基于Zigbee無線定位技術研究畢業(yè)論文

1、基于zigbee的無線定位技術研究 摘要：隨著現(xiàn)代通信技術和無線網(wǎng)絡的快速發(fā)展，人們對定位與導航的需求日益增大，尤其在復雜的室內環(huán)境，但是受定位時間、定位精度以及復雜室內環(huán)境等條件的限制，比較完善的封閉空間定位技術目前還無法很好地利用。本文的重點就在于設計并實現(xiàn)了一種低成本、實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)絡的室內無線定位技術，它包括硬件平臺、節(jié)點通信程序和上位機監(jiān)測軟件三部分。本文詳細介紹了三部分的實現(xiàn)。其中，硬件平臺以集成了射頻與51微控制器的cc2430芯片為核心，該平臺包括射頻模塊、輔助電路、功能指示電路等。 論文最后對定位系統(tǒng)進行了實際測試。測試表明:本

2、系統(tǒng)達到了設計要求，是一個低成本、易實現(xiàn)的系統(tǒng)。關鍵詞： 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

3、 technology and wireless network,people's 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

4、 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 localiz

5、ation 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 design

6、ed 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)設計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾

7、：所呈交的畢業(yè)設計（論文），是我個人在指導教師的指導下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，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 及其它教育機構的學位或學歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作 者 簽 名： 日 期： 指導教師簽名： 日期： 使用授權說明本人完全了解 大學關于收集、保存、使用畢業(yè)設計（論文）的規(guī)定，即：按照學校要求提交畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版本；學校有權保存畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務；學?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或

8、其它復制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績热荨Ｗ髡吆灻?日 期： 學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名： 日期： 年 月 日學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權 大學可以

9、將本學位論文的全部或部分內容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。涉密論文按學校規(guī)定處理。作者簽名：日期： 年 月 日導師簽名： 日期： 年 月 日注 意 事 項1.設計（論文）的內容包括：1）封面（按教務處制定的標準封面格式制作）2）原創(chuàng)性聲明3）中文摘要（300字左右）、關鍵詞4）外文摘要、關鍵詞 5）目次頁（附件不統(tǒng)一編入）6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結論7）參考文獻8）致謝9）附錄（對論文支持必要時）2.論文字數(shù)要求：理工類設計（論文）正文字數(shù)不少于1萬字（不包括圖紙、程序清單等），文科類論文正文字數(shù)不少于1.2萬字。3.附件包括：

10、任務書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復印件）。4.文字、圖表要求：1）文字通順，語言流暢，書寫字跡工整，打印字體及大小符合要求，無錯別字，不準請他人代寫2）工程設計類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計算機繪制，所有圖紙應符合國家技術標準規(guī)范。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準用徒手畫3）畢業(yè)論文須用a4單面打印，論文50頁以上的雙面打印4）圖表應繪制于無格子的頁面上5）軟件工程類課題應有程序清單，并提供電子文檔5.裝訂順序1）設計（論文）2）附件：按照任務書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復印件）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

11、測距的定位技術介紹21.3 國內外研究現(xiàn)狀31.4 無線定位系統(tǒng)未來發(fā)展趨勢3第二章 zigbee技術概述52.1 zigbee簡介52.2 zigbee網(wǎng)絡的構成52.2.1星狀網(wǎng)絡拓撲62.2.2對等網(wǎng)絡拓撲72.3 zigbee協(xié)議的研究82.4 zigbee技術應用前景8第三章 基于zigbee技術定位系統(tǒng)的設計103.1 zigbee定位技術的介紹103.2 系統(tǒng)所采用的算法介紹113.2.1 基于rssi測距算法113.2.2三邊測量法113.3 系統(tǒng)硬件設計123.3.1硬件總體規(guī)劃123.3.2無線通信芯片cc2430123.3.3 cc2430射頻模塊設計133.3.5定位節(jié)

12、點軟件設計16第四章 定位功能測試204.1 測試條件與環(huán)境204.2測試結果20第五章 結 論21致 謝23參考文獻2426引 言無線網(wǎng)絡系統(tǒng)源自美國軍方的“電子塵埃（emote)”技術，是目前國內、外研究的熱點技術之一。該系統(tǒng)基于ieee802.15.4規(guī)范的無線技術，工作在2.4ghz，用于個人區(qū)域網(wǎng)和對等網(wǎng)狀網(wǎng)絡。zigbee是一種新興的近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡技術。他是一種介于紅外無線技術和藍牙之間的技術提案。主要用于近距離無線連接。它依據(jù)802.15.4標準。在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調實現(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

