【正文】 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。由式（ 37）可以得到： (39) 設(shè) ，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， , 。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。基于 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。人們在研究中發(fā)現(xiàn)，接收信號強度值與信號的傳播距離之間有著明確的關(guān)系。下面本文將介紹無線傳感網(wǎng)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(xué)院畢業(yè)設(shè)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。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。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。 未知節(jié)點 (Unkown Node)：指無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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。 事件的激發(fā)方法和執(zhí)行順序是值得注意的，協(xié)議棧中通常使用三種函數(shù)進行事件激發(fā)，三種函數(shù)為 osal_start_timer()、 osal_start_timerEx()和 osal_set_event()。網(wǎng)絡(luò)層將不斷重復(fù)這個過程直到節(jié)點成功加入到網(wǎng)絡(luò)為止。 ZMain 是應(yīng)用程序的主函數(shù)，每個應(yīng)用程序都是從 ZMain 函數(shù)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)。這樣信息傳輸?shù)臅r間更加依賴瞬時網(wǎng)絡(luò)連接質(zhì)量，因而難以預(yù)計。 如圖 26 中 (a)所示，星型網(wǎng)絡(luò)是 一 個輻射狀系統(tǒng)，數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)命令都是通過中心節(jié)點傳輸。一旦這些完成以后，協(xié)調(diào)器與路由器的功能就一樣了 (甚至可以斷開 )。 ZigBee 應(yīng)用層包括應(yīng)用支持子層 (APS)， ZigBee 設(shè)備對象 (ZDO)以及用戶定義應(yīng)用對象。此外， MAC 層為實現(xiàn)適當?shù)陌?全機制應(yīng)用提供一 些方法。 (3)在網(wǎng)絡(luò)中采取兩種地址方式 :16 位地址和 64位地址。 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(wù)預(yù)留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突； MAC 層采用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸機制，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息，因此通信可靠性高。也就是要開發(fā)一種低速率的 WPAN(LRWPAN， LowRate Wireless Personal Area Network)標準。該章節(jié)首先介紹了無線定位技術(shù)的出現(xiàn)以及發(fā)展歷程，并講解了目前無線定位技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。由于運用無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的大多數(shù)應(yīng)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(wǎng)絡(luò)技術(shù)更好地服務(wù)于人類社會?，F(xiàn)今實用的定位系統(tǒng)多半基于 GPS(Global Positioning System)技術(shù)，導(dǎo)致應(yīng)用成本較高。 （ 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。無線電出現(xiàn)后為定位提供了一個很好的 工具 ，伴隨著無線電在各種應(yīng)用領(lǐng)域中的廣泛使用，無線定位技術(shù)也得到了極快的發(fā)展。各設(shè)備中采用的 ZigBee 無線模塊為 TI 公司生產(chǎn)的 CC2530，這種芯片 直接支持 RSSI 技術(shù)。 無線定位系統(tǒng)涉及到定位的測量參數(shù)、算法和通信這三種關(guān)鍵技術(shù)。 課題 研究 的 背景與意義 無線定位的發(fā)展及應(yīng)用 隨著現(xiàn)代移動通信技術(shù)和無線網(wǎng)絡(luò)的蓬勃發(fā)展，人們 對無線定位的需求與日俱增。比如對火災(zāi)現(xiàn)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(zāi)禍發(fā)生后的救援速度 。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。到目前為止，對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中定位問題已經(jīng)有了一些比較令人滿意的解決方案。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(shù)的出現(xiàn)提供一個很好的解決方案。 20xx 年，英國 Invensys 公司、日本三菱電氣公司、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(shù)聯(lián)盟，共同研究開發(fā) ZigBee 技術(shù)。ZigBee 提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用 AES128，同時協(xié)議棧的各層可以靈活確定其安全屬性。其中 16 位地址是由協(xié)調(diào)器分配的， 64 位地址是全球唯一的擴展地址。 在 MAC 子層 之上的高層包括網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，對于不同的高層協(xié)議，也可以通過邏輯鏈路控制子層 (LLC， Logical Link Control)以及特定服務(wù)聚合子層 (SSCS，ServiceSpecific Convergence Sublayer)來訪問 MAC 子層。應(yīng)用支持子層 (APS)負責維護設(shè)備綁定表，以及傳輸在綁定的設(shè)備間傳輸數(shù)據(jù)。