【文章內(nèi)容簡介】 使 用信標(biāo)使能的通信。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)允許全對等通信，但是網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中的路由節(jié)點(diǎn) 發(fā)送的不是標(biāo)準(zhǔn)信標(biāo)幀。 但是從功能上主要分為星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和對等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)兩種類型。 其中樹狀網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)同屬于對等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。下面分別對這兩種網(wǎng)絡(luò)拓 撲結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹。 在介紹具體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之前先介紹兩個概念：全功能設(shè)備 ((Full Function Device, FFD 和精簡功能設(shè)備 (Reduced Function Device, RFD) 。 FFD 的特點(diǎn) 有：支持任何網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、可以成為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器或路由 器、可以充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中 的任何設(shè)備以及能和任何設(shè)備通信； RFD 的特點(diǎn)有 :不能成為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、不能有子節(jié)點(diǎn)、只能和自己的父節(jié)點(diǎn)通信。 星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)? 星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 21 所示。星狀拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由一個叫作個域網(wǎng)(Personal Area Network, PAN)主協(xié)調(diào)器的中央控制器和多個從設(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。 圖 21 星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖 星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的形成：首先 選擇一個具有全功能的設(shè)備 ((FFD)做為網(wǎng)絡(luò)的 PAN 主協(xié)調(diào)器，然后由它來建立一個新的網(wǎng)絡(luò)，并確定該網(wǎng)絡(luò)的唯一的一個PAN 標(biāo)識符，即 PANID 號。每個星狀網(wǎng)絡(luò)中只有唯一的一個 PAN 主協(xié)調(diào)器，所以每個星型網(wǎng)絡(luò)通信都是獨(dú)立于當(dāng)前其他星型網(wǎng)絡(luò)的，所以應(yīng)該選擇一個新的 PANID 號以確保網(wǎng)絡(luò)的唯一性，這種特點(diǎn)是 ZigBee 技術(shù)所特有的。當(dāng)協(xié)調(diào)器建立了新的網(wǎng)絡(luò)以后，其他從設(shè)備就可以加入到這個網(wǎng)絡(luò)之中，做為這個星狀網(wǎng)絡(luò)的子節(jié)點(diǎn)。其中，從設(shè)備可以是 FFD 設(shè)備，也可以是 RFD 設(shè)備。 7 目前，星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以其結(jié)構(gòu)簡單、 實(shí)現(xiàn)起來比較容易等特點(diǎn)而被大 量應(yīng)用在遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制中。星狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的簡單主要體現(xiàn)在緊需要執(zhí)行很少的上層協(xié)議、對路由功能的控制相對容易，而且方便管理。大部分管理工作都是由 PAN 協(xié)調(diào)器來完成的。但是由于其只能實(shí)現(xiàn)簡單的網(wǎng)絡(luò)，所以在大規(guī)模組網(wǎng)的場合里便無法應(yīng)用，而且如果通信中某個節(jié)點(diǎn)的斷開，便會對其他節(jié)點(diǎn)的通信造成影響，一定程度上限制了無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，同時星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也很難實(shí)現(xiàn)高密度的擴(kuò)展。 對等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)? ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中的樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜途W(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬煞N結(jié)構(gòu)同屬于對等網(wǎng)絡(luò) 拓?fù)湫问?，其中樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 22 所示，其中防調(diào)器和路由器都是 FFD 設(shè)備，終端設(shè)備為 RFD。終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)只能與自己的父節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信， 從屬于不同父節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)之間不能進(jìn)行通信。 