【導(dǎo)讀】盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包。教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的。任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。本人學(xué)位論文及涉及相關(guān)資料若有不實(shí)，愿意承擔(dān)一切相關(guān)的法律責(zé)任。檔；允許論文被查閱和借閱；可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索；可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編本學(xué)位論文。本文電子文檔的內(nèi)容和紙質(zhì)。論文的公布授權(quán)南京郵電大學(xué)研究生院（籌）辦理。涉密學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)書。教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。對(duì)本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個(gè)。論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。紙、程序清單等），文科類論文正文字?jǐn)?shù)不少于萬字。有圖紙應(yīng)符合國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

　　

【正文】 B 或 C 關(guān) PM3 A A 關(guān) PM0 是芯片工作的全功能模式， CPU、外圍電路和 RF 收發(fā)機(jī)都處于運(yùn)行狀態(tài)。數(shù)字電源 穩(wěn)壓器是打開的。該模式也稱為主動(dòng)模式。 PM0 主要用于正常工作，當(dāng)芯片處于 PM0 模式時(shí)， 可以使能 位使 CPU 從運(yùn)行轉(zhuǎn)變成停止。 在 PM1 模式下，高頻振蕩器 (32MHz 晶體振蕩器和 16MHzRC 振蕩器 )斷電不工作。電源穩(wěn) 壓器和低頻振蕩器正常 工作。如果芯片進(jìn)入 PM1 模式工作，需要運(yùn)行一個(gè)斷電序列。當(dāng)設(shè)備 從 PM1 模式進(jìn)入 PM0 模式，高頻振蕩器開啟，設(shè)備將自動(dòng)運(yùn)行在 16MHz 的 RC 振蕩器上，如果 南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第二章 ZigBee 技術(shù)的研究 11 想讓設(shè)備運(yùn)行在 32MHz 晶體振蕩器上，必須要使用軟件來實(shí)現(xiàn)。如果從該工作模式喚醒系統(tǒng)， 可以通過計(jì)時(shí)器或者其他外部事件。 PM2 是較低的功耗模式。當(dāng)芯片處于 PM2 模式時(shí)，上電復(fù)位、外部中斷、 振蕩 器和睡眠定時(shí)器這些外圍設(shè)備運(yùn)行。在進(jìn)入 PM2 模式之前， I/O 引腳保持 I/O 模式，其他內(nèi) 部電路斷電 。當(dāng)睡眠時(shí)間超過 3ms 時(shí)，為了更加省電，不使用 PM1 模式而使用 PM2 模式。如 果從該模式喚醒到 PM0 模式，需要通過復(fù)位、外部事件中斷或者睡眠計(jì)時(shí)器。 PM3 是最低功耗的模式。在該模式下，所有從電源穩(wěn)壓器取電的內(nèi)部電路都關(guān)閉。內(nèi)部 電源穩(wěn)壓器和所有的振蕩器都關(guān)閉。如果從該模式返回 PM0 模式，可以通過復(fù)位、外部事件 中斷。返回 PM0 模式后，高速時(shí)鐘重新開始工作。 定時(shí)器 1 簡介 定時(shí)器 1 是一個(gè)支持典型定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器功能 (例如：輸入捕獲、輸出比較和 PWM 功能 ) 的獨(dú)立的 16 位定時(shí)器。它具有 3 個(gè)獨(dú)立的捕獲 /比較通道。每個(gè)通道使用一個(gè) I/O 引腳。該 定時(shí)器廣泛地用于控制和測量方面。 3 個(gè)通道都具備正計(jì)數(shù)和倒計(jì)數(shù)功能。 總的來說，定時(shí)器 1 具備下面的一些特征： 3 個(gè)捕獲 /比較通道；上升沿、下降沿或者任 何邊沿的輸入捕獲；設(shè)置、清除或者切換輸出比較；自由運(yùn)行，?；蛘哒?jì)數(shù) /倒計(jì)數(shù)操作； 32 或 128 的時(shí)鐘分頻；在每個(gè)捕獲 /比較和最終計(jì)數(shù)上產(chǎn)生中斷； DMA 觸發(fā)功能。 定時(shí)器 1 是一個(gè)在每個(gè)有效時(shí)鐘邊沿增加或者減少的 16 位計(jì)數(shù)器。 寄存器位 設(shè)置全局系統(tǒng)時(shí)鐘的劃分，定時(shí)器 1 使用 32MHz 晶體振蕩器作為時(shí)鐘源并提 供了一個(gè)從 到 32MHz 的時(shí)鐘頻率。定時(shí)器 1 中 可以對(duì)給定的分頻值進(jìn)一 步劃分，這個(gè)分頻值可以為 32 或 128。因此當(dāng)使用 32MHz 晶體振蕩器作為系統(tǒng)時(shí)鐘源 時(shí)，定時(shí)器 1 的最低時(shí)鐘頻率為 ，最高的時(shí)鐘頻率為 32MHz。 