基于ZigBee的室內無線定位設計畢業(yè)設計

1、目 錄設計總說明.iintroduction.ii1 緒論 .11.1 課題研究的背景與意義.11.2 本文主要工作及組織結構.52 zigbee 技術的簡介 .62.1 zigbee技術基礎知識.62.2 ieee802.15.4協(xié)議棧和zigbee協(xié)議棧概述.82.3 zigbee網(wǎng)絡構成.112.4 z-stack協(xié)議棧.143 無線傳感網(wǎng)絡中定位技術介紹 .193.1無線傳感網(wǎng)絡定位技術概述.193.2 無線傳感網(wǎng)絡定位技術的分類.213.3 無線傳感網(wǎng)中基于測距的定位算法.224基于zigbee網(wǎng)絡的室內定位系統(tǒng)設計.304.1定位系統(tǒng)結構圖.304.2定位系統(tǒng)硬件設計.314.3定

2、位節(jié)點軟件設計.344.4節(jié)點和上位機間通信.405實驗及結果分析. .445.1測試條件與環(huán)境.445.2測試結果分析.446 總結.46參考文獻.48致謝.49基于zigbee技術的室內無線定位技術設計設計總說明：無線定位廣泛應用在導航、測量、自動控制等多個領域。目前，以gps 為代表的衛(wèi)星定位系統(tǒng)已經(jīng)非常成熟，但在小范圍或室內無線定位系統(tǒng)中，定位的精度、成本、能耗等方面還不能完全滿足需求。近年來，新興的zigbee技術為無線定位注入了新的活力。zigbee 技術的低功耗、低成本、高擴展性的特點為構建無線定位系統(tǒng)提供一種很好的解決方案。本文以zigbee 技術為基礎，完成了一種無線定位方案

3、的設計與實現(xiàn)。該定位系統(tǒng)中有三種設備，分別為參考節(jié)點、控制器和需要求得其位置的移動節(jié)點。定位過程中使用的測量參數(shù)為接收信號強度指示rssi。各設備中采用的zigbee 無線模塊為ti 公司生產(chǎn)的cc2530，這種芯片直接支持rssi技術。無線定位系統(tǒng)涉及到定位的測量參數(shù)、算法和通信這三種關鍵技術。本文首先講解zigbee通信部分，包括各種設備的通信過程、定位通信的規(guī)范、用到的消息格式以及交互流程等。然后，本文介紹了無線模塊中使用的rssi 參數(shù)特性，并以cc2530 的定位引擎進行定位計算為基礎實現(xiàn)了一個定位系統(tǒng)，對該引擎在室內環(huán)境中的定位性能進行了測試和分析。最終完成的定位系統(tǒng)能實現(xiàn)：在低密

4、度布網(wǎng)中，能定位出移動節(jié)點所在的區(qū)域，也能進行一維定位即求得移動節(jié)點的一個坐標，從而得出它所處的位置區(qū)域；而在高密度布網(wǎng)中，能進行二維定位，判斷出移動節(jié)點在平面中的準確位置。根據(jù)對定位引擎的性能測試結果,提出改進意見。本文為進一步降低構建定位網(wǎng)絡的成本和實現(xiàn)樓層空間內的定位提供了一種可行的解決方案。關鍵詞：無線定位；zigbee；室內定位；cc2530；定位引擎；接收信號強度指示wireless location indoor systems based on zigbeeintroduction：wireless location has applications in navigation

5、, measuring, automatic control and many others. at present, gps has been very mature, but in a small or indoor location system, the location accuracy, cost and many others cant fully meet the demands. in recent years, the appearance of the zigbee technology has injected new vitality for the wireless

6、 location. zigbee is a low-power, low cost, highly scalable technology, and which provides a good solution to build a location system.in this paper, we propose a wireless location system based on zigbee. there are three kinds of equipment in the systems which are the reference node, the mobile end d

7、evice and the controllers. received signal strength indicator is the location parameters. the zigbee wireless module used in the equipment are ti cc2530, and both of this chips support the rssi.wireless location systems usually require three different key technologies, which are location parameters,

8、 algorithms and the communication. in this paper, we introduced the zigbee communications in the first. and then, we explain the rssi parameters in the wireless module. we use the calculation of the location engine in the cc2530 to build a location system, and we make a performance testing and analy

9、sis in the indoor environment.in thel location systems can do: in the low density of network, we can get one-dimensional locations and knows one coordinate of the mobile device; in the high density of network, we can get two-dimensional locations and know exact location of the mobile device.accordin

10、g to the test results of the engine, we give the advice of the location program in the indoor environment.at the end of this paper, we explain how we can further reduce the cost of building a location network and how to achieve a floor location system.key words: wireless location; zigbee; indoor loc

11、ation; cc2530; location engine; received signal strength indicator (rssi)1 緒論從古時開始，人類在交通運輸、遠洋航行等多種領域就對位置信息有著廣泛的需求。星相學開始出現(xiàn)的一個重要目的就是滿足人們對位置的需求，指南針的發(fā)明更是直接為定位提供服務。隨著現(xiàn)代文明的發(fā)展，人類要求更好的定位技術來滿足在交通、監(jiān)控、調度、自動控制、跟蹤導航等應用范圍內對位置服務的需求。無線電出現(xiàn)后為定位提供了一個很好的工具，伴隨著無線電在各種應用領域中的廣泛使用，無線定位技術也得到了極快的發(fā)展。1.1課題研究的背景與意義1.1.1 無線定位的發(fā)展及

12、應用隨著現(xiàn)代移動通信技術和無線網(wǎng)絡的蓬勃發(fā)展，人們對無線定位的需求與日俱增。無線定位服務是指通過無線終端和無線網(wǎng)絡的配合，確定移動用戶的實際位置信息，從而提供用戶所需的與位置和方向相關的服務。無線電自出現(xiàn)后就廣泛影響著人類的生產(chǎn)生活方式，它的應用領域不僅僅只是局限在語音通信、數(shù)據(jù)傳送等通信服務領域，無線定位也是它的一個重要應用方面。無線定位是一種利用無線信號測量并為用戶提供位置服務的技術。在無線定位中，無線電波的傳播時間、信號場強、相位等特性會隨著位置的改變而改變，得到這些特性后進行計算分析就可以得到未知點的位置。作為定位技術的一種，無線定位最早也是使用在導航方面。60年代中期正式投入使用的t

13、ransit 系統(tǒng)第一次實現(xiàn)了全球范圍內為用戶提供高精度的二維定位服務。自此，無線定位開始出現(xiàn)在交通、調度、自動控制等多種應用領域。以transit 系統(tǒng)為基礎，美國研制的gps 定位系統(tǒng)可以廣泛應用在陸?？崭鲄^(qū)域的導航、高度測量、速度測量、自動控制、智能調度等各種領域，能夠在全球范圍內為用戶提供全天候的三維定位服務。在軍事以及民用上，gps 系統(tǒng)有極大的需求，它的出現(xiàn)加速推動了無線定位技術的發(fā)展，近年來歐洲和我國也分別開始建立類似的如伽利略定位系統(tǒng)和北斗定位系統(tǒng)。正是由于無線定位在安防、施救等方面的重要作用，因此當美國頒布e-911 后，更多的機構投入到對無線定位的一系列的研究和開發(fā)中。隨后

14、，美國又在對e-911的補充中明確規(guī)定了定位的精度。在現(xiàn)代信息社會，獲取位置信息越來越重要，尤其是無線定位技術與自動控制技術、計算機技術、通信技術的結合使得無線定位擁有更廣泛的應用前景。目前，無線定位的主要應用領域包括以下幾個方面：（1）導航，目前最主要的應用領域，此項業(yè)務一年的產(chǎn)值達百億美元。導航不僅能指示用戶當前所在的位置，還能與計算機技術相結合為用戶提供交通指示、導引，并實現(xiàn)對交通的智能調度、自動控制等。（2）安全，各種安全事故發(fā)生后，對位置信息的準確獲取能夠提供更快更好的幫助，減少不必要的傷害。比如對火災現(xiàn)場對消防員的定位，礦井中對工人所處位置的定位等能極大的增加災禍發(fā)生后的救援速度。

15、（3）監(jiān)測，對各種重要設備、物品以及人員的位置監(jiān)測，可以防止盜竊、丟失、走失等。例如在超市、展館等場所，對人員的無線定位可以隨時得知兒童的位置，防止走失。而在各種保密部門中，也可以通過對人員的無線定位來直觀、自動的得知人員的位置信息，監(jiān)測人員的移動情況。（4）自動控制，自動駕駛、工業(yè)控制等。例如在超市、倉庫實現(xiàn)對貨品的無線定位后可以實現(xiàn)物流的自動管理。（5）測量與探測，高度測量、距離測試、速度測量等。無線定位的應用領域還有很多。隨著定位精度、范圍的提高，定位所需設備的成本進一步降低等，無線定位還將使用在更加廣闊的領域。1.1.2 課題研究的背景無線定位服務的發(fā)展始于美國。1996年，美國聯(lián)邦通

16、信委員會(federal communications commission，fcc)制定了e-911法規(guī)，要求所有移動通信運營商，在移動用戶發(fā)出緊急呼叫時，必須向公共安全服務系統(tǒng)提供用戶的位置信息和終端號碼，以便對用戶實施緊急救援工作，并要求分階段實施定位精度不斷提高的用戶定位服務。1999年fcc對e-911法進行修訂，對定位精度提出新的要求，極大的促進了美國lbs(location based service)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。此后，日本、德國、法國、瑞典、芬蘭等國家紛紛推出各種各具特色的商用定位服務。這些服務主要應用于:公共安全，如緊急救援；報警信息發(fā)布，跟蹤業(yè)務，如犯罪嫌疑人的跟蹤，走

17、失老人和兒童的尋找，車輛的防盜報警，交通監(jiān)控；基于位置的信息業(yè)務：如車輛導航服務，城市觀光；基于位置的信息發(fā)布等。無線定位服務已經(jīng)在軍用、民用和商用領域證明了其重要性?，F(xiàn)今實用的定位系統(tǒng)多半基于gps(global positioning system)技術，導致應用成本較高。低成本、高可靠性的新型定位系統(tǒng)的研究開發(fā)變得非常緊迫。另一方面，無線傳感器網(wǎng)絡(wsn)可以使人們在任何時間、任何地點和任何環(huán)境條件下獲取大量詳實而可靠的信息。因此，這種網(wǎng)絡系統(tǒng)可以被廣泛應用于國防軍事、國家安全、環(huán)境監(jiān)測、交通管理、醫(yī)療衛(wèi)生、制造業(yè)、反恐、抗災等領域，它是信息感知和采集的一場革命。由于wsn的低成本、便

