【正文】 日 期： 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。 研究生簽名： 導(dǎo)師簽名： 日期： 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。 研究生簽名： 日期： 南京郵電大學(xué)學(xué)位論文使用授權(quán)聲明 本人授權(quán)南京郵電大學(xué)可以保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子文 檔；允許論文被查閱和借閱；可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索； 可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編本學(xué)位論文。 單位代碼： 10293 密 級(jí)： 碩 士 學(xué) 位 論 文 論文題目 ： 基于 ZigBee 技術(shù)的定位技術(shù)研究與應(yīng)用 南京郵電大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得 的研究成果。 本人學(xué)位論文及涉及相關(guān)資料若有不實(shí)，愿意承擔(dān)一切相關(guān)的法律責(zé)任。 涉密學(xué)位論文在解密后適用本授 權(quán)書。 作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日 期： 使用授權(quán)說明 本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝　⒖s印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉?jī)?nèi)容。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。 作者簽名： 日期： 年 月 日 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 注 意 事 項(xiàng) （論文）的內(nèi)容包括： 1）封面（按教務(wù)處制定的標(biāo)準(zhǔn)封面格式制作） 2）原創(chuàng)性聲明 3）中文摘要（ 300 字左右）、關(guān)鍵詞 4）外文摘要、關(guān)鍵詞 5）目次頁（附件不統(tǒng)一 編入） 6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結(jié)論 7）參考文獻(xiàn) 8）致謝 9）附錄（對(duì)論文支持必要時(shí)） ：理工類設(shè)計(jì)（論文）正文字?jǐn)?shù)不少于 1萬字（不包括圖紙、程序清單等），文科類論文正文字?jǐn)?shù)不少于 萬字。其中 ZigBee 技術(shù)具備規(guī)范的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，被廣泛地用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。目前已經(jīng)有了一些定位問題的解決方 案，例如：基于 RSSI 定位、基于 TOA 或 TDOA 定位等。其次，利用不 同芯片的晶振之間時(shí)鐘頻率偏移具有穩(wěn)定性這一特性，再結(jié)合 TDOA 定位算法，本文提出了 一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的 TDOA 定位算法。該算法為以后更好地解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的定位問 題奠定了基礎(chǔ)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器、嵌入式計(jì)算、 現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信和分布式信息處理等技術(shù)，具備非常廣泛的應(yīng)用前景，它的應(yīng)用和發(fā)展 將會(huì)給人們生活的各個(gè)方面和社會(huì)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域帶來深遠(yuǎn)的影響。無線 通信技術(shù)和嵌入式技術(shù)的發(fā)展，使得設(shè)備之間的通信越來越方便，設(shè)備之間傳遞的數(shù)據(jù)量也 越來越大。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)從誕生開始，一直都受到研究人員的關(guān)注。地球上的水資源是有 限的，節(jié)約用水是全世界的目標(biāo)。如果某個(gè)區(qū)域的土壤水份不足就啟動(dòng)該區(qū)域的灌溉系統(tǒng)，直到土壤中的水份含量達(dá) 到要 求。假如有事故在井下發(fā)生，傳感器節(jié)點(diǎn)可以發(fā)出求救信號(hào)，地面部門可 以在最短的時(shí)間里獲得事故現(xiàn)場(chǎng)的人員狀況，為后續(xù)的救援工作提供幫助。定位問題就是諸多問題中的一種，無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)通過傳感器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，那么這些節(jié)點(diǎn)的位置信息對(duì)于采集的數(shù)據(jù)是非常重要的。 ZigBee 技術(shù)是一種先進(jìn)的短距離無線通信技術(shù)。在 IEEE 組織和 ZigBee 聯(lián)盟 的推動(dòng)下，該技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。 研 究的目 的 和意義 不論在理論研究還是在實(shí)際應(yīng)用中，定位問題一直都是人們研究的熱點(diǎn)所在。 目前， GPS(全球定位系統(tǒng) )可以算是人們所熟悉的定位問題解決方案，這種定位是利用衛(wèi) 星對(duì)地面上的物體進(jìn)行位置的確定，該定位技術(shù)不但昂貴而且功耗大?