【文章內(nèi)容簡介】 量應(yīng)用在遠程監(jiān)測和控制中。星狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的簡單主要體現(xiàn)在緊需要執(zhí)行很少的上層協(xié)議、對路由功能的控制相對容易，而且方便管理。大部分管理工作都是由PAN 協(xié)調(diào)器來完成的。但是由于其只能實現(xiàn)簡單的網(wǎng)絡(luò)，所以在大規(guī)模組網(wǎng)的場合里便無法應(yīng)用，而且如果通信中某個節(jié)點的斷開，便會對其他節(jié)點的通信造成影響，一定程度上限制了無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，同時星狀網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)也很難實現(xiàn)高密度的擴展。 ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的樹狀網(wǎng)絡(luò)拓撲和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓撲兩種結(jié)構(gòu)同屬于對等網(wǎng)絡(luò)拓撲形式，其中樹狀網(wǎng)絡(luò)拓撲結(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)點只能與自己的父節(jié)點進行通信，從屬于不同父節(jié)點的子節(jié)點之間不能進行通信。 圖22樹狀網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖23所示，網(wǎng)狀拓撲網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點都是FFD設(shè)備。節(jié)點間是完全對等的通信，每個節(jié)點都可以與它的無線通信范圍內(nèi)的其它節(jié)點通信，但也需要有一個節(jié)點作為網(wǎng)絡(luò)防調(diào)器，通常把第一個在信道中通信的節(jié)點作為防調(diào)器節(jié)點。 圖23網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖 其中樹狀網(wǎng)絡(luò)中任何一個節(jié)點的故障都會使與其相連的子節(jié)點部分脫離網(wǎng)絡(luò)。如果在穩(wěn)定的無線電射頻環(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)定性和擴展性，那么樹狀網(wǎng)絡(luò)拓撲將是一個很好的選擇。 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 ，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)備對象(ZigBee Device Objects,ZDO)和由制造商制定的應(yīng)用對象。其中各個層之間的通信是通過各層的數(shù)據(jù)或管理服務(wù)接口實現(xiàn)的。 ZigBee技術(shù)應(yīng)用前景 ZigBee標準的制定不是用來與藍牙及其它已經(jīng)存在的標準競爭的，它的出發(fā)點是希一望能夠?qū)崿F(xiàn)一種易布建的低成本無線網(wǎng)絡(luò)。在產(chǎn)品發(fā)展初期，以工業(yè)或企業(yè)市場的感應(yīng)式網(wǎng)絡(luò)為主，提供感應(yīng)辨識、燈光和安全控制等功能，慢慢地逐漸將市場拓展至家庭應(yīng)用領(lǐng)域。通常ZigBee技術(shù)適用的場合主要有：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，長時間無需更換電池的場合；需要大范圍的通信覆蓋，網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備非常多的遠程監(jiān)控中。 由于ZigBee標準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，其目標定位在現(xiàn)存的系統(tǒng)還不能滿足產(chǎn)品需求的特定的市場，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)備的自動控制、電表和水表的計量控制、窗簾的自動控制、家用電器的遠程控制等；工業(yè)控制中涉及到的各種監(jiān)控器、傳感器的自動化控制等；商業(yè)領(lǐng)域的智能標簽等；公共場所的煙霧探測器等；農(nóng)業(yè)控制上收集各種土壤信息和氣候信息等；以及老人與行動不便者的緊急呼叫器和醫(yī)療傳感器等等。 無論學(xué)術(shù)界還是實業(yè)界，人們看重ZigBee還有更重要的一點：ZigBee技術(shù)為醞釀了20余年的普適計算理論，首次提供了一個從理論走向現(xiàn)實的技術(shù)平臺。ZigBee標準的普及，可以說是計算技術(shù)第四次浪潮的第一波。隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)的不斷發(fā)展進步，微處理芯片的組網(wǎng)功能會進一步加強，使得智能傳感器與無線通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合將會變得更加容易。應(yīng)用高性能的嵌入式處理器可以使信息網(wǎng)絡(luò)的功能越來越強，相信在不久的將來，我們周圍的生活環(huán)境將是無所不在的網(wǎng)絡(luò)。 第三章 基于ZigBee技術(shù)定位系統(tǒng)的設(shè)計 ZigBee定位技術(shù)的介紹 隨著無線技術(shù)在定位領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，近些年來逐漸出現(xiàn)了很多用于定位的無線通信技術(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，人們便開始了基于ZigBee技術(shù)定位的研究。