toc421004088 h 錯(cuò)誤！未定義書簽。HYPERLINK l _Toc42100408

10、9物理層數(shù)據(jù)格式 PAGEREF _Toc421004089 h 錯(cuò)誤！未定義書簽。HYPERLINK l _Toc4210040902.2.4 GHz頻段的物理層技術(shù) PAGEREF _Toc421004090 h 2HYPERLINK l _Toc4210040912.2.5 MAC層規(guī)介紹 PAGEREF _Toc421004091 h 2HYPERLINK l _Toc4210040922.3 ZigBee規(guī) PAGEREF _Toc421004092 h 2HYPERLINK l _Toc4210040932.3.1 ZigBee應(yīng)用層規(guī) PAGEREF _Toc421004093

11、h 2HYPERLINK l _Toc4210040942.3.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)層規(guī) PAGEREF _Toc421004094 h 2HYPERLINK l _Toc4210040952.3.3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)層的功能 PAGEREF _Toc421004095 h 2HYPERLINK l _Toc4210040962.4 2006協(xié)議棧 PAGEREF _Toc421004096 h 2HYPERLINK l _Toc4210040972.4.1 2006協(xié)議棧介紹 PAGEREF _Toc421004097 h 錯(cuò)誤！未定義書簽。HYPERLINK l _Toc421004098

12、協(xié)議棧的構(gòu)架 PAGEREF _Toc421004098 h 2HYPERLINK l _Toc4210040993 無線傳感網(wǎng)絡(luò)中定位技術(shù)介紹 PAGEREF _Toc421004099 h 2HYPERLINK l _Toc4210041003.1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)概述 PAGEREF _Toc421004100 h 2HYPERLINK l _Toc421004101無線傳感網(wǎng)定位相關(guān)的根本概念 PAGEREF _Toc421004101 h 2HYPERLINK l _Toc421004102無線傳感網(wǎng)定位的性能評價(jià)指標(biāo) PAGEREF _Toc421004102 h 2HYPER

13、LINK l _Toc4210041033.2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)的分類 PAGEREF _Toc421004103 h 2HYPERLINK l _Toc4210041043.2.1 基于測距與非基于測距的定位算法 PAGEREF _Toc421004104 h 2HYPERLINK l _Toc4210041053.2.3 絕對與相對定位算法 PAGEREF _Toc421004105 h 錯(cuò)誤！未定義書簽。HYPERLINK l _Toc4210041063.3 無線傳感網(wǎng)絡(luò)中基于測距的定位算法 PAGEREF _Toc421004106 h 2HYPERLINK l _Toc4210

14、041073.3.1 包圍盒定位法 PAGEREF _Toc421004107 h 錯(cuò)誤！未定義書簽。HYPERLINK l _Toc4210041083.3.2 基于RSSI 的定位法 PAGEREF _Toc421004108 h 2HYPERLINK l _Toc4210041093.3.3 基于TOA 的定位法 PAGEREF _Toc421004109 h 2HYPERLINK l _Toc4210041103.3.4 基于AOA 的定位法 PAGEREF _Toc421004110 h 2HYPERLINK l _Toc4210041113.3.5 定位算法總結(jié) PAGEREF _

15、Toc421004111 h 2HYPERLINK l _Toc4210041124基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的定位系統(tǒng)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc421004112 h 2HYPERLINK l _Toc4210041134.1系統(tǒng)硬件功能介紹 PAGEREF _Toc421004113 h 2HYPERLINK l _Toc4210041144.2硬件選擇 PAGEREF _Toc421004114 h 2HYPERLINK l _Toc4210041154.3節(jié)點(diǎn)硬件總體設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc421004115 h 2HYPERLINK l _Toc421004116串口電路設(shè)計(jì) P

16、AGEREF _Toc421004116 h 2HYPERLINK l _Toc421004117電源電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc421004117 h 2HYPERLINK l _Toc421004118復(fù)位電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc421004118 h 2HYPERLINK l _Toc4210041204.3.4 JTAG接口 PAGEREF _Toc421004120 h 2HYPERLINK l _Toc421004121液晶電路 PAGEREF _Toc421004121 h 2HYPERLINK l _Toc421004122參考電路設(shè)計(jì)PAGEREF _Toc4

17、21004122 h 2HYPERLINK l _Toc4210041234.4軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc421004123 h 2HYPERLINK l _Toc4210041244.3定位方法及步驟概述 PAGEREF _Toc421004124 h 2HYPERLINK l _Toc4210041254.4上位機(jī)軟件 PAGEREF _Toc421004125 h 2HYPERLINK l _Toc4210041264.5協(xié)調(diào)器與PC機(jī)通信實(shí)現(xiàn) PAGEREF _Toc421004126 h 2HYPERLINK l _Toc4210041275總結(jié) PAGEREF _Toc

18、421004127 h 2HYPERLINK l _Toc4210041286致 PAGEREF _Toc421004128 h 2HYPERLINK l _Toc421004129附錄 PAGEREF _Toc421004129 h 2-. z1前言隨著科技的開展，對事物以及人員定位越來越受到人們的關(guān)注。比方在航海中如何確定航線，在空中的飛機(jī)如何到達(dá)目的地都需要精準(zhǔn)的定位確定路線。為了確定移動(dòng)的事物，需要建立坐標(biāo)系并且有參考坐標(biāo)。在全球定位中首先出現(xiàn)的是基于通訊衛(wèi)星的全球定位系統(tǒng)GPS。它一經(jīng)問世邊被廣泛應(yīng)用于軍事、民用中。但是它只適用于大圍定位，對于建筑物理的定位，它的精度明顯不夠。所以人

19、們又陸續(xù)研究了能夠應(yīng)用于建筑物部的定位方法，比方紅外技術(shù)、IEEE 802.11 技術(shù)、超聲波技術(shù)、以ZigBee/IEEE802.15.4 為代表無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和RFID 技術(shù)。本文試圖利用Zigbee技術(shù)實(shí)現(xiàn)一種較低本錢、較低復(fù)雜的室定位系統(tǒng)。1.1課題研究背景國外開展?fàn)顩r無線定位效勞的開展始于美國。1996年，美國聯(lián)邦通信委員會(huì)(Federal munications mission，F(xiàn)CC)制定了E-911法規(guī)，要求所有移動(dòng)通信運(yùn)營商，在移動(dòng)用戶發(fā)出緊急呼叫時(shí)，必須向公共平安效勞系統(tǒng)提供用戶的位置信息和終端，以便對用戶實(shí)施緊急救援工作，并要求分階段實(shí)施定位不斷提高的用戶定位效勞。1999