13、將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳到另一個傳感器，所以它們的通信效率非常高。相對于現(xiàn)有的各種無線通信技術，無線zigbee網(wǎng)絡技術將是近距離通信最低功耗和成本的技術。這一技術目前正向工業(yè)、民用方向推廣和發(fā)展，市場前景廣闊。包括國家863計劃等項目都在進行相關的研究工作。因此，本文介紹的基于zigbee技術的嵌入式無線網(wǎng)絡平臺，這一無線網(wǎng)絡平臺可應用于工業(yè)控制、信息家電、保安系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測、港務運輸、煤礦安全、農(nóng)業(yè)自動化合醫(yī)療監(jiān)護設備等許多行業(yè)和設備。具有廣泛的適應性。并能彌補其他無線通信技術的不足，保證其安全性，降低服務成本。 第一章 緒 論 1.1 課題研究背景與意義 無線定位系統(tǒng)最初是為拉滿足遠程航海等

14、要求產(chǎn)生的。隨著科學技術的發(fā)展，無線定位服務逐漸走進人們的生活。1996年，兩幫通信委員會制定啦e-911服務，要求所有無線業(yè)務提供商在移動用戶發(fā)出緊急呼叫時，必須向安全服務系統(tǒng)提供用戶的位置信息和終端號碼。以便對用戶提供緊急救援行動。此后定位服務就走向人們的生活的各個領域。在軍事上、商業(yè)上、生活中都發(fā)揮著其不可忽視的作用。 無線定位在實際應用中有兩種意義，自我定位和基于網(wǎng)絡定位。其中自我定位是指被定為節(jié)點通過測量自己相對某個已知位置發(fā)送器的距離或者方向來確定自己的位置；而基于網(wǎng)絡的定位則利用一系列的測量方法和算法估算自己在網(wǎng)絡中的位置。 無線通信技術的成熟和發(fā)展帶動啦新興無線業(yè)務的出現(xiàn)，越來

15、越多的應用都需要自動定位服務。gps的出現(xiàn)解決啦軍事和民用的很多實際問題。但是，當需要定位的物體位于建筑物內部時，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或者是小范圍內區(qū)域的環(huán)境中使用。因此，必須研究的室內定位技術以彌補gps的不足。目前，常見的技術有紅外技術，以zigbee/ieee 802.15.4為代表的無線局域網(wǎng)技術，超聲波技術和rfid技術。而基于zigbee技術的定位系統(tǒng)，又以其功耗低，成本低，體積小等一系列的優(yōu)點而近年來倍受人們青睞。 1.2 基于測距的定位技術介紹 基于測距的技術，首先要測量被定為節(jié)點和參考節(jié)點之間的距離和方

16、向，然后計算定位節(jié)點的位置。 定位的測量方法有很多種：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測量方法。 基于rssi測量方法：首先根據(jù)發(fā)射節(jié)點和接收節(jié)點的信號強度值，計算出信號在傳播過程中衰減程度；然后再利用理論和經(jīng)驗模型將傳輸損耗轉換成距離；最后利用三邊測量法或三角測量法計算出節(jié)點的位置，因此rssi法需要多個參考節(jié)點。 由于rssi測量法是利用信號衰減程度來進行測距的，所以周圍環(huán)境對信號的傳播有很大的影響，如溫度、障礙物等對信號衰減程度就會造成很大的影響，此外無線傳輸芯片所使用的天線也在很大程度上對信號產(chǎn)生一定的影響。但由于目前很多無線傳輸模

17、塊都可以直接測量信號衰減的rssi值，因此這種方法的定位無需額外的硬件設備，滿足現(xiàn)在低功耗、低成本的發(fā)展趨勢。如果我們在具體應用中，根據(jù)具體的應用環(huán)境，找出一個最適合的經(jīng)驗模型，再用一些修正的算法對定位誤差加以修正，這無疑是一個十分好的定位算法。 此外還有一些不太常用的用于定位測距的算法，如接收信號相位差（pdoa）、近場電磁測距(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 國內外研究現(xiàn)狀 1992年，英國劍橋orl的actice badge系統(tǒng)是最早期的室內定位系統(tǒng)之一。 1998年，由micro

18、soft公司開發(fā)的radar定位系統(tǒng)利用“指紋識別法”技術定位，他是基于rssi技術的室內無線射頻定位系統(tǒng)，利用信號傳播模型和經(jīng)驗測試相結合的場景法定位。 1999年，bat system作為active badge系統(tǒng)的后繼發(fā)展，實現(xiàn)啦最高達3cm的定位精度，他是使用超聲波和設頻信號收發(fā)器，基于toa技術定位的一種定位系統(tǒng)。 2000年，由麻省理工大學研制的cricket系統(tǒng)從硬件的尺寸和價格上都有所突破，是現(xiàn)在仍在使用的室內定位系統(tǒng)之一。 2001年，基于tdoa測距的ahlos系統(tǒng)使用啦一種迭代的定位算法。 2002年，加利福尼亞大學的calamari系統(tǒng)是一種為傳感器網(wǎng)絡設計的ad-h

