基于zigbee的室内无线定位设计毕业设计(编辑修改稿)

基于zigbee的室内无线定位设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

e Access with Collision Avoidance)的信道访问机制。 (6)支持 ACK 机 制以及保证可靠传输。 (7)低功耗机制。 (8)信道能量检测 (ED， Energy Detection)。 (9)链路质量指示 (LQI， Link quality indication)。 (10)工作在 ISM 频段上，其中在 2450MHZ 波段上有 16 个信道，在 915MHZ 频段上有 30个信道，在 868MHZ 上有 3个信道。 (11)数据安全策略。 网络协议栈基于开放系统互连模型 (OSI)，如图 21所示，每一层华北科技学院毕业设计（论文 ） 第 9 页 共 49 页 都实现一部分通信功能，并向高层提供服务。 图 21 协议栈架构 标准只定义了 PHY 层和数据链路层的 MAC 子层。 PHY 层由射频收发器以及底层的控制模块构成。 物理层的特性是激活和关闭无线收发器、能量检测、链路质量指示、空闲信道评估、通过物理媒介接收和发送分组数据。 MAC 子层为高层访问物理信道提供点对点通信的服务接口。 它的功能是进行信标管理、信道介入、保证时基于 ZigBee 技术的室内定位系统研究与实现隙 (GTS)管理、帧确认、应答帧传送、连接和断开连接。 此外， MAC 层为实现适当的安 全机制应用提供一 些方法。 在 MAC 子层 之上的高层包括网络层和应用层，对于不同的高层协议，也可以通过逻辑链路控制子层 (LLC， Logical Link Control)以及特定服务聚合子层 (SSCS，ServiceSpecific Convergence Sublayer)来访问 MAC 子层。 ZigBee 协议栈概述 ZigBee 技术作为一种新兴的低速率短距离无线通信技术，也是 ZigBee 联盟(ZigBeeAlliance)所主导的无线传感器网络技术标准。 完整的 ZigBee 协议栈有物理层、 MAC 子层、网络层、应用汇聚子层和高层应用规范层 组成。 每一层为上层提供一系列特殊的服务：数据实体提供数据传输服务，管理实体则提供所有其他的服务。 所有的服务实体都通过服务接入点 (SAP)为上层提供一个接口，每个 SAP 都支持一定数量高层协议 SSCS PHY MAC 物理媒质 基于 ZigBee 技术的室内无线定位技术设计 第 10 页，共 49 页 的服务原语来实现所需的功能。 ZigBee 协议体系架构如图 22所示。 应 用应 用应 用 汇 聚 子 层网 络 层I E E E 8 0 2 . 2 逻 辑 链 路类 型 （ L L C ）业 务 特 定 汇 聚 子 层（ S S C S ）其 他 逻 辑 链路 控 制 标 准媒 体 访 问 层8 6 8 / 9 1 5 M H Z物 理 层8 6 8 / 9 1 5 M H Z物 理 层Z i g b e e联 盟I E E E 8 0 2 .1 5 . 4 图 22 ZigBee 协议体系架构图 其中， ． 20xx 标准定义了底层：物理层 (Physical Layer， PHY)和MAC 层。 定义的 PHY 层分别工作在两个 频段上： 868/915MHz 和。 其中低频段物理层覆盖了 868MHz的欧洲频段和 915MHz的美国与澳大利亚等国的频段，高频段则全球通用。 MAC 层采用 CSMACA 机制来控制信道接入，主要负责传输信标帧，同步以及提供可信赖的传输机制。 ZigBee 联盟在此基础上定义了网络层 (Network Layer， NWK)，应用层 (Application Layer， APL)架构。 网络层的主要职责包括提供设备用来加入网络和离开网络的机制，提供数据帧传输的安全机制和路由机制。 另外，发现 并保持设备间的路由，发现一跳邻居并存储潜在邻居信息也是 由 NWK 层完成的。 ZigBee 协调器的 NWK 层还必须负责启动一个新的网络，给新的关联设备分配地址等工作。 应用汇聚层将主要负责把不同的应用映射到 ZigBee 网络上，具体而言包括：安全与鉴权、多个业务数据流的会聚、设备发现、业务发现。 