圖 22 樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 23 所示，網(wǎng)狀拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都是 FFD 設(shè)備。節(jié)點(diǎn)間是完全對等的通信，每個節(jié)點(diǎn)都可以與它的無線通信范圍內(nèi)的其它節(jié)點(diǎn)通信，但也需要有一個節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)防調(diào)器，通常把第一個在信 道中通信的節(jié)點(diǎn)作為防調(diào)器節(jié)點(diǎn)。 8 圖 23 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖 其中樹狀網(wǎng)絡(luò)中任何一個節(jié)點(diǎn)的故障都會使與其相連的子節(jié)點(diǎn)部分脫離網(wǎng) 絡(luò)。如果在穩(wěn)定的無線電射頻環(huán)境中，需要有一定的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，而且網(wǎng)絡(luò) 有一定的穩(wěn)定性和擴(kuò)展性，那么樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵⑹且粋€很好的選擇。 ZigBee 協(xié)議的研究 ZigBee 協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)是由物理層 (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）組成的。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)備對象 (ZigBee Device Objects,ZDO)和由制造商制定的應(yīng)用對象。 其中各個層之間的通信是通過各層的數(shù)據(jù)或管理服務(wù)接口實(shí)現(xiàn)的。 ZigBee 技術(shù)應(yīng)用前景 ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)的制定不是用來與藍(lán)牙及其它已經(jīng)存在的標(biāo)準(zhǔn)競爭的，它的出發(fā)點(diǎn)是希一望能夠?qū)崿F(xiàn)一種易布建的低成本無線網(wǎng)絡(luò)。在產(chǎn)品發(fā)展初期，以工業(yè)或企業(yè)市場的感應(yīng)式網(wǎng)絡(luò)為主，提供感應(yīng)辨識、燈光和安全控制等功能，慢慢地逐漸將市場拓展至家庭應(yīng)用領(lǐng)域。通常 ZigBee 技術(shù)適用的場合主要有：要求設(shè)備成本低，數(shù)據(jù)傳輸量少的應(yīng)用；要求設(shè)備體積小、功耗低，長時間無需更換電池的場合；需要大范圍的通信覆蓋，網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備非常多的 遠(yuǎn)程監(jiān)控中。 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)還不能滿足產(chǎn)品需求的特定的市場，因而有著廣闊的應(yīng)用前景。其應(yīng)用領(lǐng)域主要包括以下幾個方面：家庭和樓宇網(wǎng)絡(luò)中涉及到的空調(diào)溫度的監(jiān)控、照明設(shè)備的自動控制、電表和水表的計量控制、窗簾的自動控制、家用電器的遠(yuǎn)程控制等；工業(yè)控制中涉及到的各種監(jiān)控器、傳感器的自動化控制等；商業(yè)領(lǐng)域的智能標(biāo)簽等；公共場所的煙霧探測器等；農(nóng)業(yè)控制上收集各種土壤信息和氣候信息等；以及老人與行動不便者的緊急呼叫器和醫(yī)療傳感器等等。 無論學(xué)術(shù)界還是實(shí)業(yè)界，人們看重 ZigBee 還有更重要的一點(diǎn)： ZigBee 技術(shù)為醞釀了 20 余年的普適計算理論，首次提供了一個從理論走向現(xiàn)實(shí)的技術(shù)平臺。ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)的普及，可以說是計算技術(shù)第四次浪潮的第一波。隨著微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，微處理芯片的組網(wǎng)功能會進(jìn)一步加強(qiáng)，使得智能傳感器與無線通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合將會變得更加容易。應(yīng)用高性能的嵌入式處理器可以使信息網(wǎng)絡(luò)的功能越來越強(qiáng)，相信在不久的將來，我們周圍的生活環(huán)境將是無所不在的網(wǎng)絡(luò)。 10 第三章 基于 ZigBee 技術(shù)定位系統(tǒng)的設(shè)計 ZigBee 定位技術(shù)的介紹 隨著無線技術(shù)在定位領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，近些年來逐漸出現(xiàn)了很多用于定位的無線通信技術(shù)，比較典型的有紅外技術(shù)、超聲波技術(shù)以及同時兼顧定位精度和成本考慮的 RFID 方案。隨著 ZigBee 協(xié)議的推出，人們便開始了基于 ZigBee技術(shù)定位的研究。 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足 ZigBee 協(xié)議的片上系統(tǒng) (SOC)解決方案 CC2431。這款來自 Chipcon 產(chǎn)品系列的器件可滿足 多種應(yīng)用要求，其中包括資產(chǎn)和設(shè)備跟蹤、庫存控制、病人監(jiān)護(hù)、遠(yuǎn)程控制、安全監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等。此外， TI 領(lǐng)先的 ZigBee 協(xié)議棧 ZStack 還可提供相關(guān)支持。 CC2431 建立在業(yè)界首款針對低功耗 RF 應(yīng)用的 SOC 解決方案 CC2430 的基礎(chǔ)上的，封裝小、功能強(qiáng)。它內(nèi)置有摩托羅拉為其專門設(shè)計的一款定位引擎，是基于接收到的信號強(qiáng)度 RSSI 測量的定位引擎，其中 RSSI 值隨距離增大而減小。 CC2431 基于 RSSI 的定位引擎能根據(jù)接收信號的強(qiáng)度與已知 CC2430 參考節(jié)點(diǎn)的位置準(zhǔn)確計算出有關(guān)節(jié)點(diǎn)的位置，然后將位置信息發(fā)送 給接收端，如電腦、 PDA、手機(jī)等。