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無線列調機車定位技術的研究畢業(yè)論文(編輯修改稿)

2025-07-17 07:42 本頁面
 

【文章內容簡介】 775m 的 范 圍 內 ,但 可 以 繼 續(xù) 增 加 。 作 為 一 種 無 線 通 信 技 術 , ZigBee 具有 如 下 特 點 :     (1) 低 功 耗 : 由 于 ZigBee 的 傳 輸 速 率 低 ,發(fā) 射 功 率 僅 為 1mW,而 且采 用 了 休 眠 模 式 , 功 耗 低 ,因 此 ZigBee 設 備 非 常 省 電 。 據 估 算 ,ZigBee 設 備 僅 靠 兩 節(jié) 5 號 電 池 就 可 以 維 持 長 達 6 個 月 到 2 年 左 右 的 使用 時 間 ,這 是 其 它 無 線 設 備 望 塵 莫 及 的 。     (2) 成 本 低 : ZigBee 模 塊 的 初 始 成 本 在 6 美 元 左 右 , 估 計 很 快就 能 降 到 — 美 元 , 并 且 ZigBee 協 議 是 免 專 利 費 的 。 低 成 本 對于 ZigBee 也 是 一 個 關 鍵 的 因 素 。     (3) 時 延 短 : 通 信 時 延 和 從 休 眠 狀 態(tài) 激 活 的 時 延 都 非 常 短 , 典 型 的搜 索 設 備 時 延 30ms,休 眠 激 活 的 時 延 是 15ms, 活 動 設 備 信 道 接 入 的 時延 為 15ms。 因 此 ZigBee 技 術 適 用 于 對 時 延 要 求 苛 刻 的 無 線 控 制 (如 工業(yè) 控 制 場 合 等 )應 用 。     (4) 網 絡 容 量 大 : 一 個 星 型 結 構 的 Zigbee 網 絡 最 多 可 以 容 納254 個 從 設 備 和 一 個 主 設 備 , 一 個 區(qū) 域 內 可 以 同 時 存 在 最 多 100 個ZigBee 網 絡 , 而 且 網 絡 組 成 靈 活 。     (5) 可 靠 : 采 取 了 碰 撞 避 免 策 略 , 同 時 為 需 要 固 定 帶 寬 的 通 信 業(yè) 務預 留 了 專 用 時 隙 ,避 開 了 發(fā) 送 數 據 的 競 爭 和 沖 突 。 MAC 層 采 用 了 完 全 確認 的 數 據 傳 輸 模 式 , 每 個 發(fā) 送 的 數 據 包 都 必 須 等 待 接 收 方 的 確 認 信 息 。如 果 傳 輸 過 程 中 出 現 問 題 可 以 進 行 重 發(fā) 。 (6) 安 全 : ZigBee 提 供 了 基 于 循 環(huán) 冗 余 校 驗 (CRC)的 數 據 包 完 整性 檢 查 功 能 ,支 持 鑒 權 和 認 證 , 采 用 了 AES128 的 加 密 算 法 ,各 個 應用 可 以 靈 活 確 定 其 安 全 屬 性 。 Zigbee 的 自 組 織 網ZigBee 技 術 所 采 用 的 自 組 織 網 是 怎 么 回 事 ? 舉 一 個 簡 單 的 例 子 就可 以 說 明 這 個 問 題 , 當 一 隊 傘 兵 空 降 后 , 每 人 持 有 一 個 ZigBee 網 絡模 塊 終 端 , 降 落 到 地 面 后 , 只 要 他 們 彼 此 間 在 網 絡 模 塊 的 通 信 范 圍 內 ,通 過 彼 此 自 動 尋 找 , 很 快 就 可 以 形 成 一 個 互 聯 互 通 的 ZigBee 網 絡 。而 且 , 由 于 人 員 的 移 動 , 彼 此 間 的 聯 絡 還 會 發(fā) 生 變 化 。 因 而 , 模 塊 還 可以 通 過 重 新 尋 找 通 信 對 象 , 確 定 彼 此 間 的 聯 絡 , 對 原 有 網 絡 進 行 刷 新 。這 就 是 自 組 織 網 。 標 準 制 定ZigBee 聯 盟 對 ZigBee 標 準 的 制 定 : 的 物 理 層 、MAC 層 及 數 據 鏈 路 層 , 標 準 已 在 2022 年 5 月 發(fā) 布 。 