【正文】 用戶手工配置參考節(jié)點坐標(biāo)信息，在定位區(qū)域示意圖中標(biāo)示出參考節(jié)點位置。圖47 協(xié)調(diào)器節(jié)點工作流程圖圖48 參考節(jié)點工作流程圖圖49 盲節(jié)點的定位流程圖因為盲節(jié)點和參考節(jié)點要完成的功能不同，所以需要編寫兩種不同的程序。在協(xié)調(diào)器節(jié)點(協(xié)調(diào)器)成功建立網(wǎng)絡(luò)后，協(xié)調(diào)器節(jié)點要查詢盲節(jié)點的位置信息，首先要給該節(jié)點發(fā)送定位請求信號，通信方式為廣播方式．保證所有的盲節(jié)點都可收到該杏詢請求。如果使用PCB天線，為了減少板材對PCB天線的影響，使天線獲得最佳性能，可以采用RF4板材，厚度為lmm。輔助功能模塊完成定位狀態(tài)指示、供電、串口通信等輔助功能，它通過RS232串口轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)PC機與協(xié)調(diào)器節(jié)點間的數(shù)據(jù)傳輸。最后通過利用圓心O1，O2，O3和三邊定位法原理可以確定未知節(jié)點D 的坐標(biāo)。通過以上處理之后，可以利用解線性方程組得到未知節(jié)點的估計位置。未知節(jié)點的估計位置就在這些雙曲線的相交區(qū)域。圖33基于TOA 定位原理圖圖33 表示在二維平面內(nèi)，用三個位置已知的錨節(jié)點對未知節(jié)點進行定位。由于傳感器節(jié)點本身就具備無線信號收發(fā)功能，所以基于RSSI 定位的技術(shù)具有低功率和廉價的優(yōu)點。這種定位方法通過利用節(jié)點之間距離的估計值繪制出一個重疊的矩形區(qū)域，最后將這個矩形區(qū)域的中心當(dāng)作未知節(jié)點的位置。在實際的應(yīng)用中應(yīng)該根據(jù)需求的不同選擇不同的定位算法。這些評價指標(biāo)之間并不是孤立的，它們存在聯(lián)系。鄰居節(jié)點(Neighbor Nodes)：指在傳感器節(jié)點通信范圍內(nèi)的所有其他傳感器節(jié)點。函數(shù)osal_start_timer()也被用來開啟一個在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，但使用時不用指明任務(wù)ID。在ZStack中，一個具體的Sample應(yīng)用組網(wǎng)過程如下：一個作為協(xié)調(diào)器編譯的Sarhple應(yīng)用將會組建一個網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)使用DEFAULT CHANLIST中說明的信道之一。各層之間通過各層的API函數(shù)實現(xiàn)相互連接和通信，最終達到完整有效的運行。ZStack是ZigBee技術(shù)的核心軟件，ZStack符合ZigBee2006規(guī)范的要求，并且在硬件上支持CC2530，CC2530以及MSP430平臺。星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點就是結(jié)構(gòu)簡單，這種簡單帶來的是很少有上層協(xié)議需要執(zhí)行、較低的設(shè)備成本、較少的上層路由信息和管理方便。圖24 路由器功能模塊示意圖（2）路由器,路由器執(zhí)行的功能有:①允許其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)；②多跳路由；③輔助它的電池供電的子終端設(shè)備通信。設(shè)備綁定表用于根據(jù)設(shè)備間提供的服務(wù)和需求來匹配設(shè)備并儲存相關(guān)設(shè)備信息。 ZigBee協(xié)議棧概述ZigBee技術(shù)作為一種新興的低速率短距離無線通信技術(shù)，也是ZigBee聯(lián)盟(ZigBeeAlliance)所主導(dǎo)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。(4)采用可選的時槽保障(GTS，Guaranteed Time Slots)機制。(4)網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強。2003年11月，IEEE正式發(fā)布了該項技術(shù)的物理層和MAC層所采用的標(biāo)準(zhǔn)脅議，作為ZigBee技術(shù)物理層和媒體接入層的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。最后介紹了本文的組織結(jié)構(gòu)。但是對于定位問題的研究還需要不斷深入。另一方面，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)可以使人們在任何時間、任何地點和任何環(huán)境條件下獲取大量詳實而可靠的信息。