【正文】 XFFFF 的時候，因為一個協(xié)調(diào)器和一個路由器或終端之間的行為上的差異，不可預(yù)料的結(jié)果就會產(chǎn)生。當(dāng)被允許的信道屏華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 第 17 頁 共 49 頁 蔽允許不止一個的信道并且由于 PAN ID 沖突，協(xié)調(diào)器不能使用第一個信道的時候，一個相似的、有挑戰(zhàn)性的場景將會出現(xiàn)一在被允許的情況下，路由器和終端將會加入第一次信道掃描到的特定 PAN ID。因此，必須首先在任務(wù)列表中基于 ZigBee 技術(shù)的室內(nèi)無線定位技術(shù)設(shè)計 第 18 頁，共 49 頁 添加任務(wù)，完成任務(wù)的初始化，在事件 處理的回調(diào)函數(shù)中加入相應(yīng)事件處理函數(shù)，如按鍵事件、狀態(tài)轉(zhuǎn)換事件、數(shù)據(jù)包發(fā)送確認(rèn)事件、收到數(shù)據(jù)包的指示事件等，響應(yīng)到某種事件，就轉(zhuǎn)去執(zhí)行相關(guān)的消息事件處理函數(shù)。函數(shù) osal_set_event()被用來設(shè)置任務(wù)事件標(biāo)志，一旦程序執(zhí)行到此處，就轉(zhuǎn)入相應(yīng)的消息處理函數(shù)。 本章首先介紹了關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方面的基礎(chǔ)知識，接著將目前定位技術(shù)的評價指標(biāo)和定位方法的分類作了介紹，最后著重介紹了基于測距的定位算法。該定位系統(tǒng)由 24顆衛(wèi)星所組成，能夠得到準(zhǔn)確的位置信息。也有的文獻(xiàn)中將錨節(jié)點稱作信標(biāo)節(jié)點 (Beacon Node)。如果某個節(jié)點想要把信息傳得更遠(yuǎn)，可以將信息通過鄰居節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)。 基于測距 (Rangebased)：指需要測量距離然后進(jìn)行定位的方法。 無線傳感網(wǎng)定位的性能評價指標(biāo) 評價定位技術(shù)好壞的最重要的指標(biāo)就是定位的準(zhǔn)確性和精確度。實際應(yīng)用中使用的定位算法都具備很強的穩(wěn)定性能，多次定位得到的位置偏差不大，所以對于定位技術(shù)的評價可以用定位的誤差表示。對于定位技術(shù)的好壞只能從某個方面進(jìn)行評價，實際應(yīng)用中應(yīng)該綜合考慮各方面的要求設(shè)計出合適的定位系統(tǒng)。 無線傳感網(wǎng) 絡(luò) 定位技術(shù)的分類 根據(jù)分類標(biāo)準(zhǔn)的不同，可以將無線傳感網(wǎng)定位算法進(jìn)行不同的分類。 基于測距與非基于 測距的定位算法 基于測距的定位算法通過測量未知節(jié)點和錨節(jié)點之間的距離或者角度從而計算出未知節(jié)點的位置。 這樣劃分的兩種定位算法各有其優(yōu)缺點。值得注意的是，在非基于測距的定位算法中，網(wǎng)絡(luò)多跳路由算法也需要計算未知節(jié)點和錨節(jié)點之間的距離，但是基于 ZigBee 技術(shù)的室內(nèi)無線定位技術(shù)設(shè)計 第 22 頁，共 49 頁 這種距離的估算是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息進(jìn)行計算的，而不是通過信號傳輸特性進(jìn)行測量。 集中式定位算法的優(yōu)點在于可以從全局的角度進(jìn)行傳感器網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點的定位，定位精度較高，而且所有定位過程中涉及到的計算都在中心控制節(jié)點處進(jìn)行，只需使用存儲量大且運算速度快的設(shè)備作為中心控制節(jié)點就可以解決定位問題。 絕對與相對定位算法 絕對定位就是確定一個標(biāo)準(zhǔn)的坐標(biāo)位置，如經(jīng)緯度，這種位置是確定的。 無線傳感網(wǎng) 絡(luò) 中基于測距的定位算法 由于本文所研究的算法屬于基于測距的無線傳感網(wǎng)定位算法。 如 圖 31 所 示的是包圍盒定位法的原理圖。包圍盒就是圖 31 中陰影部分的矩形區(qū)域。如果錨節(jié)點放置在包圍盒的兩邊，則未知節(jié)點的定位就會取得很好的 效果。