19、oc定位系統(tǒng)，他同時采用拉toa和rssi兩種技術進行定位。 無線定位系統(tǒng)在中國的發(fā)展起步比較晚，但發(fā)展速度非?？?。很多大小型公司都相繼推出自己的定位解決方案。其中比較典型的有：中興的cdma移動通信系統(tǒng)定位業(yè)務解決方案，康柏電腦公司的移動定位服務解決方案，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的實時定位系統(tǒng)等等。由于近兩年zigbee技術在國內的興起，又有很多家小公司做起啦基于zigbee技術的定位系統(tǒng)，并且都達到不錯的定位效果。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)品在消防中的應用等等。此外，成都的

20、無線龍通訊科技有限公司還在2008年初，特意推出啦一本關于zigbee定位技術的書，也引起啦不錯的反響。 1.4 無線定位系統(tǒng)未來發(fā)展趨勢隨著無線定位系統(tǒng)在國內外突飛猛進的發(fā)展，近年來涌現(xiàn)出啦越來越多的無線技術，這些技術在定位行業(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的有源標簽用于室內物體的定位開始，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的cricket系統(tǒng)和基于rssi技術的spoton系統(tǒng)。用于定位的無線技術發(fā)展得很迅速。目前，出啦上述技術外，圍繞微雷達技術和uwb技術的定位研究也在進行中。2006

21、年根據(jù)ieee802.15.4a標準制定的nanotron公司的css定位系統(tǒng)又進一步淘汰啦uwb的方案。而剛剛推出的zigbee技術又以低價格、低功耗等一定的特點在市場上占有拉一定的優(yōu)勢。由于zigbee技術是一門新推出的無線通信系技術，仍有很大的發(fā)展前景，所以放眼未來，使用zigbee技術作為無線定位系統(tǒng)的組網(wǎng)基礎無疑會成為無線定位系統(tǒng)最好的選擇。第二章 zigbee技術概述 2.1 zigbee簡介 zigbee技術是由英國invensys公司、口本二菱電氣公司、美國motorola公司以及荷蘭philips等公司于2002年共同提出的，其目的是用來設計開發(fā)具有低成本、低速率、低功耗的無

22、線通信網(wǎng)絡系統(tǒng)。在此項技術推出的同時，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備相互兼容的應用綱要。到目前為止，除了上面提到的invensys等國際知名的大公司外，還有許多來自各個國家的公司也加入其中，如中國的華為技術有限公司等，zigbee聯(lián)盟的成員企業(yè)已經(jīng)達到了200多家。其中包括了芯片制造商、系統(tǒng)集成商、消費類電子廠商及軟件開發(fā)商等等，而且，這個聯(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辦議標準，該標準作為zigbee技術的物理層和mac層協(xié)議標準，網(wǎng)絡層協(xié)議標準由zigbee技術聯(lián)盟制定，應用層根據(jù)用戶自己

23、的應用需要進行開發(fā)。2004年末，zigbee聯(lián)盟正式發(fā)布了該項技術標準，進一步推進了該技術的實際應用，許多生產(chǎn)商相應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radiopulse公司的mg2455 等等。 zigbee技術的主要特點包括：成本低，模塊的初始成本估計在6美元左右，最終目標要在1美元以內，而且zigbee協(xié)議是免專利費的；可靠性高，采用碰撞避免機制，同時為了保證傳輸數(shù)據(jù)的可靠性，建立了完整的應答通信協(xié)議；具有安全保密性，zigbee提供了數(shù)據(jù)完整性檢

24、查和鑒權功能，采用aes-128(advanced encryption standard)算法對傳輸數(shù)據(jù)進行加密；網(wǎng)絡容量大，可支持多達65000個設備節(jié)點；功耗低，可以采用休眠模式，兩節(jié)五號電池可支持長達半年以上的使用時間，當然不同的應用功耗是不同的。 2.2 zigbee網(wǎng)絡的構成 zigbee網(wǎng)絡層支持三種網(wǎng)絡拓撲結構。分別為：星狀網(wǎng)絡拓撲、樹狀網(wǎng)絡拓撲以及網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲結構。在星狀網(wǎng)絡中，網(wǎng)絡主要由zigbee協(xié)調器控制，它主要負責網(wǎng)絡中設備的初始化和維護工作。星狀網(wǎng)中的其他設備叫做終端設備，直接和協(xié)調器進行通信。在樹狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡中，zigbee協(xié)調器主要負責形成網(wǎng)絡和選擇網(wǎng)絡主要參數(shù)

