本科畢業(yè)設計-基于ZigBee的無線定位系統(tǒng)的設計

PAGEPAGE34學士學位論文題目名稱：基于ZigBee的無線定位系統(tǒng)的設計學生姓名：院系：信息技術學院專業(yè)年級：電子信息科學與技術06級指導教師：職稱：講師2010年5月23目錄題目 PAGEREF_Toc262734825\hI摘要及關鍵字 I1前言 11.1國內外無線定位研究現(xiàn)狀 1HYPERLINK\l"_Toc262734829"1.2無線傳感器網(wǎng)絡及其定位存在問題 21.3設計思路及目標 32設計方案論證 33ZigBee技術及協(xié)議棧概述 73.1ZigBee技術簡介 73.1.1ZigBee發(fā)展概述 73.1.2ZigBee技術特點 73.2ZigBee協(xié)議棧概述 83.3ZigBee網(wǎng)路構成 93.3.1設備類型 93.3.2拓撲結構 103.4基于RSSI的定位算法分析 113.4.1距離計算方法 PAGEREF_Toc262734841\h113.4.2節(jié)點定位基本原理 124基于ZigBee無線定位系統(tǒng)設計 144.1定位系統(tǒng)硬件電路設計 734844\h144.1.1硬件總體規(guī)劃 144.1.2主控芯片CC2430/CC2431 154.1.3功能模塊的設計 47\h164.2定位系統(tǒng)軟件設計 174.2.1軟件開發(fā)平臺 174.2.2定位節(jié)點軟件設計 184.2.3節(jié)點設置及上位機軟件設計 224.3數(shù)據(jù)傳輸 264.3.1PC機與網(wǎng)關間串口通信 26HYPERLINK\l"_Toc262734854"4.3.2網(wǎng)關與節(jié)點間的無線通信 285系統(tǒng)的測試與分析 296結論 30參考文獻 32致謝 33附錄1 34附錄2 35基于ZigBee的無線定位系統(tǒng)的設計姓名：朱艷輝專業(yè)：電子信息科學與技術指導教師：宮鶴摘要：基于IEEE802.15.4標準的ZigBee技術是一種新興的低成本、低功耗、低速率的短距離無線通信技術。隨著Zighee技術越來越多地被用于家庭自動化、遙測遙控、汽車自動化和醫(yī)療護理等應用領域,基于ZigBee網(wǎng)絡的實時定位問題正日益受到關注。本論文主要研究了基于ZigBee網(wǎng)絡的無線定位技術，討論了基于RSSI定位算法的無線傳感器網(wǎng)絡定位機制,并在此基礎上設計了一種低成本、實用的，針對室內環(huán)境的無線定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)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。其中，硬件平臺以集成了射頻與51微控制器的CC2430/CC2431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。實際節(jié)點可以根據(jù)其類型特點，選取硬件電路的不同部分加以實現(xiàn)。節(jié)點通信程序的開發(fā)以TI公司提供的Z-Stack協(xié)議棧為基礎，論文介紹了節(jié)點間通信流程，給出了各類節(jié)點詳盡的通信實現(xiàn)方法。在IAREmbeddedWorkbench（EW）環(huán)境中編寫了上位機監(jiān)測軟件，論文給出了詳細的軟件實現(xiàn)方案。關鍵字：ZigBee技術；無線定位；RSSI；CC2430/CC2431；Z-stackTheDesignoftheWirelessLocationSystembasedonZigBeeName:ZhuYanhuiMajor:ElectronicInformationScienceandTechnologyTutor:GongHeAbstract:ZigBeetechnology,basedontheIEEE802.15.4protocol,isanewlydevelopedshortrangewirelesscommunicationtechnologywiththemeritsoflowcost、lowpowerconsumptionatcomparablelowerdatarate.WhiletheZigBeetechnologyismoreandmorefrequentlyadoptedinapplicationareaslikehomeautomation,telemeterandremotecontrol,mobileautomation,medicaltreatmentandsoon,thereal-timelocalizationintheZigBeenetworkbecomesahottopicrecently.Thisthesis,aimingatZigBeenetwork,investigatesthewirelesslocation,DiscussionofRSSI-basedlocationalgorithmforwirelesssensornetworkpositioningmechanismandonthisbasis,designsalow-costandpracticalforindoorwirelesspositioningsystem.Thispaperachievesalocationsystem，threepartsareincluded.Theyarehardwareplatform,communicationprogramofnodesandPCmonitorsoftware.ThecoreofhardwareplatformisCC2430whichisintegratedbyRFand51MCU,thelocalizationnodesaredesignedandmade.ItincludesRFmodule,auxiliarymoduleandfunctionindicationcircuits.Inactualapplications,Basedonthefunctiondifferencesofnodes,differentpartsofthehardwareplatformcanbeselectedtoachievecorrespondingfunctions.TheexploitationofnodecommunicationprogramisbasedonZ-StackprotocolstackwhichisprovidedbyTI,Thepaperintroducesthenodescommunicationflowelaborate.Theachievementwaysofdifferentkindsofnodesaregiven.InIAREmbeddedWorkbench（EW）circumstance,thePCmonitorsoftwareiscompiled,elaboratesoftwaresolutionisproposedinthispaper.Keywords:ZigBee；WirelessLocation；RSSI；CC2430/CC2431；Z-stack1前言近年來,隨著技術的進步,低功耗多功能的無線傳感器網(wǎng)(WSN,WrielessSensorNetwork)也隨之應運而生[1]。無線傳感器網(wǎng)絡可以無處不在,能夠廣泛應用于軍事、醫(yī)院、地下煤礦、智能家居、大型車間和倉庫管理等領域。無線傳感器網(wǎng)絡不斷進行數(shù)據(jù)信息的采集,其中位置信息是不可或缺的一部分,如在戰(zhàn)場偵察、地下煤礦、火災等現(xiàn)場的監(jiān)控應用中，都需要知道傳感器節(jié)點的位置信息人們對無線定位的需求與日俱增,盡管全球定位系統(tǒng)GPS導航逐漸深入到人們的日常生活中,具有定位精度高、實時性好、抗干擾能力強等優(yōu)點,但GPS設備通常能耗高、體積大、成本高，更適應于無遮擋的室外環(huán)境。在一些特定環(huán)境中(如室內、水下,地下煤礦等),GPS會由于接收不到衛(wèi)星信號而失效;另一方面,在多數(shù)先線傳感器網(wǎng)絡應用中,要求傳感器節(jié)點小巧,在這樣的情況下,GPS就顯得無能為力了。總得來講,GPS定位不適合在室內環(huán)境中使用?；赯igBee無線傳感器網(wǎng)絡的出現(xiàn)為室外或室內的無線定位注入了新的活力,其綜合了傳感器技術、嵌入式計算機技術、現(xiàn)代網(wǎng)絡及無線通信技術、分布式信息處理等技術,具有靈活、成本低、易于布置等特性,能方便準確的采集各類信息。近年來,越來越多的企業(yè)和研究單位開始關注這種短距離無線通信技術,也帶動了室內定位技術的發(fā)展。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、而且多存在成本偏高的缺陷,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國內外無線定位研究現(xiàn)狀1992年,A&T(LaboratoriesCambridge)開發(fā)出最早的室內定位跟蹤系統(tǒng)ActiveBadge,它利用紅外線技術實現(xiàn)室內定位,但由于紅外方向性強、距離短等弊端，定位精度不高，之后經(jīng)過許多專家學者的努力又開發(fā)出更多的定位系統(tǒng)和算法,代表成果有ActiveBat、RADAR(RadioDetectionandRanging)、SpotON和Cricket等ActiveBat室內定位系統(tǒng)由劍橋大學AT&T實驗室開發(fā),基于室內超聲波/無線射頻定位技術,采用TOA(TimeofArrival)技術的三角定位法。它比ActiveBadge定位精度要高,但它使用有線網(wǎng)絡，對網(wǎng)絡節(jié)點的依賴性較強,且系統(tǒng)的擴展性受到很大限制。RADAR室內定位系統(tǒng)由Microsoft公司開發(fā)，其基于IEEE802.11WLAN室內無線射頻定位系統(tǒng),屬于信號傳播模型與經(jīng)驗測試相結合的場景法定位系統(tǒng)。其顯著特點為采用無線網(wǎng)絡,易于安裝，需要基站少,應用中要考慮節(jié)點的能耗和大小等問題。SpotON室內定位系統(tǒng)基于射頻識別技術(RFID),用聚合算法對三維空間進行定位。目前,還沒有建成完整的SpotON系統(tǒng)。Cricket室內定位系統(tǒng)由麻省理工學院開發(fā),是超聲波定位的典型例子,相比于ActiveBadge和ActiveBat,它采用超聲波時延信號進行定位,定位精度較高,但由于該系統(tǒng)需要同時發(fā)射射頻和超聲波信號,因此需要較高的底層硬件設施投資,且系統(tǒng)功耗較大。近年來,由TI公司和摩托羅拉公司共同研發(fā)的CC2431無線定位芯片也值得我們關注，CC2431是一個帶硬件定位引擎的芯片，能滿足低功耗，符合ZigBee/IEEE802.巧.14無線傳感器網(wǎng)絡的應用需要。它不需要如GPS定位技術那樣使用衛(wèi)星定位，而是采用CC2431芯片組成的無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡實現(xiàn)較高的定位分辨率和定位精度。