計(jì)算機(jī)工程實(shí)踐

基于ZigBee定位技術(shù)的消防系統(tǒng)研究目錄一、項(xiàng)目基本情況ZigBee協(xié)議是ZigBee技術(shù)軟件方面的核心技術(shù)。目前，業(yè)界使用最廣泛的協(xié)議棧為Tl公司免費(fèi)公開的基于CC2420/CC2430/CC2431/CC2480等射頻芯片的ZigBee協(xié)議。國內(nèi)還沒有完整版的協(xié)議棧出臺，只有深圳的無線龍、無線古等公司出售的精簡版協(xié)議棧。近年來，我國越來越重視發(fā)展無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在理論、技術(shù)上取得了很大的進(jìn)展，但是其研究與應(yīng)用水平仍處于初級階段。ZigBee技術(shù)有自己的無線電標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信，這些傳感器只需要很少的功耗，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器，這些數(shù)據(jù)最后上傳到計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析或者接入到另一種網(wǎng)絡(luò)中，從而合作地完成環(huán)境的檢測和未知位置的定位。由于傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)備成本低、功耗小、體積輕巧、易于大范圍地布建，所以基于ZigBee的定位技術(shù)有很大的市場前景。消防一直是關(guān)系社會安定和人民生命財(cái)產(chǎn)安全的重要問題。在消防工作中，消防員所從事的工作是一項(xiàng)極為危險(xiǎn)的工作。在混亂的場合下，如果指揮宮不了解消防人員的具體位置和狀況，就會給指揮工作帶來很大的盲目性，使得救援不能及時(shí)、高效地展開，受災(zāi)損失不能降到最低。同時(shí)消防員本身的安全也一直是人們關(guān)注的問題。目前大多數(shù)消防員在救火現(xiàn)場采用無線電裝置與指揮宮進(jìn)行通信，這種方法必須要消防員自己提供所在具體位置信息，指揮官不能實(shí)時(shí)地掌握施救現(xiàn)場的變化和有效迅速地指揮施救工作，有很大的局限性。本系統(tǒng)采用基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)，綜合了無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線通信技術(shù)、分布式信息、處理技術(shù)、嵌入式計(jì)算等相關(guān)技術(shù)。可以通過布置在大樓內(nèi)的參考節(jié)點(diǎn)以及消防員身上攜帶的移動節(jié)點(diǎn)，形成一個(gè)多跳的、自組織的、具有自愈能力的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，這些節(jié)點(diǎn)之間合作地完成感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中可感知對象的信息，并在上位機(jī)上實(shí)時(shí)地顯示這些信息的變化，為消防員和指揮官提供營救人員在大樓中的詳細(xì)位置信息和火災(zāi)現(xiàn)場的環(huán)境。及時(shí)準(zhǔn)確地掌握消防員的位置能極大地幫助指揮官做出決策，例如什么時(shí)候撤離消防員，從而避免更大的損失。無火災(zāi)時(shí)，各參考節(jié)點(diǎn)還可以起到火災(zāi)監(jiān)測報(bào)警的作用，為消防報(bào)警提供了雙重保障，是消防裝備中不可缺少的現(xiàn)代化高科技設(shè)備之一。二、總體設(shè)計(jì)ZigBee定位系統(tǒng)是由定位監(jiān)控中心和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的一個(gè)可視化的無線定位監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)基本全部采用無線傳輸，從而減少了布線，使用方便。定位監(jiān)控系統(tǒng)中的無線定位網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要由ZigBee網(wǎng)關(guān)、參考節(jié)點(diǎn)以及定位節(jié)點(diǎn)組成，如圖1.1所示。定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的定位監(jiān)控中心可在控制中心，參考節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)確布置在建筑物內(nèi)部，定位節(jié)點(diǎn)由消防官兵隨身攜帶。由于網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)定位節(jié)點(diǎn)均有自己的網(wǎng)絡(luò)地址，因此，ZigBee定位系統(tǒng)可同時(shí)做到無干擾的多個(gè)救援人員的定位。圖1.1ZigBee定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能定位監(jiān)控中心，定位監(jiān)控中心主要是由定位系統(tǒng)的主機(jī)組成，主機(jī)上裝有定位監(jiān)控軟件，實(shí)時(shí)監(jiān)控定位節(jié)點(diǎn)的位置，可在監(jiān)控軟件上輸入?yún)⒖脊?jié)點(diǎn)和定位節(jié)點(diǎn)的配置數(shù)據(jù)，接收定位節(jié)點(diǎn)回傳的數(shù)據(jù)，即定位節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，在監(jiān)控軟件上顯示該坐標(biāo)。監(jiān)控軟件可將定位情形形象化的圖形顯示，方便用戶簡易獲取自己所需的定位信息。