25、，然后通過路由節(jié)點擴張網(wǎng)絡。在樹狀網(wǎng)絡中，路由節(jié)點使用等級路由機制進行數(shù)據(jù)的傳輸和控制信息，樹狀網(wǎng)絡可以使用信標使能的通信。網(wǎng)狀網(wǎng)絡允許全對等通信，但是網(wǎng)狀網(wǎng)絡中的路由節(jié)點發(fā)送的不是標準信標幀。 但是從功能上主要分為星狀網(wǎng)絡拓撲結構和對等網(wǎng)絡拓撲結構兩種類型。其中樹狀網(wǎng)絡和網(wǎng)狀網(wǎng)絡同屬于對等網(wǎng)絡拓撲結構。下面分別對這兩種網(wǎng)絡拓撲結構進行介紹。 在介紹具體網(wǎng)絡拓撲結構之前先介紹兩個概念：全功能設備(full functiondevice, ffd和精簡功能設備(reduced function device, rfd) 。 ffd的特點有：支持任何網(wǎng)絡拓撲結構、可以成為網(wǎng)絡協(xié)調器或路由器、可以充

26、當網(wǎng)絡中的任何設備以及能和任何設備通信；rfd的特點有:不能成為網(wǎng)絡協(xié)調器、不能有子節(jié)點、只能和自己的父節(jié)點通信。 2.2.1星狀網(wǎng)絡拓撲 星狀網(wǎng)絡拓撲結構如圖2-1所示。星狀拓撲網(wǎng)絡結構由一個叫作個域網(wǎng)(personal area network, pan)主協(xié)調器的中央控制器和多個從設備組成，其中主協(xié)調器必須為ffd設備，從設備既可為ffd設備也可為rfd設備。 圖2-1星狀網(wǎng)絡拓撲結構圖 星狀網(wǎng)絡拓撲結構的形成：首先選擇一個具有全功能的設備(ffd)做為網(wǎng)絡的pan主協(xié)調器，然后由它來建立一個新的網(wǎng)絡，并確定該網(wǎng)絡的唯一的一個pan標識符，即panid號。每個星狀網(wǎng)絡中只有唯一的一個pa

27、n主協(xié)調器，所以每個星型網(wǎng)絡通信都是獨立于當前其他星型網(wǎng)絡的，所以應該選擇一個新的panid號以確保網(wǎng)絡的唯一性，這種特點是zigbee技術所特有的。當協(xié)調器建立了新的網(wǎng)絡以后，其他從設備就可以加入到這個網(wǎng)絡之中，做為這個星狀網(wǎng)絡的子節(jié)點。其中，從設備可以是ffd設備，也可以是rfd設備。 目前，星狀網(wǎng)絡拓撲結構以其結構簡單、實現(xiàn)起來比較容易等特點而被大量應用在遠程監(jiān)測和控制中。星狀網(wǎng)絡結構的簡單主要體現(xiàn)在緊需要執(zhí)行很少的上層協(xié)議、對路由功能的控制相對容易，而且方便管理。大部分管理工作都是由pan 協(xié)調器來完成的。但是由于其只能實現(xiàn)簡單的網(wǎng)絡，所以在大規(guī)模組網(wǎng)的場合里便無法應用，而且如果通信中

28、某個節(jié)點的斷開，便會對其他節(jié)點的通信造成影響，一定程度上限制了無線網(wǎng)絡的覆蓋范圍，同時星狀網(wǎng)絡拓撲結構也很難實現(xiàn)高密度的擴展。 2.2.2對等網(wǎng)絡拓撲 zigbee網(wǎng)絡中的樹狀網(wǎng)絡拓撲和網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲兩種結構同屬于對等網(wǎng)絡拓撲形式，其中樹狀網(wǎng)絡拓撲結構如圖2-2所示，其中防調器和路由器都是ffd設備，終端設備為rfd。終端設備節(jié)點只能與自己的父節(jié)點進行通信，從屬于不同父節(jié)點的子節(jié)點之間不能進行通信。 圖2-2樹狀網(wǎng)絡拓撲結構圖 網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲結構如圖2-3所示，網(wǎng)狀拓撲網(wǎng)絡中的所有節(jié)點都是ffd設備。節(jié)點間是完全對等的通信，每個節(jié)點都可以與它的無線通信范圍內的其它節(jié)點通信，但也需要有一個節(jié)點作為網(wǎng)

29、絡防調器，通常把第一個在信道中通信的節(jié)點作為防調器節(jié)點。 圖2-3網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲結構圖 其中樹狀網(wǎng)絡中任何一個節(jié)點的故障都會使與其相連的子節(jié)點部分脫離網(wǎng)絡。如果在穩(wěn)定的無線電射頻環(huán)境中，需要有一定的網(wǎng)絡覆蓋范圍，而且網(wǎng)絡有一定的穩(wěn)定性和擴展性，那么樹狀網(wǎng)絡拓撲將是一個很好的選擇。 2.3 zigbee協(xié)議的研究 zigbee協(xié)議棧的體系結構是由物理層(physical layer,phy) ,媒體訪問控制層(medium access control sub-layer, mac)、網(wǎng)絡層(network layer, nwk）和應用層(application layer, apl）組成的。其中