CC2431定位引擎原理基于接收信號強度指示RSSI(ReceivedSignalStrengthIndicator)技術，根據(jù)接收信號強度和己知參考節(jié)點的位置計算出移動節(jié)點的位置，然后將位置信息發(fā)送給接收端。目前，室內定位技術在國內還沒有形成規(guī)模，主要集中在科研單位和學校，大部分的研究還停留在對算法的研究及優(yōu)化上，大多從事的無線室內定位還只是停留在室內仿真階段，沒有形成完整的體系。經(jīng)過近年來的努力，國內外學者在無線傳感器網(wǎng)絡定位算法的研究中取得了較大進步，但還是出現(xiàn)一些問題，譬如:更加精確的測距方法、在大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡定位過程中存在的誤差累積問題、對移動節(jié)點定位算法的研究等。現(xiàn)有的定位算法大都在能耗、成本和精度等方面做了折中考慮，由于各種應用差別的存在，適用于各種場所的定位算法也就成為空談，因此要針對不同的應用場合，結合節(jié)點的規(guī)模、成本以及系統(tǒng)對定位精度的要求等多方面的考慮，來選擇最適當?shù)亩ㄎ凰惴āＤ壳按嬖趦煞NZigBee定位解決方案。(l)基于CC2431片上系統(tǒng)的單芯片定位方案CC2431在CC2430基礎之上增加了基于RSSI的硬件定位引擎，通過輸入環(huán)境信息以及參考節(jié)點的坐標信息，即可輸出未知節(jié)點的坐標，在典型應用中可以實現(xiàn)3-5m的精確定位。但由于其定位算法由硬件物理完成，導致基于CC2431的定位系統(tǒng)靈活性較差。(2)CC2430/(MCU+CC2420)+定位算法。利用CC2430實現(xiàn)網(wǎng)絡中節(jié)點的信息傳輸，將定位方法嵌入芯片內部或在上位機集中處理，其定位算法可以靈活選擇，本文就是使用CC243O芯片進行定位實現(xiàn)的。1.2無線傳感器網(wǎng)絡及其定位存在問題今天，世界正大踏步地從網(wǎng)絡時代向無線互聯(lián)網(wǎng)時代邁進。新興的無線網(wǎng)絡技術，如Wi-Fi、ZigBee、Bluetooth等在辦公室、家庭、工廠等各方面都得到了廣泛應用。根據(jù)投資銀行Rutberg公司、國際數(shù)據(jù)公司和無線數(shù)據(jù)研究集團等的預測，無線網(wǎng)絡新技術將在未來的3年內達到幾百億甚至上千億美元的營業(yè)收入，而無線定位技術的應用將占有其中超出上百億美元的份額。無線網(wǎng)絡技術在為世界經(jīng)濟帶來巨額財富的同時，也為無線定位技術的發(fā)展注入了新的活力。無線網(wǎng)絡定位技術具有廣闊的發(fā)展前景，在這些技術當中，雖然Bluetooth、UWB等都取得了一定的成效，但ZigBee技術在功耗、成本上都有著得天獨厚的優(yōu)越性，并逐漸嶄露頭角，顯示其雄厚的發(fā)展?jié)摿Γ虼?，ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡技術在未來無線定位方面具有良好的發(fā)展前景近10年來，對無線傳感器網(wǎng)絡自身定位的研究登上了一個新的臺階，取得了一些可喜的研究成果，特別是進入21世紀后，提出了許多新穎的定位思想和方案，并解決了一些無線傳感器網(wǎng)絡的自身定位問題。但是，每一種系統(tǒng)和定位方法都是針對不同問題所產生的，之間的交集較少，還需要我們不斷努力去探索?？偟膩碚f，如今的無線定位技術仍存在下列一些問題:(l)缺乏比較精確的測距方法。(2)定位的實時性較低。(3)存在誤差現(xiàn)象，在大規(guī)模定位節(jié)點較多的情況下，誤差將被放大。(4)傳感器節(jié)點受距離、能量的限制，需要在算法復雜度與能量耗費之間尋求一種合理的折中算法。(5)現(xiàn)今的定位研究大都是基于靜態(tài)節(jié)點的研究，對于移動節(jié)點的定位研究較少。(6)目前的定位方法一般是基于二維平面的研究，應深入到三維或多維空間方向。1.3設計思路及目標本論文對比國內外室內定位跟蹤系統(tǒng)，對IEEE802.15.4/ZigBee網(wǎng)絡環(huán)境下的室內移動目標定位進行研究，提出基于ZigBee技術的室內定位系統(tǒng)設計框架。課題研究希望所設計的室內定位系統(tǒng)具有下面幾個方面的特點：(1)較高的定位精度：針對通常情況下對室內人員或者物品定位所需要的精度要求，本系統(tǒng)的定位精度設計預期達到1.5m左右。(2)較低的系統(tǒng)成本：設計的定位系統(tǒng)的總成本希望普通個人用戶都有能力使用該系統(tǒng)。(3)實時性方面：設計的定位系統(tǒng)能夠滿足目標在室內不停移動（諸如人員走動、汽車緩慢駛入駛出車庫）情況下的實時性要求。(4)較低的系統(tǒng)功耗：系統(tǒng)采用電池供電情況下預期可以工作半年以上2設計方案論證GPS等衛(wèi)星導航定位技術廣泛應用于各種領域。然而在室內、地下等場合的定位需求卻有其局限性。近幾年來，隨著IEEE802．15．4商業(yè)標準的逐漸完善，無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)的相關技術開始被廣泛討論和研究。隨著，TI公司提出帶硬件定位引擎的片上系統(tǒng)(SoC)解決方案CC2430/CC2431。以及WSN用于無線定位技術被廣泛研究，該器件能滿足低功耗ZigBee／IEEE802．15．4無線傳感器網(wǎng)絡的應用需要，CC2431的定位引擎基于接收信號強度指示RSSI(ReceivedSignalStrengthIndicator)技術，相比于集中型定位系統(tǒng)，RSSI功能降低網(wǎng)絡流量與通信延遲，在典型應用中可實現(xiàn)3～5m的定位精度和0.25m的分辨率。本設計基于RSSI定位技術，詳細介紹基于ZigBee技術的射頻芯片CC2430/CC2431無線定位系統(tǒng)的構成、定位原理，并實現(xiàn)了基于CC2430/CC2431無線定位系統(tǒng)的設計。(1)芯片選擇

