【正文】 美國摩托羅拉公 司以及荷蘭飛利浦等公司 共 同宣布組成 ZigBee 技術聯盟，共同研究開發(fā) ZigBee 技術。該章主要講述了定位系統(tǒng)中所使用的參數特性，并對 用來做定位計算的定位引擎的工作原理做了簡 要 介紹。然后分析了本文的研究背景：在目前階段，還沒有如同衛(wèi)星定位那樣成熟的局域定位系統(tǒng)，而 ZigBee 技術的出現提供一個很好的解決方案。 在目前的局域定位系統(tǒng)中，還沒有一種像衛(wèi)星定位這樣成熟且得到廣泛使用的系統(tǒng)出現，在定位系統(tǒng)的精度、成本、可適用的布網環(huán)境等各個方面還有很多需要提升的地方。到目前為止，對于無線傳感器網絡中定位問題已經有了一些比較令人滿意的解決方案。 ZigBee 技術作為一種新興的低成本、低功耗、低速率的短距離無線通信技術，它的獨特技術特點使得其成為 WSN 中的理想通信技術選擇。低成本、高可靠性的新型定位系統(tǒng)的研究開發(fā)變得非常緊迫。隨著定位精度、范圍的提高，定位所需設備的成本進一步降低等，無線定位還將使用在更加廣闊的領域。比如對火災現場對消防員的定位，礦井中對工人所處位置的定位等能極大的增加災禍發(fā)生后的救援速度 。以 Transit 系統(tǒng)為基礎，美國研制的 GPS 定位系統(tǒng)可以廣泛應用在陸海 空 各區(qū)域 的導航、高度測量、速度測量、自動控制、智能調度等各種 領域 ，能夠在全球范圍內為用戶提供全天候的三維定位服務。 課題 研究 的 背景與意義 無線定位的發(fā)展及應用 隨著現代移動通信技術和無線網絡的蓬勃發(fā)展，人們 對無線定位的需求與日俱增。 ZigBee。 無線定位系統(tǒng)涉及到定位的測量參數、算法和通信這三種關鍵技術。 目 錄 設計總說明 ..........................................................I INTRODUCTION.......................................................II 1 緒論 ............................................................1 課題研究的 背景與 意義 .........................................1 本文主要工作及組織結構 .......................................5 2 ZigBee 技術的簡介 ...............................................6 ZigBee 技術基礎知識 ...........................................6 協議棧和 ZigBee 協議棧概述 .........................8 ZigBee 網絡構成 .............................................11 ZStack 協議棧 ...............................................14 3 無線 傳感 網絡 中 定位技術介紹 ..................................19 無線傳感網 絡 定位技術概述 .....................................19 無線傳感網 絡 定位技術的分類 ..................................21 無線傳感網中基于測距的定位算法 ..............................22 4 基于 ZigBee 網絡的室內定位系統(tǒng)設計 ................................30 定位系統(tǒng)結構圖 ...............................................30 定位系統(tǒng)硬件設計 ............................................31 定位節(jié)點軟 件 設計 ............................................34 節(jié)點和上位機間通信 ...........................................40 5 實驗及結果分析 .................................... ..............44 測試條件與環(huán)境 ..............................................44 測試結果分析 ...............................................44 6 總結 ..........................................................46 參考文獻 .............................................................48 致謝 ........................................................49華北科技學院畢業(yè)設計（論文 ） I 基于 ZigBee 技術的室內無線定位技術設計 設計總說明： 無 線定位廣泛應用在導航、測量、自動控制等多個領域 。各設備中采用的 ZigBee 無線模塊為 TI 公司生產的 CC2530，這種芯片 直接支持 RSSI 技術。 in the high density of work, we can get twodimensional locations and know exact location of the mobile device. According to the test results of the engine, we give the advice of the location program in the indoor the end of this paper, we explain how we can further reduce the cost of building a location work and how to achieve a floor location system. Key words: Wireless Location。無線電出現后為定位提供了一個很好的 工具 ，伴隨著無線電在各種應用領域中的廣泛使用，無線定位技術也得到了極快的發(fā)展。自此，無線定位開始出現在交通、調度、自動控制等多種應用領域。 （ 2） 安全 ， 各種安全事故發(fā)生后，對位置信息的準確獲取能夠提供更快更好的幫助，減少不必要的傷害。 無線定位的應用領域還有很多?