定位系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)，定位系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)即為ZigBee網(wǎng)關(guān)，它是無線定位系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，由一個(gè)HFZ-CC2430EM模塊和HFZ-SmartRF07EB組成，通過RS232串口延長線與PC相連。它在整個(gè)系統(tǒng)中有著至關(guān)重要的作用，是所有參考節(jié)點(diǎn)及定位節(jié)點(diǎn)的信息匯集的地方。首先它要組建網(wǎng)絡(luò)接收由監(jiān)控軟件提供的各參考節(jié)點(diǎn)和定位節(jié)點(diǎn)的配置數(shù)據(jù)，并發(fā)送給相應(yīng)節(jié)點(diǎn)；其次，還要接收各節(jié)點(diǎn)反饋的有效數(shù)據(jù)（例如定位節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)Bx、By），并將其傳輸給監(jiān)控軟件?？偨Y(jié)其功能有建立網(wǎng)絡(luò)、收發(fā)數(shù)據(jù)、與計(jì)算機(jī)的監(jiān)控軟件進(jìn)行串口通信、LCD顯示各個(gè)參考節(jié)點(diǎn)和定位節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址、轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)控軟件對參考節(jié)點(diǎn)和定位節(jié)點(diǎn)的配置參數(shù)、轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)控軟件的請求配置命令、轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)控軟件的請求定位節(jié)點(diǎn)命令等。定位系統(tǒng)參考節(jié)點(diǎn)，定位系統(tǒng)參考節(jié)點(diǎn)(Rn)是無線定位系統(tǒng)中已知坐標(biāo)的靜態(tài)節(jié)點(diǎn)，是ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的路由器，由電池板和CC2430模塊組成，結(jié)構(gòu)與定位節(jié)點(diǎn)相似，區(qū)別在于它所用的芯片是CC2430模塊，而定位節(jié)點(diǎn)所用的是CC2431模塊。這個(gè)節(jié)點(diǎn)必須被正確地配置在定位區(qū)域中，配置的坐標(biāo)由用戶指定。它首先要加入網(wǎng)絡(luò)提供一個(gè)包含自己坐標(biāo)位置Rx、Ry和RSSI值的信息包給定位節(jié)點(diǎn)。總結(jié)其功能有加入定位網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無線收發(fā)數(shù)據(jù)、收集信號強(qiáng)度值、可被網(wǎng)關(guān)動態(tài)的配置坐標(biāo)、發(fā)送自身坐標(biāo)和信號強(qiáng)度等。定位系統(tǒng)定位節(jié)點(diǎn)，定位節(jié)點(diǎn)(B)是無線定位系統(tǒng)中的可任意移動的節(jié)點(diǎn)，由電池板和CC2431模塊組成，CC2431無線定位芯片是由Motorola公司和TI公司共同開發(fā)的，它含有的定位引擎可以實(shí)現(xiàn)0.25m的定位分辨率。定位引擎通過處理參考節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息包來計(jì)算自身坐標(biāo)，是ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的路由器。定位節(jié)點(diǎn)首先要加入網(wǎng)絡(luò)以便能夠與參考節(jié)點(diǎn)通信，收集參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)Rx、Ry和RSSI值，根據(jù)這些信息和輸入的參數(shù)A、N一起計(jì)算自身坐標(biāo)信息，然后將自身位置信息Bx、By發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，最后通過RS232傳送給定位監(jiān)控中心?？偨Y(jié)其功能有加入網(wǎng)絡(luò)、無線收發(fā)數(shù)據(jù)、可被網(wǎng)關(guān)配置相關(guān)定位參數(shù)、計(jì)算并發(fā)送自身坐標(biāo)等。此節(jié)點(diǎn)安裝在救援人員的安全帽上。因此，佩戴此類安全帽的救援人員進(jìn)入變火場內(nèi)時(shí)，監(jiān)控中心可監(jiān)控其在站內(nèi)的實(shí)時(shí)位置。三、開發(fā)流程與創(chuàng)新調(diào)研，對消防官兵經(jīng)常遇到的火場的高度、空間大小的方面進(jìn)行調(diào)研，并以此為基礎(chǔ)對ZigBee、藍(lán)牙、Wifi和UWB等通信技術(shù)手段，在定位的準(zhǔn)確性、靈活性、穩(wěn)定性等等各方面綜合分析，得出哪種通信手段適合本次工程使用；ZigBee技術(shù)研究，對ZigBee技術(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)研究，闡述ZigBee的協(xié)議規(guī)范，分析協(xié)議的物理層PHY、介質(zhì)控制層MAC、網(wǎng)絡(luò)層NWK、應(yīng)用層APL的各層功能，并對Zigbee網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)過程中常用到的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行學(xué)習(xí)；算法研究與實(shí)現(xiàn)，對集中式定位和分布式等多種定位算法進(jìn)行研究，并將最合適消防救援的算法進(jìn)行仿真、優(yōu)化，最后在系統(tǒng)中應(yīng)用。