CC2430/CC2431以強大的IAR集成開發(fā)環(huán)境為支持，結合ZigBee協(xié)議棧、工具包和參考設計，展示領先的ZigBee解決方案，其產品廣泛應用于汽車、工控系統(tǒng)和無線傳感器網(wǎng)絡等領域，同時也適用于ZigBee之外的2．4GHz頻率的其他設備。CC2431的定位引擎基于RSSI技術．根據(jù)接收信號強度與已知參考節(jié)點位置準確計算出有關節(jié)點位置。然后將位置信息發(fā)送至接收端。(2)RSSI定位技術

RSSI是指節(jié)點接收到的無線信號強度大小。在基于RSSI的定位中，已知發(fā)射節(jié)點的發(fā)射信號強度，接收節(jié)點根據(jù)接收到信號的強度計算出信號的傳播損耗。利用理論和經(jīng)驗模型將傳輸損耗轉化為距離．再利用合適的算法（如：三角定位法等）計算出節(jié)點的位置。該技術硬件要求較低、算法相對簡單，并且一些通信協(xié)議中已攜帶有RSSI的信息，這樣使得基于RSSI定位方法具有廣泛的應用前景[2]。該技術在實驗室環(huán)境中表現(xiàn)出良好特性，但由于環(huán)境因素變化等原因．實際應用中還需進一步改進。(3)基于CC2430/CC2431的定位系統(tǒng)

定位系統(tǒng)由參考節(jié)點和定位節(jié)點組成。參考節(jié)點是一個位于已知位置的靜態(tài)節(jié)點，該節(jié)點確知自身的位置并可將其位置通過發(fā)送數(shù)據(jù)包通知其他參考節(jié)點。定位節(jié)點從參考節(jié)點處接收數(shù)據(jù)包信號，獲得參考節(jié)點位置坐標及相應的RSSI值并將其送入定位引擎，然后讀出由定位引擎計算得到的自身位置。

由參考節(jié)點發(fā)送給定位節(jié)點的數(shù)據(jù)包至少包含參考節(jié)點的坐標參數(shù)水平位置X和垂直位置Y。而RSSI值可由接收節(jié)點計算獲得。圖2-1為具體定位系統(tǒng)原理框圖。主機主機網(wǎng)關室內區(qū)域移動節(jié)點參考節(jié)點圖2-1定位系統(tǒng)原理框圖Figure2-1DiagramofPositioningSystemBlock該定位系統(tǒng)原理框圖中各部分的作用如下(1)主機。采用一臺普通的PC，主機連接網(wǎng)關實現(xiàn)對整個網(wǎng)絡的工作調度，編寫的定位軟件可實時觀察各個定位節(jié)點和參考節(jié)點的運行情況。

(2)網(wǎng)關。該網(wǎng)關用于組建一個ZigBeeWSN網(wǎng)絡，并充當協(xié)調器，把定位節(jié)點坐標及外部環(huán)境參數(shù)傳送給主機。

(3)參考節(jié)點。在網(wǎng)絡中充當路由器的角色。而且在定位系統(tǒng)中，它由用戶指定固定坐標，并為定位節(jié)點提供該坐標和RSSI平均值。參考節(jié)點(referencenode)是一種已知靜態(tài)節(jié)點，其坐標(x，y)是固定的，并且不參與定位計算，可由CC2430或CC2431器件實現(xiàn)。一個定位區(qū)域通常由8個參考節(jié)點組成。系統(tǒng)至少需要3～4個參考節(jié)點才能進行定位。本文采用CC2430作為參考節(jié)點來實現(xiàn)。

(4)定位節(jié)點。其內部具有定位引擎，能夠根據(jù)參考節(jié)點提供的同定坐標和RSSI平均值計算出自身的精確位置(坐標)，并把該坐標協(xié)同定位節(jié)點標識號發(fā)送給網(wǎng)關。本文中核心器件采用CC2431實現(xiàn)。定位工作流程

定位節(jié)點(blindnode)是一類可移動的節(jié)點，可在參考節(jié)點包圍的區(qū)域內任意移動。定位節(jié)點接收區(qū)域內所有參考節(jié)點的RSSI值后，通過定位算法來計算其坐標位置。定位節(jié)點由CC2431器件實現(xiàn)。采用該器件，可實現(xiàn)0.25m的定位分辨率和3m左右的定位精度，定位時間小于40μs。圖2-2為定位節(jié)點工作流程圖，圖2-3是參考節(jié)點工作流程圖。開始收到數(shù)據(jù)？XY—RSSI請求？開始收到數(shù)據(jù)？XY—RSSI請求？定為節(jié)點發(fā)現(xiàn)請求？定為節(jié)點配置？定為節(jié)點請求配置？接受RSSI應答？強制位置發(fā)現(xiàn)強制位置發(fā)現(xiàn)將配置信息寫入Flash取出配置值發(fā)送給協(xié)調器接收RSSI平均值結束YYYYYYNNNNNNFigure2-2Theworkflowofpositioningnodes開始開始收到數(shù)據(jù)？XY-RSSI請求？參考節(jié)點配置？參考節(jié)點請求配置？收集RSSI？