18、于大規(guī)模應用，使得以wsn為載體的定位研究被給予了廣泛的關注。wsn的定位機制逐漸成為其主要技術之一。在無線通信協(xié)議體系中，ieee802.15.4是其中一種新興的協(xié)議標準，因其優(yōu)越性，它獲得了快速的發(fā)展。它確定了低速個人局域網(wǎng)(lr-wpan)標準，定義了物理層(phy)和媒體接入控制層(media access control，mac)。2003年，zigbee聯(lián)盟在物理層和媒體接入控制層的基礎上對網(wǎng)絡層(nwk)和應用層(apl)進行了具體定義，為用戶提供了大量的api函數(shù)，從而形成了完整的zigbee協(xié)議。zigbee技術作為一種新興的低成本、低功耗、低速率的短距離無線通信技術，它的獨

19、特技術特點使得其成為wsn中的理想通信技術選擇。隨著對zigbee技術研究的不斷深入，大量的實用zigbee硬件、軟件載體都相繼被推出，使得基于zigbee技術的wsn和定位技術獲得了迅猛的發(fā)展。尤其是基于zigbee技術的定位系統(tǒng)的研究與開發(fā)逐漸成為了一個研究熱點。在所有的定位實現(xiàn)中，室內空間由于其環(huán)境的復雜性，一直是定位系統(tǒng)實現(xiàn)的一個難點?，F(xiàn)今，成熟的室內定位系統(tǒng)仍然比較少、而且多數(shù)存在成本偏高等缺陷，不利于大范圍廣泛應用。本文試圖利用zigbee技術實現(xiàn)一種較低成本、較低復雜度的室內定位系統(tǒng)。1.1.3 課題意義與目標不論在理論研究還是在實際應用中，定位問題一直都是人們研究的熱點所在。由

20、于運用無線傳感器網(wǎng)絡技術的大多數(shù)應用中都需要知道節(jié)點的位置，所以人們不斷地尋找合適的定位問題解決方案，不斷提高定位精度以便于無線傳感器網(wǎng)絡技術更好地服務于人類社會。到目前為止，對于無線傳感器網(wǎng)絡中定位問題已經(jīng)有了一些比較令人滿意的解決方案。但是對于定位問題的研究還需要不斷深入。目前，gps(全球定位系統(tǒng))可以算是人們所熟悉的定位問題解決方案，這種定位是利用衛(wèi)星對地面上的物體進行位置的確定，可是該定位技術不但昂貴而且功耗大。無線傳感器網(wǎng)絡中由于網(wǎng)絡的成本問題、耗電問題及網(wǎng)絡中節(jié)點之間的距離有限，不能采用gps 技術實現(xiàn)定位。目前，研究人員通過研究設計了一些方案來解決無線傳感器網(wǎng)絡中的定位問題，這

21、些解決方案有：基于信號接收強度值(rssi)的定位技術、基于到達時間(toa)的定位技術、基于到達時間差(tdoa)的定位技術和基于到達角度(aoa)的定位技術等。無線傳感器網(wǎng)絡中，已有的針對定位問題的解決方案或多或少都存在著一些缺點：基于rssi 定位中，接收信號強度值會隨著距離的增長而變得不準確，利用該技術的定位只能解決近距離的定位問題；基于toa 定位中，到達時間的測量要求網(wǎng)絡具備很好的時間同步，這大大增加了網(wǎng)絡的開銷，從而限制了基于達到時間定位技術的應用；基于tdoa 定位中，到達時間差的測量要么需要網(wǎng)絡同步，要么需要利用到超聲波。如果要求網(wǎng)絡同步就會增大網(wǎng)絡的開銷，而如果利用了超聲波

22、，超聲波的傳播距離有限，這些問題都限制了基于到達時間差定位技術的應用；基于aoa 定位中，到達角度的測量要依賴昂貴的天線，這就制約了基于到達角度定位技術的應用。綜上所述，研究出更好的無線傳感器網(wǎng)絡定位問題解決方案仍然是無線傳感器網(wǎng)絡領域具有挑戰(zhàn)性的一項工作，這項研究將直接關系到無線傳感器網(wǎng)絡技術的應用領域是否能夠更加廣泛。在目前的局域定位系統(tǒng)中，還沒有一種像衛(wèi)星定位這樣成熟且得到廣泛使用的系統(tǒng)出現(xiàn)，在定位系統(tǒng)的精度、成本、可適用的布網(wǎng)環(huán)境等各個方面還有很多需要提升的地方。近年來，廉價的zigbee 模塊構建的傳感器網(wǎng)絡開始使用在控制、監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集等多種應用領域，而zigbee 技術的低功耗、

23、低成本、高容量、高可靠性的特點同樣也為構建室外和室內定位系統(tǒng)提供一種很好的解決方案。本課題的目的是以zigbee 技術為基礎構建無線傳感器網(wǎng)絡，完成對各種設備的控制、參數(shù)的測量、數(shù)據(jù)的傳輸?shù)龋瑢崿F(xiàn)定位設備之間的數(shù)據(jù)交互，定位計算，最終構建一個完善的無線定位系統(tǒng)。在完成的定位系統(tǒng)中，能通過與其它監(jiān)控設備的協(xié)同工作完成數(shù)據(jù)的采集，以及對人員、物品等的位置監(jiān)測。該系統(tǒng)在室內、室外環(huán)境中均能使用，且通過對定位系統(tǒng)的分析和研究提高定位精度，能夠使系統(tǒng)在更多更復雜的環(huán)境中應用。1.2 本文主要工作及組織結構通過對定位技術的研究，本文以zigbee 無線網(wǎng)絡技術為基礎，詳細講解了怎樣構建zigbee 無線定

