本科畢業(yè)設(shè)計基于ZigBee的無線定位系統(tǒng)的設(shè)計

學(xué)士學(xué)位論文題目名稱：基于ZlgBee的無線定位系統(tǒng)的設(shè)計學(xué)生姓名：院系：信息技術(shù)學(xué)院專業(yè)年級：電子信息科學(xué)與技術(shù)06級指導(dǎo)教師：職稱：講師2010年5月23日目錄摘要及關(guān)鍵字1凵國內(nèi)外無線定位研究現(xiàn)狀．12無線傳感器網(wǎng)貉及其定位存在問題1.3設(shè)計思路及0標(biāo)2設(shè)計方案論證ZigBee技術(shù)及協(xié)議棧概述3.1ZigBee技術(shù)簡介3工1ZigBee發(fā)展概述3工2ZigBee技水特點．3．2ZigBee協(xié)議棧概述“3ngBee網(wǎng)路構(gòu)成33．1設(shè)備類型．33．2拓扌卜結(jié)構(gòu)·34基于RSSI的定位算法分析34．1距離計算方法，34．2節(jié)點定位．基本原理4基于ee無線定位系統(tǒng)設(shè)計．]定位糸統(tǒng)硬件電路設(shè)計4工1硬件總體規(guī)J,4]．2主控芯片CC2430/CC24314工3功能模塊的設(shè)計．42定位系統(tǒng)軟件設(shè)計42．1軟件開發(fā)平臺42．2定位節(jié)點軟件設(shè)計423節(jié)點設(shè)置及上位機軟件設(shè)計．43數(shù)據(jù)傳輸43．IPC機與網(wǎng)關(guān)間串口通信．43．2網(wǎng)關(guān)與節(jié)點問的無線通信5系統(tǒng)的測試與分析6結(jié)論參考文獻附錄1咐錄2ZiigBeeZigBee?k*ZigBee?k*;;RSSI;cc2430/CC2431;Z-stackTheDesignoftheWirelessLocationSystembasedonZigBeeName:ZhuYanhuiMajor:ElectronicInformationScienceandTechnologyGongHeAbstract:ZigBeetechnology,basedontheIEEE802.15.4protocol,isanewlydevelopedshortrangewirelesscommunicationtechnologywiththemeritsoflowcosLlowpowerconsumptionatcomparablelowerdatarate.WhiletheZigBeetechnologyismoreandmorefrequentlyadoptedinapplicationareaslikehomeautomation,telemeterandremotecontrol,mobileautomation,medicaltreatmentandsoon,thereal-timelocalizationintheZigBeenetworkbecomesahottopicrecentlyThisthesis,armingatZigBeenetwork,investigatesthewirelesslocation,DiscussionofRSSI-basedlocationalgorithmforwirelesssensornetworkpositioningmechanismandonthisbasis,designsalow-costandpracticalforindoorwirelesspositioningsystem.*Illispaperachievesalocationsystem,threepartsareincluded.arehardwareplatform,communicationprogramofnodesandPCmonitorsoftware.ThecoreofhardwareplatformisCC2430whichisintegratedbyRFand51MCC,thelocalizationnodesaredesignedandmade.ItIncludesRFmodule,auxiliarymoduleandfunctionindicationcircuits.Inactualapplications,Basedonthefunctiondifferencesofnodes,differentpartsofthehardwareplatformcanbeselectedtoachievecorrespondingfunctions.?meexploitationofnodecommunicationprogramisbasedonZ-StackprotocolstackwhichisprovidedbyTI,Thepaperintroducesthenodescommunicationflowelaborate.Theachievementwaysofdifferentkindsofnodesaregiven.1nIAREmbeddedWorkbench(EW)circumstance,thePCmonitorsoftwareiscompiled,elaboratesoftwaresolutionisproposedinthispaper.Keywords:ZigEee;WirelessLocation;RSSI;CC2430/CC2431;Z-stack11近年來。隨著技術(shù)的進步，低功耗多功能的無線傳感器網(wǎng)（WSN。wriele$$sensor№t“rk〕也隨之應(yīng)運而生卩]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以無處不在，能夠廣泛應(yīng)用于軍事、苤院、地下煤礦、智能家居、大型車間和倉庫管理等領(lǐng)域一無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(zāi)等現(xiàn)場的監(jiān)控應(yīng)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(dǎo)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(shè)備通常能耗高、體私大、成本高，更適應(yīng)于無遮擋的室外環(huán)境．在一些特定環(huán)境中（如室內(nèi)，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(luò)應(yīng)用中，要汞傳感器節(jié)點小巧，在這樣的情況下，GPS就顯得無能為力了?？偟脕碇v，GPS定位不適合在室內(nèi)環(huán)境中使用。．