結束發(fā)送RSSI平均值將配置信息寫入Flash取出配置值發(fā)送給協(xié)調器多次收集RSSIYYYYYYNNNNN圖2-3參考節(jié)點工作流程Figure2-3TheWorkflowofreferencenodes3ZigBee技術及協(xié)議棧概述3.1ZigBee技術簡介3.1.1ZigBee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、固定或便攜的、移動的裝置中，提出一個具有超低復雜度、超低價格、超低功耗、超低數(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-RateWirelessPersonalAreaNetwork)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層所采用的標準協(xié)議，即IEEESOZ.15.4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。3.1.2ZigBee技術特點IEEE802.15.4委員會制定了三種不同的WPAN(WirelessPersonalAreaNetwork)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的要求不高[3]。ZigBee的主要技術特征如表3-1所示。表3-1ZigBee的主要技術指標Table3-1ThemajortechnicalindicatorsofZigBee特性取值/狀態(tài)頻段數(shù)據(jù)速率調制方式擴頻方式通信范圍通信延時信道數(shù)目尋址方式信道接入網(wǎng)絡拓撲功耗狀態(tài)模式868/915MHz和2.4GHz868MHz-20kbps；915MHz-42kbps；2.4GHz-250kbpsBPSK；O-QPSK直接序列擴頻10-100m15-30ms868MHz-1；915MHz-10；2.4GHz-1664bitIEEE地址，16bit網(wǎng)絡地址CSMA/CA和時隙化得CSMA/CA星形；樹狀；網(wǎng)狀極低激活/休眠選擇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。(3)通信可靠性高，數(shù)據(jù)安全。ZigBee采用了CSMA-CA(CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance)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1sms到3Oms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。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9l5MHz(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。3.2ZigBee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)所有功能[4]。ZigBee協(xié)議體系架構如圖3-1所示：其中，IEEE802.15.4-2003標準定義了底層:物理層（PhysicalLayer，PHY）和MAC層。IEEE802.15.4定義的PHY層分別工作在兩個頻段上:868/9l5MHz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。IEEE802.15.4MAC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(ApplicationLayer，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有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)。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。應用1應用1應用1應用匯聚層網(wǎng)路層IEEE802.2邏輯鏈路類型(LLC)業(yè)務特定匯聚子層(SSCS)其他邏輯鏈路控制標準媒體訪問層868/915MHz物理層868/915MHz物理層ZigBee聯(lián)盟IEEE802.15.4……圖3-1ZigBee協(xié)議體系架構Figure3-1ThearchitectureofZigBeeprotocol3.3ZigBee網(wǎng)路構成3.3.1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。RFD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。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(PANID)并開啟網(wǎng)絡?？蛇x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)。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。路由器:路由器執(zhí)行的功能有1)允許其他設備加入網(wǎng)絡;2)多跳路由;3)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節(jié)點被喚醒并請求數(shù)據(jù)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。