基于zigbee无线定位技术研究毕业论文(编辑修改稿)

基于zigbee无线定位技术研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

使 用信标使能的通信。 网状网络允许全对等通信，但是网状网络中的路由节点 发送的不是标准信标帧。 但是从功能上主要分为星状网络拓扑结构和对等网络拓扑结构两种类型。 其中树状网络和网状网络同属于对等网络拓扑结构。 下面分别对这两种网络拓 扑结构进行介绍。 在介绍具体网络拓扑结构之前先介绍两个概念：全功能设备 ((Full Function Device, FFD 和精简功能设备 (Reduced Function Device, RFD)。 FFD 的特点 有：支持任何网络拓扑结构、可以成为网络协调器或路由 器、可以充当网络中 的任何设备以及能和任何设备通信； RFD 的特点有 :不能成为网络协调器、不能有子节点、只能和自己的父节点通信。 星状网络拓扑 星状网络拓扑结构如图 21 所示。 星状拓扑网络结构由一个叫作个域网(Personal Area Network, PAN)主协调器的中央控制器和多个从设备组成，其中主协调器必须为 FFD 设备，从设备既可为 FFD 设备也可为 RFD 设备。 图 21 星状网络拓扑结构图 星状网络拓扑结构的形成：首先 选择一个具有全功能的设备 ((FFD)做为网络的 PAN 主协调器，然后由它来建立一个新的网络，并确定该网络的唯一的一个PAN 标识符，即 PANID 号。 每个星状网络中只有唯一的一个 PAN 主协调器，所以每个星型网络通信都是独立于当前其他星型网络的，所以应该选择一个新的 PANID 号以确保网络的唯一性，这种特点是 ZigBee 技术所特有的。 当协调器建立了新的网络以后，其他从设备就可以加入到这个网络之中，做为这个星状网络的子节点。 其中，从设备可以是 FFD 设备，也可以是 RFD 设备。 7 目前，星状网络拓扑结构以其结构简单、 实现起来比较容易等特点而被大 量应用在远程监测和控制中。 星状网络结构的简单主要体现在紧需要执行很少的上层协议、对路由功能的控制相对容易，而且方便管理。 大部分管理工作都是由 PAN 协调器来完成的。 但是由于其只能实现简单的网络，所以在大规模组网的场合里便无法应用，而且如果通信中某个节点的断开，便会对其他节点的通信造成影响，一定程度上限制了无线网络的覆盖范围，同时星状网络拓扑结构也很难实现高密度的扩展。 对等网络拓扑 ZigBee 网络中的树状网络拓扑和网状网络拓扑两种结构同属于对等网络 拓扑形式，其中树状网络拓扑结构如图 22 所示，其中防调器和路由器都是 FFD 设备，终端设备为 RFD。 终端设备节点只能与自己的父节点进行通信， 从属于不同父节点的子节点之间不能进行通信。 图 22 树状网络拓扑结构图 网状网络拓扑结构如图 23 所示，网状拓扑网络中的所有节点都是 FFD 设备。 节点间是完全对等的通信，每个节点都可以与它的无线通信范围内的其它节点通信，但也需要有一个节点作为网络防调器，通常把第一个在信 道中通信的节点作为防调器节点。 8 图 23 网状网络拓扑结构图 其中树状网络中任何一个节点的故障都会使与其相连的子节点部分脱离网 络。 如果在稳定的无线电射频环境中，需要有一定的网络覆盖范围，而且网络 有一定的稳定性和扩展性，那么树状网络拓扑将是一个很好的选择。 ZigBee 协议的研究 ZigBee 协议栈的体系结构是由物理层 (Physical Layer,PHY) ,媒体访问控制层(Medium Access Control Sublayer, MAC)、网络层 (Network Layer, NWK）和应用层 (Application Layer, APL）组成的。 