20、年FCC對E-911法進(jìn)展修訂，對定位精度提出新的要求，極大的促進(jìn)了美國LBS(Location Based Service)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)。其他國家后來又陸續(xù)研究出紅外技術(shù)、IEEE 802.11 技術(shù)、超聲波技術(shù)、以ZigBee/IEEE802.15.4 為代表無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和RFID 技術(shù)。但是當(dāng)今應(yīng)用最廣泛的還是美國研制利用通訊衛(wèi)星定位的GPS，它可以作為當(dāng)今定位的最高水平。但是凡事沒有十全十美它有有局限性，就是對于縣圍的精準(zhǔn)定位對她來說還是比擬困難。所以就基于短距離通信的定位技術(shù)紅外技術(shù)、IEEE 802.11 技術(shù)、超聲波技術(shù)、以ZigBee/IEEE802.15.4 為代表無線網(wǎng)絡(luò)技

21、術(shù)和RFID 技術(shù)得到更多的開展。國開展?fàn)顩r我國對人員定位系統(tǒng)的研究起步比擬晚且開展較緩慢, 最早的時(shí)候利用RFID (射頻識別)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)人員定位。但是這種方式比擬簡單,效率低,實(shí)際上是一種考勤的方式,不能真正實(shí)現(xiàn)人員定位。后來借鑒國外GPS的經(jīng)歷，國建立了北斗導(dǎo)航系統(tǒng)一代，但是由于一代技術(shù)不能日益增多的需求，后來研發(fā)了北斗二代，它能實(shí)現(xiàn)10米以的定位，但是它本錢高昂，、且適合大圍的定位。隨著zigbee技術(shù)被引入中國,國研究機(jī)構(gòu)展開了對以zigbee技術(shù)為根底的定位的研究,直到適合人員定位的CC2430/CC2431出現(xiàn),在其芯片硬件、協(xié)議棧、相關(guān)配套軟件方面取得了很大的突破,開展非常迅速

22、。CC2431是Chipcon公司推出的用來實(shí)現(xiàn)嵌入式ZigBee應(yīng)用的片上系統(tǒng),集成了增強(qiáng)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8051MCU核。同時(shí)CC2431是2007年TI公司推出的世界首款自帶定位系統(tǒng)的片上系統(tǒng)(SoC),以滿足低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的要求,實(shí)現(xiàn)了 ZigBee技術(shù)定位的飛躍,相比于集中型的定位系統(tǒng),CC2431基于RSSI(Received Signal Strength Indicator,接收到的信號強(qiáng)度)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到5m的精度。本文也是結(jié)合CC2430/2431做的課題研究。1.2課題的主要容及構(gòu)造安排結(jié)合實(shí)際生活生產(chǎn)的需要,本文提出了基于Zig

23、Bee技術(shù)的無線定位監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究,它對于建筑物定位的開展有很大意義。論文的主要容安排：第一章介紹本課題研究的背景、國外現(xiàn)狀和論文的主要容安排。第二章ZigBee技術(shù)及其開展概述和協(xié)議棧構(gòu)造：首先表達(dá) ZigBee技術(shù)的由來及開展,其次對I標(biāo)準(zhǔn)作介紹,包括它各層的應(yīng)用約束,同時(shí)在其根底上分析了 ZigBee技術(shù)的技術(shù)規(guī)。第三章本章首先介紹了關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方面的根底知識，接著將目前定位技術(shù)的評價(jià)指標(biāo)和定位方法的分類作了介紹，最后綜合分析了定位技術(shù)的優(yōu)劣，選擇了適合本課題的定位算法，即基于RSSI定位算法第四章系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)以及程序流程圖。第五章總結(jié)對課題研究后的感悟2 zigbe

24、e技術(shù)簡介在深入研究zigbee定位之前，應(yīng)該先了解無線通信協(xié)議。Zigbee協(xié)議棧是硬件之間進(jìn)展通信的關(guān)鍵所在。此協(xié)議棧隨著科技的開展一步步完善，最初只有物理層和MAC層，后來隨著各個(gè)國家的參加，應(yīng)用的圍越來越廣，在原來的根底上又陸續(xù)參加了應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層，從而形成現(xiàn)在的zigbee協(xié)議棧。Zigbee聯(lián)盟日漸壯大，為zigbee技術(shù)的應(yīng)用和開展作出了巨大奉獻(xiàn)。如今的zigbee吸引了數(shù)以百計(jì)的芯片生產(chǎn)商投入巨資研究它。標(biāo)準(zhǔn)物理層概述物理層主要完成以下幾項(xiàng)任務(wù)：信道能量檢測(ED)、鏈路質(zhì)量指示 (LQI) 、空閑信道評估(CCA)、信道選擇、數(shù)據(jù)收發(fā)和承受。物理層規(guī)通信頻率，分為三個(gè)頻段：8

25、68MHZ、915MHZ、2.4GHZ。在這三個(gè)頻度上所采用的調(diào)制方式和擴(kuò)頻參數(shù)可見表2-1。表2-1頻率/MHZ擴(kuò)頻參數(shù)數(shù)據(jù)參數(shù)碼片速率/(kchip/s)調(diào)制方式比特速率/kbps符號速率符號階數(shù)868/915868868.6300BPSK2020二進(jìn)制902928600BPSK4040二進(jìn)制245024002483.52000O-QPSK25062.5十六進(jìn)制正交IEEE 802.15.4 物理層在三個(gè)頻段上劃分了不同信道，如以下公式，我們將信道編號k為026。在2450MHZ頻道上劃分了16個(gè)信道，915MHZ頻道有10個(gè)信道，868MHZ頻道只有一個(gè)信道。27個(gè)信道和中心頻率定義如下