定時(shí)器的通道模式是在每個(gè)通道對(duì)應(yīng)的控制狀態(tài)寄存器 T1CCTLn 中設(shè)置，可以被設(shè)置成 輸入捕 獲或者輸出比較模式。在輸入捕獲模式下，當(dāng)一個(gè)通道被配置成輸入捕獲通道時(shí)，和 該通道相連的 I/O 引腳則配置為輸入。定時(shí)器啟動(dòng)后，輸入引腳的上升沿、下降沿或者任何 邊沿都將觸發(fā)一個(gè)捕獲，即 16 為定時(shí)器的內(nèi)容被捕獲到相關(guān)的捕獲寄存器中去。由于通道輸 入引腳和內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘同步，因此輸入引腳上脈沖的最小持續(xù)時(shí)間必須大于系統(tǒng)的時(shí)鐘周期。 在輸出比較模式下，和該通道相連的 I/O 引腳被配置成輸出。定時(shí)器啟動(dòng)后，對(duì)計(jì)數(shù)器里的 內(nèi)容和通道比較寄存器 T1CCnH： T1CCnL 的內(nèi)容進(jìn)行比較。如果比較寄存器和計(jì)數(shù)器 的內(nèi)容相 同，則輸出引腳置 1，根據(jù)由 寄存器的設(shè)置情況進(jìn)行復(fù)位或者切換。 12 南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第二章 ZigBee 技術(shù)的研究 射頻收發(fā)機(jī)簡介 CC2430 芯片的射頻模塊集成了 CC2420 射頻芯片，該射頻收發(fā)器滿足 IEEE 規(guī) 范。圖 23 是 CC2430 無線模塊的示意圖。 圖 23： CC2430 的無線模塊 CC2430 的特征之一就是采用了低中頻 (LowIF)接收。芯片收到的射頻 (RF)信號(hào)后將其通 過低噪聲放大器 (LNA)放大，并且將收到的同相信號(hào)和正交相位信號(hào) (I/Q)降 頻轉(zhuǎn)化為中頻 (IF) 信號(hào)，并且過濾掉殘留在中頻信號(hào)里的 I/Q 信號(hào)后，放大中頻信號(hào)，接著通過模 /數(shù)轉(zhuǎn)換 (ADC) 數(shù)字化、 自動(dòng)增益控制、 以及信道的過濾、 解擴(kuò)頻 (Despreading)、 符號(hào)相關(guān) (Symbol Correlation)和字節(jié)同步 (Byte Synchronization)等。 所有這些操作都是通過數(shù)字邏輯完成 的。 CC2430 芯片發(fā)送信息時(shí)采用了直接序列擴(kuò)頻 (DSSS)，調(diào)制方式為偏移正交相移鍵控 (OQPSK)。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，由硬件產(chǎn)生幀引導(dǎo)序列和幀開始定界符，然后將需要發(fā) 送的數(shù)據(jù)存 放到 128 字節(jié)的發(fā)送緩存中。接收數(shù)據(jù)時(shí)，一旦檢測到幀開始定界符，就產(chǎn)生中斷，接著將 接收到的數(shù)據(jù)存入 128 字節(jié)接收緩存中，上層程序讀取接收緩存中的數(shù)據(jù)并進(jìn)行判斷處理， 如果是發(fā)給本節(jié)點(diǎn)的信息就接收，否則丟棄。上述的發(fā)送緩存和接收緩存都是先進(jìn)先出 (FIFO) 隊(duì)列。在接收數(shù)據(jù)時(shí)， CC2430 芯片通過硬件檢測 CRC(Cyclic Redundancy Check，循環(huán)冗余 校驗(yàn) )，將接收信號(hào)強(qiáng)度指示值 (RSSI)和相關(guān)的數(shù)值附加到數(shù)據(jù)幀中。 13 南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第二章 ZigBee 技術(shù)的研究 ZigBee 精簡協(xié) 議 棧 [8][9] 上一節(jié)中介紹了 TI(德州儀器 )公司生產(chǎn)的 ZigBee 芯片 CC2430，本節(jié)則簡單介紹在該芯 片上運(yùn)行的 ZigBee 協(xié)議棧。 TI 公司研制的 ZigBee 協(xié)議棧 ZStack 廣泛地得到了應(yīng)用，它可以從網(wǎng)絡(luò)上免費(fèi)下載到， 配合該公司生產(chǎn)的芯片 CC2430 能夠方便地搭建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。但是，該協(xié)議棧的物理層和 媒體接入控制層程序被封裝起來，不便于個(gè)人對(duì)其進(jìn)行獨(dú)立地開發(fā)。為了方便研究，本文選 擇了密西西比大學(xué) Robert Reese 教授編寫的精簡版 ZigBee 協(xié)議棧 msstatePAN。該協(xié)議棧是 完全開源的，主要用于 ZigBee 愛好者的研究和交流，且該協(xié)議棧不但簡單而且具備了很好的 穩(wěn)定性，對(duì)它進(jìn)行修改也非常方便。 msstatePAN 協(xié)議棧是使用標(biāo)準(zhǔn)的 C 語言編寫的，它基本符合 ZigBee 協(xié)議規(guī)范。該協(xié)議 棧從出現(xiàn)開始就受到了廣大 ZigBee 愛好者的研究，不斷地得到了完善，目前最新的版本是 。雖然 msstatePAN 協(xié)議棧的功能有限，但是這些功能足以滿足本課題研究的需要。本 課題選用 msstatePAN 協(xié)議棧的最大原因是該協(xié)議棧每層的代碼 都是開源的，可以根據(jù)研究的 需要對(duì)其進(jìn)行修改。 