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正文內(nèi)容

基于zigbee技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)研究與實現(xiàn)--碩士學(xué)位論文(編輯修改稿)

2024-12-14 05:43 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 一個錨節(jié)點的所有信標中保存具有最小跳數(shù)值的信標,丟棄具有較大跳數(shù)值的同一 錨節(jié)點的信標。通過這一機制,網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點 (包括其他錨節(jié)點 )都獲得了到每一個錨 節(jié)點的最小跳數(shù)值。 為了將跳數(shù)值轉(zhuǎn)換成物理距離,系統(tǒng)需要估計網(wǎng)絡(luò)中平均每跳的距離。錨節(jié)點具有 到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部其他錨節(jié)點的跳數(shù)值以及這些錨節(jié)點的位置信息,因此錨節(jié)點可以通過計算 得到距其他錨節(jié)點的實際距離。經(jīng)過計算,一個錨節(jié)點得到網(wǎng)絡(luò)的平均每跳距離,并將 此估計值廣播到網(wǎng)絡(luò)中,稱作校正值,任何節(jié)點一旦接收到此校正值,就可以估計自己 到這個錨節(jié)點的距離。如果一 個節(jié)點能夠獲得到 3 個以上錨節(jié)點的估計距離,它就可以 利用三邊法估計其自身的位置。 Dv. Hop 算法與基于測距算法具有相似之處,就是都需要獲得未知節(jié)點到錨節(jié)點的 距離, j 但是 DV. Hop 獲得距離的方法是通過網(wǎng)絡(luò)中拓撲結(jié)構(gòu)信息的計算而不是通過無線 電波信號的測量。 在基于測距的方法中,未知節(jié)點只能獲得到自己射頻覆蓋范圍內(nèi)的錨節(jié)點的距離, 而 DV=Hop 算法可以獲得到未知節(jié)點無線射程以外的錨節(jié)點的距離,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 算法類似。首先,采用與 DV. Hop 算 法類似的方法獲得距錨節(jié)點的跳數(shù),稱為梯度值。未知節(jié)點收集鄰居節(jié)點的梯度值,計 算關(guān)于某個錨節(jié)點的局部梯度平均值。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,然后離線計算網(wǎng)絡(luò)的平均每跳距離,最后當獲得 3 個或更多錨節(jié) 點的梯度值后,未知節(jié)點計算與每個錨節(jié)點的距離,并使用三邊測量法和最大似然估計 法估算自身位置。 (4)APIT 算法 在近似三角形內(nèi)點測試法 (Approximate Point— In. Triangulation test, APIn 算法【 168。 ,12l 中,一個未知節(jié)點從它所有能夠與之通信的錨節(jié)點中選擇 3 個節(jié)點,測試它自身是在這 3 個錨節(jié)點所組成的三角形內(nèi)部還是在其外部;然后再選擇另外 3 個錨節(jié)點進行同樣的 測試,直到窮盡所有的組合或者達到所需的精度。 如果未知節(jié)點在某三角形內(nèi)部,稱此 基于 ZigBee 技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)研究與實現(xiàn) 三角形包含未知節(jié)點;最后,未知節(jié)點將包含自己的所有三角形的相交區(qū)域的質(zhì)心作為 自己的估計位置。 APIT算法在不規(guī)則傳播信號模式和節(jié)點隨機部署的條件下,通信開銷小,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。 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。國內(nèi)外許多 公司和研究機構(gòu)展開了基于 ZigBee 技術(shù)的無線定位技術(shù)研究。總體而言,基于ZigBee 的無線定位問題的研究在國內(nèi)才剛剛起步,主要還處于利用國外芯片應(yīng)用開發(fā)上面。國 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現(xiàn)了產(chǎn)品化。不過在實際 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 標準的收發(fā)模塊和通信 套件,但是目前只有 4 個原始設(shè)備生產(chǎn)商 (OEM)的 ZigBee 套件符合 ZigBee 聯(lián)盟規(guī)定的 標準。這四家公司分別是挪威的 Chipon AS(CC2420/ CC2430 和 CC2500/ CC2550 等 )、美 國 CompXs 公 N(ML7065)、美國 Ember 公司 (EM2420)、美國 Freescale Semiconductor 公司 (MCl3192/ MCl3193)。 4 個公司的芯片功能都各有其特點,適合于不同的應(yīng)用場合。 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。基于 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)實現(xiàn)了 ZigBee 定位技術(shù)的飛躍,即將定位算法用硬件實 現(xiàn)【 1 31?;?CC2431 商品化的定位系統(tǒng)大量涌現(xiàn)。國內(nèi)如成都無線龍、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】,通過輸入環(huán)境 信息以及參考節(jié)點的坐標信息,即可輸出未知節(jié)點的坐標,在典型應(yīng)用中可以實現(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 實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的信息傳輸,將定位方法嵌入芯片內(nèi)部或在上位機集 中處理,其定位算法可以靈活選擇,本文就是使用 CC2430 芯片進行定位實現(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)無線定位技術(shù)及定位跟蹤系統(tǒng)的實現(xiàn)。論文 通過對目前各種無線定位技術(shù)的分析研究,借鑒了無線局域網(wǎng)的經(jīng)典定位技術(shù),利用 RSSI 和 LQI 值進行定位,實現(xiàn)了一個定位跟蹤系統(tǒng)。本文主要通過對大量實測數(shù)據(jù)的 分析,總結(jié)信號傳輸規(guī)律,以建立適合實際應(yīng)用的定位模型。全文共分為六個部分。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,介紹了當前較實用的室內(nèi)無線定位系統(tǒng)。