【文章內(nèi)容簡介】 服務(wù)類別。 ZigBee網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備類型：全功能設(shè)備(FFD)、精簡功能設(shè)備(RFD)。FFD和RFD的不同是按照節(jié)點的功能區(qū)分的，一個FFD可以充當網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器和路由器，因此一個網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)該至少含有一個FFD。RFD只能與主設(shè)備通信，實現(xiàn)簡單，只能作為終端設(shè)備節(jié)點。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，將兩種物理設(shè)備定義成了三種邏輯設(shè)備類型：協(xié)調(diào)器、路由器、終端設(shè)備。一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)包括一個協(xié)調(diào)器節(jié)點和多個路由器和終端設(shè)備節(jié)點。設(shè)備類型不會以任何方式限制可能應(yīng)用在特定設(shè)備上的應(yīng)用類型。圖23 協(xié)調(diào)器功能模塊示意圖（1）協(xié)調(diào)器，這個設(shè)備“開啟”一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)。它是網(wǎng)絡(luò)中的第一個設(shè)備。協(xié)調(diào)器節(jié)點選擇一個信道和一個網(wǎng)絡(luò)標識符(PAN ID)并開啟網(wǎng)絡(luò)?？蛇x擇地，協(xié)調(diào)器節(jié)點也能被用來設(shè)置網(wǎng)絡(luò)中的安全性和應(yīng)用水平的綁定。協(xié)調(diào)器的功能主要是開啟和配置網(wǎng)絡(luò)。一旦這些完成以后，協(xié)調(diào)器與路由器的功能就一樣了(甚至可以斷開)。由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的分布式本質(zhì)，網(wǎng)絡(luò)的繼續(xù)運行不依賴于協(xié)調(diào)器的存在。圖24 路由器功能模塊示意圖（2）路由器,路由器執(zhí)行的功能有:①允許其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)；②多跳路由；③輔助它的電池供電的子終端設(shè)備通信。一般來說，路由器被期望能一直保持激活狀態(tài)，因此它通常是由固定電源供電的。而不能使用電池供電。路由器為它的子節(jié)點緩存信息，直到子節(jié)點被喚醒并請求數(shù)據(jù)。當一個子節(jié)點需要發(fā)送一個信息的時候，這個子節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)到它的父路由器。然后，路由器負責傳輸信息，執(zhí)行所有相關(guān)的重發(fā)，以及如果需要的話，等待確認。這使得終端設(shè)備可以回到休眠狀態(tài)，從而達到省電的目的。圖25 終端節(jié)點功能模塊示意圖（3）終端設(shè)備，終端設(shè)備對維持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)沒有特殊的責任，因此，它可以有選擇的休眠和喚醒。終端設(shè)備僅僅周期性的向它的父節(jié)點發(fā)送或接受來自它的父節(jié)點的數(shù)據(jù)。因此終端設(shè)備能夠使用電池供電的方式工作很長時間。在能量管理方面，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器與路由器需要突發(fā)的處理一些請求，包括入網(wǎng)、退出網(wǎng)絡(luò)以及數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)等功能，一般情況下，使用永久性電源；若終端節(jié)點在大部分的時間里都處于休眠狀態(tài)就可以采用電池供電。若對電池供電沒有要求，網(wǎng)絡(luò)中可以全部采用FFD設(shè)備。 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要有三種組網(wǎng)方式。