終端設備:終端設備對維持網(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。3.3.2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3.7所示。如圖3-2(a)所示，星型網(wǎng)絡是一個輻射狀系統(tǒng)，數(shù)據(jù)和網(wǎng)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。樹狀拓撲是多個星形拓撲的集合，如圖3-2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3-2(c)中所示，網(wǎng)狀網(wǎng)絡是一個自由設計的拓撲，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。(a)星型(a)星型(c)網(wǎng)狀(b)樹狀協(xié)調器FFDRFD圖3-2拓撲結構Figure3-2Topology3.4基于RSSI的定位算法分析ZigBee定位技術基于無線局域網(wǎng)絡，在特定的無線局域網(wǎng)絡中，先安裝一些已知位置信息的參考節(jié)點，移動節(jié)點通過無線通信得到已知節(jié)點的信息(時間或信號強度值)，并結合定位算法計算出節(jié)點的坐標。3.4.1距離計算方法常用的基于距離((Range-Based)的定位方法有四種，分別為基于接收信號強度RSSI(ReceivedSignalStrengthIndicator)方法、基于到達時TOA(TimeofArrival)、基于到達時間差TDOA(TimeDifferenceofArrival)和基于到達角度AOA(AngleofArrival)，通過此四種方法可以測得移動節(jié)點與參考節(jié)點之間的相對距離。(1)基于RSSI的測距方法在基于接收信號強度(RSSI)的定位中，發(fā)射節(jié)點的發(fā)射信號強度是已知的，接收節(jié)點根據(jù)接收到的信號強度，計算出信號的傳播損耗，利用經(jīng)驗模型或者理論將RSSI的傳輸損耗轉化為距離。RADAR系統(tǒng)就是一個基于RSSI技術的室內定位系統(tǒng)。RSSI的主要優(yōu)勢在于通信負載較低而且不需要增加額外的硬件設備。但在實際的環(huán)境中，RSSI受外界影響較大，它的誤差主要來源于外界環(huán)境，反射、多徑傳播、天線增益等問題都會造成不同的傳播損耗，造成測距誤差，因此定位精度往往不是很理想，所以該技術在實際應用中仍然存在許多問題[5]。(2)TOA測距方法在TOA定位方法中，已知信號的傳播速度，根據(jù)參考節(jié)點發(fā)送信號到定位節(jié)點所需的傳播時間來計算節(jié)點間的距離。該方法精度較高，但對發(fā)送者到接收者的響應時間和處理時延要求較高，要求保持節(jié)點間的時間同步，目前，GPS定位系統(tǒng)使用此方法。但由于硬件設備復雜，價格高和功耗大等方面，使得TOA方法很少應用在室內定位方面。(3)TDOA距方法在TDOA定位方法中，發(fā)射節(jié)點同時發(fā)射超聲波和無線電射頻信號兩種不同傳播速率的無線信號，接收節(jié)點根據(jù)接收到兩種信號的時間差以及這兩種信號的傳播速度，計算出發(fā)射節(jié)點和接收節(jié)點之間的距離。Cricket系統(tǒng)和AHLOS系統(tǒng)就是利用TDOA方法進行定位。該方法的測量精度高于RSSI，可達到厘米級，但超聲波的傳播距離有限(超聲波信號通常傳播距離僅為20-30英尺)，另外此方法的開銷又比較大，不適合低功耗的室內定位。(4)AOA測距方法在AOA定位方法中，接收節(jié)點通過天線陣列或多個超聲波接收機感知發(fā)射節(jié)點信號的到達方向，計算接收節(jié)點和發(fā)射節(jié)點之間的相對方位或角度，再通過三角測量法計算出節(jié)點的位置?？偟膩碚f，基于TOA和TDOA技術的定位系統(tǒng)依賴于發(fā)射器和接收器之間的精確定時同步，因此對系統(tǒng)硬件的要求會比較高，進而大大增加了系統(tǒng)的復雜性和成本，而基于AOA技術的定位系統(tǒng)需要額外增加定向天線或者天線陣列，同樣也增加了系統(tǒng)復雜性和成本，而且AOA技術也易受外界環(huán)境的影響。基于RSSI技術方法的最大優(yōu)點就是我們能夠充分利用現(xiàn)有的系統(tǒng)，基本不需要輔助設備就可以建立定位系統(tǒng)，因此獲得RSSI信息要比獲得到達時間((TOA)和到達角度((AOA)遠遠容易。本文定位是由定位引擎硬件設備完成，原理是基于RSSI的測距定位。3.4.2節(jié)點定位基本原理在三維空間中，知道了1個點到4個已知參考點的距離，就可以確定該點的坐標，這一點與全球定位系統(tǒng)(GPS)的基本原理一樣。只不過在無線傳感器網(wǎng)絡中，坐標系是二維空間也不需要時鐘同步，因此，只要知道了1個節(jié)點到3個參考節(jié)點的距離就可以確定節(jié)點的位置。假設3個參考節(jié)點的坐標分別為(，)、（，)、()，待定位節(jié)點的坐標是(，)，該節(jié)點到3個參考節(jié)點的距離分別是、、，根據(jù)二維空間距離計算公式，可以獲得方程組3.1。(3.1)上面的公式中，、是未知量，這是非線性方程組，可以采用線性化方法來求解。如果近似知道節(jié)點的估計位置，可以將其真實位置(，)和近似位置(,)之間的偏離用位移(，)來標記。