基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)為室外或室內(nèi)的無線定位注入了新的活力，其綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算機技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理等技術(shù)：具有靈活、成本低、易于布置等特性，能方便準(zhǔn)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(guān)注這種短距離無線通信技術(shù)，也帶動了室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展．在所有的定位實現(xiàn)中：室內(nèi)空間由于其環(huán)境的復(fù)雜性：一直是定位系統(tǒng)實現(xiàn)的一個難點．現(xiàn)今，成熟的室內(nèi)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(yīng)用、本文試圖利用ZigBee技術(shù)實現(xiàn)一種較低成本、較低復(fù)雜度的室內(nèi)定位系統(tǒng)。1．1國內(nèi)外無線定位研究現(xiàn)狀1992年,A&T(LaboratoriesCambridge）開發(fā)出最早的室內(nèi)定，位跟蹤系統(tǒng)ActiveB&dge，它利用紅外線技術(shù)實現(xiàn)室內(nèi)定位，但由于紅外方向性強、距離短等弊端一定位精度不高，之后經(jīng)過許多專家學(xué)者的努力又開發(fā)出更多的定位系統(tǒng)和算代表成果有ActiveBat、RADAR(RadioDetectionandRanging)、SpotON和Cricket等ActiveBat室內(nèi)定位系統(tǒng)由劍橋大學(xué)AT&T實驗室開發(fā)，基于室內(nèi)超聲波/無線射頻定位技術(shù)，采用TOA(TimeofArrival〕技術(shù)的三角定，位法。它比ActiveBadge定位精度要高，但它使用有線網(wǎng)絡(luò)：對網(wǎng)絡(luò)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(nèi)定位．系統(tǒng)由Micr。so以公司開發(fā)，其基于IEEE802.IIWLAN室內(nèi)無線射頻定位系統(tǒng)，屬于俏號傳播模型與經(jīng)驗測試相結(jié)合的場景法定位系統(tǒng)。其顯著特點為采用無線網(wǎng)絡(luò)，易于安裝，需要基站少，應(yīng)用中要考慮節(jié)點的能耗和大小等問題。spot0N室內(nèi)定位系統(tǒng)基于射頻識別技術(shù)（RFID〕，用聚合算法對三維空閭進行定位。目前，還沒有建成完整的Spot0Nh統(tǒng)OCricket室內(nèi)定位糸統(tǒng)由麻省理工學(xué)院開發(fā)，是超聲波定位的典型例子，相比于ActiveBadge和ActiveB“，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(shè)施投資，且糸統(tǒng)功耗較廴近年來，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(guān)注，CC2431是一個帶硬件定位引擎的芯片，能滿足低功耗，荇合ZigBee/IEEE802,巧，14無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需要。它不需要如GPS定位技術(shù)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(luò)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(ReceivedSigna1StrengthIndicator)技木一根據(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)送給接收表5一1功能指示定義亍b巧一1Definitionoffunctionindicator管腳指示器件功能描述LEDLEDLED蜂噻器當(dāng)串口有數(shù)收發(fā)時閃爍無線發(fā)送數(shù)成功該指示燈閃爍調(diào)器節(jié)點組網(wǎng)前和終塏入網(wǎng)前，指示燈閃爍：博調(diào)器節(jié)點組網(wǎng)成功和終端入網(wǎng)成指示燈常亮。鳴晌一次，表示一次定位完成試驗壞境建立在實驗室內(nèi)，它是一個6mx6m的室內(nèi)區(qū)域，在四個角落里布置了丬個參考節(jié)點，分別標(biāo)記為RI、R2、R3和R4[22《實結(jié)果如表5一2所示：表5一2測試結(jié)果Tab5一2testresult真實坐標(biāo)濱試坐標(biāo)誤差{3還）以，3）o，3）@35，37刃055，3力．72，3）034，0S!)029，330刂8286055309437087504245結(jié)果分析：根據(jù)實驗情況，可以知道，本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)一定的定位功能，達到了設(shè)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的距離定位方法都是假定天線為理想全向的、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(yīng)用成本。(3)RSSI一d模型建立的不精確：導(dǎo)致距離測量有較大的差存在。節(jié)點放置位置有待優(yōu)化一根據(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(yīng)用中：應(yīng)該找出來一個較合理的節(jié)點放置高度。巧〕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結(jié)論．基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器定位網(wǎng)絡(luò)受到越來越多的關(guān)注，應(yīng)用也愈加廣泛。本文本著低成本、實現(xiàn)相對簡單的原則。實現(xiàn)了一種無線定位系統(tǒng)。本文主要完成的工作如下：(1)對ZigBee協(xié)議棧進行了深入的研究：基于TI公司的z-staek協(xié)議棧提出了課略部分解決方案。