星型網(wǎng)絡(luò)，樹狀網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖26所示。如圖26中(a)所示，星型網(wǎng)絡(luò)是一個輻射狀系統(tǒng)，數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)命令都是通過中心節(jié)點傳輸。如果用通信模塊構(gòu)造星形網(wǎng)絡(luò)，只需要一個模塊配置成協(xié)調(diào)器節(jié)點，其他模塊可以配置成終端節(jié)點。星狀拓撲結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點就是結(jié)構(gòu)簡單，這種簡單帶來的是很少有上層協(xié)議需要執(zhí)行、較低的設(shè)備成本、較少的上層路由信息和管理方便。中心節(jié)點需基于ZigBee技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)研究與實現(xiàn)要承擔更多的管理工作。由于把每個終端節(jié)點放在中心節(jié)點的通信范圍之內(nèi)，這必然會限制無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，并且星形拓撲很難實現(xiàn)高密度的擴展。集中的信息涌向中心節(jié)點，容易造成網(wǎng)絡(luò)堵塞、丟包、性能下降等。到目前為止，星形拓撲是最常見的網(wǎng)絡(luò)配置結(jié)構(gòu)，被大量的應(yīng)用在遠程檢測和控制中。(a)星型(b)樹狀(c)網(wǎng)狀協(xié)調(diào)器FFDRFD圖26 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)樹狀拓撲是多個星形拓撲的集合，如圖26中的(b)所示。若干個星形拓撲連接在一起，擴展到更廣闊的區(qū)域。樹形拓撲是可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)“多跳”信息服務(wù)的最簡單的拓撲結(jié)構(gòu)，樹形拓撲最值得注意的地方就是它保持了星形拓撲的簡單性：較少的上層路由信息、較低的存儲器需求。但是樹形結(jié)構(gòu)不能很好的適應(yīng)外部的動態(tài)環(huán)境。從圖中可以看出，信息源與目的之間，有且只有一條傳輸路徑，任何一個節(jié)點的中斷或故障將會使部分節(jié)點脫離網(wǎng)絡(luò)。樹形拓撲的最佳應(yīng)用是在穩(wěn)定的無線電射頻環(huán)境中，也可以很好的用在一些簡單的低數(shù)據(jù)量的大規(guī)模集合的應(yīng)用之中。如圖26所示的(c)中，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是一個自由設(shè)計的拓撲，具有很高的適應(yīng)環(huán)境的能力。網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點都是一個小的路由器，都具有重新路由選擇的能力，以確保網(wǎng)絡(luò)最大限度的可靠性，可以看出網(wǎng)絡(luò)中任意兩個節(jié)點的通信路徑不是唯一的。網(wǎng)形拓撲與星形、樹形相比，更加復(fù)雜，其路由拓撲是動態(tài)的，不存在一個固定的路由模式。這樣信息傳輸?shù)臅r間更加依賴瞬時網(wǎng)絡(luò)連接質(zhì)量，因而難以預(yù)計。 ZStack協(xié)議棧 ZStack概述為了適應(yīng)ZigBee產(chǎn)品開發(fā)的需求，德州儀器(TI)推出了一套完整的協(xié)議棧ZStack。ZStack是ZigBee技術(shù)的核心軟件，ZStack符合ZigBee2006規(guī)范的要求，并且在硬件上支持CC2530，CC2530以及MSP430平臺。TI協(xié)議棧一直在不斷的完善中，無論從路由協(xié)議還是從地址分配模式都作了大量的改進。本文構(gòu)建的定位系統(tǒng)是以ZStack協(xié)議棧為基礎(chǔ)的，網(wǎng)絡(luò)中按照節(jié)點完成的功能分為參考節(jié)點、定位節(jié)點。對ZStack協(xié)議棧的理解運用是項目開發(fā)的重點和難點之一，下面對ZStack協(xié)議棧進行了較詳細的說明。