msstatePAN 協(xié)議棧采用了有限狀態(tài)機(jī)機(jī)制，每一層都有一個(gè)有限狀態(tài)機(jī)，通過改變該層 有限狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)使該層運(yùn)行特定的程序完成指定的任務(wù)。最高層的有限狀態(tài)機(jī)函數(shù)是 apsFSM()，協(xié)議棧運(yùn)行的時(shí)候周期性地調(diào)用該函數(shù)以保證程序正常運(yùn)行。所有應(yīng)用層的函數(shù) 都是以 apl 或者 aps 開頭，所有網(wǎng)絡(luò)層的函數(shù)都以 nwk 開頭，媒體接入控制層的函數(shù)以 mac 開頭，物理層的函數(shù)以 phy 開頭，這樣的設(shè)計(jì)方便了對(duì)程序的理解。在網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)程序的編 寫上，如果在 IDE(集成設(shè)計(jì)環(huán)境 )中設(shè)置 LRWPAN_COORDINATOR 預(yù)處理定義，則表示是協(xié)調(diào)器 節(jié)點(diǎn)程序，如果在 IDE 中設(shè)置 LRWPAN_ROUTER 預(yù)處理定義，則表示是路由器節(jié)點(diǎn)程序，如果 沒有預(yù)處理定義，則表示協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)共用的程序。 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)在啟動(dòng)后，經(jīng)過初始化工作，然后調(diào)用 aplFormNetwork()函數(shù)組建網(wǎng)絡(luò)，并 對(duì)該網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置。最后進(jìn)入無限循環(huán)并周期性地調(diào)用 apsFSM()來運(yùn)行協(xié)議棧，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn) 的網(wǎng)絡(luò)地址是 0x0000,該節(jié)點(diǎn)可以路由數(shù)據(jù)包并處理間接消息響 應(yīng)。路由器節(jié)點(diǎn)或者終端節(jié) 點(diǎn)在啟動(dòng)后，經(jīng)過初始化工作，然后調(diào)用 aplJoinNetwork()函數(shù)加入?yún)f(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組建的網(wǎng)絡(luò)， 加入網(wǎng)絡(luò)后，根據(jù)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)反饋的信息設(shè)置自身的網(wǎng)絡(luò)信息，它們的網(wǎng)絡(luò)地址由協(xié)調(diào)器節(jié) 點(diǎn)分配。最后進(jìn)入無限循環(huán)并周期性地調(diào)用 apsFSM()來運(yùn)行協(xié)議棧。以上介紹了協(xié)議棧的大 概工作流程。接下來將給出相關(guān)的程序介紹。 首先介紹協(xié)調(diào)器組建網(wǎng)絡(luò)的主要代碼： 14 南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第二章 ZigBee 技術(shù)的研究 void main(void) { halInit()。 evbInit()。 aplInit()。 //以上進(jìn)行的是一系列的初 始化工作 conPrintConfig()。 //顯示協(xié)議棧的信息 aplFormNetwork()。 //開始組建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，并配置網(wǎng)絡(luò)信息 while(apsBusy()){apsFSM()。}//等待直到網(wǎng)絡(luò)組建完成 while(1){apsFSM()。}//不停地調(diào)用 apsFSM()函數(shù)，保證協(xié)議棧順利運(yùn)行 } 接下來介紹路由器或者終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)的主要代碼： void main(void) { halInit()。 evbInit()。 aplInit()。 //以上進(jìn)行的是一系列的初始化工作 conPrintConfig()。 //顯示協(xié)議棧的信息 do{ aplJoinNetwork()。 while(apsBusy()){apsFSM()。} }while(aplGetStatus()!=LRWPAN_SUCCESS)。 //等待直到成功加入網(wǎng)絡(luò) while(1){apsFSM()。} //不停地調(diào)用 apsFSM()函數(shù)，保證協(xié)議棧順利運(yùn)行 } 本 章小結(jié) 本章首先介紹了 ZigBee 技術(shù)的發(fā)展及 ZigBee 四層協(xié)議的相關(guān)知識(shí)，接著主要介紹了當(dāng) 前應(yīng)用廣泛的 ZigBee 芯片 CC2430，最后對(duì) msstatePAN 協(xié)議棧作了簡要地介紹，這些知識(shí)的 介紹為后面本文的實(shí)驗(yàn)部分做了很好的鋪墊。 