將公式3.1按泰勒級數(shù)繞近似位置展開，那么便可將位置偏移(，)表示為已知坐標和距離測量值的線性函數(shù)。單一測量距離可表示為:(3.2)單一近似距離可表示為:(3.3)如上所述，節(jié)點的真實位置由近似分量和增量2個部分組成，即(3.4)因此，有上式右邊函數(shù)用泰勒級數(shù)展開成(3.5)為消除非線性，上述展開式中截去了1階偏導數(shù)之后的各項。偏導數(shù)經(jīng)計算如下:(3.6)式中：。將式3.5式3.6、式3.3帶入式3.2可以得到：（3.7）這樣就完成了對式3.2相對于未知數(shù)的線性化。上式可寫成：（3.8）當N>3時，上面就是過定義方程組。而無線傳感器網(wǎng)絡內的距離測量由于存在距離誤差，正好可以利用這樣的冗余獲得更高的精確度。上述過定義方程組可以使用最小二乘法來求解，具體步驟如下:（3.9）為了求得函數(shù)取得最小值時的、，對函數(shù)求導并令之等于0，即：（3.10）由此可以得到：（3.11）使用式3.11，就可以求出估計節(jié)點位置與實際位置的大概偏差，如果精度不滿足要求，可以將矯正后的坐標代替估計坐標，進行進一步的矯正，直到()小于規(guī)定的門限值為止。4基于ZigBee無線定位系統(tǒng)設計4.1定位系統(tǒng)硬件電路設計定位系統(tǒng)由網(wǎng)關、參考節(jié)點、定為節(jié)點組成。其中網(wǎng)關部分在ZigBee網(wǎng)絡中的角色為Coord，芯片選擇為CC2430[6]。它在整個系統(tǒng)中有著至關重要的作用，首先它接收由監(jiān)控軟件提供的各參考點的配置數(shù)據(jù)，并發(fā)送給相應的節(jié)點，其次，還要接收各節(jié)點反饋的有效數(shù)據(jù)并傳輸給監(jiān)控軟件。參考節(jié)點是一個靜止的知道自己位置的節(jié)點（CC2430）.這個節(jié)點必須正確的配置在定位區(qū)域中的位置。它的任務是提供一個包含自己位置X，Y坐標和RSSI值的信息包給移動節(jié)點，數(shù)量至少為4個。移動節(jié)點能夠與離自己最近的參考節(jié)點通話，收集這些節(jié)點的X,Y坐標和RSSI值，根據(jù)這些信息和輸入?yún)?shù)（A，N）一起計算自己位置信息[7]。然后將適當?shù)男畔l(fā)送給網(wǎng)關，通過網(wǎng)關與計算機形成另一個直觀的系統(tǒng)，芯片選擇 CC2431?；谝陨险w思想，設計如下定位系統(tǒng)硬件平臺。4.1.1硬件總體規(guī)劃定位節(jié)點硬件設計框架如圖4-1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[8]。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。PC機PC機串口接口串口轉換供電電路指示電路MCU模塊RF模塊匹配電路無線通信模塊輔助功能模塊PC端圖4-1硬件組成框圖Figure4-1Hardwareblockdiagram4.1.2主控芯片CC2430/CC2431本設計選用了CC2430/2431.CC2430/2431產品家族是第一個真正意義上的SoCZigBee產品，所有的功能都集成在一個硅片內[9]。它結合一個高性能2.4GHzDSSS(直接列擴頻)射頻收發(fā)器核心和一顆增強型的8051控制器，支持250Kbps數(shù)據(jù)傳輸率，能實現(xiàn)多對多點的快速組網(wǎng)，只需極少的外部元器件，性能穩(wěn)定且功耗較低，可以保證有效的通信距離及可靠性，且CC2430/2431芯片較小,為7mmX7mm，鑒于這些優(yōu)點，本設計選用此芯片。CC2430/2431SoC家族包括3個不同產品:CC2430-F32,CC2430-F64和CC2430-F128，本文設計所用的是CC2430-F128,他們的區(qū)別在于內置閃存的容量不同。CC2430和CC2431的最大區(qū)別在于，CC2431具有包括Motorola公司有許可證的定位引擎硬件核心，2430沒有定位跟蹤引擎，除此之外，它們的外觀和功能完全一樣。CC2430/2431整合了ZigBee射頻(RF)前端、內存和微控制器。它使用1個8位增強型MCU(8051)，具有32/64/128KB可編程閃存和8KB的RAM，還包含4個定時器、1個模/數(shù)轉換器、AES128協(xié)同處理器、32kHz晶振的休眠模式定時器、看門狗定時器、上電復位電路、掉電檢測電路以及21個可編程I/O口引腳。其主要特點如下:(1)集成符合IEEE802.15.4標準的2.4GHz的RF無線電收發(fā)機;(2)高性能低功耗的增強型8051微控制器核;(3)有兩的無線接收靈敏度和強大的抗干擾性;(4)硬件支持CSMA/CA功能;(5)較寬的電壓范圍(2.0-3.6V);(6)集成了14位模/數(shù)轉換的ADC;(7)帶有2個USART，以及4個計時器，其中一個是16位符合IEEE802.15.4規(guī)范的MAC計時器、1個16位常規(guī)計時器和2個8位計時器;(8)在休眠模式時僅0.5瞇的流耗，外部的中斷或RTC能喚醒系統(tǒng)，在待機模式時少于0.3uA的流耗，外部的中斷能喚醒系統(tǒng);(9)集成了AES安全協(xié)處理器;(10)數(shù)字化RSSI/LQI支持和強大的DMA功能;(11)集成電池檢測和溫度感測功能;(12)兼容IEEE802.15.4標準的硬件層和物理層;(13)集成1個高精度定位跟蹤引擎(此項為CC2431獨有的特點)。