【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 一個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的所有信標(biāo)中保存具有最小跳數(shù)值的信標(biāo)，丟棄具有較大跳數(shù)值的同一 錨節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)。通過(guò)這一機(jī)制，網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn) (包括其他錨節(jié)點(diǎn) )都獲得了到每一個(gè)錨 節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù)值。 為了將跳數(shù)值轉(zhuǎn)換成物理距離，系統(tǒng)需要估計(jì)網(wǎng)絡(luò)中平均每跳的距離。錨節(jié)點(diǎn)具有 到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部其他錨節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)值以及這些錨節(jié)點(diǎn)的位置信息，因此錨節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)計(jì)算 得到距其他錨節(jié)點(diǎn)的實(shí)際距離。經(jīng)過(guò)計(jì)算，一個(gè)錨節(jié)點(diǎn)得到網(wǎng)絡(luò)的平均每跳距離，并將 此估計(jì)值廣播到網(wǎng)絡(luò)中，稱(chēng)作校正值，任何節(jié)點(diǎn)一旦接收到此校正值，就可以估計(jì)自己 到這個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的距離。如果一 個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠獲得到 3 個(gè)以上錨節(jié)點(diǎn)的估計(jì)距離，它就可以 利用三邊法估計(jì)其自身的位置。 Dv． Hop 算法與基于測(cè)距算法具有相似之處，就是都需要獲得未知節(jié)點(diǎn)到錨節(jié)點(diǎn)的 距離， j 但是 DV． Hop 獲得距離的方法是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)中拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息的計(jì)算而不是通過(guò)無(wú)線(xiàn) 電波信號(hào)的測(cè)量。 在基于測(cè)距的方法中，未知節(jié)點(diǎn)只能獲得到自己射頻覆蓋范圍內(nèi)的錨節(jié)點(diǎn)的距離， 而 DV=Hop 算法可以獲得到未知節(jié)點(diǎn)無(wú)線(xiàn)射程以外的錨節(jié)點(diǎn)的距離，這樣就可以獲得更 多的有用數(shù)據(jù)，提高定位精度。 (3)不定型算法 不定型 (Amorphous)【 ll， 121 定位 算法與 DV． Hop 算法類(lèi)似。首先，采用與 DV． Hop 算 法類(lèi)似的方法獲得距錨節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)，稱(chēng)為梯度值。未知節(jié)點(diǎn)收集鄰居節(jié)點(diǎn)的梯度值，計(jì) 算關(guān)于某個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的局部梯度平均值。與 DV． Hop 算法不同的是： Amorphous 算法假定 預(yù)先知道網(wǎng)絡(luò)的密度，然后離線(xiàn)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的平均每跳距離，最后當(dāng)獲得 3 個(gè)或更多錨節(jié) 點(diǎn)的梯度值后，未知節(jié)點(diǎn)計(jì)算與每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的距離，并使用三邊測(cè)量法和最大似然估計(jì) 法估算自身位置。 (4)APIT 算法 在近似三角形內(nèi)點(diǎn)測(cè)試法 (Approximate Point— In． Triangulation test， APIn 算法【 168。 ，12l 中，一個(gè)未知節(jié)點(diǎn)從它所有能夠與之通信的錨節(jié)點(diǎn)中選擇 3 個(gè)節(jié)點(diǎn)，測(cè)試它自身是在這 3 個(gè)錨節(jié)點(diǎn)所組成的三角形內(nèi)部還是在其外部；然后再選擇另外 3 個(gè)錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同樣的 測(cè)試，直到窮盡所有的組合或者達(dá)到所需的精度。 如果未知節(jié)點(diǎn)在某三角形內(nèi)部，稱(chēng)此 基于 ZigBee 技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn) 三角形包含未知節(jié)點(diǎn)；最后，未知節(jié)點(diǎn)將包含自己的所有三角形的相交區(qū)域的質(zhì)心作為 自己的估計(jì)位置。 APIT算法在不規(guī)則傳播信號(hào)模式和節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署的條件下，通信開(kāi)銷(xiāo)小，精度較 高，適合跟蹤等應(yīng)用。但是， APIT 算法需要足夠的 PIT三角形才能夠達(dá)到精確要求， 這就需要在通信范圍內(nèi)有足夠的參考節(jié)點(diǎn)。 1． 