30、，phy層和mac層協(xié)議由ieee 802.15.4定義，網(wǎng)絡層和應用層的協(xié)議由zigbee聯(lián)盟定義，而應用層又包含應用支持子層(application support sub-layer, aps),應用框架(application framework, af), zigbee設備對象(zigbee device objects,zdo)和由制造商制定的應用對象。其中各個層之間的通信是通過各層的數(shù)據(jù)或管理服務接口實現(xiàn)的。 2.4 zigbee技術應用前景 zigbee標準的制定不是用來與藍牙及其它已經(jīng)存在的標準競爭的，它的出發(fā)點是希一望能夠實現(xiàn)一種易布建的低成本無線網(wǎng)絡。在產(chǎn)品發(fā)展初期，以工

31、業(yè)或企業(yè)市場的感應式網(wǎng)絡為主，提供感應辨識、燈光和安全控制等功能，慢慢地逐漸將市場拓展至家庭應用領域。通常zigbee技術適用的場合主要有：要求設備成本低，數(shù)據(jù)傳輸量少的應用；要求設備體積小、功耗低，長時間無需更換電池的場合；需要大范圍的通信覆蓋，網(wǎng)絡中設備非常多的遠程監(jiān)控中。 由于zigbee標準還制定了能使不同制造商之間共享網(wǎng)絡資源的應用框架，其目標定位在現(xiàn)存的系統(tǒng)還不能滿足產(chǎn)品需求的特定的市場，因而有著廣闊的應用前景。其應用領域主要包括以下幾個方面：家庭和樓宇網(wǎng)絡中涉及到的空調溫度的監(jiān)控、照明設備的自動控制、電表和水表的計量控制、窗簾的自動控制、家用電器的遠程控制等；工業(yè)控制中涉及到的各

32、種監(jiān)控器、傳感器的自動化控制等；商業(yè)領域的智能標簽等；公共場所的煙霧探測器等；農(nóng)業(yè)控制上收集各種土壤信息和氣候信息等；以及老人與行動不便者的緊急呼叫器和醫(yī)療傳感器等等。 無論學術界還是實業(yè)界，人們看重zigbee還有更重要的一點：zigbee技術為醞釀了20余年的普適計算理論，首次提供了一個從理論走向現(xiàn)實的技術平臺。zigbee標準的普及，可以說是計算技術第四次浪潮的第一波。隨著微電子技術、計算機技術的不斷發(fā)展進步，微處理芯片的組網(wǎng)功能會進一步加強，使得智能傳感器與無線通信網(wǎng)絡的結合將會變得更加容易。應用高性能的嵌入式處理器可以使信息網(wǎng)絡的功能越來越強，相信在不久的將來，我們周圍的生活環(huán)境將是

33、無所不在的網(wǎng)絡。 第三章 基于zigbee技術定位系統(tǒng)的設計 3.1 zigbee定位技術的介紹 隨著無線技術在定位領域的迅猛發(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，比較典型的有紅外技術、超聲波技術以及同時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用要求，其中包括資產(chǎn)和設備跟蹤、庫存控制、病人監(jiān)護、遠程控制、安全監(jiān)控網(wǎng)絡等。此外，ti領先的zi

34、gbee協(xié)議棧z-stack還可提供相關支持。 cc2431建立在業(yè)界首款針對低功耗rf應用的soc解決方案cc2430的基礎上的，封裝小、功能強。它內置有摩托羅拉為其專門設計的一款定位引擎，是基于接收到的信號強度rssi測量的定位引擎，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)接收信號的強度與已知cc2430參考節(jié)點的位置準確計算出有關節(jié)點的位置，然后將位置信息發(fā)送給接收端，如電腦、pda、手機等。相比于集中型的定位系統(tǒng)，rssi功能降低了網(wǎng)絡流量與通信延遲，在典型應用中可實現(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

35、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)絡進行定位的工作。都是利用一些已有的或是經(jīng)過改進的一些定位算法，再利用zigbee技術的組網(wǎng)功能進行位置的估計。并且有些地方已經(jīng)進行了實際應用，例如，停車場車輛定位、礦井下人員定位、發(fā)生火災時消防隊員的定位以及醫(yī)院或家庭里老人或重病人的定位監(jiān)護等等。隨著定位技術和無線傳感器網(wǎng)絡技術的不斷發(fā)展，基于zigbee網(wǎng)絡的定位技術在未來人們生活中將會得到越來越多的應用。 本論文所設計的系統(tǒng)就是利用zigbee網(wǎng)絡，以及已有定位算法所開發(fā)出的一套基于zigbee技術的無線定位系統(tǒng)。對系統(tǒng)的設計包括：對定位系統(tǒng)所采用算法的選擇、硬件芯片的選取及外