完成基于ZigBee技術(shù)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，完成系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖、Z-Stack協(xié)議棧運(yùn)行機(jī)制和實(shí)現(xiàn)所采用的定位算法。對系統(tǒng)的硬件平臺和軟件平臺進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成各個(gè)節(jié)點(diǎn)的硬件和軟件部分設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)所需要的功能。系統(tǒng)測試，試驗(yàn)測試定位系統(tǒng),并對實(shí)驗(yàn)效果進(jìn)行了分析。簡單闡述了系統(tǒng)在消防安全上的應(yīng)用。此系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的基于ZigBee技術(shù)定位系統(tǒng)應(yīng)能夠完成室內(nèi)的區(qū)域定位的功能，并可以在消防救援的環(huán)境中正常使用，并且本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件節(jié)點(diǎn)小巧精致，可以被消防人員攜帶，從而可以在他們作業(yè)的時(shí)候起到定位的作用。在軟件實(shí)現(xiàn)方面,提出了一種新的定位精度更高的定位算法，可以有效的減少移動人員的定位時(shí)間，增加定位的精準(zhǔn)性，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定。四、開發(fā)環(huán)境硬件條件：一臺PC機(jī):能運(yùn)行Windows2000以上的版本,具有普通光盤驅(qū)動器、USB接口、串行接口,主頻在80OMHz以上；一套ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳感器的節(jié)點(diǎn)開發(fā)套件:即能實(shí)現(xiàn)含有1個(gè)協(xié)調(diào)器、8個(gè)路由器、22個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的開發(fā)套件；一個(gè)仿真器:能把各個(gè)編譯好的可燒寫文件.hex下載到開發(fā)板上,從而實(shí)現(xiàn)各種功能類型的節(jié)點(diǎn)；一個(gè)萬用電表:檢測開發(fā)板的工作狀態(tài)和故障問題。軟件條件：MATLAB2012b、VisualC++6.0等軟件。五、本人承擔(dān)的任務(wù)及完成情況針對目前的各種無線定位技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，本文將ZigBee技術(shù)用于救援人員定位，但因其原有的定位算法在定位中存在諸多不足，而目前的相關(guān)研究還沒有有效的方法來改進(jìn)，本文提出了基于模糊推理算法的改進(jìn)方法，然后進(jìn)行了仿真及實(shí)驗(yàn)研究。本文的主要研究內(nèi)容有以下幾點(diǎn)：用天線理論分析了ZigBee定位系統(tǒng)中的發(fā)射源的參數(shù)，用此發(fā)射源對自由空間中電磁波的傳播進(jìn)行了FDTD仿真分析，經(jīng)仿真和數(shù)據(jù)的曲線擬合得到了自由空間中電磁波衰減的公式，與理論公式基本相符，為以后的定位結(jié)果的計(jì)算提供了依據(jù)。針對現(xiàn)有的定位方法在定位精度及定位穩(wěn)定性方面的不足，本文提出了基于模糊推理的定位方法，并將其用于火場人員定位的步驟進(jìn)行了詳細(xì)介紹，由于非視距、多徑效應(yīng)和電磁干擾等因素會導(dǎo)致參考節(jié)點(diǎn)所接收的信號強(qiáng)度與理論值有較大差異，本文所提出的模糊算法避免了直接取信號強(qiáng)度大的三個(gè)參考節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位計(jì)算，而是選取可信度高的三個(gè)參考節(jié)點(diǎn)參與定位計(jì)算。建立了火場內(nèi)人員定位的定位模型，并在定位區(qū)域內(nèi)選取了多個(gè)位置作為定位系統(tǒng)中定位節(jié)點(diǎn)的所在位置，分別對定位節(jié)點(diǎn)在不同位置時(shí)的定位情形進(jìn)行了模擬仿真，將仿真的結(jié)果用傳統(tǒng)的直接測距方法和新提出的基于模糊推理算法的方法分別進(jìn)行了定位計(jì)算以形成對比。針對用戶對火場內(nèi)人員定位監(jiān)控的需要，本文使用VisualC++6.0軟件編寫了用火場定位的監(jiān)控軟件，改進(jìn)了ZigBee定位系統(tǒng)本身的定位監(jiān)控軟件存在的缺點(diǎn)，使用戶監(jiān)控起來更為直接、更為方便。六、經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)通過這幾個(gè)月的實(shí)習(xí)工作，我認(rèn)識到要作一個(gè)真正合格的工程開發(fā)人員，應(yīng)該具有以下的的素質(zhì)：

團(tuán)隊(duì)精神和協(xié)作能力，

把它作為基本素質(zhì)，并不是不重要，恰恰相反，這是程序員應(yīng)該具備的最基本的，也是最重要的安身立命之本。獨(dú)行俠可以作一些賺錢的小軟件發(fā)點(diǎn)小財(cái)，但是一旦進(jìn)入一些大系統(tǒng)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，進(jìn)入商業(yè)化和產(chǎn)品化的開發(fā)任務(wù)，缺乏這種素質(zhì)的人就完全不合格了。

文檔習(xí)慣，良好的文檔是正規(guī)研發(fā)流程中非常重要的環(huán)節(jié)，作為工程開發(fā)人員