基于zigbee技术的室内定位系统研究与实现--硕士学位论文

基于zigbee技术的室内定位系统研究与实现--硕士学位论文内容摘要：

一个锚节点的所有信标中保存具有最小跳数值的信标，丢弃具有较大跳数值的同一 锚节点的信标。 通过这一机制，网络中所有节点 (包括其他锚节点 )都获得了到每一个锚 节点的最小跳数值。 为了将跳数值转换成物理距离，系统需要估计网络中平均每跳的距离。 锚节点具有 到网络内部其他锚节点的跳数值以及这些锚节点的位置信息，因此锚节点可以通过计算 得到距其他锚节点的实际距离。 经过计算，一个锚节点得到网络的平均每跳距离，并将 此估计值广播到网络中，称作校正值，任何节点一旦接收到此校正值，就可以估计自己 到这个锚节点的距离。 如果一 个节点能够获得到 3 个以上锚节点的估计距离，它就可以 利用三边法估计其自身的位置。 Dv． Hop 算法与基于测距算法具有相似之处，就是都需要获得未知节点到锚节点的 距离， j 但是 DV． Hop 获得距离的方法是通过网络中拓扑结构信息的计算而不是通过无线 电波信号的测量。 在基于测距的方法中，未知节点只能获得到自己射频覆盖范围内的锚节点的距离， 而 DV=Hop 算法可以获得到未知节点无线射程以外的锚节点的距离，这样就可以获得更 多的有用数据，提高定位精度。 (3)不定型算法 不定型 (Amorphous)【 ll， 121 定位 算法与 DV． Hop 算法类似。 首先，采用与 DV． Hop 算 法类似的方法获得距锚节点的跳数，称为梯度值。 未知节点收集邻居节点的梯度值，计 算关于某个锚节点的局部梯度平均值。 与 DV． Hop 算法不同的是： Amorphous 算法假定 预先知道网络的密度，然后离线计算网络的平均每跳距离，最后当获得 3 个或更多锚节 点的梯度值后，未知节点计算与每个锚节点的距离，并使用三边测量法和最大似然估计 法估算自身位置。 (4)APIT 算法 在近似三角形内点测试法 (Approximate Point— In． Triangulation test， APIn 算法【 168。 ，12l 中，一个未知节点从它所有能够与之通信的锚节点中选择 3 个节点，测试它自身是在这 3 个锚节点所组成的三角形内部还是在其外部；然后再选择另外 3 个锚节点进行同样的 测试，直到穷尽所有的组合或者达到所需的精度。 如果未知节点在某三角形内部，称此 基于 ZigBee 技术的室内定位系统研究与实现 三角形包含未知节点；最后，未知节点将包含自己的所有三角形的相交区域的质心作为 自己的估计位置。 APIT算法在不规则传播信号模式和节点随机部署的条件下，通信开销小，精度较 高，适合跟踪等应用。 但是， APIT 算法需要足够的 PIT三角形才能够达到精确要求， 这就需要在通信范围内有足够的参考节点。 1． 4 ZigBee 定位技术研究现状和发展 伴随着 ZigBee 技术的出现，基于 ZigBee 技术的定位研究也随之展开。 国内外许多 公司和研究机构展开了基于 ZigBee 技术的无线定位技术研究。 总体而言，基于ZigBee 的无线定位问题的研究在国内才刚刚起步，主要还处于利用国外芯片应用开发上面。 国 外在硬件芯片、协议栈、软件配套、定位算法理论研究上都实现了产品化。 不过在实际 应用中，因各种外部环境的限制，许多算法存在有待改进的方面。 2020年第一季度，各大芯片制造商纷纷推出了符合 ZigBee 标准的收发模块和通信 套件，但是目前只有 4 个原始设备生产商 (OEM)的 ZigBee 套件符合 ZigBee 联盟规定的 标准。 这四家公司分别是挪威的 Chipon AS(CC2420／ CC2430 和 CC2500／ CC2550 等 )、美 国 CompXs 公 N(ML7065)、美国 Ember 公司 (EM2420)、美国 Freescale Semiconductor 公司 (MCl3192／ MCl3193)。 4 个公司的芯片功能都各有其特点，适合于不同的应用场合。 其中主流的芯片为 Chipcon 公司的芯片 CC2420 和 CC2430，以及Freescale 公司的芯片 MCl3193。 基于 ZigBee 技术的定位系统也以这些芯片为核心器件。 2020 年 7 月，德州仪器 (TI)宣布推出业界首款带硬件定位引擎的片上系统 (soc)解 决方案 CC2431，该芯片的出现实现了 ZigBee 定位技术的飞跃，即将定位算法用硬件实 现【 1 31。 