36、圍電路的設計以及各部分軟件功能的實現(xiàn)。下面將對各個部分的設計做詳細的介紹。 3.2 系統(tǒng)所采用的算法介紹 3.2.1 基于rssi測距算法 由于傳感器節(jié)點自身具備通信能力，通常通信控制芯片都有測量rssi值的功能，所以利用這種技術來測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會有很大的誤差，其誤差主要來源于信號實際傳播的過程中周圍環(huán)境影響造成的信號衰減與理論或經(jīng)驗模型不符，從而造成實際測量的誤差。 radar系統(tǒng)是使用rssi測距的最典型的系統(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信號傳播的影響，建立了信號衰減和傳播距離間的關系模型，如公式(3-1

37、)所示： (3-1) 其中p(司表示基站接收到用戶的信號強度；表示基站接收到在參考節(jié)點發(fā)送信號的強度，假設所有節(jié)點的發(fā)送強度相同；n表示參考節(jié)點和路徑損耗之間的比例因子，依賴十建筑物的結構和使用的材料；表示參考節(jié)點和基站的距離；d表示需要計算的節(jié)點和基站的距離；表示節(jié)點和基站間墻壁個數(shù)；c表示信號穿過墻壁個數(shù)的閩值；waf表示信號穿過墻壁的衰減因子，依賴于建筑物的結構和使用的材料。 本文以上述模型為理論基礎，參考cc2431定位模型，根據(jù)具體環(huán)境的要求，反復進行實驗測試，設計了如下的參考模型，作為利用rssi測距的理論模型依據(jù)(如公式(3-2)： (3-2) 其中，a為一個經(jīng)驗值，要在實際使用

38、環(huán)境中去測量它的值，在本文中，我們根據(jù)使用環(huán)境，多次測量取平均值，最后我們選擇40為a的經(jīng)驗值；b是信號接收節(jié)點距離發(fā)射節(jié)點1米時，信號衰減值，在此處為20；d為發(fā)射點到接收點的距離。這里需要強調的是，rssi的值是一個負數(shù)值，所以在上面的公式中我們取rssi的絕對值。這樣我們根據(jù)這個模型，就可以在測量到rssi值以后，通過計算得到相應的距離值。 3.2.2三邊測量法三邊測量法，已知a,b,c二個節(jié)點的坐標分別為（）、（）、（）以及它們到未知節(jié)點。的距離分別為 , , ,假設節(jié)點o的坐標為(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o的坐標，如公式(3

39、-6): (3-6) 3.3 系統(tǒng)硬件設計 3.3.1硬件總體規(guī)劃定位節(jié)點硬件設計框架如圖3-1所示。硬件電路設計包括兩部分:無線通信模塊設計和輔助功能模塊設計。無線通信模塊為節(jié)點間的無線數(shù)據(jù)收發(fā)接口，它是節(jié)點核心部分。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串口轉換電路實現(xiàn)pc機與協(xié)調器節(jié)點間的數(shù)據(jù)傳輸。為了降低開發(fā)成本，硬件平臺沒有按節(jié)點功能分別單獨設計，而是將所有功能放在了一個平臺上。根據(jù)節(jié)點實際功能要求，只需焊接所需器件即可。 圖3-1 節(jié)點硬件設計框圖 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

40、芯片。它沿用了以往cc2420芯片的架構，在單個芯片上整合了zigbee射頻(rf)前端、內存和微控制器。它使用1個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)字轉換器(adc)、幾個定時器(timer), aes 128協(xié)同處理器、看門狗定時器(watchdog timer),32 khz晶振的休眠模式定時器、上電復位電路(power on reset)、掉電檢測電路(brown out detection)，以及21個可編程vo引腳。cc2430芯片采用0.18urn cmos工藝生產(chǎn)，工作時的電流損耗為27 ma。在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于

41、27 ma或25 mao cc2430的休眠模式和轉換到主動模式的超短時間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應用。 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頻方式; (3)數(shù)據(jù)速率達250kbps，碼片速率達2mchip/s; (4)采用o-qpsk調制方式; (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(30/45db); (7)內部集成有vco, lna, pa以及電源整流器，采用低電壓供電(2.1-3.

42、6v); (8)輸出功率編程可控; (9) ieee 802.15.4 mac層硬件可支持自動幀格式生成、同步插入與檢測、16bit crc校驗、電源檢測、完全自動mac層安全保護(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射頻模塊設計無線通信模塊包括cc2430芯片及其相關外圍電路。由于cc2430將8051內核與無線收發(fā)模塊集成到了一個芯片當中，從而簡化了電路設計過程，省去了單片機和無線收發(fā)芯片之間接口電

43、路的設計，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展。對射頻電路來說，解決好器件間干擾問題是至關重要的。建議無線通信模塊采用pcb雙層板，頂層用于信號線布線，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功能模塊設計 輔助功能模塊包括供電電路、串口電路、功能