26、：fc=868.3MHZ k=0fc=9062(k-1)MHZ k=1,2,10fc=24055(k-11)MHZ k=11,12,262.2.4 GHz頻段的物理層技術(shù)2.4GHz頻段的物理層技術(shù)在標(biāo)準(zhǔn)下,支持250kbps的數(shù)據(jù)速率,采用十六進(jìn)制的準(zhǔn)正交調(diào)制技術(shù)。符號周期中,釆用4個(gè)信息映射,符號速率為62.5ksymbol/s,碼片速率為2000 kchip/s的32位準(zhǔn)正交偽隨機(jī)序列;最后符片序列通過0-QPSK調(diào)制到載波上,調(diào)制原理如圖2-2所示。圖2-2 2.4GHZ物理層調(diào)制方案2.2.5 MAC層規(guī)介紹標(biāo)準(zhǔn)的MAC子層的任務(wù)主要有以下幾項(xiàng):協(xié)調(diào)器產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信標(biāo);信標(biāo)同步;支持PA

27、N關(guān)聯(lián)和解關(guān)聯(lián);CSMA-CA信道訪問機(jī)制;處理和維護(hù)保證時(shí)隙(GTS)機(jī)制;在兩個(gè)對等MAC實(shí)體間提供可靠鏈路。MAC層效勞規(guī)MAC層的參考模型如圖2-3所示。圖2-3 MAC層參考模型MAC層的作用是:提供特定效勞會(huì)聚子層(SSCS)與物理層之間的接口。同時(shí),MAC層還包括MAC層管理實(shí)體(MLME),用于提供調(diào)用MAC層管理功能的管理效勞接口; MAC層管理實(shí)體還有另外一個(gè)作用是對MAC PAN信息庫(MAC PIB)進(jìn)展維護(hù)。MAC層提供MAC數(shù)據(jù)效勞,是通過MAC公共局部子層(MCPS)的數(shù)據(jù)SAP(MCPS-SAP)進(jìn)展的;提供MAC管理效勞是通過MLME-SAP實(shí)現(xiàn)的。此夕卜,M

28、SPS和MLME之間還隱含了一個(gè)部接口,作用是實(shí)現(xiàn)MLME調(diào)用MAC數(shù)據(jù)效勞。MAC幀,即MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元(MPDU),是由一系列字段按照特定的順序排列而成的。MAC幀由以下三局部組成:MAC頭、MAC有效載荷和MAC尾。MAC幀格式如表2-2所示。表2-2字節(jié)數(shù)：210/20/2/80/20/2/8可變長度2幀控制幀序號目的PAN標(biāo)識碼目的地址源PAN標(biāo)識碼源地址幀有效載荷FCS地址信息MAC頭MAC有效載荷MAC尾MAC頭是由幀控制字段、幀序號字段和地址信息域組成;決定MAC有效載荷局部長度的是幀的類型,并且確認(rèn)其有效載荷局部長度為0; MAC尾代表幀校驗(yàn)序列(FCS)。MAC層允許通過

29、物理信道傳輸MAC幀。除了數(shù)據(jù)效勞,它還提供了一個(gè)管理接口和自身管理對物理信道和網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)的訪問。它同樣控制幀校驗(yàn),保證時(shí)間戳,處理節(jié)點(diǎn)聯(lián)合,最終為完全效勞提供鉤點(diǎn)。其管理任務(wù)如下:作為PAN的協(xié)調(diào)器要為設(shè)備活動(dòng)產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信標(biāo);同步信標(biāo);支持PAN關(guān)聯(lián)和離開;支持設(shè)備平安;信道訪問使用CSMA-CA;管理GTS機(jī)制;在點(diǎn)對點(diǎn)MAC實(shí)體間提供可靠連接。2.3 ZigBee規(guī)ZigBee協(xié)議棧架構(gòu)包括標(biāo)準(zhǔn)定義了 ZigBee協(xié)議棧的物理層(PHY)和媒體訪問控制層(MAC)和ZigBee聯(lián)盟定義的網(wǎng)絡(luò)層(NWK)和應(yīng)用層。大體構(gòu)造順序：最底層的物理層，其次由下到上是MAC層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。2.3.1

30、 ZigBee應(yīng)用層規(guī)ZigBee應(yīng)用層由以下APS、應(yīng)用框架、 ZDO和廠商定義的應(yīng)用對象四局部組成。 APS子層負(fù)責(zé)維護(hù)綁定表并在綁定設(shè)備間傳遞信息,表達(dá)綁定的匹配能力。ZDO具體功能為:確定設(shè)備角色(網(wǎng)關(guān)、ZigBee路由器以及終端移動(dòng)設(shè)備)、初始化、對綁定請求產(chǎn)生響應(yīng)、建立網(wǎng)絡(luò)平安關(guān)系;ZDO還有另外的一個(gè)作用是:發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,確認(rèn)其所能提供的應(yīng)用效勞。.ZigBee應(yīng)用支持子層(APS)應(yīng)用支持子層通過一組ZigBee設(shè)備對象(ZDO)和定義的應(yīng)用對象都適合的效勞,提供了網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層之間的接口。效勞通過兩個(gè)實(shí)體來提供:APS數(shù)據(jù)實(shí)體(APS-DE)通過APSDE-SAP提供數(shù)據(jù)傳輸

31、效勞;APS管理實(shí)體(APSME)通過APSME-SAP提供管理效勞并對對象數(shù)據(jù)庫進(jìn)展維護(hù)和管理,也就是APS信息庫(AIB)。應(yīng)用支持子層的數(shù)據(jù)實(shí)體(APSDE)為ZDO和應(yīng)用對象提供效勞,向網(wǎng)絡(luò)層提供數(shù)據(jù)效勞,完成設(shè)備之間的傳輸。.ZigBee ProfileProfile為ZigBee網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備之間通信的關(guān)鍵存在,是統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee分為私人的和公的兩個(gè)等級去定義Profile。 Profile標(biāo)識符是規(guī)在ZigBee聯(lián)盟和文件圍之外的管理問題的唯一標(biāo)準(zhǔn)。對于Profile標(biāo)識符的應(yīng)用程序,每個(gè)Profile須向ZigBee聯(lián)盟請求,在獲得標(biāo)識符后,即可獲得以下定義:設(shè)備描述;串(

