【正文】 3． 1 節(jié)點(diǎn)定位基本原理 在三維空間中，知道了 1個(gè)點(diǎn)到 4 個(gè)已知參考點(diǎn)的距離，就可以確定該點(diǎn)的坐標(biāo)【 201， 這一點(diǎn)與全球定位系統(tǒng) (GPS)的基本原理一樣。 出于降低成本的考慮，希望在不增加額外硬件開銷的情況下，盡可能高精度的獲取節(jié)點(diǎn) 間距離信息。所以，可以根據(jù)具體應(yīng)用，刪除一些項(xiàng)目不需要的代碼，以 便提高程序的可讀 性和運(yùn)行效率。將調(diào)試正確滿足功能要求的函數(shù)，編譯后下載到硬件平臺(tái) (如 CC2430 芯 片 )中。編寫完程序，對(duì)程序進(jìn)行編譯處理、可在線調(diào)試其正確性。通過(guò)編寫新任 務(wù)的初始化函數(shù)和事件處理函數(shù)完成應(yīng)用程序的編寫。 (4)應(yīng)用程序編寫。函數(shù)本身不 進(jìn)行具體的任務(wù)操作，只是將任務(wù)添加到列表中，以便新任務(wù)被執(zhí)行。具體而言，使用 osalAddTasks0 函數(shù)完成新任務(wù)的添加。 (3)添加新任務(wù)。通常需 要修改的部分有： 1)在 ZMain／ OnBoard． h 中去掉不用的硬件定義，或者添加自己新的硬件定義。 (2)硬件相關(guān)文件修改。參數(shù) DEFAULT CHANLIST 表示缺省信道值，對(duì) 2． 4GHZ頻段而言，其值介于 11 到 26之間， 默認(rèn)為 11。參數(shù) ZDAPP CONFIG PAN ID 定義了一個(gè)缺省的個(gè)域網(wǎng)標(biāo)識(shí)符 (PAN ID)，將本參數(shù)設(shè)置為介于 0 到 0X3FFF 之間的一個(gè)十六進(jìn)制數(shù)。 1 1 Mechanism flowchart of Z— Stack 基于 ZigBee技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn) 2． 4． 5 Z— Stack 項(xiàng)目開發(fā) 以 ZStack協(xié)議棧為基礎(chǔ)進(jìn)行 ZigBee 項(xiàng)目開發(fā)，通常遵循一定的步驟，總結(jié)如下。函數(shù) osal set eventO被用來(lái)設(shè)置任務(wù)事件標(biāo)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)。 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(jìn)行事件激 發(fā)，三種函數(shù)為 osal start timerO、 osal start 和 osal set event() osal—start_timerExO 被用來(lái)開啟一個(gè)在 n 毫秒后到期的時(shí)鐘，當(dāng)時(shí)鐘到期時(shí)，調(diào)用任務(wù)將 獲得特定的事件，使用時(shí)需指明任務(wù) ID。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。 基于 ZigBee 技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn) 圖 2． 10 組網(wǎng)算法流程圖 Fig． 2． 1 0 Flow chart of work formation algorithm 2． 4． 4 Z． Stack 協(xié)議棧運(yùn)行機(jī)制 一個(gè)完整的基于 Z． Stack 協(xié)議棧的應(yīng)用程序主流程圖如圖 2． 11 所示。新加入的路由器和終端將不會(huì)知道建立的 “ 不沖 突 ” 的個(gè)域網(wǎng) ID值，因此僅僅會(huì)加入特定的個(gè)域網(wǎng) ID。 如果 ZDAPP CoNFIG PAN ID 被定義為一個(gè)有效的、小于或等于 OX3FFF 的值，協(xié)調(diào)器將 僅僅試圖用這個(gè)特殊的個(gè)域網(wǎng) ID 建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。如果 ZDAPP CONFIG PAN ID沒有被定義 為 OXFFFF，路由器將被限制僅僅加入那些被定義的 PAN ID。 如 果 ZDAPP CONFIG PAN ID=OXFFFF，則基于它自身 IEEE 地址產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)的 PAN ID。 在 Z． Stack 中，一個(gè)具體的Sample 應(yīng)用組網(wǎng)過(guò)程如下所述【 191：一個(gè)作為協(xié)調(diào)器編譯 的 Sarhple 應(yīng)用將會(huì)組建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)使用 DEFAULT CHANLIST中說(shuō)明的信道之 一。網(wǎng)絡(luò)層將不斷重復(fù)這個(gè)過(guò)程直 到節(jié)點(diǎn)成功加入到網(wǎng)絡(luò)為止。此時(shí)，父節(jié)點(diǎn)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(diǎn)分配短 MAC 地址，只要節(jié)點(diǎn)接 收到父節(jié)點(diǎn)為之分配的 16 位的短地址，那么在通信的過(guò)程中，將使用該地址進(jìn)行通信。 2． 4． 3 ZigBee組網(wǎng) 協(xié)調(diào)器組建個(gè)域網(wǎng) (PAN)成功后，頻繁的以廣播方式向外發(fā)送信標(biāo)幀，用來(lái)表示它 的存在。 OSAL 中的任務(wù)可以通過(guò)任務(wù)處理 API 函數(shù)添加到系統(tǒng)中，這樣就可 以實(shí)現(xiàn)多任務(wù)機(jī)制。每個(gè)任務(wù)都包含若干個(gè)事件，每個(gè)事件都對(duì)應(yīng)一個(gè)事件號(hào)。 圖 2． 9 OSAL 操作系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度流程 Fig． 2． 9 Flow of OSAL task dispatching 具體來(lái)說(shuō)， OSAL 是一個(gè)基于任務(wù)調(diào)度機(jī)制的操作系統(tǒng)。 2． 4． 2 OSAL運(yùn)行機(jī)制 OSAL(Operator System Abstract Layer，操作系統(tǒng)抽象層 )層【 l 8】是與協(xié)議棧相獨(dú)立的， 但是整個(gè)協(xié)議棧都要基于本操作系統(tǒng) (OS)才能正常運(yùn)行，或者說(shuō)協(xié)議棧運(yùn)行在本層之 上。各層之間通過(guò)各層的 API 函數(shù)實(shí)現(xiàn)相互 連接和通信，最終達(dá)到完整有效的運(yùn)行 。 ZMain 是應(yīng)用程序的主函數(shù)，每個(gè)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(chǔ)器初始化最后是操作系統(tǒng)無(wú)限循環(huán)。 