24、位系統(tǒng)。第一章：緒論。該章節(jié)首先介紹了無線定位技術的出現(xiàn)以及發(fā)展歷程，并講解了目前無線定位技術的應用領域。然后分析了本文的研究背景：在目前階段，還沒有如同衛(wèi)星定位那樣成熟的局域定位系統(tǒng)，而zigbee 技術的出現(xiàn)提供一個很好的解決方案。最后介紹了本文的組織結構。第二章：zigbee技術簡介。該章簡要介紹了zigbee技術的基礎知識、ieee802.15.4協(xié)議棧、網(wǎng)絡結構以及協(xié)議棧相關的運行環(huán)境。第三章：無線傳感器網(wǎng)絡中定位技術。無線定位系統(tǒng)中，定位的參數(shù)、算法以及通信技術三者必不可少。在本章中主要講解了定位的基本原理、幾種常用的參數(shù)以及算法，在下一章對zigbee無線通信技術做了介紹。第四章

25、：cc2530定位引擎工作過程及性能測試。該章主要講述了定位系統(tǒng)中所使用的參數(shù)特性，并對用來做定位計算的定位引擎的工作原理做了簡要介紹。第五章，實驗及結果分析。在室內環(huán)境中對引擎的定位效果進行了測試并分析測試結果。第六章：總結。對畢設完成的工作進行總結，并提出改進意見。2 zigbee技術簡介2.1 zigbee技術基礎知識2.1.1 zigbee發(fā)展概述近十年來，隨著半導體技術和無線通信技術的不斷發(fā)展，陸續(xù)出現(xiàn)了多種新的短距離無線通信技術。為了滿足對低功率、低價格無線網(wǎng)絡的需求，2000年12月，ieee標準委員會正式批準成立了802.15.4工作組，其目標是：在廉價的、倒定或便攜的、移動的

26、裝置中，提出一個具有低復雜度、低價格、低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸率的無線接入標準。也就是要開發(fā)一種低速率的wpan(lr-wpan，low-rate wireless personal area network)標準。2002年，英國invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦等公司共同宣布組成zigbee技術聯(lián)盟，共同研究開發(fā)zigbee技術。2003年11月，ieee正式發(fā)布了該項技術的物理層和mac層所采用的標準脅議，即ieee802.i5.4協(xié)議標準，作為zigbee技術物理層和媒體接入層的標準協(xié)議。2004年12月，zigbee聯(lián)盟在ieee802.15.4協(xié)議基礎

27、上，正式發(fā)布了完整的zigbee標準。2006年ieee發(fā)布了ieee802.15.4協(xié)議標準修訂版。2.1.2 zigbee技術特點ieee802.15委員會制定了三種不同的wpan(wireless personal areanetwork)標準，區(qū)別在于通信速率、qos能力等。802.15.1標準即藍牙技術，具有中等速率，適合于從蜂窩電話到pda的通信，其qos機制適合于話音業(yè)務。802.15.3標準是高速率的wpan標準，適合于多媒體應用，有較高的qos保證。802.15.4標準也就是zigbee技術，目標市場是工業(yè)、家庭以及醫(yī)學等需要低功耗、低成本無線通信的應用，對數(shù)據(jù)速率和qos的

28、要求不高。zigbee的主要技術特征如表2-1所示。選擇zigbee技術進行項目開發(fā)，是基于其具有的諸多性能優(yōu)點。具體來講，可總結如下：(1)數(shù)據(jù)傳輸速率低。zigbee技術的最大傳輸速率只有250kbps，專注于低速率傳輸應用。(2)設備省電，功耗極低。zigbee技術采用了多種節(jié)電的工作模式，可以確保兩節(jié)五號電池支持長達6個月到2年左右的使用時間。表2-1 zigbee的主要技術特征特性取值/狀態(tài)頻段868/915mhz和2.4ghz數(shù)據(jù)速率868mhz：20kbps915mhz：42kbps2.4ghz：250kbps調制方式868/915mhz:bpsk2.4ghz：o-qpsk擴頻方

29、式直接序列擴頻通信范圍10-100m通信延時15-30ms信道數(shù)目868mhz:1915mhz:102.4ghz:16尋址方式64bitieee地址，16bit網(wǎng)絡地址信道接入csma/ca和時隙化的csma/ca網(wǎng)絡拓撲星形、樹狀、網(wǎng)狀功耗極低狀態(tài)模式激活/休眠 (3)通信可靠性高，數(shù)據(jù)安全。zigbee采用了csma-ca(carrier sense multiple access with collision avoidance)的避免碰撞機制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突；mac層采用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸機制，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方

30、的確認信息，因此通信可靠性高。zigbee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權功能，加密算法采用aes-128，同時協(xié)議棧的各層可以靈活確定其安全屬性。(4)網(wǎng)絡的自組織、自愈能力強。zigbee網(wǎng)絡無需人工干預，網(wǎng)絡節(jié)點能夠感知其它節(jié)點的存在，并確定連接關系，構成結構化的網(wǎng)絡。zigbee網(wǎng)絡增加或者刪除一個節(jié)點、節(jié)點位置發(fā)生變動、節(jié)點發(fā)生故障等，網(wǎng)絡都能夠自我修復，并對網(wǎng)絡拓撲結構進行相應地調整，無需人工干預，保證整個系統(tǒng)仍然能正常工作。(5)時延短，設備接入網(wǎng)絡快。通常時延都在15ms到30ms之間，因此設備接入網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)傳送的延時時間很短，適合實時的監(jiān)測和控制應用。(6)成本低廉，工作頻段靈活。