由于 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的分布式本質(zhì)，網(wǎng)絡(luò)的繼續(xù)運行不依賴于協(xié)調(diào)器的存在。如果用通信模塊構(gòu)造星形網(wǎng)絡(luò)，只需要一個模塊配置成協(xié)調(diào)器節(jié)點，其他模塊可以配置成終端節(jié)點。 ZStack 協(xié)議棧 ZStack 概述 為了適應(yīng) ZigBee 產(chǎn)品開發(fā)的需求，德州儀器 (TI)推出了一套完整的協(xié)議棧ZStack。 簡單的說， ZStack 協(xié)議棧就是用戶的應(yīng)用程序、 ZigBee 標準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)。組網(wǎng)算法流程如圖 29所示。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。也稱為待定位節(jié)點 (Unpositioning Node)。 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準如表 31 所列舉： 以上介紹的定位技術(shù)的評價指標還可以作為設(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。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。 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。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。該定位法的原理圖如圖 33 所示。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，進行多次的距離差測量，就會產(chǎn)生多個這樣的雙曲線。將 x, y, 當作未知數(shù)，則式（ 314）就表示成了一個線性方程。同理可以分別得到圓和圓 的坐標和它們的半徑。而。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。 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。 基于 TOA 的定位法 TOA(Time Of Arrive)即為到達 時間。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。 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。 這樣劃分的兩種定位算法各有其優(yōu)缺點。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。也有的文獻中將錨節(jié)點稱作信標節(jié)點 (Beacon Node)。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)。 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)。 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)。網(wǎng)形拓撲與星形、樹形相比，更加復(fù)雜，其路由拓撲是動態(tài)的，不存在一個固定的路由模式。 星型網(wǎng)絡(luò)，樹狀網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖 26所示。協(xié)調(diào)器的功能主要是開啟和配置網(wǎng)絡(luò)。 應(yīng)用匯聚層將主要負責把不同的應(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)。它的功能是進行信標管理、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、應(yīng)答幀傳送、連接和斷開連接。 (2)支持星型和點到點兩種拓撲結(jié)構(gòu)。 表 21 ZigBee 的主要技術(shù)特征 特性 取值 /狀態(tài) 頻段 868/915MHz 和 數(shù)據(jù)速率 868MHz： 20kbps 915MHz： 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:1 915MHz: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)拓撲 星形、樹狀、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。為了滿足對低功率 、 低價格無線網(wǎng)絡(luò)的需求， 20xx 年 12 月， IEEE標準委員會正式批準成立了 工作組 ，其目標是：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準。 第一章：緒論。 課題意義與目標 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。無線定位服務(wù)已經(jīng)華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 第 3 頁 共 49 頁 在軍用、民用和商用領(lǐng)域證明了其重要性。導(dǎo)航不僅能指示用戶當前所在的位置，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 。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。定位過程中使用的測量參數(shù)為接收信號強度指示 RSSI。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。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)。 （ 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。 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。但是對于定位問題的研究還需要不斷深入。最后介紹了本文的組織結(jié)構(gòu)。 20xx 年 11 月， IEEE 正式發(fā)布了該項技術(shù)的物理層和 MAC 層所采用的標準脅議，即 協(xié)議標準，作為 ZigBee 技術(shù)物理層和媒體接入層的標準協(xié)議 。 (4)網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強。 (4)采用可選的時槽保障 (GTS， Guaranteed Time Slots)機制。 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)標準。設(shè)備綁定表用于根據(jù)設(shè)備間提華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 第 11 頁 共 49 頁 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。 基于 ZigBee 技術(shù)的室