44、指示電路等。實際中的各種節(jié)點根據(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)供電電路設計 根據(jù)zigbee多種節(jié)點用電特點，供電電路設計了兩種方式，電池供電和直流(dc)電源模塊供電，使用單刀雙擲開關實現(xiàn)兩種供電方式間的切換。其中，直流(dc)電源模塊為sv供電，使用電壓轉換芯片ams 1117-3.3獲得3.3v電壓，該芯片能夠提供高達500ma的電流輸出，電路簡單，僅需要兩個l0uf的擔電容即可輸出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)串口轉換電路 串口轉換電路采用美信公司的max3232雙通道轉換芯

45、片，工作電壓范圍為3v -5.5v，該電路主要用于協(xié)調器與pc之間的串口電壓轉換。串口轉換電路如圖3-3所示。 圖3-3 串口轉換電路(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，還包括復位電路、按鍵電路和jtag下載電路等。實際模塊效果如圖3-5和3-6所示。其中，圖3-5中所示模塊為盲節(jié)點和參考節(jié)點。圖3-6所示模塊為網(wǎng)關。 圖3-5 盲節(jié)點和參考節(jié)點的模塊圖 圖3-6 網(wǎng)關模塊圖3.3.5定位節(jié)點軟件設計無線傳感器網(wǎng)絡定位的基本思想是盲節(jié)點將周圍所有的一跳范圍內的參考節(jié)點的信號強度(rssi)

46、返回到網(wǎng)關，由網(wǎng)關將信號強度值傳送到上位機監(jiān)測軟件，上位機軟件調用相應的定位算法，計算出盲節(jié)點的坐標位置并實現(xiàn)必要的顯示。因此，首先需要在硬件平臺上實現(xiàn)節(jié)點間的通信，可分為如下五步進行(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)絡定位通信流程圖。(1)主節(jié)點查詢未知節(jié)點。在協(xié)調器節(jié)點(協(xié)調器)成功建立網(wǎng)絡后，網(wǎng)關要查詢盲節(jié)點的位置信息，首先要給該節(jié)點發(fā)送定位請求信號，通信方式為廣播方式，保證所有的盲節(jié)點都可收到該查詢請求。(2)盲節(jié)點廣播rssi值信號。盲節(jié)點接收到查詢請求命令后，廣播一系列(如300次)rssi值，在數(shù)據(jù)包中設定跳數(shù)為1，從而保證只有在一跳范圍內的參考

47、節(jié)點才能接收到該數(shù)據(jù)包。 (3)參考節(jié)點預處理rssi值。一跳范圍內的參考節(jié)點接收到rssi blast信號，記錄該盲節(jié)點的rssi值，由于墻壁、行人等多種環(huán)境干擾源的存在，rssi會出現(xiàn)一定幅度的擾動，因此各參考節(jié)點可對接收到的rssi進行適當預處理(如使用高斯概率模型處理)，對預處理后的rssi值作平均。 (4)盲節(jié)點發(fā)送rssi的數(shù)據(jù)包請求信號。接收到數(shù)據(jù)包請求命令信號后，參考節(jié)點將各種所需參量按一定格式打包，發(fā)送到盲節(jié)點。 圖3-7 傳感器網(wǎng)絡定位通信流程圖（5）盲節(jié)點將數(shù)據(jù)包發(fā)送到網(wǎng)關。盲節(jié)點按照一定規(guī)則，將數(shù)據(jù)包發(fā)送給網(wǎng)關?？紤]到網(wǎng)關除了組網(wǎng)和串口通信功能外，它可以作為參考節(jié)點使用

48、，故只需要編寫兩種節(jié)點程序即可。網(wǎng)關特有的功能用虛線標出。其余部分為參考節(jié)點功能程序。下面簡要介紹一下各類節(jié)點工作流程圖。圖3-8為網(wǎng)關的定位流程圖，圖3-9為盲節(jié)點和參考節(jié)點的定位流程圖。兩種流程圖都是基于命令調用模式的。圖3-8 網(wǎng)關的定位流程圖 圖3-9 盲節(jié)點的定位流程圖第四章 定位功能測試 4.1 測試條件與環(huán)境任何一種定位空間，都有其特殊性。樓宇內定位，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測試結果在室內環(huán)境中，測試結果如表4-1所示。這是一組測試數(shù)據(jù)，從測試結果可知，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 房間內測試結果從多次

49、測試結果分析可知，在40m距離上，定位精度為3m。室內使用基于數(shù)值匹配的定位算法定位精度可以在2m以內，但復雜度很大。上位機定位監(jiān)測軟件z-location_engine。它較好的實現(xiàn)了定位效果顯示功能。 根據(jù)實驗情況，可以知道，本系統(tǒng)能夠實現(xiàn)一定的定位功能，達到了設計目的。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)硬件平臺有待改進，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)點密度，不利于降低實際應用成本。 (3) rssi-d和lqi-d模型建立的不精確，導致距離測量有較大的誤差