無線信號基于 ZigBee 技術(shù)的室內(nèi)無線定位技術(shù)設(shè)計 第 24 頁，共 49 頁 在傳播過程中的一個重要特點就是信號強度值會隨著傳播距離的增大而減小。 在實際提供 RSSI 值測量的芯片中，信號在節(jié)點之間的傳播可以使用經(jīng)驗的無線信號傳輸模型進(jìn)行模擬，即： (33) 為發(fā)送節(jié)點 i發(fā)送信號后，接收節(jié)點 j 接收到該信號時的信號強度值，單位為dBm， 為發(fā)送節(jié)點 i 和接收節(jié)點 j之間相距的距離。 基于 RSSI 定位法就是通過 RSSI 值估算出收發(fā)節(jié)點之間的距離，然后根據(jù)錨節(jié)點的位置對未知節(jié)點進(jìn) 行定位。 基于 RSSI 的定位技術(shù)既不需要在系統(tǒng)中增加額外的硬件設(shè)施，也不需要 節(jié)點之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，該定位方案看似十分具有應(yīng)用前景。 基于 TOA 的定位法 TOA(Time Of Arrive)即為到達(dá) 時間。 A、 B 和 C 都是錨節(jié)點， 位置分別為 : 、 和 ， M點為未知節(jié)點，設(shè)它的位置為 。這樣就可以建立方程組： (36) 求解方程組 (36)可以得到未知節(jié)點的位置。 如果忽略獲取距離的方式，基于 RSSI 的定位法和基于 TOA 的定位法在原理上是相同的，這種方法叫做三邊定位法。 圖 34三邊定位法的原理圖 基于 TDOA 的定位法 TDOA(Time Different Of Arrive)即為到達(dá)時間差，基于 TDOA 的定位法本質(zhì)上屬于距離差定位算法。 從上面對于基于 TDOA 的定位算法介紹中可以看出：利用 TDOA 的定位算法對未知節(jié)點進(jìn)行位置估計首先需要通過提取時間信息，獲得未知節(jié)點發(fā)送的信息到達(dá)兩個不同錨節(jié)點的時間差測量值。假設(shè)有 N 個錨節(jié)點，并且它們和未知節(jié)點在同一個平面內(nèi)，如圖 35 所示。未知節(jié)點向這 N 個錨節(jié)點廣播一個數(shù)據(jù)包，每個錨節(jié)點接收到該數(shù)據(jù)包的時刻為： ，其中 。一般來說，用傳統(tǒng)解方程組的辦法求解上面的非線性方程組是非常復(fù)雜的，可對它們進(jìn)行線性化處理。 由以上對基于 TDOA 定位的分析可知，該定位算法不需要考慮節(jié)點之間時間原點的同步問題，那么該算法只需考慮節(jié)點之間的時鐘頻率偏移即可?；?AOA 的定位法原理上就是華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 第 29 頁 共 49 頁 三角定位法。節(jié)點 A， B，C 的坐標(biāo)分別為 : 、 和 。而。 基于 ZigBee 技術(shù)的室內(nèi)無線定位技術(shù)設(shè)計 第 30 頁，共 49 頁 4 基于 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的定位系統(tǒng)設(shè)計 任何無線定位功能的實現(xiàn)都是基于某種無線通信網(wǎng)絡(luò)的，以 ZigBee 技術(shù)為載體的定宜同樣也是基于一個網(wǎng)絡(luò)的。無線傳感器定位網(wǎng)絡(luò)中存在 3 種功。對定位環(huán)境模型進(jìn)行適當(dāng)修改后 ，也可應(yīng)用于礦井巷道等其它環(huán)境中。同理可以分別得到圓和圓 的坐標(biāo)和它們的半徑。未知節(jié)點D 相對于錨節(jié)點 A， B， C 的角度分別為 ，這三個角度可以通過 天線測量出來。下面將介紹三角定位法，三角定位法的原理如圖36 所示。 基于 AOA 的定位法 AOA(Angle Of Arrive)即是到達(dá)角度。將 x, y, 當(dāng)作未知數(shù)，則式（ 314）就表示成了一個線性方程。由坐標(biāo)關(guān)系可知，未知節(jié)點和第 i 個錨節(jié)點之間的距離 可以表示成： （ 37） 設(shè) 為未知節(jié)點與第 i 個錨節(jié)點和第一個錨節(jié)點的距離差，則： （ 38） 式中， c 為電磁波在自由空間中的傳播速度，值為 ， 為未知節(jié)點基于 ZigBee 技術(shù)的室內(nèi)無線定位技術(shù)設(shè)計 第 28 頁，共 49 頁 發(fā)送的信號到達(dá)第 i 個錨節(jié)點與第一個錨節(jié)點的時間差， 為第 i 個錨節(jié)點到未知節(jié)點之間的距離。