2006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、庫存控制、病人監(jiān)護、遠程控制、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。它內(nèi)置有摩托羅拉為其專門設(shè)計的一款定位引擎，是基于接收到的信號強度RSSI測量的定位引擎，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)接收信號的強度與已知CC2430參考節(jié)點的位置準確計算出有關(guān)節(jié)點的位置，然后將位置信息發(fā)送給接收端，如電腦、PDA、手機等。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)進行定位的工作。都是利用一些已有的或是經(jīng)過改進的一些定位算法，再利用ZigBee技術(shù)的組網(wǎng)功能進行位置的估計。并且有些地方已經(jīng)進行了實際應(yīng)用，例如，停車場車輛定位、礦井下人員定位、發(fā)生火災(zāi)時消防隊員的定位以及醫(yī)院或家庭里老人或重病人的定位監(jiān)護等等。隨著定位技術(shù)和無線傳感器網(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)在未來人們生活中將會得到越來越多的應(yīng)用。 本論文所設(shè)計的系統(tǒng)就是利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)，以及已有定位算法所開發(fā)出的一套基于ZigBee技術(shù)的無線定位系統(tǒng)。對系統(tǒng)的設(shè)計包括：對定位系統(tǒng)所采用算法的選擇、硬件芯片的選取及外圍電路的設(shè)計以及各部分軟件功能的實現(xiàn)。下面將對各個部分的設(shè)計做詳細的介紹。 系統(tǒng)所采用的算法介紹 基于RSSI測距算法 由于傳感器節(jié)點自身具備通信能力，通常通信控制芯片都有測量RSSI值的功能，所以利用這種技術(shù)來測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會有很大的誤差，其誤差主要來源于信號實際傳播的過程中周圍環(huán)境影響造成的信號衰減與理論或經(jīng)驗?zāi)Ｐ筒环?，從而造成實際測量的誤差。 RADAR系統(tǒng)是使用RSSI測距的最典型的系統(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信號傳播的影響，建立了信號衰減和傳播距離間的關(guān)系模型，如公式(31)所示： (31) 其中P(司表示基站接收到用戶的信號強度；表示基站接收到在參考節(jié)點發(fā)送信號的強度，假設(shè)所有節(jié)點的發(fā)送強度相同；n表示參考節(jié)點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；表示參考節(jié)點和基站的距離；d表示需要計算的節(jié)點和基站的距離；表示節(jié)點和基站間墻壁個數(shù)；C表示信號穿過墻壁個數(shù)的閩值；WAF表示信號穿過墻壁的衰減因子，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)進行實驗測試，設(shè)計了如下的參考模型，作為利用RSSI測距的理論模型依據(jù)(如公式(32)： (32) 其中，A為一個經(jīng)驗值，要在實際使用環(huán)境中去測量它的值，在本文中，我們根據(jù)使用環(huán)境，多次測量取平均值，最后我們選擇40為A的經(jīng)驗值；B是信號接收節(jié)點距離發(fā)射節(jié)點1米時，信號衰減值，在此處為20；d為發(fā)射點到接收點的距離。這里需要強調(diào)的是，RSSI的值是一個負數(shù)值，所以在上面的公式中我們?nèi)SSI的絕對值。這樣我們根據(jù)這個模型，就可以在測量到RSSI值以后，通過計算得到相應(yīng)的距離值。 三邊測量法，已知A,B,C二個節(jié)點的坐標分別為（）、（）、（）以及它們到未知節(jié)點。的距離分別為 , , ,假設(shè)節(jié)點O的坐標為(x,y)。 那么存在下列公式: (33) (34) (35)由上式可以得到節(jié)點O的坐標，如公式(36): (36) 系統(tǒng)硬件設(shè)計 定位節(jié)點硬件設(shè)計框架如圖31所示。硬件電路設(shè)計包括兩部分:無線通信模塊設(shè)計和輔助功能模塊設(shè)計。無線通信模塊為節(jié)點間的無線數(shù)據(jù)收發(fā)接口，它是節(jié)點核心部分。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RS232串口轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)PC機與協(xié)調(diào)器節(jié)點間的數(shù)據(jù)傳輸。為了降低開發(fā)成本，硬件平臺沒有按節(jié)點功能分別單獨設(shè)計，而是將所有功能放在了一個平臺上。根據(jù)節(jié)點實際功能要求，只需焊接所需器件即可。 圖31 節(jié)點硬件設(shè)計框圖 GHz射頻系統(tǒng)單芯片。它沿用了以往CC2420芯片的架構(gòu)，在單個芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。它使用1個8位MCU(8051)，具有128 KB可編程閃存和8 KB的RAM，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、幾個定時器(Timer), AES 128協(xié)同處理器、看門狗定時器(Watchdog timer),32 kHz晶振的休眠模式定時器、上電復(fù)位電路(Power On Reset)、掉電檢測電路(Brown out detection)，以及