32、簇)標(biāo)識符。Profile標(biāo)識符在ZigBee協(xié)議中占有重要的地位,也是其重要的枚舉量。這就決定了即使在單獨(dú)的ZigBee設(shè)備中,也存在許多的Profile進(jìn)展維持讓它更好地運(yùn)行,同時(shí)設(shè)備通過一個(gè)分層尋址定義現(xiàn)在其功能。.ZigBee設(shè)備對象ZDOZDO是執(zhí)行ZigBee終端設(shè)備、路由器和協(xié)調(diào)器的一個(gè)應(yīng)用,是通過使用網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用支持層原語進(jìn)展的。ZDO分布在ZigBee協(xié)議棧中的APL、 APS層之上,是應(yīng)用解決方案。其功能為:(1)初始化應(yīng)用支持子層(APS)、網(wǎng)絡(luò)層(NEK)、平安效勞提供(SSP)以及其它ZigBee設(shè)備層。(2)通過信息集合配置確定和執(zhí)行在終端中的應(yīng)用。2.3.2 Zig

33、Bee網(wǎng)絡(luò)層規(guī)ZigBee網(wǎng)絡(luò)層支持星狀、樹狀和網(wǎng)狀拓?fù)?其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)造如圖2-6所示。圖2-6 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓樸構(gòu)造示意圖在標(biāo)準(zhǔn)中,定義了兩種物理節(jié)點(diǎn):半功能設(shè)備(Reduced FunctionDevice, RFD)和全功能設(shè)備(Full Function Device, FFD) 。 FFD是功能齊全的節(jié)點(diǎn),負(fù)責(zé)發(fā)布控制、收集數(shù)據(jù)、與其相關(guān)的子節(jié)點(diǎn)進(jìn)展通信,在整個(gè)控制中起著通信路由的作用。RFD可以定義為全功能的一個(gè)子集,功能比擬精簡,同時(shí)也降低了本錢。RFD節(jié)點(diǎn)因?yàn)槠涔δ懿痪哂袛?shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和路由功能,這樣RFD節(jié)點(diǎn)之間不能通信，信息傳遞是和FFD進(jìn)展的。星狀拓?fù)渲?網(wǎng)絡(luò)是由負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)中

34、設(shè)備的初始化和維護(hù)的ZigBee協(xié)調(diào)器控制,其它設(shè)備(如終端設(shè)備)可以直接與其器通信;網(wǎng)狀和樹狀拓?fù)錁?gòu)造中,ZigBee協(xié)調(diào)器通過ZigBee路由器進(jìn)展網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展和建立,并對網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)展選定。樹狀網(wǎng)絡(luò)的通信方式是采用定義的面向信標(biāo)構(gòu)造,在其拓?fù)錁?gòu)造中,網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)數(shù)據(jù)和控制信息時(shí)的路由器采用分層路由策略;網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的通信方式釆用完全對等的通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浔葦M：在星形網(wǎng)絡(luò)中,ZigBee協(xié)調(diào)器一般使用持續(xù)電力系統(tǒng)供電,而其它設(shè)備采用電池供電。星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)造只適于小圍組網(wǎng)的系統(tǒng)中。通過選擇一個(gè)PAN標(biāo)志符來唯一地確定本網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)建立之后,協(xié)調(diào)器就可以允許其他的設(shè)備參加到該網(wǎng)絡(luò)中。和星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)造相比

35、,樹簇型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)造有以下優(yōu)點(diǎn):覆蓋的物理圍更大,容納的網(wǎng)絡(luò)子節(jié)點(diǎn)更多;但是隨著網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)的逐漸增大,增加了傳輸?shù)臅r(shí)延,增加了誤碼率及相關(guān)開銷。對于網(wǎng)狀連接方式,構(gòu)造組網(wǎng)靈活,允許通過多跳路由的方式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù),終端節(jié)點(diǎn)可以通過不同的路徑將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絑igBee協(xié)調(diào)器,減少了消息傳輸?shù)难訒r(shí)。同時(shí)由于網(wǎng)狀連接方式中每個(gè)節(jié)點(diǎn)智能化,所以當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中任一節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí),附近的無線節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)代替該節(jié)點(diǎn)繼續(xù)進(jìn)展信息的傳輸和轉(zhuǎn)發(fā)。所以網(wǎng)狀連接方式的強(qiáng)健性比擬強(qiáng),網(wǎng)絡(luò)覆蓋度大,比擬適用于礦井監(jiān)控系統(tǒng)中。2.3.3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)層的功能ZigBee網(wǎng)絡(luò)層提供相關(guān)的函數(shù),保證MAC層的正常通信運(yùn)行,同時(shí)提供效勞接口面

36、向應(yīng)用層,與此同時(shí),網(wǎng)絡(luò)層還提供了數(shù)據(jù)效勞實(shí)體和管理效勞實(shí)體。網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體提供數(shù)據(jù)傳輸效勞,網(wǎng)絡(luò)管理層實(shí)體提供網(wǎng)絡(luò)管理效勞,完成對信息庫(NIB)的維護(hù)和管理;它們分別通過網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體效勞接入點(diǎn)(NLDE-SAP)和網(wǎng)絡(luò)管理實(shí)體效勞接入點(diǎn)(NLME-SAP)進(jìn)展的工作。網(wǎng)絡(luò)層為MAC層提供接口是通過MCPS-SAP和MLME-SAP ,為應(yīng)用層提供接口效勞通過NLDE-SAP與NLME-SAP 。2.4 2006協(xié)議棧協(xié)議棧的構(gòu)架圖2-7協(xié)議棧構(gòu)架3無線傳感網(wǎng)絡(luò)中定位技術(shù)介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用主要是把大量的傳感器節(jié)點(diǎn)放置于需要監(jiān)測的區(qū)域，讓這些節(jié)點(diǎn)采集人們所感興趣的數(shù)據(jù)，之后通過無線