ZigBee 应用层包括应用支持子层 (APS)， ZigBee 设备对象 (ZDO)以及用户定义应用对象。 应用支持子层 (APS)负责维护设备绑定表，以及传输在绑定的设备间传输数据。 设备绑定表用于根据设备间提华北科技学院毕业设计（论文 ） 第 11 页 共 49 页 供的服务和需求来匹配设备并储 存相关设备信息。 ZigBee 设备对象 (ZDO)负责定义设备在网络中的角色 (如 ZigBee 协调器或中断设备 )，提出或响应绑定请求，以及建立网络设备间的安全关系。 ZigBee 设备对象 (ZDO)还要负责网络设备的发现及判定对方提供服务类别。 ZigBee 网络构成 ZigBee 网络的设备类型 ZigBee 网络支持 定义的两种类型的物理设备 ：全功能设备 (FFD)、精简功能设备 (RFD)。 FFD 和 RFD 的不同是按照节点的功能区分的，一个 FFD 可以充当网络中的协调器和路由器，因此 一个网络中应该至少含有一个 FFD。 RFD 只能与主设备通信，实现简单，只能作为终端设备节点。 在 ZigBee 网络中，将两种物理设备定义成了三种逻辑设备类型：协调器、路由器、终端设备。 一个 ZigBee 网络包括一个协调器节点和多个路由器和终端设备节点。 设备类型不会以任何方式限制可能应用在特定设备上的应用类型。 图 23 协调器功能模块示意图 （ 1） 协调器 ， 这个设备“开启”一个 ZigBee 网络。 它是网络中的第一个设备。 协调器节点选择一个信道和一个网络标识符 (PAN ID)并开启网络。 可选择地，协调器 节点也能被 用来设置网络中的安全性和应用水平的绑定。 协调器的功能主要是开启和配置网络。 一旦这些完成以后，协调器与路由器的功能就一样了 (甚至可以断开 )。 由于 ZigBee 网络的分布式本质，网络的继续运行不依赖于协调器的存在。 基于 ZigBee 技术的室内无线定位技术设计 第 12 页，共 49 页 图 24 路由器功能模块示意图 （ 2） 路由器 ,路由器执行的功能有 :① 允许其他设备加入网络； ② 多跳路由； ③ 辅助它的电池供电的子终端设备通信。 一般来说，路由器被期望能一直保持激活状态，因此它通常是由固定电源供电的。 而不能使用电池供电。 路由器为它的子节点缓存信息，直到子节点被唤醒并请求数据。 当 一 个子节点 需要发送一个信息的时候，这个子节点发送数据到它的父路由器。 然后，路由器负责传输信息，执行所有相关的重发，以及如果需要的话，等待确认。 这使得终端设备可以回到休眠状态，从而达到省电的目的。 图 25 终端节点功能模块示意图 （ 3） 终端设备 ， 终端设备对维持网络结构没有特殊的责任，因此，它可以有选择的休眠和唤醒。 终端设备仅仅周期性的向它的父节点发送或接受来自它的父节点的数据。 因此终端设备能够使用电池供电的方式工作很长时间。 华北科技学院毕业设计（论文 ） 第 13 页 共 49 页 在能量管理方面，网络协调器与路由器需要突发的处理一些请求，包括入网、退出网络以及数据中转 等功能，一般情况下，使用永久性电源；若终端节点在大部分的时间里都处于休眠状态就可以采用电池供电。 若对电池供电没有要求，网络中可以全部采用 FFD 设备。 ZigBee 网络的拓扑结构 ZigBee 网络主要有三种组网方式。 星型网络，树状网络和网状型网络，其拓扑结构如图 26所示。 如图 26 中 (a)所示，星型网络是 一 个辐射状系统，数据和网络命令都是通过中心节点传输。 如果用通信模块构造星形网络，只需要一个模块配置成协调器节点，其他模块可以配置成终端节点。 星状拓扑结构最大的优点就是结构简单，这种简单带来的是很少有上层协议需要执行、较低的设备成本、较少的上层路由信息和管理方便。 中心节点需基于 ZigBee 技术的室内定位系统研究与实现要承担更多的管理工作。 由于把每个终端节点放在中心节点的通信范围之内，这必然会限制无线网络的覆盖范围，并且星形拓扑很难实现高密度的扩展。 集中的信息涌向中心节点，容易造成网络堵塞、丢包、性能下降等。 到目前为止，星形拓扑是最常见的网络配置结构，被大量的应用在远程检测和控制中。 图 26 ZigBee 网络拓扑结构 树状拓扑是多个星形拓扑的集合，如图 26 中的 (b)所示。 若干个星形拓扑连接在一起，扩展到更广阔的区域。 