相比于集中型的定位系統(tǒng)， RSSI 功能降低了網(wǎng)絡(luò)流量與通信延遲，在典型應(yīng)用中可實(shí)現(xiàn) 35m 的精度。 除了使用像 CC2431 這種帶定位功能的 ZigBee 芯片之外，近兩年已經(jīng)有越來越多的企業(yè)、研究所和高校在從事研究利用 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行定位的工作。都是利用一些已有的或是經(jīng)過改進(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。并且有些地方已經(jīng)進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，例如，停車場車輛定位、礦井下人員定位、發(fā)生火災(zāi)時消防隊員的定位以及醫(yī)院或家庭里老人或重病人的定位監(jiān)護(hù) 等等。隨著定位技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，基于ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)在未來人們生活中將會得到越來越多的應(yīng)用。 本論文所設(shè)計的系統(tǒng)就是利用 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，以及已有定位算法所開發(fā)出的一套基于 ZigBee 技術(shù)的無線定位系統(tǒng)。對系統(tǒng)的設(shè)計包括：對定位系統(tǒng)所采用算法的選擇、硬件芯片的選取及外圍電路的設(shè)計以及各部分軟件功能的實(shí)現(xiàn)。下面將對各個部分的設(shè)計做詳細(xì)的介紹。 11 系統(tǒng)所采用的算法介紹 基于 RSSI 測距算法 由于傳感器節(jié)點(diǎn)自身具備通信能力，通常通信控制芯片都有測量 RSSI 值的功能，所以利用這種技術(shù)來測距可大大地降低功率和成本。但這種方法的不足就是直接使用時會有很大的誤差，其誤差主要來源于信號實(shí)際傳播的過程中周圍環(huán)境影響造成的信號衰減與理論或經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒环?，從而造成?shí)際測量的誤差。 RADAR 系統(tǒng)是使用 RSSI 測距的最典型的系統(tǒng)。在 RADAR 系統(tǒng)中，忽略了走廊以及樓梯等的影響，主要考慮建筑物墻壁對信號傳播的影響，建立了信號衰減和傳播距離間的關(guān)系模型，如公式 (31)所示： ., .,{)l o g (10])[(])[( 00 CnWW A FC CnWW A FnWddnd B mdpd B mdp ?? ????? (31) 其中 P(司表示基站接收到用戶的信號強(qiáng)度； )(0dp 表示基站接收到在參考節(jié)點(diǎn) 0d 發(fā)送信號的強(qiáng)度，假設(shè)所有節(jié)點(diǎn)的發(fā)送強(qiáng)度相同； n 表示參考節(jié)點(diǎn)和路徑損耗之間的比例因子，依賴十建筑物的結(jié)構(gòu)和使用的材料 ； 0d 表示參考節(jié)點(diǎn)和基站的距離； d 表示需要計算的節(jié)點(diǎn)和基站的距離； nW 表示節(jié)點(diǎn)和基站間墻壁個數(shù)； C 表示信號穿過墻壁個數(shù)的閩值； WAF 表示信號穿過墻壁的衰減因子，依賴于建筑物的結(jié)構(gòu)和使用的材料。 本文以上述模型為理論基礎(chǔ)，參考 CC2431 定位模型，根據(jù)具體環(huán)境的要求，反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，設(shè)計了如下的參考模型，作為利用 RSSI 測距的理論模型依據(jù) (如 公式 (32)： BdAR S S I ?? 10lo g|| (32) 其中， A 為一個經(jīng)驗(yàn)值，要在實(shí)際使用環(huán)境中去測量它的值，在本文中，我們根據(jù)使用環(huán)境，多次測量取平均值，最后我們選擇 40 為 A 的經(jīng)驗(yàn)值； B 是信號接收節(jié)點(diǎn)距離發(fā)射節(jié)點(diǎn) 1 米時，信號衰減值，在此處為 20； d 為發(fā)射點(diǎn)到接收點(diǎn)的距離。這里需要強(qiáng)調(diào)的是， RSSI 的值是一個負(fù)數(shù)值，所以在上面的公式中我們?nèi)?RSSI 的絕對值。這樣我們根據(jù)這個模型， 就可以在測量到 RSSI 值以后，通過計算得到相應(yīng)的距離值。 三邊測量法 三邊測量法，已知 A,B,C 二個節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)分別為（ aayx, ）、（ bbyx, ）、（ ccyx, ） 12 以及它們到未知節(jié)點(diǎn)。的距離分別為 ad , bd , cd ,假設(shè)節(jié)點(diǎn) O 的坐標(biāo)為 (x,y)。 那么存在下列公式 : aaa dyyxx ???? 22 )()( (33) bbb dyyxx ???? 22 )()( (34) ccc dyyxx ???? 22 )()( (35) 由上式可以得到節(jié)點(diǎn) O 的坐標(biāo)，如公式 (36): ???????? ????? ????????????? ?? ??????????? ?2222222222221)(2)(2 )(2)(2 bccbcb accacacbcb caca ddyyxx ddyyxxyyxx yyxxyx (36) 系統(tǒng)硬件設(shè)計 硬件總體規(guī)劃 定位節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計框架如圖 31 所示。硬件電路設(shè)計包括兩部分 :無線通信模塊設(shè)計和輔助功能模塊設(shè)計。無線通信模塊為節(jié)點(diǎn)間的無線數(shù)據(jù)收發(fā)接口，它是節(jié)點(diǎn)核心部分。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(shí)現(xiàn) PC 機(jī)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸。為了降低開發(fā)成本，硬件平臺沒有按節(jié)點(diǎn)功能分別單獨(dú)設(shè)計，而是將所有功能放在了一個平臺上。根據(jù)節(jié)點(diǎn)實(shí)際功