對無線定位 算法進行了簡單的說明,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)兩個方面入手,對IEEE802. 15. 4/ ZigBee協(xié)議標準進 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 Z. Stack 協(xié)議棧進行了詳細 的介紹,總結(jié)了理解 Z. Stack 協(xié)議棧的幾個關(guān)鍵點。給出了利用 Z. Stack 協(xié)議棧進行應(yīng) 用開發(fā)的步驟。 第 3 章實用室內(nèi)定位方法研究 對各種較實用的定位算法進行了研究,通過實驗,獲取了大量的測試數(shù)據(jù)??偨Y(jié)了 幾種實用算法的優(yōu)缺點。提出了自己的定位實現(xiàn)方案。 第 4 章基于 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的定位系統(tǒng)設(shè)計 實現(xiàn)了一個無線傳感器定位系統(tǒng),包括硬件平臺、以 Z. Stack 協(xié)議棧為基礎(chǔ)的定位 節(jié)點程序和 PC監(jiān)測軟件三部分。 第 5 章定位系統(tǒng)功能測試 對定位系統(tǒng)進行了實際測試,總結(jié)優(yōu)缺點。給出了進一步完善功能的方法。并指出 了可以進一步研究的方向。 總結(jié) 最后對論文進行了總結(jié)和展望。在該部分中對自己的工作進行了總結(jié),并針對論文 尚未解決的問題給出了改進建議。 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 21 1 Zigl3ee 發(fā)展概述 近十年來,隨著半導(dǎo)體按術(shù)和無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展,陸續(xù)出現(xiàn)了多種新的短距 離無線通信技術(shù)。為了滿足對低功率,低價格無線網(wǎng)絡(luò)的需求, 2020 年 12 月, IEEE 標準 委員會正式批準成立 T80215 412 作組,其目標是:在廉價的、倒定或便攜的、移動的 裝置中,提出一個具有超低復(fù)雜度、超低價格、超低功耗、超低數(shù)據(jù)傳輸率的無線接人 標準。也就是要開發(fā)一種低速率的 WPAN(LRWPAN, Low. Rate Wireless Pe 囂 onal Area Network)標準 。 《 曰 妒,~, — ; ≤■ : _ 目 2 1 ZigBee與其他無線標準的對比 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,共同研究開發(fā) ZigBee技術(shù)。 2020 年 11 月, IEEE 正式發(fā)布了該項技術(shù)的物理層 ,≠DMAC 層所采用的標準脅議.即 IEEE802 I 5 4 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; 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 標準。 2020 年 IEEE發(fā) 布了 IEEE802 1 5 4 阱議標準修 U 版。 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 從 ZigBee與其他無線標準的對比圖 2. 1 中,可以看到 ZigBee技術(shù)在無線標準體系 中的位置。 2. 1. 2 ZigBee 技術(shù)特點 IEEE802. 15 委員會制定了三種不同的 WPAN(Wireless Personal AreaNetwork)標準, 區(qū)別在于通信速率、 QoS 能力等。 802. 15. 1 標準即藍牙技術(shù),具有中等速率,適合于從 蜂窩電話到 PDA 的通信,其 QoS 機制適合于話音業(yè)務(wù)。 802. 15. 3 標準是高速率的WPAN 標準,適合于多媒體應(yīng)用,有較高的 QoS 保證。 802. 15. 4 標準也就是 ZigBee 技術(shù),目 標市場是工業(yè)、家庭以及醫(yī)學(xué)等需要低功耗、低成本無線通信的應(yīng)用,對數(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 擴頻方式 直接序列擴頻 通信范圍 10. 100m 通信延時 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 和時隙化的 CSl\ dA/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 選擇 ZigBee技術(shù)進行項目開發(fā),是基于其具有的諸多性能優(yōu)點。具體來講,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) 五號電池支持長達 6 個月到 2 年左右的使用時間。 (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。 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。 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)無需人工干預(yù),網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能夠感知其 它節(jié)點的存在,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~個節(jié) 點、節(jié)點位置發(fā)生變動、節(jié)點發(fā)生故障等,網(wǎng)絡(luò)都能夠自我修復(fù),并對網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)進 行相應(yīng)地調(diào)整,無需人工干預(yù),保證整個系統(tǒng)仍然能正常工作。 (5)時延短,設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)快。通常時延都在 15ms 到 30ms 之間,因此設(shè)備接入網(wǎng) 絡(luò)和數(shù)據(jù)傳送的延時時間很短,適合實時的監(jiān)測和控制應(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)議是免專利費的, 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 ),均為免執(zhí)照頻段。 (7)網(wǎng)絡(luò)容量大。每個 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)最多可支持 65000 個節(jié)點,也就是說每個 ZigBee 節(jié)點可以與數(shù)萬節(jié)點相連接,可以說網(wǎng)絡(luò)容量極其龐大,尤其適用大規(guī)模無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)。
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