31、設備的復雜程度低，且zigbee協(xié)議是免專利費的，可以有效地降低設備成本。zigbee的工作頻段靈活，使用的頻段分別為2.4ghz(全球)、868mhz(歐洲)及915mhz(美國)，均為免執(zhí)照頻段。(7)網(wǎng)絡容量大。每個zigbee網(wǎng)絡最多可支持65000個節(jié)點，也就是說每個zigbee節(jié)點可以與數(shù)萬節(jié)點相連接，可以說網(wǎng)絡容量極其龐大，尤其適用大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡。2.2 ieee802.15.4協(xié)議棧和zigbee協(xié)議棧概述2.2.1 ieee802.15.4協(xié)議棧lr-wpan是一種結構簡單、低成本、低功耗的無線通信網(wǎng)絡，它的存在使得無線連接在低功耗和低數(shù)據(jù)吞吐量的應用中成為可能。為了滿

32、足這些需求，ieee802.15.4工作組為lr-wpan專門制定了物理層和mac子層的標準。它具備以下主要特征:(1)實現(xiàn)20kb/s、40kb/s、100kb/s、250kb/s四種不同的傳輸標準。(2)支持星型和點到點兩種拓撲結構。(3)在網(wǎng)絡中采取兩種地址方式:16位地址和64位地址。其中16位地址是由協(xié)調器分配的，64位地址是全球唯一的擴展地址。(4)采用可選的時槽保障(gts，guaranteed time slots)機制。(5)采用帶沖突避免的載波偵聽多路訪問(csma-ca，carrier sense multiple access with collision avoida

33、nce)的信道訪問機制。(6)支持ack機制以及保證可靠傳輸。(7)低功耗機制。(8)信道能量檢測(ed，energy detection)。(9)鏈路質量指示(lqi，link quality indication)。(10)工作在ism頻段上，其中在2450mhz波段上有16個信道，在915mhz頻段上有30個信道，在868mhz上有3個信道。(11)數(shù)據(jù)安全策略。ieee802.15.4網(wǎng)絡協(xié)議?；陂_放系統(tǒng)互連模型(osi)，如圖2-1所示，每一層都實現(xiàn)一部分通信功能，并向高層提供服務。高層協(xié)議ieee802.2llcsscsphymac物理媒質圖2-1 ieee802.15.4協(xié)議棧

34、架構ieee802.15.4標準只定義了phy層和數(shù)據(jù)鏈路層的mac子層。phy層由射頻收發(fā)器以及底層的控制模塊構成。物理層的特性是激活和關閉無線收發(fā)器、能量檢測、鏈路質量指示、空閑信道評估、通過物理媒介接收和發(fā)送分組數(shù)據(jù)。mac子層為高層訪問物理信道提供點對點通信的服務接口。它的功能是進行信標管理、信道介入、保證時基于zigbee技術的室內定位系統(tǒng)研究與實現(xiàn)隙(gts)管理、幀確認、應答幀傳送、連接和斷開連接。此外，mac層為實現(xiàn)適當?shù)陌踩珯C制應用提供一些方法。在mac子層之上的高層包括網(wǎng)絡層和應用層，對于不同的高層協(xié)議，也可以通過邏輯鏈路控制子層(llc，logical link cont

35、rol)以及特定服務聚合子層(sscs，servicespecific convergence sublayer)來訪問mac子層。2.2.2 zigbee協(xié)議棧概述zigbee技術作為一種新興的低速率短距離無線通信技術，也是zigbee聯(lián)盟(zigbeealliance)所主導的無線傳感器網(wǎng)絡技術標準。完整的zigbee協(xié)議棧有物理層、mac子層、網(wǎng)絡層、應用匯聚子層和高層應用規(guī)范層組成。每一層為上層提供一系列特殊的服務：數(shù)據(jù)實體提供數(shù)據(jù)傳輸服務，管理實體則提供所有其他的服務。所有的服務實體都通過服務接入點(sap)為上層提供一個接口，每個sap都支持一定數(shù)量的服務原語來實現(xiàn)所需的功能。zi

36、gbee協(xié)議體系架構如圖2-2所示。圖2-2 zigbee協(xié)議體系架構圖其中，ieee802.15.42003標準定義了底層：物理層(physical layer，phy)和mac層。ieee802.15.4定義的phy層分別工作在兩個頻段上：868/915mhz和2.4ghz。其中低頻段物理層覆蓋了868mhz的歐洲頻段和915mhz的美國與澳大利亞等國的頻段，高頻段則全球通用。ieee802.15.4 mac層采用csma-ca機制來控制信道接入，主要負責傳輸信標幀，同步以及提供可信賴的傳輸機制。zigbee聯(lián)盟在此基礎上定義了網(wǎng)絡層(network layer，nwk)，應用層(appl

37、ication layer，apl)架構。網(wǎng)絡層的主要職責包括提供設備用來加入網(wǎng)絡和離開網(wǎng)絡的機制，提供數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)陌踩珯C制和路由機制。另外，發(fā)現(xiàn)并保持設備間的路由，發(fā)現(xiàn)一跳鄰居并存儲潛在鄰居信息也是由nwk層完成的。zigbee協(xié)調器的nwk層還必須負責啟動一個新的網(wǎng)絡，給新的關聯(lián)設備分配地址等工作。應用匯聚層將主要負責把不同的應用映射到zigbee網(wǎng)絡上，具體而言包括：安全與鑒權、多個業(yè)務數(shù)據(jù)流的會聚、設備發(fā)現(xiàn)、業(yè)務發(fā)現(xiàn)。zigbee應用層包括應用支持子層(aps)，zigbee設備對象(zdo)以及用戶定義應用對象。應用支持子層(aps)負責維護設備綁定表，以及傳輸在綁定的設備間傳輸數(shù)據(jù)