ZigBee 網 絡 層 、加 密 層 及 應 用 描 述 層 的 制 定 也 取 得 了 較 大 的 進 展 。 版 本 已 經 發(fā) 布 。其 他 應 用 領 域 及 其 相 關 的 設 備 描 述 也 會 陸 續(xù) 發(fā) 布 。 由 于 ZigBee 不 僅只 是 的 代 名 詞 , 而 且 IEEE 僅 處 理 低 級 MAC 層 和 物 理 層 協 議 ,因 此 ZigBee 聯 盟 對 其 網 絡 層 協 議 和 API 進 行 了 標 準 化 。 完 全 協 議 用 于 8一 次 可 直 接 連 接 到 一 個 設 備 的 基 本 節(jié) 點 的 4K 字 節(jié) 或 者 作 為 Hub 或 路由 器 的 協 調 器 的 32K 字 節(jié) 。 每 個 協 調 器 可 連 接 多 達 255 個 節(jié) 點 , 而 幾個 協 調 器 則 可 形 成 一 個 網 絡 , 對 路 由 傳 輸 的 數 目 則 沒 有 限 制 。 ZigBee聯 盟 還 開 發(fā) 了 安 全 層 , 以 保 證 這 種 便 攜 設 備 不 會 意 外 泄 漏 其 標 識 , 而 且這 種 利 用 網 絡 的 遠 距 離 傳 輸 不 會 被 其 它 節(jié) 點 獲 得 。 基于 ZigBee 技術的無線消防報警定位系統消防一直是關系社會安定和公眾安全的重要問題。隨著現代化城市布局的擴大和經濟的發(fā)展,建筑物內人口的增加,煤氣、家用電器設備和公用電器設備使用中出現的可燃氣體泄露、電氣設備過載、過熱、短路等不安全因素,均具有火災隱患,重特大火災發(fā)生幾率呈上升趨勢?,F代火災已呈現出立體化、復雜化、多樣化的趨勢,對人民的生命和財產造成很大的威脅和損失。 無線火災報警系統   無線火災報警系統與傳統的有線系統的區(qū)別在于:前者是通過無線信號而不是用導線將各個裝置連成一個系統,這就使得硬件系統的安裝簡單而快速,最大限度減少對客戶的干擾和對建筑物的破壞。無線火災報警系統借助于無線電信號而不是導線傳輸數據,并用電池為系統組件提供工作電源。當傳感器監(jiān)測到異常信號,短波無線電在 1 秒之內將所得數據傳送到控制面板,由天線完成系統的主要輸入輸出。   如今,幾乎所有布線連接的電器裝置都可以改由無線電信號來控制,同時隨著電器元件的成本、自動化裝配成本的下降,無線火災報警系統的成本也隨之大幅度降低,并且隨著系統整體性能的提高,無線火災報警系統在很多情況下與有線系統相比,無論是在性能上還是價格上,都具有相當大的競爭力,同時由于安裝速度快,對建筑物損毀小,無線火災報警系統的優(yōu)勢日趨明顯,應用場所日益廣泛,其潛在市場正在被打開。 無線消防報普定位系統總體設計   ZigBee 協調器、中繼器(路由器)和終端設備以邊緣為星型的網狀拓撲方式連接。當網絡中某處物理位置發(fā)生火警時,其附近傳感器節(jié)點感測到火警并將其通過網絡傳播出去。進入火災現場的消防人員隨身攜帶嵌入了無線模塊的移動裝置,視為網絡中的移動節(jié)點,它通過向其周圍固定安裝的位置已知的節(jié)點發(fā)送測量命令消息,接收到消息的節(jié)點通過其中所包含的信息可為位置未知的移動節(jié)點估算出所在位置。網絡協調器可將網絡信息傳送到 PC 中,從而可了解網絡節(jié)點工作情況以及消防人員的位置。 (一)硬件總體設計方案   根據國內無線頻譜管理相關規(guī)定,基于 ZigBee 標準的產品只能選擇 頻段的器件。目前已經推出了 MCU 與 RF 集成的“射頻 SoC”。例如Chipcon 公司 2022 年第一季度推出的 CC2431,它由 射頻收發(fā) 9器核心和增強型工業(yè)標準的 8 位 8051 微控制器組成,是目前世界上僅有的帶有 128K 閃存的 8051 內核的 ZigBee 無線單片機,并帶有定位跟蹤引擎。從本設計的功能要求和性能指標來看,此類器件無疑是非常理想的選擇:低復雜度,低功耗,低速率,體積小,并能同時方便地滿足組網和定位的需要。但是經過市場調研后發(fā)現,“物美”卻不“價廉”,無論是芯片還是開發(fā)工具都價格不菲。   