ZStack運行在IAR ，IAR ，是一個與KELLC51類似的，功能強大的C51編譯器/IDE/DEBUG開發(fā)平臺。在該集成開發(fā)環(huán)境中，可以看到個完整的ZStack協(xié)議棧包含的功能部分組成。ZStack是完全符合ZigBee2006標準的，其協(xié)議棧結(jié)構(gòu)也與ZigBee規(guī)范完全吻合。包括最上層的應(yīng)用層(APP)，在該層內(nèi)主要完成應(yīng)用程序的設(shè)計，外部任務(wù)的調(diào)用和執(zhí)行，并可以通過API函數(shù)調(diào)用下層的函數(shù)完成相應(yīng)的操作。HAL(Hardware Abstract Layer)層為硬件抽象層，在該層中根據(jù)用戶硬件平臺的不同，給出了各種不同的硬件資源，如按鍵、發(fā)光二極管、串口、定時器以及ADC等各種硬件設(shè)各的功能函數(shù)定義。用戶可以通過調(diào)用它的API函數(shù)實現(xiàn)應(yīng)用程序功能的外部表征。MAC以及NWK層主要實現(xiàn)了ZigBee標準的媒體接入控制層和網(wǎng)絡(luò)層。OSAL(Operate System Abstract Layer)是操作系統(tǒng)抽象層，協(xié)議棧即運行在該操作系統(tǒng)之上。Tools是配置文件，通過對其內(nèi)部文件的修改可以設(shè)置網(wǎng)絡(luò)的信道編號和PAN ID號，并且最重要的一個功能是通過設(shè)置其相應(yīng)的文件包含可以預(yù)定義節(jié)點的邏輯類型，即協(xié)調(diào)器，路由節(jié)點或者是終端設(shè)備節(jié)點。ZDO是ZigBee設(shè)備對象的簡稱，在該層主要定義了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部設(shè)備的入網(wǎng)，綁定以及設(shè)備發(fā)現(xiàn)等功能實現(xiàn)。ZMain是應(yīng)用程序的主函數(shù)，每個應(yīng)用程序都是從ZMain函數(shù)作為入口，首先是硬件初始化，存儲器初始化最后是操作系統(tǒng)無限循環(huán)。簡單的說，ZStack協(xié)議棧就是用戶的應(yīng)用程序、ZigBee標準以及各種用戶配置結(jié)合起來的一套完整的具有堆棧格式的文件系統(tǒng)。各層之間通過各層的API函數(shù)實現(xiàn)相互連接和通信，最終達到完整有效的運行。ZStack協(xié)議棧結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，要想理解它的運行機制，很關(guān)鍵的一點就是要理解OSAL的運行機制。 OSAL運行機制OSAL(Operator System Abstract Layer，操作系統(tǒng)抽象層)層是與協(xié)議棧相獨立的，但是整個協(xié)議棧都要基于本操作系統(tǒng)(OS)才能正常運行，或者說協(xié)議棧運行在本層之上。OSAL提供如下服務(wù)和管理功能：信息管理、任務(wù)同步、時間管理、任務(wù)管理、內(nèi)存管理、電源管理以及非易失存儲管理。圖28 OSAL操作系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度流程具體來說，OSAL是一個基于任務(wù)調(diào)度機制的操作系統(tǒng)。它是通過對任務(wù)的事件觸發(fā)來實現(xiàn)資源的調(diào)度。每個任務(wù)都包含若干個事件，每個事件都對應(yīng)一個事件號。當一個事件產(chǎn)生時，對應(yīng)任務(wù)的Event就被設(shè)置為相應(yīng)的事件，這樣事件調(diào)度就會調(diào)用相應(yīng)的任務(wù)處理程序。OSAL中的任務(wù)可以通過任務(wù)處理API函數(shù)添加到系統(tǒng)中，這樣就可以實現(xiàn)多任務(wù)機制。OSAL任務(wù)調(diào)度流程如圖28所示。 ZigBee組網(wǎng)協(xié)調(diào)器組建個人局域網(wǎng)(PAN)成功后，頻繁的以廣播方式向外發(fā)送信標幀，用來表示它的存在。