15 南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第三章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)的研究 第三章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)的研究 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(diǎn)放置于需要監(jiān)測的區(qū)域，讓這些 節(jié)點(diǎn)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(duì)所采集的數(shù)據(jù)是 非常重要的。對(duì)于無線傳感網(wǎng)中定位技術(shù)的研究是非常有意義的。 無 線傳感 網(wǎng) 定位 技 術(shù)概 述 [10] 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(diǎn)通過與位置未知的節(jié)點(diǎn)交換數(shù) 據(jù)，從而得出位置未知節(jié)點(diǎn)的具體位置。 無線傳感網(wǎng)定位相關(guān)的基本概念 [11] 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(zhǔn)確的位置信息。 錨節(jié)點(diǎn) (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(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)的 位置信息可以通過 GPS 測定，或者通過放置該節(jié)點(diǎn)的時(shí)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(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換從而確定它們的具體位置。也有的文獻(xiàn)中將錨節(jié) 點(diǎn)稱作信標(biāo)節(jié)點(diǎn) (Beacon Node)。 未知節(jié)點(diǎn) (Unkown Node)：指無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中位置未知的節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)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(diǎn) (Unpositioning Node)。 鄰居節(jié)點(diǎn) (Neighbor Nodes)：指在傳感器節(jié)點(diǎn)通信范圍內(nèi)的所有其他傳感器節(jié)點(diǎn)。如果 某個(gè)節(jié)點(diǎn)想要把信息傳得更遠(yuǎn)，可以將信息通過鄰居節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)。 連通 (Connectible)：若兩個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)之間 可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，則可以把這兩個(gè)無線傳 感器節(jié)點(diǎn)稱為連通的。 連通度 (Connectivity)：指無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，與某個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)相連通的節(jié)點(diǎn)的數(shù)目 稱為該節(jié)點(diǎn)的連通度。 錨節(jié)點(diǎn)密度 (Anchor Density)：指無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，錨節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)占整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中傳感器 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的百分比。 基于測距 (Rangebased)：指需要測量距離然后進(jìn)行定位的方法。 16 南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第三章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)的研究 非基于測距 (Rangefree)：指不需要距離的測量就能進(jìn)行定位的方法。 視距關(guān)系 (Line of sight, LOS)：指兩個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)之間沒 有障礙物阻擋，能夠進(jìn)行兩 個(gè)節(jié)點(diǎn)之間直接的傳輸數(shù)據(jù)。 非視距關(guān)系 (Non line of sight, NLOS)：指兩個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)之間有障礙物阻擋。 無線傳感網(wǎng)定位的性能評(píng)價(jià)指標(biāo) [12] 評(píng)價(jià)定位技術(shù)好壞的最重要的指標(biāo)就是定位的準(zhǔn)確性和精確度。定位的