4 ZigBee 定位技術(shù)研究現(xiàn)狀和發(fā)展 伴隨著 ZigBee 技術(shù)的出現(xiàn)，基于 ZigBee 技術(shù)的定位研究也隨之展開(kāi)。國(guó)內(nèi)外許多 公司和研究機(jī)構(gòu)展開(kāi)了基于 ZigBee 技術(shù)的無(wú)線(xiàn)定位技術(shù)研究。總體而言，基于ZigBee 的無(wú)線(xiàn)定位問(wèn)題的研究在國(guó)內(nèi)才剛剛起步，主要還處于利用國(guó)外芯片應(yīng)用開(kāi)發(fā)上面。國(guó) 外在硬件芯片、協(xié)議棧、軟件配套、定位算法理論研究上都實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化。不過(guò)在實(shí)際 應(yīng)用中，因各種外部環(huán)境的限制，許多算法存在有待改進(jìn)的方面。 2020年第一季度，各大芯片制造商紛紛推出了符合 ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)的收發(fā)模塊和通信 套件，但是目前只有 4 個(gè)原始設(shè)備生產(chǎn)商 (OEM)的 ZigBee 套件符合 ZigBee 聯(lián)盟規(guī)定的 標(biāo)準(zhǔn)。這四家公司分別是挪威的 Chipon AS(CC2420／ CC2430 和 CC2500／ CC2550 等 )、美 國(guó) CompXs 公 N(ML7065)、美國(guó) Ember 公司 (EM2420)、美國(guó) Freescale Semiconductor 公司 (MCl3192／ MCl3193)。 4 個(gè)公司的芯片功能都各有其特點(diǎn)，適合于不同的應(yīng)用場(chǎng)合。 其中主流的芯片為 Chipcon 公司的芯片 CC2420 和 CC2430，以及Freescale 公司的芯片 MCl3193?；?ZigBee 技術(shù)的定位系統(tǒng)也以這些芯片為核心器件。 2020 年 7 月，德州儀器 (TI)宣布推出業(yè)界首款帶硬件定位引擎的片上系統(tǒng) (soc)解 決方案 CC2431，該芯片的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了 ZigBee 定位技術(shù)的飛躍，即將定位算法用硬件實(shí) 現(xiàn)【 1 31。基于 CC2431 商品化的定位系統(tǒng)大量涌現(xiàn)。國(guó)內(nèi)如成都無(wú)線(xiàn)龍、深圳旭昂科技等 公司也推出了自己成熟的定位解決方案。 總體而言，目前存在兩種 ZigBee 定位解決方案。 (1)基于 CC2431片上系統(tǒng)的單芯片定位方案 CC243l在 CC2430 基礎(chǔ)之上增加了基于 RSSI的硬件定位引擎【 13,28】，通過(guò)輸入環(huán)境 信息以及參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)信息，即可輸出未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，在典型應(yīng)用中可以實(shí)現(xiàn) 3～ 5m 的精確定位。但由于其定位算法由硬件物理完成，導(dǎo)致基于 CC2431 的定位系統(tǒng)靈 活性較差。 (2)CC2430／ (MCU+CC2420)+定位算法 利用 CC2430 實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的信息傳輸，將定位方法嵌入芯片內(nèi)部或在上位機(jī)集 中處理，其定位算法可以靈活選擇，本文就是使用 CC2430 芯片進(jìn)行定位實(shí)現(xiàn)的。 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 1． 5 論文研究思路與內(nèi)容安排 本文主要研究基于 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)無(wú)線(xiàn)定位技術(shù)及定位跟蹤系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。論文 通過(guò)對(duì)目前各種無(wú)線(xiàn)定位技術(shù)的分析研究，借鑒了無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的經(jīng)典定位技術(shù)，利用 RSSI 和 LQI 值進(jìn)行定位，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)定位跟蹤系統(tǒng)。本文主要通過(guò)對(duì)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的 分析，總結(jié)信號(hào)傳輸規(guī)律，以建立適合實(shí)際應(yīng)用的定位模型。全文共分為六個(gè)部分。具 體章節(jié)內(nèi)容安排如下： 第 1章緒論 首先闡述了課題的研究背景，介紹了當(dāng)前較實(shí)用的室內(nèi)無(wú)線(xiàn)定位系統(tǒng)。對(duì)無(wú)線(xiàn)定位 算法進(jìn)行了簡(jiǎn)單的說(shuō)明，探討了 ZigBee 技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展，最后總結(jié)了本文的主 要工作和論文的框架結(jié)構(gòu)。 第 2 章 ZigBee技術(shù)和 Z． Stack 協(xié)議棧 從 ZigBee網(wǎng)絡(luò)組成和協(xié)議結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面入手，對(duì)IEEE802． 15． 4／ ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)進(jìn) 行了概述，并從應(yīng)用的角度討論了 ZigBee 技術(shù)的優(yōu)越性。