分析研究了Z-stack協(xié)議棧的實現(xiàn)流程，總結(jié)出了基于Z-stack的應(yīng)用開發(fā)方法；（3〕以CC2430芯片為核心，設(shè)計并制作了定位節(jié)點模塊四。包括輔助電路和CC2430核心模塊、為定位系統(tǒng)搭建了一個可靠的硬件平臺、以Z-stack協(xié)議棧為基礎(chǔ)，開發(fā)了可完成課要求的定位節(jié)點通信程序。為了可視化定位效果，分析了上位機功能需求，采用Z-LocationEngine監(jiān)控軟件以滿足設(shè)計需要。(7)糸統(tǒng)實現(xiàn)后。進行了大量的實驗。不斷的完善糸統(tǒng)功能。并為今后糸統(tǒng)改進積累了一定的經(jīng)驗。工作展望：嚴格來說，本論文中實現(xiàn)的這種定位系統(tǒng)，沒有實際應(yīng)用價值。需要進一步研究的問題主要包括：(1)定位算法的優(yōu)化：雖然目前存在許多種定位算法，但還存在一定的缺陷，還需要進一步研究，對其進行模型化和量化，通過實測方式，建立信號穿過墻壁模型，從而完善室內(nèi)信號傳播模型。o現(xiàn)有定位技術(shù)的研究大都是基于二維平面的研究。未來應(yīng)向三維、多維空問發(fā)展．節(jié)點實時定位技弋現(xiàn)有的定位方法都是要耗費一定的時間才能完成定位，實時性較低，因此如何提高定位的實時性也成為另一大挑2習(xí)。@可以對硬件平臺進行改進，在CC24圓核心模塊中增加放大電路：使得無線發(fā)射距離增大、在一定區(qū)域內(nèi)?？蓽p少參考節(jié)點數(shù)量，節(jié)省成本。并盡量使用較理想的全向天線·

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/／任務(wù)ID MIXLSampleAppNwkState：DEVINIT' 方網(wǎng)絡(luò)類型SampleAppTranslD一0設(shè)置發(fā)送數(shù)據(jù)的方式和目的地址、//廣播到所有的設(shè)備WXLSampleApp上咀1DstAddr.addrM0de一(afAdd1M0det)AddrBroadcast;351'VXL_SampleApp_AllDstAd?.endPoint=VvXLSAMPLEAPPENDPOINT,SampleAppAllDstAddr.addr.shortAddr—OxFFFF;SampleAppSingleDstAddr.addrMode(afAddrModet)afAddrGroup;MIXLSampleAppSingle WXLSAMPLEAPPENDPOmrr?,endpaintdescliption.MIXLSampleAppepDesc.endPomt=WXLSAMPLEAPPENDPOINT,simpleDescsimpleDesc=(SimpleDescriptionFormatt*)&WXLSampleAppSimpleDesc;SampleAppepDesc.latencyReq=noLatencyReqs;//hiüendpointdescription53JAFafRegister(&WXLSampleAppepDesc@returnnoneuint16WXLSampleAppProcessEvent(uint8taskid,uint16events)aflncomingMSGPackett*MSGpkt;events&SYSEVENTMSG) MSGpkt=(afIncomingMSGPackett*)osalmsgreceive( SampleAppTasklD);while(MSGpkt)switch(MSGpkt->hdr.event)caseKEYCHANGE:36MtXLSampleAppHandleKeys(((keyChanget*)MSGpkt)->keys);break',caseAFINCOMINGMSGCMDVSampleAppMessageMSGCB(MSGpkt)-,Break,caseZDOSTATECHANGE;SampleApp ZBCOORD)WXLsampleAppNwkstate=(devastatest)(MSGpkt->hdr.status); I —DEVROUITROVXLSAMPLENwkState—DEVenddevice)ElseBreak;Osal_msg_dea110cate((uint8*)MSGpkt;MSGpkt—(aflncomingMsgpacketReturn(eventASYSEVENTMSG)RETURNO;*@paramnone*@returnnoneVoidWXLsampleAppmessageMSGCB(amcomingMSGPackett*pkt)UnsignedcharRx_Buf14];Switch(pkt->clustered)37CaseWXLsampleAppclusterIDl.IfIf(OxbuflllBreak;CaseWXL_sampleAppclusterID2;Memcpy(kxBuf,pkt->cmd.DATA,4);HalLedBli1ü.-(HALLEDsendD addr.shortAddr,3);Break*@paramnone noneVoid\.VXLsampleAppsendFlashMessage(uint8*buffer)If(AFsampleAppAllsampleAPPepDesc,WXLsampleAPPclusterID2,4,buffer,&MDCLsampleApp_clusterID,AFmscvROUTE,AFDEFAULTSUCCESSElse//erroroccurredinrequesttosend.VoidVvtXLsampleAppsendDATA(uint8*buf,uint16addr,uint8Leng)addr.shotaddr—addr,If(AFDataRequest(&WXLsampleAppsingledstAddr,epDesc,WXLSAMPLEAPPCLUSTERIDI,Leng,Buf,&WXLSampleAppTranslD,AFDISCVROUTE,AFACKREQUEST,AFDEFAULTRADIUS)afStatusSUCCESSElsevoidosalAddTasks(void)osa1TaskAdd(Ha1Init,HalProcessEvent,OSALTASKPRIORITYLOW);defined(ZMACF8W)osalTaskAdd(macTask1nit,macEventLoop,OSALTAsrPRIORITYHIGH);#endifdefined(MTTASK)osa1TaskAdd(MT_Task1nit,MT_ProcessEvent,OSALTASKPRIORITYLOWdifOSALTASK