其它終端節(jié)點接收信標幀，以完成設(shè)備發(fā)現(xiàn)任務(wù)，終端節(jié)點要加入該PAN，那么只要將自己的信道以及個域網(wǎng)標識符(PAN ID)設(shè)置成與要加入網(wǎng)絡(luò)中的父節(jié)點的相同，并提供正確的認證信息，即可請求加入(Join)網(wǎng)絡(luò)。此時，父節(jié)點要檢查自身的短地址資源，如果自身地址未滿，那么就可以為該子節(jié)點分配短MAC地址，只要節(jié)點接收到父節(jié)點為之分配的16位的短地址，那么在通信的過程中，將使用該地址進行通信。如果沒有足夠的地址資源，那么節(jié)點將收到來自父節(jié)點的連接失敗響應(yīng)，此時子節(jié)點即可以向其他父節(jié)點請求ZigBee網(wǎng)絡(luò)短地址來加入網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)層將不斷重復(fù)這個過程直到節(jié)點成功加入到網(wǎng)絡(luò)為止。組網(wǎng)算法流程如圖29所示。在ZStack中，一個具體的Sample應(yīng)用組網(wǎng)過程如下：一個作為協(xié)調(diào)器編譯的Sarhple應(yīng)用將會組建一個網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)使用DEFAULT CHANLIST中說明的信道之一。如果它沒有定義ZDAPP_CONFIG_PAN_ID為0XFFFF的話，協(xié)調(diào)器將會建立一個以ZDAPP_CONFIG_PAN_ID 為PAN ID 的個域網(wǎng)。如果ZDAPP_CONFIG_PAN_ID=0XFFFF，則基于它自身IEEE地址產(chǎn)生一個隨機的PAN ID。一個作為路由器或終端編譯的Sample應(yīng)用將會試圖加入一個網(wǎng)絡(luò)，它使用DEFAULT_CHANLIST中說明的信道之一。如果ZDAPP_CONFIG_PAN_ID沒有被定義為0XFFFF，路由器將被限制僅僅加入那些被定義的PAN ID。當ZDAPP_CONFIG_PAN_ID沒有被定義為0XFFFF的時候，因為一個協(xié)調(diào)器和一個路由器或終端之間的行為上的差異，不可預(yù)料的結(jié)果就會產(chǎn)生。如果ZDAPP_CONFIG_PAN_ID被定義為一個有效的、小于或等于OX3FFF的值，協(xié)調(diào)器將僅僅試圖用這個特殊的個域網(wǎng)ID建立一個網(wǎng)絡(luò)。因此，如果協(xié)調(diào)器被限制在一個信道，并且特定的個域網(wǎng)ID已經(jīng)在那個信道里被建立起來，新的起始協(xié)調(diào)器將會做出連續(xù)的變化直到它產(chǎn)生一個唯一的個域網(wǎng)ID。新加入的路由器和終端將不會知道建立的“不沖突”的個域網(wǎng)ID值，因此僅僅會加入特定的個域網(wǎng)ID。當被允許的信道屏蔽允許不止一個的信道并且由于PAN ID沖突，協(xié)調(diào)器不能使用第一個信道的時候，一個相似的、有挑戰(zhàn)性的場景將會出現(xiàn)一在被允許的情況下，路由器和終端將會加入第一次信道掃描到的特定PAN ID。圖29組網(wǎng)算法流程圖 ZStack協(xié)議棧運行機制一個完整的基于ZStack協(xié)議棧的應(yīng)用程序主流程圖如圖210所示。由圖可以看出，在ZStack開始運行之前，系統(tǒng)必須完成硬件設(shè)備及內(nèi)部存儲器的初始化，其間要判斷節(jié)點的長地址，若此時長地址為全FF，那么要往存儲器隨機寫入64位的長地址，然后進入操作系統(tǒng)的無限循環(huán)中。在該循環(huán)中，操作系統(tǒng)不斷監(jiān)視系統(tǒng)的任務(wù)列表，根據(jù)任務(wù)的不同，操作系統(tǒng)分別做出不同的處理。因此，必須首先在任務(wù)列表中添加任務(wù)，完成任務(wù)的初始化，在事件處理的回調(diào)函數(shù)中加入相應(yīng)事件處理函數(shù)，如按鍵事件、狀態(tài)轉(zhuǎn)換事件、數(shù)據(jù)包發(fā)送確認事件、收到數(shù)據(jù)包的指示事件等，響應(yīng)到某種事件，就轉(zhuǎn)去執(zhí)行相關(guān)的消息事件處理函數(shù)。事件的激發(fā)方法和執(zhí)行順序是值得注意的，協(xié)議棧中通常使用三種函數(shù)進行事件激發(fā)，三種函數(shù)為osal_start_timer()、osal_start_timerEx()和osal_set_event()。