（3）監(jiān)測，對各種重要設(shè)備、物品以及人員的位置監(jiān)測，可以防止盜竊、丟失、走失等。無線定位服務(wù)是指通過無線終端和無線網(wǎng)絡(luò)的配合，確定移動用戶的實際位置信息，從而提供用戶所需的與位置和方向相關(guān)的服務(wù)。本文首先講解ZigBee通信部分，包括各種設(shè)備的通信過程、定位通信的規(guī)范、用到的消息格式以及交互流程等。定位過程中使用的測量參數(shù)為接收信號強度指示RSSI。隨著現(xiàn)代文明的發(fā)展，人類要求更好的定位技術(shù)來滿足在交通、監(jiān)控、調(diào)度、自動控制、跟蹤導(dǎo)航等應(yīng)用范圍內(nèi)對位置服務(wù)的需求。導(dǎo)航不僅能指示用戶當(dāng)前所在的位置，還能與計算機技術(shù)相結(jié)合為用戶提供交通指示、導(dǎo)引，并實現(xiàn)對交通的智能調(diào)度、自動控制等。無線定位服務(wù)已經(jīng)在軍用、民用和商用領(lǐng)域證明了其重要性。 課題意義與目標(biāo)不論在理論研究還是在實際應(yīng)用中，定位問題一直都是人們研究的熱點所在。第一章：緒論。為了滿足對低功率、低價格無線網(wǎng)絡(luò)的需求，2000年12月，其目標(biāo)是：在廉價的、倒定或便攜的、移動的裝置中，提出一個具有低復(fù)雜度、低價格、低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸率的無線接入標(biāo)準(zhǔn)。表21 ZigBee的主要技術(shù)特征特性取值/狀態(tài)頻段868/數(shù)據(jù)速率868MHz：20kbps915MHz：42kbps：250kbps調(diào)制方式868/915MHz:BPSK：OQPSK擴頻方式直接序列擴頻通信范圍10100m通信延時1530ms信道數(shù)目868MHz:1915MHz:10:16尋址方式64bitIEEE地址，16bit網(wǎng)絡(luò)地址信道接入CSMA/CA和時隙化的CSMA/CA網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫切巍錉?、網(wǎng)狀功耗極低狀態(tài)模式激活/休眠 (3)通信可靠性高，數(shù)據(jù)安全。(2)支持星型和點到點兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它的功能是進行信標(biāo)管理、信道介入、保證時基于ZigBee技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)研究與實現(xiàn)隙(GTS)管理、幀確認(rèn)、應(yīng)答幀傳送、連接和斷開連接。應(yīng)用匯聚層將主要負(fù)責(zé)把不同的應(yīng)用映射到ZigBee網(wǎng)絡(luò)上，具體而言包括：安全與鑒權(quán)、多個業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的會聚、設(shè)備發(fā)現(xiàn)、業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)。協(xié)調(diào)器的功能主要是開啟和配置網(wǎng)絡(luò)。星型網(wǎng)絡(luò)，樹狀網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖26所示。網(wǎng)形拓?fù)渑c星形、樹形相比，更加復(fù)雜，其路由拓?fù)涫莿討B(tài)的，不存在一個固定的路由模式。ZDO是ZigBee設(shè)備對象的簡稱，在該層主要定義了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部設(shè)備的入網(wǎng)，綁定以及設(shè)備發(fā)現(xiàn)等功能實現(xiàn)。如果沒有足夠的地址資源，那么節(jié)點將收到來自父節(jié)點的連接失敗響應(yīng)，此時子節(jié)點即可以向其他父節(jié)點請求ZigBee網(wǎng)絡(luò)短地址來加入網(wǎng)絡(luò)。因此，必須首先在任務(wù)列表中添加任務(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)。也有的文獻中將錨節(jié)點稱作信標(biāo)節(jié)點(Beacon Node)。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。這樣劃分的兩種定位算法各有其優(yōu)缺點。 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。無線信號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。 基于TOA 的定位法TOA(Time Of Arrive)即為到達時間。