【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 使 用信標(biāo)使能的通信。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)允許全對(duì)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(duì)等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)兩種類型。 其中樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)同屬于對(duì)等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。下面分別對(duì)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(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) 。 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(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。 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(gè)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(lái)建立一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)，并確定該網(wǎng)絡(luò)的唯一的一個(gè)PAN 標(biāo)識(shí)符，即 PANID 號(hào)。每個(gè)星狀網(wǎng)絡(luò)中只有唯一的一個(gè) PAN 主協(xié)調(diào)器，所以每個(gè)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(gè)新的 PANID 號(hào)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(gè)網(wǎng)絡(luò)之中，做為這個(gè)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(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。星狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單主要體現(xiàn)在緊需要執(zhí)行很少的上層協(xié)議、對(duì)路由功能的控制相對(duì)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(lái)完成的。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。 對(duì)等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)? ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中的樹(shù)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(duì)等網(wǎng)絡(luò) 拓?fù)湫问?，其中?shù)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(shù)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(duì)等的通信，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以與它的無(wú)線通信范圍內(nèi)的其它節(jié)點(diǎn)通信，但也需要有一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)防調(diào)器，通常把第一個(gè)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(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)。如果在穩(wěn)定的無(wú)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(shù)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵⑹且粋€(gè)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(wèn)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(duì)象 (ZigBee Device Objects,ZDO)和由制造商制定的應(yīng)用對(duì)象。 其中各個(gè)層之間的通信是通過(guò)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(lái)與藍(lán)牙及其它已經(jīng)存在的標(biāo)準(zhǔn)競(jìng)爭(zhēng)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)。在產(chǎn)品發(fā)展初期，以工業(yè)或企業(yè)市場(chǎng)的感應(yīng)式網(wǎng)絡(luò)為主，提供感應(yīng)辨識(shí)、燈光和安全控制等功能，慢慢地逐漸將市場(chǎng)拓展至家庭應(yīng)用領(lǐng)域。通常 ZigBee 技術(shù)適用的場(chǎng)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(zhǎng)時(shí)間無(wú)需更換電池的場(chǎng)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(chǎng)，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(gè)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(dòng)控制、電表和水表的計(jì)量控制、窗簾的自動(dòng)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(dòng)化控制等；商業(yè)領(lǐng)域的智能標(biāo)簽等；公共場(chǎng)所的煙霧探測(cè)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(dòng)不便者的緊急呼叫器和醫(yī)療傳感器等等。 無(wú)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(jì)算理論，首次提供了一個(gè)從理論走向現(xiàn)實(shí)的技術(shù)平臺(tái)。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。隨著微電子技術(shù)、計(jì)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(huì)進(jìn)一步加強(qiáng)，使得智能傳感器與無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合將會(huì)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(lái)越強(qiáng)，相信在不久的將來(lái)，我們周圍的生活環(huán)境將是無(wú)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(jì) ZigBee 定位技術(shù)的介紹 隨著無(wú)線技術(shù)在定位領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，近些年來(lái)逐漸出現(xiàn)了很多用于定位的無(wú)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(shí)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(kāi)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(lái)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(kù)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(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)。它內(nèi)置有摩托羅拉為其專門設(shè)計(jì)的一款定位引擎，是基于接收到的信號(hào)強(qiáng)度 RSSI 測(cè)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(hào)的強(qiáng)度與已知 CC2430 參考節(jié)點(diǎn)的位置準(zhǔn)確計(jì)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(lái)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(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)。并且有些地方已經(jīng)進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，例如，停車場(chǎng)車輛定位、礦井下人員定位、發(fā)生火災(zāi)時(shí)消防隊(duì)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(wú)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(lái)人們生活中將會(huì)得到越來(lái)越多的應(yīng)用。 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)。對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括：對(duì)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(jì)以及各部分軟件功能的實(shí)現(xiàn)。下面將對(duì)各個(gè)部分的設(shè)計(jì)做詳細(xì)的介紹。 11 系統(tǒng)所采用的算法介紹 基于 RSSI 測(cè)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(cè)量 RSSI 值的功能，所以利用這種技術(shù)來(lái)測(cè)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(shí)會(huì)有很大的誤差，其誤差主要來(lái)源于信號(hào)實(shí)際傳播的過(guò)程中周圍環(huán)境影響造成的信號(hào)衰減與理論或經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒环?，從而造成?shí)際測(cè)量的誤差。 RADAR 系統(tǒng)是使用 RSSI 測(cè)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(duì)信號(hào)傳播的影響，建立了信號(hào)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(hào)強(qiáng)度； )(0dp 表示基站接收到在參考節(jié)點(diǎn) 0d 發(fā)送信號(hào)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(jì)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(gè)數(shù)； C 表示信號(hào)穿過(guò)墻壁個(gè)數(shù)的閩值； WAF 表示信號(hào)穿過(guò)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(cè)試，設(shè)計(jì)了如下的參考模型，作為利用 RSSI 測(cè)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(gè)經(jīng)驗(yàn)值，要在實(shí)際使用環(huán)境中去測(cè)量它的值，在本文中，我們根據(jù)使用環(huán)境，多次測(cè)量取平均值，最后我們選擇 40 為 A 的經(jīng)驗(yàn)值； B 是信號(hào)接收節(jié)點(diǎn)距離發(fā)射節(jié)點(diǎn) 1 米時(shí)，信號(hào)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(gè)負(fù)數(shù)值，所以在上面的公式中我們?nèi)?RSSI 的絕對(duì)值。這樣我們根據(jù)這個(gè)模型， 就可以在測(cè)量到 RSSI 值以后，通過(guò)計(jì)算得到相應(yīng)的距離值。 三邊測(cè)量法 三邊測(cè)量法，已知 A,B,C 二個(gè)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(jì) 硬件總體規(guī)劃 定位節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)框架如圖 31 所示。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)。無(wú)線通信模塊為節(jié)點(diǎn)間的無(wú)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(guò) 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(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。根據(jù)節(jié)點(diǎn)實(shí)際功