其中，函數(shù)osal_start_timerEx ()被用來開啟一個在n毫秒后到期的時鐘，當時鐘到期時，調(diào)用任務(wù)將獲得特定的事件，使用時需指明任務(wù)ID。函數(shù)osal_start_timer()也被用來開啟一個在n毫秒后到期的時鐘，當時鐘到期時，調(diào)用任務(wù)將獲得特定的事件，但使用時不用指明任務(wù)ID。函數(shù)osal_set_event()被用來設(shè)置任務(wù)事件標志，一旦程序執(zhí)行到此處，就轉(zhuǎn)入相應(yīng)的消息處理函數(shù)。圖210 ZStack的運行機制流程3 無線傳感網(wǎng)絡(luò)中定位技術(shù)介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用主要是把大量的傳感器節(jié)點放置于需要監(jiān)測的區(qū)域，讓這些節(jié)點采集人們所感興趣的數(shù)據(jù)，之后通過無線傳輸?shù)姆绞桨巡杉降男畔R集到總處理器，總處理器通過分析數(shù)據(jù)得出所檢測區(qū)域的狀況。由此可以看出，位置信息對所采集的數(shù)據(jù)是非常重要的。對于無線傳感網(wǎng)中定位技術(shù)的研究是非常有意義的。本章首先介紹了關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方面的基礎(chǔ)知識，接著將目前定位技術(shù)的評價指標和定位方法的分類作了介紹，最后著重介紹了基于測距的定位算法。其中，到達時間差定位算法有不需要時間原點同步的特點，這將有助于在該算法的基礎(chǔ)上設(shè)計出更好的定位算法。 無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)概述無線傳感網(wǎng)定位技術(shù)就是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中一些位置已知的節(jié)點通過與位置未知的節(jié)點交換數(shù)據(jù)，從而得出位置未知節(jié)點的具體位置。GPS(Global Positioning System)：即為人們所熟悉的全球定位系統(tǒng)。該定位系統(tǒng)由24顆衛(wèi)星所組成，能夠得到準確的位置信息。錨節(jié)點(Anchor Node)：指無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中位置已經(jīng)事先知道的傳感器節(jié)點。該節(jié)點的位置信息可以通過GPS 測定，或者通過放置該節(jié)點的時候人工測定出。它的主要功能是和其通信范圍內(nèi)的位置未知的節(jié)點進行數(shù)據(jù)交換從而確定它們的具體位置。也有的文獻中將錨節(jié)點稱作信標節(jié)點(Beacon Node)。未知節(jié)點(Unkown Node)：指無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中位置未知的節(jié)點，該節(jié)點的位置信息需要通過一些方法測量得到。也稱為待定位節(jié)點(Unpositioning Node)。鄰居節(jié)點(Neighbor Nodes)：指在傳感器節(jié)點通信范圍內(nèi)的所有其他傳感器節(jié)點。如果某個節(jié)點想要把信息傳得更遠，可以將信息通過鄰居節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)。連通(Connectible)：若兩個傳感器節(jié)點之間可以進行數(shù)據(jù)傳輸，則可以把這兩個無線傳感器節(jié)點稱為連通的。連通度(Connectivity)：指無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，與某個傳感器節(jié)點相連通的節(jié)點的數(shù)目稱為該節(jié)點的連通度。錨節(jié)點密度(Anchor Density)：指無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，錨節(jié)點個數(shù)占整個網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)的百分比?；跍y距(Rangebased)：指需要測量距離然后進行定位的方法。