圖34三邊定位法的原理圖 基于TDOA 的定位法TDOA(Time Different Of Arrive)即為到達時間差，基于TDOA 的定位法本質(zhì)上屬于距離差定位算法。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，可對它們進行線性化處理。而∠AO1C=2π2∠ADC。 定位系統(tǒng)硬件設(shè)計定位節(jié)點硬件設(shè)計框架如圖42所示。建議無線通信模塊采用PCB雙層板，頂層用于信號線布線，底層用于電源和地布線，在無布線的開放區(qū)域采用少量過孔相連到地。因此，首先需要在硬件平臺上實現(xiàn)節(jié)點間的通信，可分為如下五步進行(數(shù)據(jù)量類型有定位算法抉定，這里以RSSI為例)。下面簡要介紹一下各類節(jié)點工作流程圖。用戶為特定定位場景自行選擇bmp、jpg、gif等格式的定位區(qū)域示意圖，將示意圖加載到上位機顯示窗口處。定位信息處理包括2個方面：(1)提供PC和協(xié)調(diào)器節(jié)點間接口。為簡單起見，共用其它層文件。(3)參考節(jié)點預(yù)處理RSSI值。實際中的各種節(jié)點根據(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。圖42節(jié)點硬件設(shè)計框圖CC2530芯片12lJ為Chipcon公司生產(chǎn)的2．4 GHz射頻系統(tǒng)單芯片。對定位環(huán)境模型進行適當(dāng)修改后，也可應(yīng)用于礦井巷道等其它環(huán)境中。 基于AOA 的定位法AOA(Angle Of Arrive)即是到達角度。很明顯，未知節(jié)點不需要與錨節(jié)點進行同步，只需錨節(jié)點之間進行同步即可，這將會極大地簡化定位的復(fù)雜度。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C*(T1T0)。n p為路徑損耗指數(shù)，它與具體的環(huán)境相關(guān)。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dAB和dBC來表示。 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。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。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。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。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。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。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)議棧進行了較詳細的說明。集中的信息涌向中心節(jié)點，容易造成網(wǎng)絡(luò)堵塞、丟包、性能下降等。路由器為它的子節(jié)點緩存信息，直到子節(jié)點被喚醒并請求數(shù)據(jù)。 ZigBee網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備類型：全功能設(shè)備(FFD)、精簡功能設(shè)備(RFD)。所有的服務(wù)實體都通過服務(wù)接入點(SAP)為上層提供一個接口，每個SAP都支持一定數(shù)量的服務(wù)原語來實現(xiàn)所需的功能。(7)低功耗機制。(5)時延短，設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)快。 ZigBee技術(shù)特點(Wireless Personal AreaNetwork)標(biāo)準(zhǔn)，區(qū)別在于通信速率、QoS能力等。第三章：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中定位技術(shù)。目前，研究人員通過研究設(shè)計了一些方案來解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的定位問題，這些解決方案有：基于信號接收強度值(RSSI)的定位技術(shù)、基于到達時間(TOA)的定位技術(shù)、基于到達時間差(TDOA)的定位技術(shù)和基于到達角度(AOA)的定位技術(shù)等。WSN的定位機制逐漸成為其主要技術(shù)之一。（4）自動控制，自動駕駛、工業(yè)控制等。在無線定位中，無線電波的傳播時間、信號場強、相位等特性會隨著位置的改變而改變，得到這些特性后進行計算分析就可以得到未知點的位置。根據(jù)對定位引擎的性能測試結(jié)果,提出改進意見。ZigBee 技術(shù)的低功耗、低成本、高擴展性的特點為構(gòu)建無線定位系統(tǒng)提供一種很好的解決方案。 