；? RSSI 定位中，接收信號(hào)強(qiáng)度值會(huì)隨著距離的增長(zhǎng)而變得非常不準(zhǔn)確，利用該技術(shù)的定位只能 解決近距離的定位問題；基于 TOA 定位中，到達(dá)時(shí)間的測(cè)量要求網(wǎng)絡(luò)具備很好的時(shí)間同步 [ 3]， 這大大增加了網(wǎng)絡(luò)的開銷，從而限制了基于達(dá)到時(shí)間定位技術(shù)的應(yīng)用；基于 TDOA 定位中， 到達(dá)時(shí)間差的測(cè)量要么需要網(wǎng)絡(luò)同步，要么需要利用到超聲波。本 文是在 ZigBee 技術(shù)的基礎(chǔ)上研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的定位問題。最后設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于 TDOA 的無線傳感網(wǎng)定位技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)，并取得了比較 滿意的定位效果。 第四章為基于 TDOA 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法，本章節(jié)首先介紹了 ZigBee 芯片 CC2430 之間具有穩(wěn)定的時(shí)鐘頻率偏移，接著依據(jù)已有的研究提出一種基于 TDOA 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定 位算法，并通過 MATLAB 仿真驗(yàn)證了這種算法的可行性，最后在仿真中得到利 用該算法進(jìn)行定 南京郵電大 學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第一章 緒論 9 位的效果圖。不論是在日常生活 中還是在社會(huì)生產(chǎn)中，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)都能為人們提供方便的服務(wù)。 ZigBee 技術(shù)及 其 特點(diǎn) [1][2][4][5] ZigBee 技 術(shù) 是 一 種 低 速 無 線 個(gè) 域 網(wǎng) 技 術(shù) (Low Rate Wireless Personal Network, LR_WPAN)。 2020 年 12 月，電器和電子工程師協(xié)會(huì) (Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE)成立了 IEEE 工作組，該工作組的任務(wù)是制定一種低成本、低功 耗且方便使用的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。許多公司和生產(chǎn)商陸續(xù)地推出了 ZigBee 產(chǎn)品和開發(fā)系統(tǒng)，解 決了實(shí)際問題。具 體分層四層架構(gòu)：物理層 (Physical Layer, PHY)、媒體訪問控制層 (Medium Access Control Sublayer, MAC)、網(wǎng)絡(luò)層 (Network Layer, NWK)和應(yīng)用層 (Application Layer, APL)。通常情況下，一個(gè) ZigBee 設(shè)備不能同時(shí)兼容這三個(gè)頻段。 執(zhí)行 MAC 層發(fā)來的命令，例如：空閑信道評(píng)估 (Clear Channel Assessment, CCA)、能量檢測(cè) (Energy Detection, ED)等，并維護(hù)物理層信息庫 (PHY PIB)，這是物理層的管理服務(wù)。由于 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)設(shè)備可能 12 南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第二章 ZigBee 技術(shù)的研究 會(huì) 從 一 個(gè) 網(wǎng) 絡(luò) 切 換 到 另 一 個(gè) 網(wǎng) 絡(luò) ， 這 樣 就 需 要 進(jìn) 行 關(guān) 聯(lián) (association) 和 取 消 關(guān) 聯(lián) (disassociation)操作，這些操作都是在 MAC 層中進(jìn)行的。在總體架構(gòu)上，該層仍然延續(xù)了物理層協(xié)議和媒體接入控制層協(xié)議的思 想，即網(wǎng)絡(luò)層也能夠提供數(shù)據(jù)服務(wù)和管理服務(wù)。 網(wǎng)絡(luò)層還負(fù)責(zé)發(fā)現(xiàn)、記錄和報(bào)告一跳范圍內(nèi)其他設(shè)備。 應(yīng)用框架指的是 ZigBee 設(shè)備 中應(yīng)用對(duì)象所處的環(huán)境，它可以為應(yīng)用對(duì)象提供鍵值匹配服務(wù) (Key Value Pair, KVP)或一般 信息服務(wù) (Generic Message, MSG)。通常情況下，網(wǎng)絡(luò)中數(shù)目最多的節(jié)點(diǎn)是終端節(jié)點(diǎn)。 13 南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第二章 ZigBee 技術(shù)的研究 ZigBee 技術(shù)的特點(diǎn) ZigBee 技術(shù)是短距離無線通信中的一種技術(shù)，人們已經(jīng)利用它解決了許多實(shí)際的問題。 ZigBee 芯片具備多種電源管理模式，可以有效地對(duì)芯片的工作狀態(tài)和休眠狀態(tài)進(jìn)行配置，從 而降低系統(tǒng)功耗，延長(zhǎng)電源工作時(shí)間。通常情況下， ZigBee 芯片的內(nèi)核一般采用 8051 單片機(jī)內(nèi)核，成本較低。在一個(gè)單獨(dú)的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中，最多可以容納 65536 個(gè)設(shè) 備。隨著 ZigBee 協(xié)議的正式提出， ZigBee 產(chǎn)品得到了快速的發(fā)展。 CC2430 概述 CC2430 芯片支持 IEEE 。該芯 片內(nèi)部的線路交互方式遵從 IDE 的 IAR 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可以用 IAR 工具對(duì)程序進(jìn)行修改。 圖 22： CC2430 工作時(shí)的電路圖 增強(qiáng)型的 8051 內(nèi)核 CC2430 芯片上使用了高性能的增強(qiáng)型 8051 CPU 內(nèi)核，運(yùn)行時(shí)鐘為 32MHz。 