【正文】 ieties, . [6] Bahl P, Padmanabhan V N. RADAR: An inbuilding RF 一 based user location and tracking system[J].IEEE INFOCOM, 2020, (2): 775 一 784. [7] , , . Development of a phase difference of arrival technique for locating trapped miners[C]. Proceedings of the IEEESoutheastcon 2020. Nashville Airport Marriott Nashville, Tennessee USA： IEEE Southeastcon, 2020. 46 一 84. [8]林暉景 .IEEE 技術(shù)研究一各種測(cè)距演算法之介紹 [R]，工研院電通所技術(shù)專(zhuān)欄， 2020. 78. [9] He T, Huang C, Blum B M, Srankovic J A, Abdelzaher T. Rangefree localization schemes for large scale sensor works[C].Proceedings of the 9th ACM Annual International Conference on Mobile Computing and Networking (MobiCom39。在張衛(wèi)東學(xué)長(zhǎng)的幫助下我克服啦重重困難，掌握了大量關(guān)于 ZigBee 方面的知識(shí)。但由于本人能力有限，未來(lái)對(duì)于基于 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線定位技術(shù)還需要有更多理論和實(shí)踐的研究，仍有許多地方有待進(jìn)一步研究，其中主要包括： (1)對(duì)定位算法有待進(jìn)一步的研究，可以使用多種算法相結(jié)合的方式來(lái)提高定位的精度，通過(guò)算法的優(yōu)化，期望可以用最少的參考節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)更高精度的定位性能 。然后基十對(duì)網(wǎng)絡(luò)層的了解，分析了各種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的適用范圍及實(shí)現(xiàn)的難易程度，并最終選擇了樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作為系統(tǒng)的組網(wǎng)依據(jù)； 再次， 通過(guò)對(duì)系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計(jì)，使用了 CC2431 和 CC2430。根據(jù)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，節(jié)點(diǎn)如果距離地面、墻壁等較近，影響無(wú)線傳輸距離。它較好的實(shí)現(xiàn)了定位效果顯示功能 。 18 開(kāi) 始結(jié) 束R S S I 取 平 均組 網(wǎng) / 入 網(wǎng)收 到 忙 節(jié) 點(diǎn)發(fā) 現(xiàn) 響 應(yīng) 命令發(fā) 送 R S S I 響應(yīng) 命 令等 待 上 位 機(jī)串 口 命 令發(fā) 送 平 均R S S I 值數(shù) 據(jù) 發(fā) 送到 P C接 收 盲 節(jié)點(diǎn) 數(shù) 據(jù) 包發(fā) 送 忙 節(jié) 點(diǎn) 發(fā)現(xiàn) 命 令 請(qǐng) 求收 到 R S S I 請(qǐng) 求 命 令節(jié) 點(diǎn) 為 協(xié) 調(diào) 器 ？收 到 3 0 0 個(gè) R S S I 值命 令 正 確 與 否NNNN 圖 38 網(wǎng)關(guān)的定位流程圖 19 入 網(wǎng) 成 功接 收 1 跳 參 考 節(jié) 點(diǎn) 的 平均 R S S I打 包 所 有 平 均 R S S I 值發(fā) 送 數(shù) 據(jù) 包 到 協(xié) 調(diào) 器發(fā) 送 R S S I B l a s t 請(qǐng) 求 命令發(fā) 送 R S S I B l a s t收 到 位 置 查 詢(xún) 請(qǐng) 求 命 令開(kāi) 始3 0 0 次 發(fā) 送 完 ？接 收 到 R S S I 響 應(yīng) 命 令 ？發(fā) 送 完 畢 ？YNNN 圖 39 盲節(jié)點(diǎn)的定位流程圖 20 第四章 定位功能測(cè)試 測(cè)試條件與環(huán)境 任何一種定位空間，都有其特殊性。 17 協(xié) 調(diào) 器 參 考 節(jié) 點(diǎn) 盲 節(jié) 點(diǎn)網(wǎng) 絡(luò) 建 立通 信 正 常位 置 查 詢(xún) 請(qǐng) 求全 部 R S S I 平 均 值 圖 37 傳感器網(wǎng)絡(luò)定位通信流程圖 （ 5）盲節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)包發(fā)送到網(wǎng)關(guān)。 (1)主節(jié)點(diǎn)查詢(xún)未知節(jié)點(diǎn) 。狀態(tài)指示電路如圖 34 所示。實(shí)際中的各種節(jié)點(diǎn)根據(jù)功能要求，分別選取所需部分電路焊接器件，即可完成各自功能。本將CC2430 芯片引腳全部引出，便于定位功能模塊功能擴(kuò)展。 (7)內(nèi)部集成有 VCO, LNA, PA 以及電源整流器，采用低電壓 供電()。 CC2430 芯片采用 CMOS 工藝生產(chǎn)，工作時(shí)的電流損耗為 27 mA。硬件電路設(shè)計(jì)包括兩部分 :無(wú)線通信模塊設(shè)計(jì)和輔助功能模塊設(shè)計(jì)。 RADAR 系統(tǒng)是使用 RSSI 測(cè)距的最典型的系統(tǒng)。