出于符合要求又兼顧成本的綜合考慮,經過對不同方案的研究和對比,決定還是采用獨立 MCU 與 RF 器件的硬件架構。MCU 采用 Microchip 公司的PIC18LF2620,它是 8 位微控制器,低電壓供電,28 個管腳包含 3 組雙向 1/0,中斷和定時器資源都很豐富,并且很容易將程序功能擴展移植到 40 腳的PIC18LF4620。RF 采用 Chipeon 公司的 Ce2500,它的工作頻帶范圍為2400~,采用 微米 CMOS 工藝,外形小,需要的外部元件數量少,而且價格十分低廉,低電壓供電,高接收靈敏度,屬于超低成本 ZigBeeRF芯片。其余的器件比如傳感器、串口通信器件等,以及必要外圍器件如 LED,均考慮了體積與功耗因素。 (二)軟件總體設計   要組建一個基于 ZigBee 技術的無線消防報警定位系統,首先要對數據進行采集和處理,例如環(huán)境感測數據。然后要實現節(jié)點間的通信,才能將獲得的信息從一個節(jié)點傳送到其他節(jié)點。最后要進行組網以及定位估計,才能最終實現一個自組織網絡并對移動未知節(jié)點進行定位。數據采集與傳輸   這一部分主要包括傳感器信息的采集、所使用的幾種通信方式、數據傳輸機制。   傳感器信息的采集,其實就是處理傳感器和微控制器的接口。傳感器將采集來的模擬量轉換成數字量,送進微控制器。微控制器根據所得數據進行相應處理。    規(guī)定所有的通信是基于包的。在數據通信部分,RF 芯片已經對一些功能例如 CCA、LQI、同步字探測、地址校驗、自動 CRC 等給予了硬件支持,這些減少了軟件設計時對于數據包形成和接收檢驗的工作量。本設計是采用非信標使能的網狀拓撲結構,它的通信機制在 規(guī)范中有詳細的定義和說明,設計時應按照規(guī)范,采用無時隙的 CSM/CA 算法,實現設備到協調器、協調器到設備以及對等實體之間的可靠數據傳輸。   系統信息匯集在網絡協調器。協調器通過 RS232 串口可與監(jiān)控主機進行通信,從而可在 PC 上更直觀和方便地了解網絡節(jié)點工作情況以及消防人員的位置。 組網及路由   這一部分主要包括:協調器如何建立網絡,節(jié)點如何向父設備請求加入 10網絡,協調器如何處理其它節(jié)點發(fā)送的入網請求,允許節(jié)點加入。以及消息在網絡中如何進行路由。 定位算法   這一部分主要包括定位估算的原理,給出 RSSl 數據采集機制、門限設置和位置估算方法。   CC250o 帶有 RSSl(接收信號強度指示)的數字輸出。由于該消防報警系統是安裝在建筑物內,其定位即屬于室內定位。通過對大量文獻中關于無線傳感器網絡定位算法的研究,同時結合 CC25oo 的此一特性,決定采用基于 RSSl 的最大似然估計方法進行定位估算。相比許多其他的方法,用此種方法進行物理定位的精度并不是非常理想,但由于室內節(jié)點的密度相對較密集,故精度所產生的影響不會太大,并且還可以利用符號定位提供位置參考。同時,采用較簡單的算法也降低了系統實現的復雜度。如果要將系統應用在精度要求很高的場合,也可對現有算法進行一些修正以提高精度,例如自適應迭代法、距離加權估計算法等。   ZigBee 技術以其優(yōu)越的特性在無線通信領域異軍突起,應用日趨廣泛。本文基于 ZigBee 技術,設計了可對樓宇內火警進行實時監(jiān)控并追蹤消防人員位置的無線消防報警定位系統。該設計方案已應用于實踐,同時對其他設備或人員的無線監(jiān)控和定位追蹤也具有借鑒意義。基于 ZigBee 技術的消防報警定位系統,必將在未來的智能樓宇中得到更普遍的發(fā)展和應用。 11第 3 章 基于 GPS 定位系統的機車定位系統GPS(Global Positioning System)即全球定位系統,是美國研制的衛(wèi)星導航定位系統,今采用 wgs84 坐標系統。因地球在天球空間中的位置是不穩(wěn)定的,故協議用 wgs84 某一可的北極點指向位置。 GPS原 理 概 述 GPS 技術簡介  GPS( Global Po
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