其中， PHY 层和 MAC 层协议由 IEEE 定义，网络层和应用层的协议由 ZigBee 联盟定义，而应用层又包含应用支持子层 (Application Support Sublayer, APS),应用框架 (Application Framework, AF), ZigBee 设备对象 (ZigBee Device Objects,ZDO)和由制造商制定的应用对象。 其中各个层之间的通信是通过各层的数据或管理服务接口实现的。 ZigBee 技术应用前景 ZigBee 标准的制定不是用来与蓝牙及其它已经存在的标准竞争的，它的出发点是希一望能够实现一种易布建的低成本无线网络。 在产品发展初期，以工业或企业市场的感应式网络为主，提供感应辨识、灯光和安全控制等功能，慢慢地逐渐将市场拓展至家庭应用领域。 通常 ZigBee 技术适用的场合主要有：要求设备成本低，数据传输量少的应用；要求设备体积小、功耗低，长时间无需更换电池的场合；需要大范围的通信覆盖，网络中设备非常多的 远程监控中。 由于 ZigBee 标准还制定了能使不同制造商之间共享网络资源的应用框架， 9 其目标定位在现存的系统还不能满足产品需求的特定的市场，因而有着广阔的应用前景。 其应用领域主要包括以下几个方面：家庭和楼宇网络中涉及到的空调温度的监控、照明设备的自动控制、电表和水表的计量控制、窗帘的自动控制、家用电器的远程控制等；工业控制中涉及到的各种监控器、传感器的自动化控制等；商业领域的智能标签等；公共场所的烟雾探测器等；农业控制上收集各种土壤信息和气候信息等；以及老人与行动不便者的紧急呼叫器和医疗传感器等等。 无论学术界还是实业界，人们看重 ZigBee 还有更重要的一点： ZigBee 技术为酝酿了 20 余年的普适计算理论，首次提供了一个从理论走向现实的技术平台。 ZigBee 标准的普及，可以说是计算技术第四次浪潮的第一波。 随着微电子技术、计算机技术的不断发展进步，微处理芯片的组网功能会进一步加强，使得智能传感器与无线通信网络的结合将会变得更加容易。 应用高性能的嵌入式处理器可以使信息网络的功能越来越强，相信在不久的将来，我们周围的生活环境将是无所不在的网络。 10 第三章 基于 ZigBee 技术定位系统的设计 ZigBee 定位技术的介绍 随着无线技术在定位领域的迅猛发展，近些年来逐渐出现了很多用于定位的无线通信技术，比较典型的有红外技术、超声波技术以及同时兼顾定位精度和成本考虑的 RFID 方案。 随着 ZigBee 协议的推出，人们便开始了基于 ZigBee技术定位的研究。 2020 年，德州仪器 (TI)公司率先推出了一款带有定位引擎的并且满足 ZigBee 协议的片上系统 (SOC)解决方案 CC2431。 这款来自 Chipcon 产品系列的器件可满足 多种应用要求，其中包括资产和设备跟踪、库存控制、病人监护、远程控制、安全监控网络等。 此外， TI 领先的 ZigBee 协议栈 ZStack 还可提供相关支持。 CC2431 建立在业界首款针对低功耗 RF 应用的 SOC 解决方案 CC2430 的基础上的，封装小、功能强。 它内置有摩托罗拉为其专门设计的一款定位引擎，是基于接收到的信号强度 RSSI 测量的定位引擎，其中 RSSI 值随距离增大而减小。 CC2431 基于 RSSI 的定位引擎能根据接收信号的强度与已知 CC2430 参考节点的位置准确计算出有关节点的位置，然后将位置信息发送 给接收端，如电脑、 PDA、手机等。 相比于集中型的定位系统， RSSI 功能降低了网络流量与通信延迟，在典型应用中可实现 35m 的精度。 除了使用像 CC2431 这种带定位功能的 ZigBee 芯片之外，近两年已经有越来越多的企业、研究所和高校在从事研究利用 ZigBee 网络进行定位的工作。 都是利用一些已有的或是经过改进的一些定位算法，再利用 ZigBee 技术的组网功能进行位置的估计。 