都是利用一些已有的或是經(jīng)過(guò)改進(jìn)的一些定位算法，再利用 ZigBee 技術(shù)的組網(wǎng)功能進(jìn)行位置的估計(jì)。 2020 年，德州儀器 (TI)公司率先推出了一款帶有定位引擎的并且滿(mǎn)足 ZigBee 協(xié)議的片上系統(tǒng) (SOC)解決方案 CC2431。 由于 ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)還制定了能使不同制造商之間共享網(wǎng)絡(luò)資源的應(yīng)用框架， 9 其目標(biāo)定位在現(xiàn)存的系統(tǒng)還不能滿(mǎn)足產(chǎn)品需求的特定的市場(chǎng)，因而有著廣闊的應(yīng)用前景。 8 圖 23 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖 其中樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)中任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)的故障都會(huì)使與其相連的子節(jié)點(diǎn)部分脫離網(wǎng) 絡(luò)。 7 目前，星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較容易等特點(diǎn)而被大 量應(yīng)用在遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制中。 在介紹具體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之前先介紹兩個(gè)概念：全功能設(shè)備 ((Full Function Device, FFD 和精簡(jiǎn)功能設(shè)備 (Reduced Function Device, RFD) 。在星狀網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)主要由 ZigBee 協(xié)調(diào)器 控制，它主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的初始化和維護(hù)工作。在此項(xiàng)技術(shù)推出的同時(shí)，上過(guò)幾家公司宣布組成 ZigBee 聯(lián)盟，該聯(lián)盟致力于定義允許不同廠商制造的設(shè)備相互兼容的應(yīng)用綱要。從一開(kāi)始 ATamp。 2020 年，加利福尼亞大學(xué)的 Calamari 系統(tǒng)是一種為傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的 Adhoc 定位系統(tǒng)，他同時(shí)采用拉 TOA 和 RSSI 兩種技術(shù)進(jìn)行定位。 此外還有一些不太常用的用于定位測(cè)距的算法，如接收信號(hào)相位差（ PDOA）、近場(chǎng)電磁測(cè)距 (NFER)等方法。而基于 ZigBee 技術(shù)的定位系統(tǒng)，又以其功耗低，成本低，體積小等一系列的優(yōu)點(diǎn)而近年來(lái)倍受人們青睞。 無(wú)線定位在實(shí)際應(yīng)用中有兩種意義，自我定位和基于網(wǎng)絡(luò)定位。具有 廣泛的適應(yīng)性。主要用于近距離無(wú)線連接。 涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。 本論文主要研究了基于 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)無(wú)線定位技術(shù)，它包括硬件平臺(tái)、節(jié)點(diǎn)通信程序和上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件三部分。 論文最后對(duì)定位系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)的成果作品。 、圖表要求： 1）文字通順，語(yǔ)言流暢，書(shū)寫(xiě)字跡 工整，打印字體及大小符合要求，無(wú)錯(cuò)別字，不準(zhǔn)請(qǐng)他人代寫(xiě) 2）工程設(shè)計(jì)類(lèi)題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計(jì)算機(jī)繪制，所有圖紙應(yīng)符合國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。這些傳感器只需要很小的能量，以接力的方式通過(guò)無(wú)線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器，所以它們的通信效率非常高。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線定位服務(wù)逐漸走進(jìn)人們的生活。 GPS 的出現(xiàn)解決啦軍事和民用的很多實(shí)際問(wèn)題。這里我們主要介紹基于 RSSI 測(cè)量方法。 國(guó)內(nèi)外研 究現(xiàn)狀 1992 年，英國(guó)劍橋 ORL 的 Actice Badge 系統(tǒng)是最早期的室內(nèi)定位系統(tǒng)之一。其中比較典型的有：中興的 CDMA 移動(dòng)通信系統(tǒng)定位業(yè)務(wù)解決方案，康柏電腦公司的 移動(dòng)定位服務(wù)解決方案，中軟安人的 3G 車(chē)載無(wú)線定位系統(tǒng)以及蘇州工業(yè)園區(qū)的基于 WiFi 的實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)等等。目前，出啦上述技術(shù)外，圍繞微雷達(dá)技術(shù)和 UWB 技術(shù)的定位研究也在進(jìn)行中。 2020 年 11 月， IEEE 正式發(fā)布了 IEEE 辦議標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)作為 ZigBee技術(shù)的物理層和 MAC 層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)由 ZigBee 技術(shù)聯(lián)盟制定，應(yīng)用層根據(jù)用戶(hù)自己的應(yīng)用需要進(jìn)行開(kāi)發(fā)。