38、。設備綁定表用于根據(jù)設備間提供的服務和需求來匹配設備并儲存相關設備信息。zigbee設備對象(zdo)負責定義設備在網(wǎng)絡中的角色(如zigbee協(xié)調器或中斷設備)，提出或響應綁定請求，以及建立網(wǎng)絡設備間的安全關系。zigbee設備對象(zdo)還要負責網(wǎng)絡設備的發(fā)現(xiàn)及判定對方提供服務類別。2.3 zigbee網(wǎng)絡構成2.3.1 zigbee網(wǎng)絡的設備類型zigbee網(wǎng)絡支持ieee802.15.4定義的兩種類型的物理設備：全功能設備(ffd)、精簡功能設備(rfd)。ffd和rfd的不同是按照節(jié)點的功能區(qū)分的，一個ffd可以充當網(wǎng)絡中的協(xié)調器和路由器，因此一個網(wǎng)絡中應該至少含有一個ffd。rf

39、d只能與主設備通信，實現(xiàn)簡單，只能作為終端設備節(jié)點。在zigbee網(wǎng)絡中，將兩種物理設備定義成了三種邏輯設備類型：協(xié)調器、路由器、終端設備。一個zigbee網(wǎng)絡包括一個協(xié)調器節(jié)點和多個路由器和終端設備節(jié)點。設備類型不會以任何方式限制可能應用在特定設備上的應用類型。圖2-3 協(xié)調器功能模塊示意圖（1）協(xié)調器，這個設備“開啟”一個zigbee網(wǎng)絡。它是網(wǎng)絡中的第一個設備。協(xié)調器節(jié)點選擇一個信道和一個網(wǎng)絡標識符(pan id)并開啟網(wǎng)絡。可選擇地，協(xié)調器節(jié)點也能被用來設置網(wǎng)絡中的安全性和應用水平的綁定。協(xié)調器的功能主要是開啟和配置網(wǎng)絡。一旦這些完成以后，協(xié)調器與路由器的功能就一樣了(甚至可以斷開)。

40、由于zigbee網(wǎng)絡的分布式本質，網(wǎng)絡的繼續(xù)運行不依賴于協(xié)調器的存在。圖2-4 路由器功能模塊示意圖（2）路由器,路由器執(zhí)行的功能有:允許其他設備加入網(wǎng)絡；多跳路由；輔助它的電池供電的子終端設備通信。一般來說，路由器被期望能一直保持激活狀態(tài)，因此它通常是由固定電源供電的。而不能使用電池供電。路由器為它的子節(jié)點緩存信息，直到子節(jié)點被喚醒并請求數(shù)據(jù)。當一個子節(jié)點需要發(fā)送一個信息的時候，這個子節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)到它的父路由器。然后，路由器負責傳輸信息，執(zhí)行所有相關的重發(fā)，以及如果需要的話，等待確認。這使得終端設備可以回到休眠狀態(tài)，從而達到省電的目的。圖2-5 終端節(jié)點功能模塊示意圖（3）終端設備，終端設備

41、對維持網(wǎng)絡結構沒有特殊的責任，因此，它可以有選擇的休眠和喚醒。終端設備僅僅周期性的向它的父節(jié)點發(fā)送或接受來自它的父節(jié)點的數(shù)據(jù)。因此終端設備能夠使用電池供電的方式工作很長時間。在能量管理方面，網(wǎng)絡協(xié)調器與路由器需要突發(fā)的處理一些請求，包括入網(wǎng)、退出網(wǎng)絡以及數(shù)據(jù)中轉等功能，一般情況下，使用永久性電源；若終端節(jié)點在大部分的時間里都處于休眠狀態(tài)就可以采用電池供電。若對電池供電沒有要求，網(wǎng)絡中可以全部采用ffd設備。2.3.2 zigbee網(wǎng)絡的拓撲結構zigbee網(wǎng)絡主要有三種組網(wǎng)方式。星型網(wǎng)絡，樹狀網(wǎng)絡和網(wǎng)狀型網(wǎng)絡，其拓撲結構如圖2-6所示。如圖2-6中(a)所示，星型網(wǎng)絡是一個輻射狀系統(tǒng)，數(shù)據(jù)和網(wǎng)

42、絡命令都是通過中心節(jié)點傳輸。如果用通信模塊構造星形網(wǎng)絡，只需要一個模塊配置成協(xié)調器節(jié)點，其他模塊可以配置成終端節(jié)點。星狀拓撲結構最大的優(yōu)點就是結構簡單，這種簡單帶來的是很少有上層協(xié)議需要執(zhí)行、較低的設備成本、較少的上層路由信息和管理方便。中心節(jié)點需基于zigbee技術的室內定位系統(tǒng)研究與實現(xiàn)要承擔更多的管理工作。由于把每個終端節(jié)點放在中心節(jié)點的通信范圍之內，這必然會限制無線網(wǎng)絡的覆蓋范圍，并且星形拓撲很難實現(xiàn)高密度的擴展。集中的信息涌向中心節(jié)點，容易造成網(wǎng)絡堵塞、丟包、性能下降等。到目前為止，星形拓撲是最常見的網(wǎng)絡配置結構，被大量的應用在遠程檢測和控制中。(a)星型(b)樹狀(c)網(wǎng)狀協(xié)調器f