37、傳輸?shù)姆绞桨巡杉降男畔⒕奂娇偺幚砥?，總處理器通過分析數(shù)據(jù)得出所檢測區(qū)域的狀況。由此可以看出，位置信息對所采集的數(shù)據(jù)是非常重要的。對于無線傳感網(wǎng)中定位技術(shù)的研究是非常有意義的。本章首先介紹了關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方面的根底知識，接著將目前定位技術(shù)的評價(jià)指標(biāo)和定位方法的分類作了介紹，最后著重介紹了基于測距的定位算法。其中，到達(dá)時(shí)間差定位算法有不需要時(shí)間原點(diǎn)同步的特點(diǎn)，這將有助于在該算法的根底上設(shè)計(jì)出更好的定位算法。3.1無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)概述無線傳感網(wǎng)定位技術(shù)就是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中一些位置的節(jié)點(diǎn)通過與位置未知的節(jié)點(diǎn)交換數(shù)據(jù)，從而得出位置未知節(jié)點(diǎn)的具體位置。無線傳感網(wǎng)定位相關(guān)的根本概念PS(Globa

38、l Positioning System)：即為人們所熟悉的全球定位系統(tǒng)。該定位系統(tǒng)由24顆衛(wèi)星所組成，能夠得到準(zhǔn)確的位置信息。錨節(jié)點(diǎn)(Anchor Node)：指無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中位置已經(jīng)事先知道的傳感器節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)的位置信息可以通過GPS 測定，或者通過放置該節(jié)點(diǎn)的時(shí)候人工測定出。它的主要功能是和其通信圍的位置未知的節(jié)點(diǎn)進(jìn)展數(shù)據(jù)交換從而確定它們的具體位置。也有的文獻(xiàn)中將錨節(jié)點(diǎn)稱作信標(biāo)節(jié)點(diǎn)(Beacon Node)。未知節(jié)點(diǎn)(Unkown Node)：指無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中位置未知的節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)的位置信息需要通過一些方法測量得到。也稱為待定位節(jié)點(diǎn)(Unpositioning Node)。鄰居節(jié)點(diǎn)(

39、Neighbor Nodes)：指在傳感器節(jié)點(diǎn)通信圍的所有其他傳感器節(jié)點(diǎn)。如果*個(gè)節(jié)點(diǎn)想要把信息傳得更遠(yuǎn)，可以將信息通過鄰居節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)。連通(Connectible)：假設(shè)兩個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)之間可以進(jìn)展數(shù)據(jù)傳輸，則可以把這兩個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)稱為連通的。連通度(Connectivity)：指無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，與*個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)相連通的節(jié)點(diǎn)的數(shù)目稱為該節(jié)點(diǎn)的連通度。錨節(jié)點(diǎn)密度(Anchor Density)：指無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，錨節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)占整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的百分比?；跍y距(Range-based)：指需要測量距離然后進(jìn)展定位的方法。非基于測距(Range-free)：指不需要距離的測量就能進(jìn)展定

40、位的方法。視距關(guān)系(Line of sight, LOS)：指兩個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)之間沒有障礙物阻擋，能夠進(jìn)展兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間直接的傳輸數(shù)據(jù)。非視距關(guān)系(Non-line of sight, NLOS)：指兩個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)之間有障礙物阻擋。無線傳感網(wǎng)定位的性能評價(jià)指標(biāo)評價(jià)定位技術(shù)好壞的最重要的指標(biāo)就是定位的準(zhǔn)確性和準(zhǔn)確度。定位的準(zhǔn)確性指的是通過*定位算法求得的位置與實(shí)際位置之間的最大距離。定位的準(zhǔn)確度指的是定位準(zhǔn)確性能到達(dá)的百分比，它需要通過屢次實(shí)驗(yàn)得到的。對于定位性能的評價(jià)必須同時(shí)考慮定位的準(zhǔn)確性和準(zhǔn)確度。實(shí)際應(yīng)用中使用的定位算法都具備很強(qiáng)的穩(wěn)定性能，屢次定位得到的位置偏差不大，所以對于定位技術(shù)的評價(jià)可

41、以用定位的誤差表示。定位的誤差分為絕對誤差和相對誤差，絕對誤差指的是定位的位置與實(shí)際位置相差的距離，相對誤差指絕對誤差與節(jié)點(diǎn)之間可以通信的最長距離的百分比。假設(shè)有N 個(gè)未知節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)的實(shí)際位置是，(i = 1,2,N)，經(jīng)過定位算法的運(yùn)算得到的測量位置是，(i = 1,2,N)，于是就可以得到定位平均絕對誤差為： QUOTE (3-1)如果節(jié)點(diǎn)之間能夠通信的最大距離是R，則定位的平均相對誤差為： QUOTE (3-2)此外還有一些其他的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表3-1 所列舉：以上介紹的定位技術(shù)的評價(jià)指標(biāo)還可以作為設(shè)計(jì)定位系統(tǒng)的參考因素，不同的定位應(yīng)用中應(yīng)該選擇不同的定位算法，在保證定位精度的前提下，最

42、大限度地減少資源浪費(fèi)。這些評價(jià)指標(biāo)之間并不是孤立的，它們存在聯(lián)系。對于定位技術(shù)的好壞只能從*個(gè)方面進(jìn)展評價(jià)，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該綜合考慮各方面的要求設(shè)計(jì)出適宜的定位系統(tǒng)。表 3-1定位技術(shù)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)名稱描述容錯(cuò)性和自適應(yīng)性通常情況下，定位算法運(yùn)行時(shí)需要比擬理想的環(huán)境，但在實(shí)際應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)會(huì)因?yàn)橹車h(huán)境和自身問題出現(xiàn)失效的情況，這時(shí)就需要定位系統(tǒng)的軟、硬件具備很強(qiáng)的容錯(cuò)性和自適應(yīng)性。功耗由于傳感器節(jié)點(diǎn)電源能量有限，所以在保證定位準(zhǔn)確性和準(zhǔn)確度的前提下，盡量減少定位所需要的功耗是非常有必要的。代價(jià)該項(xiàng)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)包含了時(shí)間代價(jià)、空間代價(jià)和資金代價(jià)等，其中資金代價(jià)是指實(shí)現(xiàn)一個(gè)定位系統(tǒng)所需的總費(fèi)用，該項(xiàng)直接