在樹(shù)狀網(wǎng) 6 絡(luò)中，路由節(jié)點(diǎn)使用等級(jí)路由機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和控制信息，樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)可以 使 用信標(biāo)使能的通信。星狀拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由一個(gè)叫作個(gè)域網(wǎng)(Personal Area Network, PAN)主協(xié)調(diào)器的中央控制器和多個(gè)從設(shè)備組成，其中主協(xié)調(diào)器必須為 FFD 設(shè)備，從設(shè)備既可為 FFD 設(shè)備也可為 RFD 設(shè)備。但是由于其只能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)，所以在大規(guī)模組網(wǎng)的場(chǎng)合里便無(wú)法應(yīng)用，而且如果通信中某個(gè)節(jié)點(diǎn)的斷開(kāi)，便會(huì)對(duì)其他節(jié)點(diǎn)的通信造成影響，一定程度上限制了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，同時(shí)星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也很難實(shí)現(xiàn)高密度的擴(kuò)展。其中， PHY 層和 MAC 層協(xié)議由 IEEE 定義，網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的協(xié)議由 ZigBee 聯(lián)盟定義，而應(yīng)用層又包含應(yīng)用支持子層 (Application Support Sublayer, APS),應(yīng)用框架 (Application Framework, AF), ZigBee 設(shè)備對(duì)象 (ZigBee Device Objects,ZDO)和由制造商制定的應(yīng)用對(duì)象。ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)的普及，可以說(shuō)是計(jì)算技術(shù)第四次浪潮的第一波。 CC2431 建立在業(yè)界首款針對(duì)低功耗 RF 應(yīng)用的 SOC 解決方案 CC2430 的基礎(chǔ)上的，封裝小、功能強(qiáng)。 本論文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)就是利用 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，以及已有定位算法所開(kāi)發(fā)出的一套基于 ZigBee 技術(shù)的無(wú)線定位系統(tǒng)。這里需要強(qiáng)調(diào)的是， RSSI 的值是一個(gè)負(fù)數(shù)值，所以在上面的公式中我們?nèi)?RSSI 的絕對(duì)值。為了降低開(kāi)發(fā)成本，硬件平臺(tái)沒(méi)有按節(jié)點(diǎn)功能分別單獨(dú)設(shè)計(jì)，而是將所有功能放在了一個(gè)平臺(tái)上。 (2)采用 IEEE 規(guī)范要求的直接序列擴(kuò)頻方式 。 (10)與控制微處理器的接口配置容易 (4 總線 SPI 接口 )。另外，務(wù)必使 CC2430 芯片底部可靠接地。電池供電方式采用 2 節(jié) AA 電池供電。其中，圖 35 中所示模塊為盲節(jié)點(diǎn)和參考節(jié)點(diǎn)。盲節(jié)點(diǎn)接收到查詢(xún)請(qǐng)求命令后，廣播一系列 (如300 次 )RSSI 值，在數(shù)據(jù)包中設(shè)定跳數(shù)為 1，從而保證只有在一跳范圍內(nèi)的參考節(jié)點(diǎn)才能接收到該數(shù)據(jù)包。網(wǎng)關(guān)特有的功能用虛線標(biāo)出。 在室內(nèi)環(huán)境中，測(cè)試結(jié)果如表 41 所示。分析原因有以下幾條 : (1)定位節(jié)點(diǎn)天線非理想全向天線，而基于 RSSI 和 LQI 的 距離定位方法都是假定天線為理想全向的。 (6)傳輸模型的建立依賴(lài)硬件平臺(tái)，硬件平臺(tái)改變，即使測(cè)試環(huán)境不變， 整個(gè)傳輸模型也需要重新建立。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，證明該模塊的性能在定位系統(tǒng)的應(yīng)用上要好于現(xiàn)有其他 ZigBee 模塊。新出的 ZigBee Pro 規(guī)范對(duì)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了更好的定義，今后可以通過(guò)使用滿(mǎn)足 ZigBee Pro 規(guī)范的協(xié)議棧來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而使系統(tǒng)有了更好的網(wǎng)絡(luò)自愈功能； (4)在今后更大更復(fù)雜 的網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)的同步也是一個(gè)值得注意的問(wèn)題，我們可以通過(guò)使用信標(biāo)幀等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)同步要求，從而可以提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能。2020). 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