CC2430/2431集成的外設有:無線收發(fā)、電源管理、可編程看門狗、21個數(shù)字I/o引腳、4個計時器、14位模數(shù)轉換的ADC、帶有2個USART、集成了AES安全協(xié)處理器、強大的DMA功能、實時時鐘、上電復位。CC2430/2431沒有接地的管腳，為了方便制版，在CC2430加了一個49號管腳，用于接地，CC2430/2431整體設計電路見附錄1。電路使用一個非平衡天線，它可以使天線性能變得更加可靠[10]。電路中的非平衡變壓器由電容C12和電感L1、L2、L3以及一個PCB微波傳輸線組成，整個結構滿足RF輸入/輸出匹配電阻(50Ω)的要求。內部的發(fā)射/接收交換電路完成LNA和PA之間的半雙工交換。用1個32MHz的石英諧振器和2個電容構成一個32MHz的晶振電路。R4和R5為偏置電阻，電阻R4主要為32MHz的晶振限流。C11和C15電容是去耦合電容，用來電源濾波，以此來提高芯片工作的穩(wěn)定性。4.1.3功能模塊的設計(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AMS1117-3.3獲得3.3V電壓，該芯片能夠提供高達5OOmA的電流輸出，電路簡單，僅需要兩個10uF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4-2所示。圖4-2供電電路Figure4-2Circuitofpower(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4-3所示。圖4-3串口轉換電路Figure4-3UARTtransitioncircuit(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4-4所示。圖4-4狀態(tài)指示電路Figure4-4Stateindicationcircuit除了上面介紹的幾種功能電路外，還包括狀態(tài)指示電路、復位電路、按鍵電路和JTAG下載電路等。4.2定位系統(tǒng)軟件設計4.2.1軟件開發(fā)平臺IAREmbeddedWorkbench(簡稱EW)是一套完整的集成開發(fā)工具集合，包括代碼編輯器、工程建立、C/C++編譯器、匯編器、連接定位器、庫管理員、連接器和調試器的各類開發(fā)工具。它可以和各種仿真器、調試器緊密結合，便于用戶在開發(fā)和調試過程中，僅使用一種開發(fā)環(huán)境界面，就可以完成多種微控制器的開發(fā)工作。IAR7.20H開發(fā)環(huán)境的特點:(1)完全兼容標準C;(2)支持斷點的設置、單步調試、在線調試;(3)版本控制和擴展工具支持良好;(4)內存模式選擇;(5)高效浮點支持;(6)瓶頸性能分析;(7)工程中相對路徑支持。設計中所用的軟件協(xié)議棧為TI公司免費提供的ZStack-1.4.2-1.1.0，整個協(xié)議棧包括如下部分，它們各自代表的含義如表4-1所示:表4-1協(xié)議棧各層的軟件Table4-1Layersofsoftwareprotocolstack軟件協(xié)議層功能介紹APPHALMACMTNWKOSALProfileSecurityServicesToolsZDOZMacZMainOutput應用層，用戶在此創(chuàng)建各種不同的工程，添加自己想要實現(xiàn)的功能硬件驅動層，主要初始化一些硬件配置及操作函數(shù)MAC層，包括MAC層配置參數(shù)文件及MACLIB庫的函數(shù)接口文件任務測試，包括AF層的調試函數(shù)文件，主要包括串口等通信函數(shù)網(wǎng)絡層，包括網(wǎng)絡層配置參數(shù)文件及MACLIB庫的函數(shù)接口文件，用來實現(xiàn)無線網(wǎng)絡的織成操作層，包括協(xié)議棧系統(tǒng)文檔AF層目錄，包括AF層處理函數(shù)文件安全層，包括一些加密函數(shù)等服務層，包括地址模式的定義以及地址處理函數(shù)文檔工程配置目錄，包括協(xié)議棧等配置文檔設備對象層，包括層處理函數(shù)文檔MAC層目錄，包括MAC層參數(shù)配置及MACLIB庫函數(shù)回調處理函數(shù)主函數(shù)目錄，包括入口函數(shù)集硬件配置文件輸出文件目錄，此為軟件自動生成的4.2.2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)返回到協(xié)調器，由協(xié)調器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[11]。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)。圖5-6為傳感器網(wǎng)絡定位通信流程圖(l)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，協(xié)調器節(jié)點要查詢盲節(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l，從而保證只有在一跳范圍內的參考節(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RSSIBlast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[12]。(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