43、關(guān)系到定位系統(tǒng)的開展前景。3.2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)的分類根據(jù)分類標(biāo)準(zhǔn)的不同，可以將無線傳感網(wǎng)定位算法進(jìn)展不同的分類。例如，根據(jù)是否需要測量節(jié)點(diǎn)之間的距離，可以將定位算法分為基于測距(Range-based)的定位算法和非基于測距(Range-free)的定位算法。如果根據(jù)定位所得到的位置信息的類型，可以將定位算法分為絕對定位算法和相對定位算法。3.2.1 基于測距與非基于測距的定位算法基于測距的定位算法利用信號強(qiáng)弱差值計(jì)算出參考節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)距離從而計(jì)算出一定節(jié)點(diǎn)的位置。而非基于測距的定位算法則根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)造等信息進(jìn)展未知節(jié)點(diǎn)的定位。常用的基于測距的定位算法有：基于接收信號強(qiáng)度測量法(R

44、SSI)、測量時(shí)間法(TOA)、測量時(shí)間差法(TDOA)和到達(dá)角度測量法(AOA)。常用的非基于測距的定位算法有：質(zhì)心算法、凸規(guī)劃法。這樣劃分的兩種定位算法各有其優(yōu)缺點(diǎn)?；跍y距的定位算法需要對距離進(jìn)展準(zhǔn)確的計(jì)算，所以它的定位相對于非基于測距的算法較為準(zhǔn)確，但是他在處理數(shù)據(jù)的過程中消耗的功更多同時(shí)本錢也大大增加。而非基于測距的定位算法在本錢和功耗方面比擬小，易于實(shí)現(xiàn)，但是其定位精度比擬差。在實(shí)際的應(yīng)用中應(yīng)該根據(jù)需求的不同選擇不同的定位算法。值得注意的是，在非基于測距的定位算法中，網(wǎng)絡(luò)多跳路由算法也需要計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)和參考節(jié)點(diǎn)之間的距離，但是這種距離的估算是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)錁?gòu)造信息進(jìn)展計(jì)算的，。目前

45、，實(shí)際應(yīng)用中廣泛使用的是基于測距的定位算法，本文所要研究的也是基于測距的定位算法。3.3 無線傳感網(wǎng)絡(luò)中基于測距的定位算法本文將著重對基于測距的定位算法做深入的介紹，下面本文將介紹無線傳感網(wǎng)中幾種基于測距的定位算法。同時(shí)也對各種定位算法分析比擬，進(jìn)而選出較為適合的算法應(yīng)用到本課題的研究。3.3.2 基于RSSI 的定位法RSSIreceive signal strength indicator即為接收信號強(qiáng)度指示。無線信號在傳播過程中的存在著特定的關(guān)系，即隨著傳輸距離的增加信號也越來越弱。人們在研究中發(fā)現(xiàn)，接收信號強(qiáng)度值與信號的傳播距離之間有著明確的關(guān)系。在實(shí)際的信號傳播過程中，可以利用RSS

46、I 值來確定信號的傳播距離。在實(shí)際測量過程中，參考節(jié)點(diǎn)會(huì)向移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)信號，由于信號的衰減特性，在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和參考節(jié)點(diǎn)的信號強(qiáng)度不一樣，基于一定的算法公式就可以計(jì)算出傳輸距離。我們采用的是cc2431芯片，它本身具有定位引擎和無線信號收發(fā)的功能吧，所以基于RSSI的定位技術(shù)很方便并且價(jià)格低廉。在實(shí)際提供RSSI 值測量的芯片中，信號在節(jié)點(diǎn)之間的傳播可以使用經(jīng)歷的無線信號傳輸模型進(jìn)展模擬，即： QUOTE (3-3)為發(fā)送節(jié)點(diǎn)i發(fā)送信號后，接收節(jié)點(diǎn)j接收到該信號時(shí)的信號強(qiáng)度值，單位為dBm，為發(fā)送節(jié)點(diǎn)i和接收節(jié)點(diǎn)j之間相距的距離。為接收節(jié)點(diǎn)接收到與它相距的發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號的強(qiáng)度值，單位為dBm

47、，通常情況下，選取為1m。為路徑損耗指數(shù)，它與具體的環(huán)境相關(guān)。設(shè)A 為信號傳播了1 米后的信號強(qiáng)度，則上面的無線信號傳輸模型可以改寫為： QUOTE (3-4)通過式3-4可以看出，參數(shù)A和決定了接收信號強(qiáng)度值和信號傳播距離之間的關(guān)系。基于RSSI 定位法就是通過RSSI 值估算出收發(fā)節(jié)點(diǎn)之間的距離，然后根據(jù)參考點(diǎn)的位置對移動(dòng)節(jié)點(diǎn)知節(jié)點(diǎn)進(jìn)展定位。該算法的定位原理如圖3-2 所示，假設(shè)A、B 和C 都是參考節(jié)點(diǎn)，位置分別為 QUOTE 、 QUOTE 和 QUOTE ，M點(diǎn)為未知節(jié)點(diǎn)，設(shè)它的位置為(*, y)。M點(diǎn)向A點(diǎn)、B點(diǎn)和 C點(diǎn)分別發(fā)送數(shù)據(jù)包，設(shè)A 點(diǎn)接收到M 點(diǎn)發(fā)送的信息時(shí)，值為 QUO

48、TE ，B 點(diǎn)接收到C 點(diǎn)發(fā)送的信息時(shí)，值為 QUOTE ，C點(diǎn)接收到M 點(diǎn)發(fā)送的信息時(shí)，值為 QUOTE 。圖3-2 基于RSSI 定位原理圖根據(jù)信號強(qiáng)度值與傳輸距離的關(guān)系可以將 QUOTE 、 QUOTE 和 QUOTE 分別轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的距離 QUOTE 、 QUOTE 、 QUOTE ,則就可以建立方程 QUOTE (3-5)解(3-5)的方程組可以得到(*,y)，進(jìn)而可以對M定位。由于我們采用的是cc2431芯片，所以在試驗(yàn)中節(jié)省了硬件設(shè)施，也不用節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)展繁瑣的數(shù)據(jù)處理以及交換，外表看來很好很方便，適合廣泛的應(yīng)用。但是在實(shí)際應(yīng)用中RSSI受到多徑衰減，非視距等諸多因素的影響，信號隨