Location Engine。隨后，美國又在對E911的補充中明確規(guī)定了定位的精度。1999年FCC對E911法進行修訂，對定位精度提出新的要求，極大的促進了美國LBS(Location Based Service)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。在所有的定位實現(xiàn)中，室內(nèi)空間由于其環(huán)境的復(fù)雜性，一直是定位系統(tǒng)實現(xiàn)的一個難點。在完成的定位系統(tǒng)中，能通過與其它監(jiān)控設(shè)備的協(xié)同工作完成數(shù)據(jù)的采集，以及對人員、物品等的位置監(jiān)測。第六章：總結(jié)。ZigBee技術(shù)的最大傳輸速率只有250kbps，專注于低速率傳輸應(yīng)用。 LRWPAN是一種結(jié)構(gòu)簡單、低成本、低功耗的無線通信網(wǎng)絡(luò)，它的存在使得無線連接在低功耗和低數(shù)據(jù)吞吐量的應(yīng)用中成為可能。PHY層由射頻收發(fā)器以及底層的控制模塊構(gòu)成。網(wǎng)絡(luò)層的主要職責(zé)包括提供設(shè)備用來加入網(wǎng)絡(luò)和離開網(wǎng)絡(luò)的機制，提供數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)陌踩珯C制和路由機制。它是網(wǎng)絡(luò)中的第一個設(shè)備。在能量管理方面，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器與路由器需要突發(fā)的處理一些請求，包括入網(wǎng)、退出網(wǎng)絡(luò)以及數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)等功能，一般情況下，使用永久性電源；若終端節(jié)點在大部分的時間里都處于休眠狀態(tài)就可以采用電池供電。樹形拓?fù)涞淖罴褢?yīng)用是在穩(wěn)定的無線電射頻環(huán)境中，也可以很好的用在一些簡單的低數(shù)據(jù)量的大規(guī)模集合的應(yīng)用之中。MAC以及NWK層主要實現(xiàn)了ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的媒體接入控制層和網(wǎng)絡(luò)層。 ZigBee組網(wǎng)協(xié)調(diào)器組建個人局域網(wǎng)(PAN)成功后，頻繁的以廣播方式向外發(fā)送信標(biāo)幀，用來表示它的存在。圖29組網(wǎng)算法流程圖 ZStack協(xié)議棧運行機制一個完整的基于ZStack協(xié)議棧的應(yīng)用程序主流程圖如圖210所示。錨節(jié)點(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。定位的準(zhǔn)確性指的是通過某定位算法求得的位置與實際位置之間的最大距離。而非基于測距的定位算法則不需要測量距離和角度的信息，而是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等信息進行未知節(jié)點的定位。而相對定位則是先選取網(wǎng)絡(luò)中的某個節(jié)點作為定位的參考節(jié)點，其他節(jié)點的位置都是相對于該節(jié)點的位置而言的?？梢允褂酶嗟腻^節(jié)點使未知節(jié)點的位置精確化。但是影響RSSI 值的因素有很多，例如多徑衰減，非視距的影響等，即使發(fā)送方和接收方的位置不改變，每次測距都可能產(chǎn)生很大的差異。三邊定位法是一種精確的定位方法，通過分別測量未知節(jié)點到三個不在同一直線上的錨節(jié)點的距離，再結(jié)合三個錨節(jié)點的坐標(biāo)信息就可以得出未知節(jié)點的位置信息。假設(shè)錨節(jié)點1 離未知節(jié)點最近，它是第一個接收到未知節(jié)點信號的。假設(shè)未知節(jié)點的坐標(biāo)為(x, y)。盲節(jié)點也稱之為待定位節(jié)點，它是一類可移動的節(jié)點，可在參考節(jié)點包圍的區(qū)域內(nèi)任意移動，定位的目的就是要獲得該類節(jié)點的位置坐標(biāo)信息。 CC2530射頻模塊設(shè)計無線通信模塊包括CC2530芯片及其相關(guān)外圍電路。(3)狀態(tài)指示電路指示燈等器件用于定位節(jié)點狀態(tài)指示?？紤]到協(xié)調(diào)器除了組網(wǎng)和串口通信功能外，它可以作為參考節(jié)點使用，故只需要編寫兩種節(jié)點程序即可。定位工程管理完成加載定位區(qū)域示意圖和配置參考節(jié)點坐標(biāo)信息功能。解析串口回讀的數(shù)據(jù)包，依據(jù)數(shù)據(jù)包信息，調(diào)用相應(yīng)定位算法程序，獲取移動節(jié)點坐標(biāo)信息，并顯示和保存定位結(jié)果。其中L