可以通過執(zhí)行下列步驟使用 CC2430 中的某一中斷功能： (1)：設(shè)置 IEN0 寄存器中的 EAL 位為 1，表示將要使用某一個(gè)中斷。 (4)：在該中斷對(duì)應(yīng)的的向量地址上，運(yùn)行該中斷相對(duì)應(yīng)的服務(wù)程序。 電源管理介紹 CC2430 為了實(shí)現(xiàn)低功耗運(yùn)行，使用了不同的工作模式。電源模式中的配置情況如表 21 所示。 PM0 主要用于正常工作，當(dāng)芯片處于 PM0 模式時(shí)， 可以使能 位使 CPU 從運(yùn)行轉(zhuǎn)變成停止。當(dāng)設(shè)備 從 PM1 模式進(jìn)入 PM0 模式，高頻振蕩器開啟，設(shè)備將自動(dòng)運(yùn)行在 16MHz 的 RC 振蕩器上，如果 南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第二章 ZigBee 技術(shù)的研究 11 想讓設(shè)備運(yùn)行在 32MHz 晶體振蕩器上，必須要使用軟件來實(shí)現(xiàn)。在進(jìn)入 PM2 模式之前， I/O 引腳保持 I/O 模式，其他內(nèi) 部電路斷電 。在該模式下，所有從電源穩(wěn)壓器取電的內(nèi)部電路都關(guān)閉。 定時(shí)器 1 簡(jiǎn)介 定時(shí)器 1 是一個(gè)支持典型定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器功能 (例如：輸入捕獲、輸出比較和 PWM 功能 ) 的獨(dú)立的 16 位定時(shí)器。 3 個(gè)通道都具備正計(jì)數(shù)和倒計(jì)數(shù)功能。定時(shí)器 1 中 可以對(duì)給定的分頻值進(jìn)一 步劃分，這個(gè)分頻值可以為 32 或 128。定時(shí)器啟動(dòng)后，輸入引腳的上升沿、下降沿或者任何 邊沿都將觸發(fā)一個(gè)捕獲，即 16 為定時(shí)器的內(nèi)容被捕獲到相關(guān)的捕獲寄存器中去。如果比較寄存器和計(jì)數(shù)器 的內(nèi)容相 同，則輸出引腳置 1，根據(jù)由 寄存器的設(shè)置情況進(jìn)行復(fù)位或者切換。芯片收到的射頻 (RF)信號(hào)后將其通 過低噪聲放大器 (LNA)放大，并且將收到的同相信號(hào)和正交相位信號(hào) (I/Q)降 頻轉(zhuǎn)化為中頻 (IF) 信號(hào)，并且過濾掉殘留在中頻信號(hào)里的 I/Q 信號(hào)后，放大中頻信號(hào)，接著通過模 /數(shù)轉(zhuǎn)換 (ADC) 數(shù)字化、 自動(dòng)增益控制、 以及信道的過濾、 解擴(kuò)頻 (Despreading)、 符號(hào)相關(guān) (Symbol Correlation)和字節(jié)同步 (Byte Synchronization)等。接收數(shù)據(jù)時(shí)，一旦檢測(cè)到幀開始定界符，就產(chǎn)生中斷，接著將 接收到的數(shù)據(jù)存入 128 字節(jié)接收緩存中，上層程序讀取接收緩存中的數(shù)據(jù)并進(jìn)行判斷處理， 如果是發(fā)給本節(jié)點(diǎn)的信息就接收，否則丟棄。 TI 公司研制的 ZigBee 協(xié)議棧 ZStack 廣泛地得到了應(yīng)用，它可以從網(wǎng)絡(luò)上免費(fèi)下載到， 配合該公司生產(chǎn)的芯片 CC2430 能夠方便地搭建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。 msstatePAN 協(xié)議棧是使用標(biāo)準(zhǔn)的 C 語言編寫的，它基本符合 ZigBee 協(xié)議規(guī)范。 msstatePAN 協(xié)議棧采用了有限狀態(tài)機(jī)機(jī)制，每一層都有一個(gè)有限狀態(tài)機(jī)，通過改變?cè)搶? 有限狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)使該層運(yùn)行特定的程序完成指定的任務(wù)。 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)在啟動(dòng)后，經(jīng)過初始化工作，然后調(diào)用 aplFormNetwork()函數(shù)組建網(wǎng)絡(luò)，并 對(duì)該網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置。以上介紹了協(xié)議棧的大 概工作流程。 aplInit()。}//等待直到網(wǎng)絡(luò)組建完成 while(1){apsFSM()。 //以上進(jìn)行的是一系列的初始化工作 conPrintConfig()。 //等待直到成功加入網(wǎng)絡(luò) while(1){apsFSM()。對(duì)于無線傳感網(wǎng)中定位技術(shù)的研究是非常有意義的。 錨節(jié)點(diǎn) (Anchor Node)：指無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中位置已經(jīng)事先知道的傳感器節(jié)點(diǎn)。 未知節(jié)點(diǎn) (Unkown Node)：指無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中位置未知的節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)的位置信息需要 通過一些方法測(cè)量得到。 連通 (Connectible)：若兩個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)之間 可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，則可以把這兩個(gè)無線傳 感器節(jié)點(diǎn)稱為連通的。 16 南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第三章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)的研究 非基于測(cè)距 (Rangefree)：指不需要距離的測(cè)量就能進(jìn)行定位的方法。定