49、著距離衰減的比例會(huì)有誤差，不能得出理想的數(shù)據(jù)。就算是未知節(jié)點(diǎn)和參考節(jié)點(diǎn)始終不動(dòng)，得出的數(shù)據(jù)也會(huì)有很大的差異。另外，也有可能節(jié)點(diǎn)上使用了未經(jīng)校準(zhǔn)的無線收發(fā)裝置，這也使得在不同設(shè)備上使用一樣的方式發(fā)射信號，而在接收端測得不同的RSSI 值。因此基于RSSI 的測距穩(wěn)定應(yīng)不強(qiáng)，當(dāng)外界情況變化很大時(shí)，收到的信號強(qiáng)度會(huì)員里理論值致使距離算出的距離不準(zhǔn)確，從而會(huì)造成很差的定位效果。所以在實(shí)際操作中為了提高精度要盡可能的增加參考節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，利用均值減小外界的不良干擾。3.3.3 基于TOA 的定位法TOA(Time Of Arrive)即為到達(dá)時(shí)間?；赥OA 定位法就是利用無線信號在節(jié)點(diǎn)之間的傳輸時(shí)間來測量

50、節(jié)點(diǎn)之間距離，然后對未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)展定位。該定位法的原理圖如圖3-3 所示。圖3-3基于TOA 定位原理圖圖3-3 表示在二維平面，用三個(gè)位置的錨節(jié)點(diǎn)對未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)展定位。A、B 和C 都是參考節(jié)點(diǎn)，位置分別為: QUOTE 、 QUOTE 和 QUOTE ，M點(diǎn)為未知節(jié)點(diǎn)，設(shè)它的位置為。M節(jié)點(diǎn)在時(shí)刻向A、B 和C 播送一個(gè)數(shù)據(jù)包，三個(gè)參考節(jié)點(diǎn)A、B 和C 接收到該數(shù)據(jù)包的時(shí)刻分別是 QUOTE ， QUOTE , QUOTE 。設(shè)電磁波在空氣中的傳播速度為C，則未知節(jié)點(diǎn)M 和參考節(jié)點(diǎn)A 之間的距離為 QUOTE 。同理可得未知節(jié)點(diǎn)M與錨節(jié)點(diǎn)B和錨節(jié)點(diǎn)C之間的距離分別為 QUOTE 和 QUOTE

51、。這樣就可以建立方程組： QUOTE (3-6)求解方程組(3-6)可以得到未知節(jié)點(diǎn)的位置。在了解這種定位算法后我們發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際中應(yīng)用不僅要記錄參考節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確時(shí)間，而且還要系統(tǒng)的時(shí)間同步準(zhǔn)確無誤。時(shí)間同步在研究中也很重要，又給實(shí)驗(yàn)帶來許多繁瑣。北斗導(dǎo)航二代系統(tǒng)就是采用了此種算法，那是一個(gè)非常昂貴的系統(tǒng)，對于本次試驗(yàn)不切實(shí)際，消耗巨大。介紹過基于TOA方法以后發(fā)現(xiàn)，它的定位方法在本質(zhì)上和基于信號差值定位的方法沒有本質(zhì)，區(qū)別不同的是測距的方法。他們都是先基于一定的方法，測出未知節(jié)點(diǎn)到三個(gè)不在同一直線的參考節(jié)點(diǎn)距離，再利用三邊定位算法計(jì)算出未知節(jié)點(diǎn)的位置信息。三邊定位是一種較為準(zhǔn)確

52、的算法，圖3-4 給出了三邊定位法的原理圖，分別以參考節(jié)點(diǎn)未知節(jié)點(diǎn)的距離為圓心畫圓。三個(gè)圓的公共焦點(diǎn)就是所要知道的未知節(jié)點(diǎn)的位置。結(jié)合對以上兩種定位算法的分析與研究，又根據(jù)實(shí)際情況和自身能力，我選擇了基于RSSI的定位算法。這種定位算法不需要額外硬件，及經(jīng)濟(jì)又方便，還便于在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)。圖3-4三邊定位法的原理圖3.3.4 基于AOA 的定位法AOA(Angle Of Arrive)即是到達(dá)角度?；贏OA 的定位法是當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收到信號時(shí)，通過利用天線陣列判斷信號源的方位，繼而進(jìn)展定位?；贏OA 的定位法原理上就是三角定位法。三角定位法主要是利用天線測得未知節(jié)點(diǎn)和錨節(jié)點(diǎn)之間的角度關(guān)系，然后根據(jù)錨

53、節(jié)點(diǎn)的位置確定出未知節(jié)點(diǎn)的位置。下面將介紹三角定位法，三角定位法的原理如圖3-6 所示。圖3-6三角定位法原理圖圖3-6 中，A、B、C 都表示位置的錨節(jié)點(diǎn)，D 表示的是未知節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)A，B，C 的坐標(biāo)分別為: 、和。假設(shè)未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為。未知節(jié)點(diǎn)D相對于錨節(jié)點(diǎn)A，B，C的角度分別為，這三個(gè)角度可以通過天線測量出來。對于節(jié)點(diǎn)A，節(jié)點(diǎn)C和來說，如果弧段AC在三角形ABC，則能夠唯一確定一個(gè)圓，如圖中的圓，如圖中的圓 QUOTE ，假設(shè)圓心 QUOTE 的坐標(biāo)為 QUOTE ，半徑為 QUOTE 。而 QUOTE 。則可以得到以下方程組： QUOTE (3-15)可以通過解(3-15)的方程組可以

54、得到圓心 QUOTE 的坐標(biāo)和半徑。同理可以分別得到圓 QUOTE 和圓 QUOTE 的坐標(biāo)和它們的半徑。最后通過利用圓心 QUOTE ， QUOTE ， QUOTE 和三邊定位法原理可以確定未知節(jié)點(diǎn)D 的坐標(biāo)。3.3.5 定位算法總結(jié)結(jié)合對以上三種定位算法的分析與研究，又根據(jù)實(shí)際情況和自身能力，我選擇了基于RSSI三邊定位算法。這種定位算法不需要額外硬件，及經(jīng)濟(jì)又方便，還便于在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)。在cc2431中有定位引擎，也適當(dāng)降低了定位的難度。在實(shí)驗(yàn)中為了降低基于RSSI受外界影響的程度我們適當(dāng)增加了參考節(jié)點(diǎn)數(shù)量，此次試驗(yàn)我們設(shè)置了6個(gè)參考節(jié)點(diǎn)。4基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)室人員定位系統(tǒng)