50、存在。 (4)節(jié)點放置位置有待優(yōu)化。根據(jù)實驗經(jīng)驗，節(jié)點如果距離地面、墻壁等較近，影響無線傳輸距離。在一個具體應用中，應該找出來一個較合理的節(jié)點放置高度。 (5)顯示動態(tài)節(jié)點效果不理想，上位機軟件實時性有待提高。 (6)傳輸模型的建立依賴硬件平臺，硬件平臺改變，即使測試環(huán)境不變，整個傳輸模型也需要重新建立。第五章 結 論 近些年來，zigbee技術依靠其低成本、低功耗等優(yōu)勢占據(jù)了一部分無線通信市場，在人們生活中的各個領域得到了越來越多的應用。本文就是在zigbee技術組網(wǎng)的基礎上，設計了一個無線定位系統(tǒng)，再次拓寬了zigbee技術的應用領域，然后又結合具體的實際環(huán)境，將系統(tǒng)應用到了小區(qū)的室外停車

51、場中。論文主要完成的工作和結論如下： 首先，研究了現(xiàn)有的用十無線定位的算法以及當今比較流行的幾種無線定位技術，并分析了現(xiàn)有的一些定位系統(tǒng)的優(yōu)勢與不足，最后基十成本、功耗、實現(xiàn)難易程度等方面因素的考慮，并結合具體應用環(huán)境確定了本系統(tǒng)的最終設訓一方案； 其次，對zigbee協(xié)議進行了具體的研究，對各個層的協(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，進行了本定位系統(tǒng)應用profile的設計，自定義了一系列用于定位系統(tǒng)的cluster。然后基十對網(wǎng)絡層的了解，分析了各種網(wǎng)絡拓撲結構的適用范圍及實現(xiàn)的難易程度，并最終選擇了樹狀網(wǎng)絡拓撲結構作為系統(tǒng)的組網(wǎng)依據(jù)； 再次，通過對系統(tǒng)硬件部分的設計

52、，使用了cc2431和cc2430。由于其剛剛問世不久，所以對它了解的人不是很多。我們這里利用它更低成本、更低功耗、且相對傳輸距離較遠等優(yōu)勢，進行了系統(tǒng)定位模塊的設計。經(jīng)過實際測試，證明該模塊的性能在定位系統(tǒng)的應用上要好于現(xiàn)有其他zigbee模塊。 然后，對定位系統(tǒng)的軟件部分進行了設計，根據(jù)節(jié)點所實現(xiàn)的不同功能完成了協(xié)調器、參考點以及移動節(jié)點軟件部分的設計。利用滿足zigbee-2006規(guī)范協(xié)議棧，實現(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，軟件設計上采用了休眠喚醒的機制，并目_分析了系統(tǒng)運行過程中，移動節(jié)點設計可能遇見的問題，并采取相應的方法進行了解決，實現(xiàn)了系統(tǒng)的魯棒性能。本定位系

53、統(tǒng)的設計基本達到了預期的要求，目前在較為理想的環(huán)境中可以滿足移動節(jié)點的定位需求，系統(tǒng)因其更低成本、較低的功耗等特點，且具有較高的實用價值。但由于本人能力有限，未來對于基于zigbee網(wǎng)絡的無線定位技術還需要有更多理論和實踐的研究，仍有許多地方有待進一步研究，其中主要包括： (1)對定位算法有待進一步的研究，可以使用多種算法相結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)點實現(xiàn)更高精度的定位性能; (2)由于系統(tǒng)的設計中，涉及到很多算法的軟件實現(xiàn)，本系統(tǒng)中所有的數(shù)學運算都是由單片機本身處理的，因此為了提高運算的速度，我們可以考慮和專門的運算處理器相結合的方式來進行今后定位系統(tǒng)

54、的設計。這樣可以提高系統(tǒng)的運行速度，更好的達到實時定位的要求； (3)本系統(tǒng)采用的樹狀網(wǎng)絡拓撲結構，對節(jié)點的擺放位置以及各個節(jié)點參數(shù)的設計上都有很多的要求。新出的zigbee pro規(guī)范對網(wǎng)狀網(wǎng)絡的實現(xiàn)進行了更好的定義，今后可以通過使用滿足zigbee pro規(guī)范的協(xié)議棧來實現(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲結構，從而使系統(tǒng)有了更好的網(wǎng)絡自愈功能； (4)在今后更大更復雜的網(wǎng)絡中，網(wǎng)絡的同步也是一個值得注意的問題，我們可以通過使用信標幀等方式來實現(xiàn)網(wǎng)絡同步要求，從而可以提高整個網(wǎng)絡的性能。 致 謝 感謝我的導師劉智老師。在劉智老師的諄諄教導下， 我的畢業(yè)設計及論文順利完成 。在由我不知道什么是zigbee到完成整個zigbee無線定位設計，是劉智導師給拉我學習的機會和幫助。同時感謝我的研究生學長張衛(wèi)東。在張衛(wèi)東學長的幫助下我克服啦重重困難，掌握了大量關于zigbee方面的知識。 最后謝謝長春理工大學能給我一次