N 個錨節(jié)點的坐標(biāo)分別為 ，其中 。很明顯，未知節(jié)點不需要與錨節(jié)點進(jìn)行同步，只需錨節(jié)點之間進(jìn)行同步即可，這將會極大地簡化定位的復(fù)雜度。距離差定位算法其實就是定義一個以錨節(jié)點為焦點的雙曲華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 第 27 頁 共 49 頁 線，進(jìn)行多次的距離差測量，就會產(chǎn)生多個這樣的雙曲線。分別以三個錨節(jié)點為圓心，錨節(jié)點到未知 節(jié)點的距離為半徑作圓，這三個圓將會產(chǎn)生一個交點，該交點就是未知節(jié)點所在的位置。時間同步也是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域研究的一個重要方面。設(shè)電磁波在空氣中的傳播速度為 C，那么未知節(jié)點 M 和錨節(jié)點 A 之間的距離為 。該定位法的原理圖如圖 33 所示。另外，也有可能節(jié)點上使用了未經(jīng)校準(zhǔn)的無線收發(fā)裝置，這也使得在不同設(shè)備上使用相同的方式發(fā)射信號，而在接收端測得不同的 RSSI 值。M點向 A點、 B 點和 C 點分別發(fā)送數(shù)據(jù)包，設(shè) A 點接收到 M 點發(fā)送的信息時， 值為 ， B 點接收到 C 點發(fā)送的信息時， 值為 ， C點接收到 M 點發(fā)送的信息時， 值為 。 為路徑損耗指數(shù)，它與具體的環(huán)境相關(guān)。在實際的信號傳播過程中，可以利用 RSSI 值來確定信號的傳播距離。包圍盒定位的計算復(fù)雜度與所使用的錨節(jié)點的個數(shù)成線性關(guān)系，因此這種方法的計算成本非常低，易于實現(xiàn)。包圍盒定位法需要將錨節(jié)點放置在非對齊的位置。通過測量距離可以得到節(jié)點 B 到節(jié) 點 A 和節(jié)點 C 的距離，在圖中分別用 和 來表示。 包圍盒定位法 包圍盒定位法 (Boundingbox Method)是最先運用到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位算法，該定位法的定位誤差比較大，但是它具備很低的計算成本。 絕對定位的好處在于能夠為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點提供確切的位置，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的移動對網(wǎng)絡(luò)位置的影響較小，有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。而分布式定位算法的優(yōu)點在于它的信息處理和計算分布到每個傳感器節(jié)點里進(jìn)行，這樣不但避免了中心控制節(jié)點的選擇，而且減少了傳感器節(jié)點電量的消耗，提高了定位的效率且延長了設(shè)備的工作時間。 集中式與分布式定位算法 集中式定位算法將傳感 器網(wǎng)絡(luò)中的所有信息傳送到一個中心控制節(jié)點，然后在這個中心節(jié)點處進(jìn)行計算得出每個節(jié)點的位置，最后把所有位置信息發(fā)送給相應(yīng)的節(jié)點從而實現(xiàn)定位。而非基于測距的定位算法在成本和功耗方面比較小，易于實現(xiàn)，但是其定位精度比較差。常用的基于測距的定位算法有：基于接收信號強度測量法 (RSSI)、到達(dá)時間測量法 (TOA)、到達(dá)時間差測量法 (TDOA)和到達(dá)角度測量法 (AOA)。如果根據(jù)定位過程中定位計算所處的位置劃分，可以將定位算法分為集中式 (Centralized Computation)定位算法和分布式(Distributed Computation)定位算法。 功耗 由于傳感器節(jié)點電源能量有限，所以在保證定位準(zhǔn)確性和精確度的前提下，盡量減少定位所需要的功耗是非常有必要的。 假設(shè)有 N 個未知節(jié)點，這些節(jié)點的實際位置是 ， (i = 1,2,? ,N)，經(jīng)過定位算法的運算得到的測量位置是 ， (i = 1,2,? ,N)，于是就可以得到定位平均絕對誤差為： (31) 如果節(jié)點之間能夠通信的最大距離是 R，那么定位的平均相對誤差為： (32) 此外還有一些其他的評價標(biāo)準(zhǔn)如表 31 所列舉： 以上介紹的定位技術(shù)的評價指標(biāo)還可以作為設(shè)計定位系統(tǒng)的參考因素，不同的定位應(yīng)用中應(yīng)該選擇不同的定位算法，在保證定位精度的前提下，最大限度地減少資源浪費。