并且有些地方已经进行了实际应用，例如，停车场车辆定位、矿井下人员定位、发生火灾时消防队员的定位以及医院或家庭里老人或重病人的定位监护 等等。 随着定位技术和无线传感器网络技术的不断发展，基于ZigBee 网络的定位技术在未来人们生活中将会得到越来越多的应用。 本论文所设计的系统就是利用 ZigBee 网络，以及已有定位算法所开发出的一套基于 ZigBee 技术的无线定位系统。 对系统的设计包括：对定位系统所采用算法的选择、硬件芯片的选取及外围电路的设计以及各部分软件功能的实现。 下面将对各个部分的设计做详细的介绍。 11 系统所采用的算法介绍 基于 RSSI 测距算法 由于传感器节点自身具备通信能力，通常通信控制芯片都有测量 RSSI 值的功能，所以利用这种技术来测距可大大地降低功率和成本。 但这种方法的不足就是直接使用时会有很大的误差，其误差主要来源于信号实际传播的过程中周围环境影响造成的信号衰减与理论或经验模型不符，从而造成实际测量的误差。 RADAR 系统是使用 RSSI 测距的最典型的系统。 在 RADAR 系统中，忽略了走廊以及楼梯等的影响，主要考虑建筑物墙壁对信号传播的影响，建立了信号衰减和传播距离间的关系模型，如公式 (31)所示： ., .,{)l o g (10])[(])[( 00 CnWW A FC CnWW A FnWddnd B mdpd B mdp   (31) 其中 P(司表示基站接收到用户的信号强度； )(0dp 表示基站接收到在参考节点 0d 发送信号的强度，假设所有节点的发送强度相同； n 表示参考节点和路径损耗之间的比例因子，依赖十建筑物的结构和使用的材料 ； 0d 表示参考节点和基站的距离； d 表示需要计算的节点和基站的距离； nW 表示节点和基站间墙壁个数； C 表示信号穿过墙壁个数的闽值； WAF 表示信号穿过墙壁的衰减因子，依赖于建筑物的结构和使用的材料。 本文以上述模型为理论基础，参考 CC2431 定位模型，根据具体环境的要求，反复进行实验测试，设计了如下的参考模型，作为利用 RSSI 测距的理论模型依据 (如 公式 (32)： BdAR S S I  10lo g|| (32) 其中， A 为一个经验值，要在实际使用环境中去测量它的值，在本文中，我们根据使用环境，多次测量取平均值，最后我们选择 40 为 A 的经验值； B 是信号接收节点距离发射节点 1 米时，信号衰减值，在此处为 20； d 为发射点到接收点的距离。 这里需要强调的是， RSSI 的值是一个负数值，所以在上面的公式中我们取 RSSI 的绝对值。 这样我们根据这个模型， 就可以在测量到 RSSI 值以后，通过计算得到相应的距离值。 三边测量法 三边测量法，已知 A,B,C 二个节点的坐标分别为（ aayx, ）、（ bbyx, ）、（ ccyx, ） 12 以及它们到未知节点。 的距离分别为 ad , bd , cd ,假设节点 O 的坐标为 (x,y)。 那么存在下列公式 : aaa dyyxx  22 )()( (33) bbb dyyxx  22 )()( (34) ccc dyyxx  22 )()( (35) 由上式可以得到节点 O 的坐标，如公式 (36):      2222222222221)(2)(2 )(2)(2 bccbcb accacacbcb caca ddyyxx ddyyxxyyxx yyxxyx (36) 系统硬件设计 硬件总体规划 定位节点硬件设计框架如图 31 所示。 硬件电路设计包括两部分 :无线通信模块设计和辅助功能模块设计。 无线通信模块为节点间的无线数据收发接口，它是节点核心部分。 辅助功能模块完成定位状态指示、供电、串口通信等辅助功能，它通过 RS232 串口转 换电路实现 PC 机与协调器节点间的数据传输。 为了降低开发成本，硬件平台没有按节点功能分别单独设计，而是将所有功能放在了一个平台上。 根据节点实际功。