43、fdrfd圖2-6 zigbee網(wǎng)絡拓撲結構樹狀拓撲是多個星形拓撲的集合，如圖2-6中的(b)所示。若干個星形拓撲連接在一起，擴展到更廣闊的區(qū)域。樹形拓撲是可以實現(xiàn)網(wǎng)絡范圍內“多跳”信息服務的最簡單的拓撲結構，樹形拓撲最值得注意的地方就是它保持了星形拓撲的簡單性：較少的上層路由信息、較低的存儲器需求。但是樹形結構不能很好的適應外部的動態(tài)環(huán)境。從圖中可以看出，信息源與目的之間，有且只有一條傳輸路徑，任何一個節(jié)點的中斷或故障將會使部分節(jié)點脫離網(wǎng)絡。樹形拓撲的最佳應用是在穩(wěn)定的無線電射頻環(huán)境中，也可以很好的用在一些簡單的低數(shù)據(jù)量的大規(guī)模集合的應用之中。如圖2-6所示的(c)中，網(wǎng)狀網(wǎng)絡是一個自由設計

44、的拓撲，具有很高的適應環(huán)境的能力。網(wǎng)絡中的每個節(jié)點都是一個小的路由器，都具有重新路由選擇的能力，以確保網(wǎng)絡最大限度的可靠性，可以看出網(wǎng)絡中任意兩個節(jié)點的通信路徑不是唯一的。網(wǎng)形拓撲與星形、樹形相比，更加復雜，其路由拓撲是動態(tài)的，不存在一個固定的路由模式。這樣信息傳輸?shù)臅r間更加依賴瞬時網(wǎng)絡連接質量，因而難以預計。2.4 z-stack協(xié)議棧2.4.1 z-stack概述為了適應zigbee產(chǎn)品開發(fā)的需求，德州儀器(ti)推出了一套完整的協(xié)議棧z-stack。z-stack是zigbee技術的核心軟件，是開發(fā)ieee802.15.4/zigbee技術相關產(chǎn)品的關鍵軟件，z-stack符合zigbe

45、e2006規(guī)范的要求，并且在硬件上支持cc2530，cc2530以及msp430平臺。ti協(xié)議棧一直在不斷的完善中，從最初的1.1.0版本到現(xiàn)在的1.4.3版本，無論從路由協(xié)議還是從地址分配模式都作了大量的改進。本文構建的定位系統(tǒng)是以z-stack協(xié)議棧為基礎的，網(wǎng)絡中按照節(jié)點完成的功能分為參考節(jié)點、定位節(jié)點。對z-stack協(xié)議棧的理解運用是項目開發(fā)的重點和難點之一，下面對z-stack協(xié)議棧進行了較詳細的說明。z-stack運行在iar 7.20以上的集成開發(fā)環(huán)境，iar 7.20運用c51編譯器，是一個與kellc51類似的，功能強大的c51編譯器/ide/debug開發(fā)平臺。在該集成開

46、發(fā)環(huán)境中，可以看到個完整的z-stack協(xié)議棧包含的功能部分組成。z-stack是完全符合zigbee2006標準的，其協(xié)議棧結構也與zigbee規(guī)范完全吻合。包括最上層的應用層(app)，在該層內主要完成應用程序的設計，外部任務的調用和執(zhí)行，并可以通過api函數(shù)調用下層的函數(shù)完成相應的操作。hal(hardware abstract layer)層為硬件抽象層，在該層中根據(jù)用戶硬件平臺的不同，給出了各種不同的硬件資源，如按鍵、發(fā)光二極管、串口、定時器以及adc等各種硬件設各的功能函數(shù)定義。用戶可以通過調用它的api函數(shù)實現(xiàn)應用程序功能的外部表征。mac以及nwk層主要實現(xiàn)了zigbee標準的

47、媒體接入控制層和網(wǎng)絡層。osal(operate system abstract layer)是操作系統(tǒng)抽象層，協(xié)議棧即運行在該操作系統(tǒng)之上。tools是配置文件，通過對其內部文件的修改可以設置網(wǎng)絡的信道編號和pan id號，并且最重要的一個功能是通過設置其相應的文件包含可以預定義節(jié)點的邏輯類型，即協(xié)調器，路由節(jié)點或者是終端設備節(jié)點。zdo是zigbee設備對象的簡稱，在該層主要定義了網(wǎng)絡內部設備的入網(wǎng)，綁定以及設備發(fā)現(xiàn)等功能實現(xiàn)。zmain是應用程序的主函數(shù)，每個應用程序都是從zmain函數(shù)作為入口，首先是硬件初始化，存儲器初始化最后是操作系統(tǒng)無限循環(huán)。簡單的說，z-stack協(xié)議棧就是用戶

48、的應用程序、zigbee標準以及各種用戶配置結合起來的一套完整的具有堆棧格式的文件系統(tǒng)。各層之間通過各層的api函數(shù)實現(xiàn)相互連接和通信，最終達到完整有效的運行。z-stack協(xié)議棧結構較復雜，要想理解它的運行機制，很關鍵的一點就是要理解osal的運行機制。2.4.2 osal運行機制osal(operator system abstract layer，操作系統(tǒng)抽象層)層是與協(xié)議棧相獨立的，但是整個協(xié)議棧都要基于本操作系統(tǒng)(os)才能正常運行，或者說協(xié)議棧運行在本層之上。osal提供如下服務和管理功能：信息管理、任務同步、時間管理、任務管理、內存管理、電源管理以及非易失存儲管理。圖2-8 os