树形拓扑是可以实现网络范围内“多跳”信息服务的最(a)星型 (b)树状 (c)网状 协调器 FFD RFD 基于 ZigBee 技术的室内无线定位技术设计 第 14 页，共 49 页 简单的拓扑结构，树形拓扑最值得注意的地方就是它保持了星形拓扑的简单性：较少的上层路由信息、较低的存储器需求。 但是树形结构不能很好的适应外部的动态环境。 从图中可以看出，信息源与目的之间，有且只有一条传输路径，任何一个节点的中断或故障将会使部分节点脱离网络。 树形拓扑的最佳应用是在稳定的无线电射频环境中，也可以很好的用在一些简单的低数据量的大规模集合的应用之中。 如图 26所示的 (c)中，网状网络是一个自由设计的拓扑， 具有很高的适应环境的能力。 网络中的每个节点都是一个小的路由器，都具有重新路由选择的能力，以确保网络最大限度的可靠性，可以看出网络中任意两个节点的通信路径不是唯一的。 网形拓扑与星形、树形相比，更加复杂，其路由拓扑是动态的，不存在一个固定的路由模式。 这样信息传输的时间更加依赖瞬时网络连接质量，因而难以预计。 ZStack 协议栈 ZStack 概述 为了适应 ZigBee 产品开发的需求，德州仪器 (TI)推出了一套完整的协议栈ZStack。 ZStack 是 ZigBee 技术的核心软件，是开发 关产品的关键软件， ZStack 符合 ZigBee20xx 规范的要求，并且在硬件上支持 CC2530，CC2530 以及 MSP430 平台。 TI 协议栈一直在不断的完善中，从最初的 版本到现在的 版本，无论从路由协议还是从地址分配模式都作了大量的改进。 本文构建的定位系统是以 ZStack 协议栈为基础的，网络中按照节点完成的功能分为参考节点、定位节点。 对 ZStack 协议栈的理解运用是项目开发的重点和难点之一， 下 面对ZStack 协议栈进行了较详细的说明。 ZStack 运行在 IAR 以上的集成开发环境， IAR 运用 C51 编译器，是一个与 KELLC51 类似的，功能强大的 C51 编译器 /IDE/DEBUG 开发平台。 在该集成开发环境中，可以看到个完整的 ZStack 协议栈包含的功能部分组成。 ZStack 是完全符合 ZigBee20xx 标准的，其协议栈结构也与 ZigBee 规范完全吻合。 包括最上层的应用层 (APP)，在该层内主要完成应用程序的设计，外部任务的调用和执行，并可以通过 API 函数调用下层的函数完成相应的操作。 HAL(Hardware Abstract Layer)层为硬件抽象层，在该层中根据用户硬件平台的不同，给出了各种不同的硬件资源，如按键、发光二极管、串口、定时器以及 ADC 等各种硬件设各的功能函数定义。 用户可以通过调用它的 API 函数实现应用程序功能的华北科技学院毕业设计（论文 ） 第 15 页 共 49 页 外部表征。 MAC 以及 NWK 层主要实现了 ZigBee 标准的媒体接入控制层和网络层。 OSAL(Operate System Abstract Layer)是操作系统抽象层，协议栈即运行在该操作系统之上。 Tools 是配置文件，通过对其内部文件的修改可以设置网络的信道编号和 PAN ID 号，并且最重要的一个功 能是通过设置其相应的文件包含可以预定义节点的逻辑类型 ， 即协调器，路由节点或者是终端设备节点。 ZDO 是 ZigBee 设备对象的简称，在该层主要定义了网络内部设备的入网，绑定以及设备发现等功能实现。 ZMain 是应用程序的主函数，每个应用程序都是从 ZMain 函数作为入口，首先是硬件初始化，存储器初始化最后是操作系统无限循环。 简单的说， ZStack 协议栈就是用户的应用程序、 ZigBee 标准以及各种用户配置结合起来的一套完整的具有堆栈格式的文件系统。 各层之间通过各层的 API 函数实现相互连接和通信，最终达到完整有效的 运行。 ZStack 协议栈结构较复杂，要想理解它的运行机制，很关键的一点就是要理解 OSAL 的运行机制。 OSAL 运行机制 OSAL(Operator System Abstract Layer，操作系统抽象层 )层是与协议栈相独立的，但是整个协议栈都要基于本操作系统 (OS)才能正常运行，或者说协议栈运行在本层之上。 OSAL 提供如下服务和管理功能：信息管理、任务同步、时间管理、任务管理、内存管理、电源管理以及非易失存储管理。 下 一 个 激 活 任 务执 行 激 活 任 务开 始激 活 任 务。