對(duì) Z． Stack 協(xié)議棧進(jìn)行了詳細(xì) 的介紹，總結(jié)了理解 Z． Stack 協(xié)議棧的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。給出了利用 Z． Stack 協(xié)議棧進(jìn)行應(yīng) 用開(kāi)發(fā)的步驟。 第 3 章實(shí)用室內(nèi)定位方法研究 對(duì)各種較實(shí)用的定位算法進(jìn)行了研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，獲取了大量的測(cè)試數(shù)據(jù)?？偨Y(jié)了 幾種實(shí)用算法的優(yōu)缺點(diǎn)。提出了自己的定位實(shí)現(xiàn)方案。 第 4 章基于 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的定位系統(tǒng)設(shè)計(jì) 實(shí)現(xiàn)了一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器定位系統(tǒng)，包括硬件平臺(tái)、以 Z． Stack 協(xié)議棧為基礎(chǔ)的定位 節(jié)點(diǎn)程序和 PC監(jiān)測(cè)軟件三部分。 第 5 章定位系統(tǒng)功能測(cè)試 對(duì)定位系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，總結(jié)優(yōu)缺點(diǎn)。給出了進(jìn)一步完善功能的方法。并指出 了可以進(jìn)一步研究的方向。 總結(jié) 最后對(duì)論文進(jìn)行了總結(jié)和展望。在該部分中對(duì)自己的工作進(jìn)行了總結(jié)，并針對(duì)論文 尚未解決的問(wèn)題給出了改進(jìn)建議。 塋上 !!業(yè)竺堡查塑蘭塑星 !!墨竺堡壘蘭至坐 2 ZigBee 技術(shù)和 z Stack 協(xié)議棧 2 1 ZigBee 技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí) 21 1 Zigl3ee 發(fā)展概述 近十年來(lái)，隨著半導(dǎo)體按術(shù)和無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，陸續(xù)出現(xiàn)了多種新的短距 離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。為了滿(mǎn)足對(duì)低功率，低價(jià)格無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的需求， 2020 年 12 月， IEEE 標(biāo)準(zhǔn) 委員會(huì)正式批準(zhǔn)成立 T80215 412 作組，其目標(biāo)是：在廉價(jià)的、倒定或便攜的、移動(dòng)的 裝置中，提出一個(gè)具有超低復(fù)雜度、超低價(jià)格、超低功耗、超低數(shù)據(jù)傳輸率的無(wú)線(xiàn)接人 標(biāo)準(zhǔn)。也就是要開(kāi)發(fā)一種低速率的 WPAN(LRWPAN， Low． Rate Wireless Pe 囂 onal Area Network)標(biāo)準(zhǔn) 。 《 曰 妒，～， — ； ≤■ ： _ 目 2 1 ZigBee與其他無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比 Fig 2 I The parisonofZigBee and otherwireless standards 2020 年，英匡 ]Invensys 公司、日本二菱電氣公司、美囤摩托羅拉公司以及荷蘭飛利 浦等公司茫同宣布組成 ZigBee 技術(shù)聯(lián)盟，共同研究開(kāi)發(fā) ZigBee技術(shù)。 2020 年 11 月， IEEE 正式發(fā)布了該項(xiàng)技術(shù)的物理層 ,≠DMAC 層所采用的標(biāo)準(zhǔn)脅議．即 IEEE802 I 5 4 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，作為 ZigBee 技術(shù)物理層和媒體接入層的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議； 2020 年 12月， ZigBee 鞋盟在 IEEES02 15． 4 協(xié)議基礎(chǔ)上，止式發(fā)布了完整的 zlgBee 標(biāo)準(zhǔn)。 2020 年 IEEE發(fā) 布了 IEEE802 1 5 4 阱議標(biāo)準(zhǔn)修 U 版。 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 從 ZigBee與其他無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比圖 2． 1 中，可以看到 ZigBee技術(shù)在無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)體系 中的位置。 2． 1． 2 ZigBee 技術(shù)特點(diǎn) IEEE802． 15 委員會(huì)制定了三種不同的 WPAN(Wireless Personal AreaNetwork)標(biāo)準(zhǔn)， 區(qū)別在于通信速率、 QoS 能力等。 802． 15． 1 標(biāo)準(zhǔn)即藍(lán)牙技術(shù)，具有中等速率，適合于從 蜂窩電話(huà)到 PDA 的通信，其 QoS 機(jī)制適合于話(huà)音業(yè)務(wù)。 802． 15． 3 標(biāo)準(zhǔn)是高速率的WPAN 標(biāo)準(zhǔn)，適合于多媒體應(yīng)用，有較高的 QoS 保證。 802． 15． 