，F今實用的定位系統(tǒng)多半基于 GPS(Global Positioning System)技術，導致應用成本較高。 20xx 年， ZigBee 聯盟在物理層和媒體接入控制層的基礎上對網絡層 (NWK)和應用層 (APL)進行了具體定義，為用戶提供了大量的 API 函數，從而形成了完整的 ZigBee 協 議。由于運用無線傳感器 網絡技術的大多數應用中都需要知道節(jié)點的位置，所以人們不斷地尋找合適 的定位問題解決方案，不斷提高定位精度以便于無線傳感器網絡技術更好地服務于人類社會。綜上所述，研究出更好的無線傳感器網絡定位問題解決方案仍然是無線傳感器網絡領域具有挑戰(zhàn)性的一項工作，這項研究將直接關系到無線傳感器網絡技術的應用領域是否能夠更加廣泛。該章節(jié)首先介紹了無線定位技術的出現以及發(fā)展歷程，并講解了目前無線定位技術的應用領域。 第四章： CC2530 定位引擎工作過程及性能測試。也就是要開發(fā)一種低速率的 WPAN(LRWPAN， LowRate Wireless Personal Area Network)標準。 標準也就是 ZigBee技術，目標市場是工業(yè)、家庭以及醫(yī)學等需要低功耗、低成本無線通信的應用，對數據速率和 QoS 的要求不高。 ZigBee 采用了 CSMACA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)的避免碰撞機制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙，避免了發(fā)送數據時的競爭和沖突； MAC 層采用了完全確認的數據傳輸機制，每個發(fā)送的數據包都必須等待接收方的確認信息，因此通信可靠性高。設備的復雜程度低，且 ZigBee 協議是免專利費的，可以有效地降低設備成本。 (3)在網絡中采取兩種地址方式 :16 位地址和 64位地址。 (10)工作在 ISM 頻段上，其中在 2450MHZ 波段上有 16 個信道，在 915MHZ 頻段上有 30個信道，在 868MHZ 上有 3個信道。此外， MAC 層為實現適當的安 全機制應用提供一 些方法。 定義的 PHY 層分別工作在兩個 頻段上： 868/915MHz 和 。 ZigBee 應用層包括應用支持子層 (APS)， ZigBee 設備對象 (ZDO)以及用戶定義應用對象。 在 ZigBee 網絡中，將兩種物理設備定義成了三種邏輯設備類型：協調器、路由器、終端設備。一旦這些完成以后，協調器與路由器的功能就一樣了 (甚至可以斷開 )。這使得終端設備可以回到休眠狀態(tài)，從而達到省電的目的。 如圖 26 中 (a)所示，星型網絡是 一 個輻射狀系統(tǒng)，數據和網絡命令都是通過中心節(jié)點傳輸。若干個星形拓撲連接在一起，擴展到更廣闊的區(qū)域。這樣信息傳輸的時間更加依賴瞬時網絡連接質量，因而難以預計。 ZStack 是完全符合 ZigBee20xx 標準的，其協議棧結構也與 ZigBee 規(guī)范完全吻合。 ZMain 是應用程序的主函數，每個應用程序都是從 ZMain 函數作為入口，首先是硬件初始化，存儲器初始化最后是操作系統(tǒng)無限循環(huán)。每個任務都包含若干個事件，每個事件都對應一個事件號。網絡層將不斷重復這個過程直到節(jié)點成功加入到網絡為止。 如果 ZDAPP_CONFIG_PAN_ID 被定義為一個有效的 、 小于或等于 OX3FFF 的值，協調器將僅僅試圖 用這個特殊的 個 域網 ID 建立一個網絡。 事件的激發(fā)方法和執(zhí)行順序是值得注意的，協議棧中通常使用三種函數進行事件激發(fā)，三種函數為 osal_start_timer()、 osal_start_timerEx()和 osal_set_event()。其中，到達時間差定位算法有不需要時間原點同步的特點，這將有助于在該算法的基礎上設計出更好的定位算法。 未知節(jié)點 (Unkown Node)：指無線傳感器網絡中位置未知的節(jié)點，該節(jié)點的位置信息需要通過一些方法測量得到。 非基于測距 (Rangefree)：指不需要距離的測量就能進行定位的方法。定位的誤差分為絕對誤差和相對誤差，絕對誤差指的是定位的位置與實際位置相差的距離，相對 誤差指絕對誤差與節(jié)點之間可以通信的最長距離的百分比。例如，根據是否需要測量節(jié)點之間的距離，可以將定位算法分為基于測距 (Rangebased)的定位算法和非基于測距 (Rangefree)的定位算法。基于測距的定位算法由于需要進過較為準確的距離 測量，所以它的定位精度比較好，但是在功耗和成本方面比較大。但是它的缺點也是很明顯的，與中心節(jié)點較近的 節(jié)點要頻繁的傳遞信息，這將增加這些節(jié)點電量的損耗，當這些節(jié)點電量耗完時，可能導致較遠的節(jié)點無法與中心節(jié)點進行通信。下面本文將介紹無線傳感網中幾種基于測距的定位算法，常見的幾種定位算法分別是：包圍盒定位法、基于 RSSI (接收信號強度 ) 定位法、基于 TOA (到達時間 ) 定位法、基于 TDOA (到達華北科技學院畢業(yè)設計（論文 ） 第 23 頁 共 49 頁 時間差 ) 定位法和基于 AOA (到達角度 ) 定位法。包圍盒矩形區(qū)域的對角線交點就是節(jié)點 B 的估計位置。人們在研究中發(fā)現，接收信號強度值與信號的傳播距離之間有著明確的關系。該算法的定位原理如圖 32 所示， A、 B 和 C 都是錨節(jié)點，位置分別為 、 和 ， M點為未知節(jié)點，設它的位置為 (x, y)?；?TOA 定位法就是利用無線信號在節(jié)點之間的傳輸時間來測量節(jié)點之間距離，然后對未知節(jié)點進行定位。 通過以上的描述可以看出，基于 TOA 的定位法不但 要求知道兩個節(jié)點之間傳輸信號的準確時刻，而且還要求定位系統(tǒng)有著精確的時間同步。距離差定位算法通過測量未知節(jié)點和錨節(jié)點之間的距離差值，從而對未知節(jié)點進行定位。 圖 35 TDOA 定位原理圖 圖 35 中表示的是在二維平面內，使用 N 個錨節(jié)點對未知節(jié)點進行定位的情況。由式（ 37）可以得到： (39) 設 ，則： (310) 再對 式 (38)進行重新整理可以得到： (311) 將等式 (311)兩邊平方，再進 行整理可以得到： (312) 由式 (310)可得： (313) 把式 (310)和式 (313)帶入式 (312)，整理可以得到： (314) 其中， , 。 三 角定位法主要是利用天線測得未知節(jié)點和錨節(jié)點之間的角度關系，然后根據錨節(jié)點的位置確定出未知節(jié)點的位置。那么可以得到以下方程組： (315) 可以通過解 (315)的方程組可以得到圓心 的坐標和半徑