基于 CC2431 商品化的定位系统大量涌现。 国内如成都无线龙、深圳旭昂科技等 公司也推出了自己成熟的定位解决方案。 总体而言，目前存在两种 ZigBee 定位解决方案。 (1)基于 CC2431片上系统的单芯片定位方案 CC243l在 CC2430 基础之上增加了基于 RSSI的硬件定位引擎【 13,28】，通过输入环境 信息以及参考节点的坐标信息，即可输出未知节点的坐标，在典型应用中可以实现 3～ 5m 的精确定位。 但由于其定位算法由硬件物理完成，导致基于 CC2431 的定位系统灵 活性较差。 (2)CC2430／ (MCU+CC2420)+定位算法 利用 CC2430 实现网络中节点的信息传输，将定位方法嵌入芯片内部或在上位机集 中处理，其定位算法可以灵活选择，本文就是使用 CC2430 芯片进行定位实现的。 大连理工大学硕士学位论文 1． 5 论文研究思路与内容安排 本文主要研究基于 ZigBee 网络的室内无线定位技术及定位跟踪系统的实现。 论文 通过对目前各种无线定位技术的分析研究，借鉴了无线局域网的经典定位技术，利用 RSSI 和 LQI 值进行定位，实现了一个定位跟踪系统。 本文主要通过对大量实测数据的 分析，总结信号传输规律，以建立适合实际应用的定位模型。 全文共分为六个部分。 具 体章节内容安排如下： 第 1章绪论 首先阐述了课题的研究背景，介绍了当前较实用的室内无线定位系统。 对无线定位 算法进行了简单的说明，探讨了 ZigBee 技术的研究现状和发展，最后总结了本文的主 要工作和论文的框架结构。 第 2 章 ZigBee技术和 Z． Stack 协议栈 从 ZigBee网络组成和协议结构两个方面入手，对IEEE802． 15． 4／ ZigBee协议标准进 行了概述，并从应用的角度讨论了 ZigBee 技术的优越性。 对 Z． Stack 协议栈进行了详细 的介绍，总结了理解 Z． Stack 协议栈的几个关键点。 给出了利用 Z． Stack 协议栈进行应 用开发的步骤。 第 3 章实用室内定位方法研究 对各种较实用的定位算法进行了研究，通过实验，获取了大量的测试数据。 总结了 几种实用算法的优缺点。 提出了自己的定位实现方案。 第 4 章基于 ZigBee 网络的定位系统设计 实现了一个无线传感器定位系统，包括硬件平台、以 Z． Stack 协议栈为基础的定位 节点程序和 PC监测软件三部分。 第 5 章定位系统功能测试 对定位系统进行了实际测试，总结优缺点。 给出了进一步完善功能的方法。 并指出 了可以进一步研究的方向。 总结 最后对论文进行了总结和展望。 在该部分中对自己的工作进行了总结，并针对论文 尚未解决的问题给出了改进建议。 茔上 !!业竺堡查塑兰塑星 !!墨竺堡垒兰至坐 2 ZigBee 技术和 z Stack 协议栈 2 1 ZigBee 技术基础知识 21 1 Zigl3ee 发展概述 近十年来，随着半导体按术和无线通信技术的不断发展，陆续出现了多种新的短距 离无线通信技术。 为了满足对低功率，低价格无线网络的需求， 2020 年 12 月， IEEE 标准 委员会正式批准成立 T80215 412 作组，其目标是：在廉价的、倒定或便携的、移动的 装置中，提出一个具有超低复杂度、超低价格、超低功耗、超低数据传输率的无线接人 标准。 也就是要开发一种低速率的 WPAN(LRWPAN， Low． Rate Wireless Pe 嚣 onal Area Network)标准。 《 曰 妒，～， — ； ≤■ ： _ 目 2 1 ZigBee与其他无线标准的对比 Fig 2 I The parisonofZigBee and otherwireless standards 2020 年，英匡 ]Invensys 公司、日本二菱电气公司、美囤摩托罗拉公司以及荷兰飞利 浦等公司茫同宣布组成 ZigBee 技术联盟，共同研究开发 ZigBee技术。 2020 年 11 月， IEEE 正式发布了该项技术的物理层 ,≠DMAC 层所采用的标准胁议．即 IEEE802 I 5 4 协议标准，作为 ZigBee 技术物理层和媒体接入层的标准协议； 2020 年 12月， ZigBee 鞋盟在 IEEES02 15． 4 协议基础上，止式发布了完整的 zlgBee 标准。 