4 標(biāo)準(zhǔn)也就是 ZigBee 技術(shù)，目 標(biāo)市場(chǎng)是工業(yè)、家庭以及醫(yī)學(xué)等需要低功耗、低成本無(wú)線(xiàn)通信的應(yīng)用，對(duì)數(shù)據(jù)速率和 QoS的要求不高。 ZigBee 的主要技術(shù)特征如表 2． 1 所示。 表 2． 1 ZigBee 的主要技術(shù)特征 Tab． 2． 1 The main technology character of ZigBee 特性 取值／狀態(tài) 頻段 868／ 9 1 5MHz 和2． 4GHz 868MHz：20kbps 數(shù)據(jù)速率 915MHz： 42 kbps 2． 4GHz： 250 kbps 868／ 9 1 5MHz： BPSK 調(diào)制方式 2． 4GHz： OQPSK 擴(kuò)頻方式 直接序列擴(kuò)頻 通信范圍 10． 100m 通信延時(shí) 1530ms 868MHz： l 信道數(shù)目 915MHz10 2． 4GHz： 16 尋址方式 64bitlEEE 地址， 16bit 網(wǎng)絡(luò)地址 信道接入 CSMA／ CA 和時(shí)隙化的 CSl＼ dA／CA 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)? 星形、樹(shù)狀、網(wǎng)狀 功耗 極低 狀態(tài)模式 激活／休眠 選擇 ZigBee技術(shù)進(jìn)行項(xiàng)目開(kāi)發(fā)，是基于其具有的諸多性能優(yōu)點(diǎn)。具體來(lái)講，可總 結(jié)如下【 15】： 基于 ZigBee 技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn) (1)數(shù)據(jù)傳輸速率低。 ZigBee 技術(shù)的最大傳輸速率只有 250kbps，專(zhuān)注于低速率傳 輸應(yīng)用。 (2)設(shè)備省電，功耗極低。 ZigBee 技術(shù)采用了多種節(jié)電的工作模式，可以確保兩節(jié) 五號(hào)電池支持長(zhǎng)達(dá) 6 個(gè)月到 2 年左右的使用時(shí)間。 (3)通信可靠性高，數(shù)據(jù)安全。 ZigBee 采用了 CSMA． CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)的避免碰撞機(jī)制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留 了專(zhuān)用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突； MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī) 制，每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息，因此通信可靠性高。 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 AES． 128，同時(shí)協(xié)議棧的各層可以靈活確 定其安全屬性。 (4)網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強(qiáng)。 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)無(wú)需人工干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠感知其 它節(jié)點(diǎn)的存在，并確定連接關(guān)系，構(gòu)成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)。 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)增加或者刪除～個(gè)節(jié) 點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)位置發(fā)生變動(dòng)、節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障等，網(wǎng)絡(luò)都能夠自我修復(fù)，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn) 行相應(yīng)地調(diào)整，無(wú)需人工干預(yù)，保證整個(gè)系統(tǒng)仍然能正常工作。 (5)時(shí)延短，設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)快。通常時(shí)延都在 15ms 到 30ms 之間，因此設(shè)備接入網(wǎng) 絡(luò)和數(shù)據(jù)傳送的延時(shí)時(shí)間很短，適合實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)和控制應(yīng)用。 (6)成本低廉，工作頻段靈活。設(shè)備的復(fù)雜程度低，且 ZigBee 協(xié)議是免專(zhuān)利費(fèi)的， 可以有效地降低設(shè)備成本。 ZigBee 的工作頻段靈活，使用的頻段分別為 2． 4GHz(全球 )、 868MHz(歐洲 )及 915MHz(美國(guó) )，均為免執(zhí)照頻段。 (7)網(wǎng)絡(luò)容量大。每個(gè) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)最多可支持 65000 個(gè)節(jié)點(diǎn)，也就是說(shuō)每個(gè) ZigBee 節(jié)點(diǎn)可以與數(shù)萬(wàn)節(jié)點(diǎn)相連接，可以說(shuō)網(wǎng)絡(luò)容量極其龐大，尤其適用大規(guī)模無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng) 絡(luò)。