定位的精確度指的是定位準(zhǔn)確性能達(dá)到的百分比，它需要通過多次實驗得到的。 視距關(guān)系 (Line of sight, LOS)：指兩個傳感器節(jié)點之間沒有障礙物阻擋，能夠進(jìn)行兩個節(jié)點之間直接的傳輸數(shù)據(jù)。 連通度 (Connectivity)：指無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，與 某個傳感器節(jié)點相連通的節(jié)點的數(shù)目稱為該節(jié)點的連通度。也稱為待定位節(jié)點 (Unpositioning Node)。該節(jié)點的位置信息可以通過 GPS 測定，或者通過放置該節(jié)點的時候人工測定出。 無線傳感網(wǎng) 絡(luò) 定位技術(shù)概述 無線傳感網(wǎng)定位技術(shù)就是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中一些位置已知的節(jié)點通過與位置未知的節(jié) 點交換數(shù)據(jù)，從而得出位置未知節(jié)點的具體位置。由此可以看出，位置信息對所采集的數(shù)據(jù)是非常重要的。其中，函數(shù) osal_start_timerEx ()被用來開啟一個在 n 毫秒后到期的時鐘，當(dāng)時鐘到期時，調(diào)用任務(wù)將獲得特定的事件，使用時需指明任務(wù) ID。由圖可以看出，在 ZStack 開始運行之前，系統(tǒng)必須完成硬件設(shè)備及內(nèi)部存儲器的初始化，其間要判斷節(jié)點的長地址，若此時長地址為全 FF，那么要往存儲器隨機寫入 64 位的長地址，然后進(jìn)入操作系統(tǒng)的無限循環(huán)中。因此，如果協(xié)調(diào)器被限制在一個信道 ， 并且特定的個域網(wǎng) ID 已經(jīng)在那個信道里被建立起來，新的起始協(xié)調(diào)器將會做出連續(xù)的變化直到它產(chǎn)生一個唯一的個域網(wǎng) ID。一個作為路由器或終端編譯的 Sample 應(yīng)用將會試圖加入一個網(wǎng)絡(luò)，它使用DEFAULT_CHANLIST 中說明的信道之一。組網(wǎng)算法流程如圖 29所示。其它 終端節(jié)點接收信標(biāo)幀，以完成設(shè)備發(fā)現(xiàn)任務(wù)，終端節(jié)點要加入該 PAN，那么只要將自己的信道以及個域網(wǎng)標(biāo)識符 (PAN ID)設(shè)置成與要加入網(wǎng)絡(luò)中的父節(jié)點的相同，并提供正確的認(rèn)證信息，即可請求加入 (Join)網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)基于 ZigBee 技術(shù)的室內(nèi)無線定位技術(shù)設(shè)計 第 16 頁，共 49 頁 一個事件產(chǎn)生時，對應(yīng)任務(wù)的 Event就被設(shè)置為相應(yīng)的事件，這樣事件調(diào)度就會調(diào)用相應(yīng)的任務(wù)處理程序。 OSAL 提供如下服務(wù)和管理功能：信息管理、任務(wù)同步、時間管理、任務(wù)管理、內(nèi)存管理、電源管理以及非易失存儲管理。 簡單的說， ZStack 協(xié)議棧就是用戶的應(yīng)用程序、 ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)以及各種用戶配置結(jié)合起來的一套完整的具有堆棧格式的文件系統(tǒng)。OSAL(Operate System Abstract Layer)是操作系統(tǒng)抽象層，協(xié)議棧即運行在該操作系統(tǒng)之上。包括最上層的應(yīng)用層 (APP)，在該層內(nèi)主要完成應(yīng)用程序的設(shè)計，外部任務(wù)的調(diào)用和執(zhí)行，并可以通過 API 函數(shù)調(diào)用下層的函數(shù)完成相應(yīng)的操作。對 ZStack 協(xié)議棧的理解運用是項目開發(fā)的重點和難點之一， 下 面對ZStack 協(xié)議棧進(jìn)行了較詳細(xì)的說明。 ZStack 協(xié)議棧 ZStack 概述 為了適應(yīng) ZigBee 產(chǎn)品開發(fā)的需求，德