55、由隨機(jī)分布的集成有數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的ZigBee節(jié)點(diǎn),通過自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò),整個(gè)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的特點(diǎn)符合監(jiān)測精度高、覆蓋區(qū)域廣、高容錯(cuò)性、可遠(yuǎn)程監(jiān)控等優(yōu)點(diǎn)。任何無線定位功能的實(shí)現(xiàn)都是基于*種無線通信網(wǎng)絡(luò)的，以ZigBee技術(shù)為載體的定位同樣也是基于一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的。本文實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)就是在ZigBee網(wǎng)絡(luò)的根底上，通過定位跟蹤室人員、物品來進(jìn)展實(shí)時(shí)監(jiān)測和管理。對定位環(huán)境模型進(jìn)展適當(dāng)修改后，也可應(yīng)用于礦井巷道等其它環(huán)境中。4.1系統(tǒng)硬件功能介紹在基于zigbee人員定位裝置的研究中, 定位硬件選擇也是本方案主要研究對象,它由ZigBee協(xié)調(diào)器(網(wǎng)關(guān))、ZigBee路由器(參考節(jié)點(diǎn))和ZigBee終端設(shè)

56、備(定位節(jié)點(diǎn))三個(gè)主要局部組成。協(xié)調(diào)器在整個(gè)系統(tǒng)的發(fā)起者和中樞的作用。一般來說協(xié)調(diào)器與上位機(jī)通過有線形式直接相連,上位機(jī)向協(xié)調(diào)器發(fā)出組網(wǎng)的命令,負(fù)責(zé)為其他后續(xù)新增子節(jié)點(diǎn);另一方面,子節(jié)點(diǎn)的請求數(shù)據(jù)還要通過協(xié)調(diào)器發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)展處理。在完成同上位機(jī)進(jìn)展通訊的工作之余,協(xié)調(diào)器在網(wǎng)絡(luò)中也能充當(dāng)參考節(jié)點(diǎn)。參考節(jié)點(diǎn)的位置在定位過程中是固定的,其坐標(biāo)由人們事先確定并賦值。在定位過程中,它負(fù)責(zé)接收其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來數(shù)據(jù)包,并根據(jù)包提供的定位相關(guān)參量如RSSI值求出參量的平均值,然后交由定位節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)打包,最后發(fā)給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。參考節(jié)點(diǎn)除了提供自身位置坐標(biāo)信息外,還可以作為路由使用。定位節(jié)點(diǎn)是一類可移動(dòng)的節(jié)點(diǎn),其

57、位置是未知的,我們進(jìn)展定位的目的就是要取得其坐標(biāo)信息。4.2硬件選擇CC2431芯片部集成了一個(gè)增強(qiáng)型可編程8051核,速度是標(biāo)準(zhǔn)8051處理器的8倍。閃存規(guī)格有32/64/128KB三種規(guī)格,滿足不同需要。無線射頻核心局部采用CC2431的射頻收發(fā)器,接收靈敏度高,抗干擾能力強(qiáng)。除去這三個(gè)上要局部,CC2431還集成了4個(gè)不同種類的定時(shí)器、l個(gè)14位ADC、看門狗電路以及AES平安協(xié)處理器等一批實(shí)用外設(shè),大大簡化了外圍電路的設(shè)計(jì)過程,加上多達(dá)21個(gè)的UO端口使得該芯片擴(kuò)展性很強(qiáng),方便了用戶進(jìn)展二次開發(fā)。CC2430同CC2431芯片均為ehipeon推出的smartRF系列產(chǎn)品,硬件規(guī)格參數(shù)

58、基本一樣,二者最大的差異是CC2431部含有一個(gè)無線定位跟蹤引擎,這個(gè)由摩托羅拉公司設(shè)計(jì)認(rèn)證的定位引擎可實(shí)現(xiàn)高精度快速定位。CC2431基于Chipeon公司的SmartRF技術(shù)平臺,生產(chǎn)工藝到達(dá)0.18月m,采用7mm*7mm的QLP48封裝,高度集成化既減小了體積,更降低了能耗,工作功率僅為lmw,且具備自動(dòng)休眠功能,休眠狀態(tài)下功耗更低,電池壽命可達(dá)半年到兩年。綜上所述,由于CC2431節(jié)點(diǎn)以上的優(yōu)點(diǎn),能夠很好滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求,現(xiàn)選其為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)的模塊主芯片。4.3節(jié)點(diǎn)硬件總體設(shè)計(jì)定位節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)框架如圖4-1所示。硬件電路設(shè)計(jì)包括兩局部：無線通信模塊設(shè)計(jì)和輔助功能模

59、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)核心局部。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)本錢，硬件平臺沒有按節(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)平臺上。根據(jù)節(jié)點(diǎn)實(shí)際功能要求，只需連接所需器件即可。圖4-1節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)框圖4.3電路設(shè)計(jì)串口電路設(shè)計(jì)如圖4-2串口轉(zhuǎn)換串口電路通過 SP3223E 完成電平轉(zhuǎn)換，串口利用RS232C9針的D型連接器作為口。電源電路設(shè)計(jì)如圖4-3供電電路電源電路采用的是 5V 電源通過TPS79533 轉(zhuǎn)換為3.3V 工作電壓供電；USB 提供電源，

60、通過TPS79533 轉(zhuǎn)換位3.3V 工作電壓；仿真器直接提供3.3V 工作電壓和電池供電四種電源方案。復(fù)位電路設(shè)計(jì)復(fù)位電路的作用是將單片機(jī)復(fù)位，該電路是一個(gè)典型的按鍵復(fù)位電路，如圖4-4所示，當(dāng)單片機(jī)的復(fù)位引腳RST出現(xiàn)5ms以上的高點(diǎn)平，單片機(jī)就完成了復(fù)位操作。如圖4-4復(fù)位電路4.3.4 JTAG接口CC2431支持在線仿真調(diào)試,利用IAR等編譯軟件通過JTAG仿真接如圖4-5,可以實(shí)現(xiàn)對控制器的在線實(shí)時(shí)仿真。圖4-5 JTAG接口液晶電路液晶采用的是OCM12864-9圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊，該模塊提供了一個(gè)完善的驅(qū)動(dòng)電路，提供了20個(gè)引腳作為和設(shè)備的連接接口。該模塊的位并行數(shù)據(jù)通信，為