2020 年 IEEE发 布了 IEEE802 1 5 4 阱议标准修 U 版。 大连理工大学硕士学位论文 从 ZigBee与其他无线标准的对比图 2． 1 中，可以看到 ZigBee技术在无线标准体系 中的位置。 2． 1． 2 ZigBee 技术特点 IEEE802． 15 委员会制定了三种不同的 WPAN(Wireless Personal AreaNetwork)标准， 区别在于通信速率、 QoS 能力等。 802． 15． 1 标准即蓝牙技术，具有中等速率，适合于从 蜂窝电话到 PDA 的通信，其 QoS 机制适合于话音业务。 802． 15． 3 标准是高速率的WPAN 标准，适合于多媒体应用，有较高的 QoS 保证。 802． 15． 4 标准也就是 ZigBee 技术，目 标市场是工业、家庭以及医学等需要低功耗、低成本无线通信的应用，对数据速率和 QoS的要求不高。 ZigBee 的主要技术特征如表 2． 1 所示。 表 2． 1 ZigBee 的主要技术特征 Tab． 2． 1 The main technology character of ZigBee 特性 取值／状态 频段 868／ 9 1 5MHz 和2． 4GHz 868MHz：20kbps 数据速率 915MHz： 42 kbps 2． 4GHz： 250 kbps 868／ 9 1 5MHz： BPSK 调制方式 2． 4GHz： OQPSK 扩频方式 直接序列扩频 通信范围 10． 100m 通信延时 1530ms 868MHz： l 信道数目 915MHz10 2． 4GHz： 16 寻址方式 64bitlEEE 地址， 16bit 网络地址 信道接入 CSMA／ CA 和时隙化的 CSl＼ dA／CA 网络拓扑 星形、树状、网状 功耗 极低 状态模式 激活／休眠 选择 ZigBee技术进行项目开发，是基于其具有的诸多性能优点。 具体来讲，可总 结如下【 15】： 基于 ZigBee 技术的室内定位系统研究与实现 (1)数据传输速率低。 ZigBee 技术的最大传输速率只有 250kbps，专注于低速率传 输应用。 (2)设备省电，功耗极低。 ZigBee 技术采用了多种节电的工作模式，可以确保两节 五号电池支持长达 6 个月到 2 年左右的使用时间。 (3)通信可靠性高，数据安全。 ZigBee 采用了 CSMA． CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)的避免碰撞机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留 了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突； MAC层采用了完全确认的数据传输机 制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息，因此通信可靠性高。 ZigBee 提供 了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用 AES． 128，同时协议栈的各层可以灵活确 定其安全属性。 (4)网络的自组织、自愈能力强。 ZigBee 网络无需人工干预，网络节点能够感知其 它节点的存在，并确定连接关系，构成结构化的网络。 ZigBee 网络增加或者删除～个节 点、节点位置发生变动、节点发生故障等，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进 行相应地调整，无需人工干预，保证整个系统仍然能正常工作。 (5)时延短，设备接入网络快。 通常时延都在 15ms 到 30ms 之间，因此设备接入网 络和数据传送的延时时间很短，适合实时的监测和控制应用。 (6)成本低廉，工作频段灵活。 设备的复杂程度低，且 ZigBee 协议是免专利费的， 可以有效地降低设备成本。 ZigBee 的工作频段灵活，使用的频段分别为 2． 4GHz(全球 )、 868MHz(欧洲 )及 915MHz(美国 )，均为免执照频段。 (7)网络容量大。 每个 ZigBee 网络最多可支持 65000 个节点，也就是说每个 ZigBee 节点可以与数万节点相连接，可以说网络容量极其庞大，尤其适用大规模无线传感器网 络。