49、al操作系統(tǒng)任務調度流程具體來說，osal是一個基于任務調度機制的操作系統(tǒng)。它是通過對任務的事件觸發(fā)來實現(xiàn)資源的調度。每個任務都包含若干個事件，每個事件都對應一個事件號。當一個事件產(chǎn)生時，對應任務的event就被設置為相應的事件，這樣事件調度就會調用相應的任務處理程序。osal中的任務可以通過任務處理api函數(shù)添加到系統(tǒng)中，這樣就可以實現(xiàn)多任務機制。osal任務調度流程如圖2-8所示。2.4.3 zigbee組網(wǎng)協(xié)調器組建個人局域網(wǎng)(pan)成功后，頻繁的以廣播方式向外發(fā)送信標幀，用來表示它的存在。其它終端節(jié)點接收信標幀，以完成設備發(fā)現(xiàn)任務，終端節(jié)點要加入該pan，那么只要將自己的信道以及個域

50、網(wǎng)標識符(pan id)設置成與要加入網(wǎng)絡中的父節(jié)點的相同，并提供正確的認證信息，即可請求加入(join)網(wǎng)絡。此時，父節(jié)點要檢查自身的短地址資源，如果自身地址未滿，那么就可以為該子節(jié)點分配短mac地址，只要節(jié)點接收到父節(jié)點為之分配的16位的短地址，那么在通信的過程中，將使用該地址進行通信。如果沒有足夠的地址資源，那么節(jié)點將收到來自父節(jié)點的連接失敗響應，此時子節(jié)點即可以向其他父節(jié)點請求zigbee網(wǎng)絡短地址來加入網(wǎng)絡。網(wǎng)絡層將不斷重復這個過程直到節(jié)點成功加入到網(wǎng)絡為止。組網(wǎng)算法流程如圖2-9所示。在z-stack中，一個具體的sample應用組網(wǎng)過程如下：一個作為協(xié)調器編譯的sarhple應用

51、將會組建一個網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡使用default chanlist中說明的信道之一。如果它沒有定義zdapp_config_pan_id為0xffff的話，協(xié)調器將會建立一個以zdapp_config_pan_id 為pan id 的個域網(wǎng)。如果zdapp_config_pan_id=0xffff，則基于它自身ieee地址產(chǎn)生一個隨機的pan id。一個作為路由器或終端編譯的sample應用將會試圖加入一個網(wǎng)絡，它使用default_chanlist中說明的信道之一。如果zdapp_config_pan_id沒有被定義為0xffff，路由器將被限制僅僅加入那些被定義的pan id。當zdapp_co

52、nfig_pan_id沒有被定義為0xffff的時候，因為一個協(xié)調器和一個路由器或終端之間的行為上的差異，不可預料的結果就會產(chǎn)生。如果zdapp_config_pan_id被定義為一個有效的、小于或等于ox3fff的值，協(xié)調器將僅僅試圖用這個特殊的個域網(wǎng)id建立一個網(wǎng)絡。因此，如果協(xié)調器被限制在一個信道，并且特定的個域網(wǎng)id已經(jīng)在那個信道里被建立起來，新的起始協(xié)調器將會做出連續(xù)的變化直到它產(chǎn)生一個唯一的個域網(wǎng)id。新加入的路由器和終端將不會知道建立的“不沖突”的個域網(wǎng)id值，因此僅僅會加入特定的個域網(wǎng)id。當被允許的信道屏蔽允許不止一個的信道并且由于pan id沖突，協(xié)調器不能使用第一個信道的

53、時候，一個相似的、有挑戰(zhàn)性的場景將會出現(xiàn)一在被允許的情況下，路由器和終端將會加入第一次信道掃描到的特定pan id。圖2-9組網(wǎng)算法流程圖2.4.4 z-stack協(xié)議棧運行機制一個完整的基于z-stack協(xié)議棧的應用程序主流程圖如圖2-10所示。由圖可以看出，在z-stack開始運行之前，系統(tǒng)必須完成硬件設備及內部存儲器的初始化，其間要判斷節(jié)點的長地址，若此時長地址為全ff，那么要往存儲器隨機寫入64位的長地址，然后進入操作系統(tǒng)的無限循環(huán)中。在該循環(huán)中，操作系統(tǒng)不斷監(jiān)視系統(tǒng)的任務列表，根據(jù)任務的不同，操作系統(tǒng)分別做出不同的處理。因此，必須首先在任務列表中添加任務，完成任務的初始化，在事件處理

54、的回調函數(shù)中加入相應事件處理函數(shù)，如按鍵事件、狀態(tài)轉換事件、數(shù)據(jù)包發(fā)送確認事件、收到數(shù)據(jù)包的指示事件等，響應到某種事件，就轉去執(zhí)行相關的消息事件處理函數(shù)。事件的激發(fā)方法和執(zhí)行順序是值得注意的，協(xié)議棧中通常使用三種函數(shù)進行事件激發(fā)，三種函數(shù)為osal_start_timer()、osal_start_timerex()和osal_set_event()。其中，函數(shù)osal_start_timerex ()被用來開啟一個在n毫秒后到期的時鐘，當時鐘到期時，調用任務將獲得特定的事件，使用時需指明任務id。函數(shù)osal_start_timer()也被用來開啟一個在n毫秒后到期的時鐘，當時鐘到期時，調用任務將獲得特定的事件，但使用時不用指明任務id。函數(shù)osal_set_event()被用來設置任務事件標志，一旦程序執(zhí)行到此處，就轉入相應的消息處理函數(shù)。圖2-10 z-stack的運行機制流程3 無線傳感網(wǎng)絡中定位技術介紹無線傳感器網(wǎng)絡技術的應用主要是把大量的傳感器節(jié)點放置于需要監(jiān)測的區(qū)域，讓這些節(jié)點采集人們所感興趣的數(shù)據(jù)，之后通過無線傳輸?shù)姆绞桨巡杉降男畔R集到總處理器，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)中定位技術的研究是非常有意義的。本章首先介