Tools 是配置文件，通過(guò)對(duì)其內(nèi)部文 件的修改可以設(shè)置網(wǎng)絡(luò)的信道編號(hào)和 PAN ID 號(hào)，并且最重要的一個(gè)功能是通過(guò)設(shè)置其 相應(yīng)的文件包含可以預(yù)定義節(jié)點(diǎn)的邏輯類型，即協(xié)調(diào)器，路由節(jié)點(diǎn)或者是終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)。 MAC 以及 NWK層主要實(shí)現(xiàn) 了 ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)的媒體接入控制層和網(wǎng)絡(luò)層。 HAL 餌 ardware Abstract Layerl 層為硬件抽象層，在該層中根據(jù)用戶硬件平臺(tái)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(shí)器以及 ADC 等各種硬件設(shè)各的功能函數(shù)定義。omctionofZ Stack protocol zStack 是完全符合 ZigBee2020 標(biāo)準(zhǔn)的，其協(xié)議棧結(jié)構(gòu)也與 zl 出 ee 規(guī)范完全吻合。如圖 2 8 所示。 z— Stack 運(yùn)行在 IAR 7 20以上的集成開發(fā)環(huán)境， IAR 7 20 運(yùn)用 C51 編譯器，是一個(gè) 與 KELLC51 類似的，功能強(qiáng)大的 C51 編譯器／ IDE／ DEBUG 開發(fā)平臺(tái)。本文構(gòu)建的定位系統(tǒng)是 以 Z— Stack 協(xié)議棧為基礎(chǔ)的，網(wǎng)絡(luò)中按照節(jié)點(diǎn)完成的功能分為參考 節(jié)點(diǎn)、定位節(jié)點(diǎn)。 z． Stack 是 Zi 班 ee 技術(shù)的核心軟件，是開發(fā) IEEE80215 4／ ZigBee技術(shù)相關(guān)產(chǎn) 品的關(guān)鍵軟件， z． Stack 符合 zj 曲 ee2020 規(guī)范的要求，并且在硬件上支持 CC2430，CC2431 以及 MSP430 平臺(tái)。這樣 信息傳輸?shù)臅r(shí)間更加依賴瞬時(shí)網(wǎng)絡(luò)連接質(zhì)量，因而難以預(yù)計(jì)。網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是一個(gè)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(gè)節(jié)點(diǎn)的通信路徑不是唯一的。樹形拓?fù)涞淖罴褢?yīng)用是在穩(wěn)定的無(wú)線電射頻環(huán)境中，也可以很好 的用在一些簡(jiǎn)單的低數(shù)據(jù)量的大規(guī)模集合的應(yīng)用之中。但是樹形結(jié)構(gòu)不能很好的適應(yīng)外部的動(dòng)態(tài)環(huán)境。若干個(gè)星形拓?fù)溥B接在一 起，擴(kuò)展到更廣闊的區(qū)域。到目前為止，星形拓?fù)涫亲畛Ｒ姷木W(wǎng)絡(luò) 配置結(jié)構(gòu)，被大量的應(yīng)用在遠(yuǎn)程檢測(cè)和控制中。由于把每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)放在中心節(jié)點(diǎn)的通信范圍之內(nèi)，這必然會(huì) 限制無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，并且星形拓?fù)浜茈y實(shí)現(xiàn)高密度的擴(kuò)展。星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，這種簡(jiǎn)單帶來(lái)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。 如圖 2． 7 中 (a)所示，星型網(wǎng)絡(luò)是～個(gè)輻射狀系統(tǒng)，數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)命令都是通過(guò)中心節(jié) 點(diǎn)傳輸。 2． 3． 2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要有三種組網(wǎng)方式【 1。 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(qǐng)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(diǎn)在大部分的時(shí)間 里都處于休眠狀態(tài)就可以采用電池供電。終端設(shè)備僅僅周期性的向它的父節(jié)點(diǎn)發(fā)送或接受來(lái)自它的父節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。這使得終端設(shè)備可以回到休眠狀態(tài)，從而達(dá)到省電的目的。當(dāng)一個(gè)子節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送一個(gè)信息的時(shí)候，這個(gè)子節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù) 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 到它的父路由器。而不能使用電池供電。 基于 ZigBee 技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn) 圖 2． 4 協(xié)調(diào)器功能模塊示意圖 Fig． 2． 4 Coordinator function model sketch map 圖 2． 5 路由器功能模塊示意圖 Fig． 2． 5 Router function model sketch map 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 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 )?？蛇x擇地，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)也能被 用來(lái)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)中的安全性和應(yīng)用水平的綁定。它是網(wǎng)絡(luò)中的第一個(gè)設(shè)備。設(shè)備 類型不會(huì)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。 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。 FFD和 RFD 的不同是按照節(jié)點(diǎn)的功能區(qū)分的，一個(gè) FFD可以充 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器和路由器，因此一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)該至少含有一個(gè) FFD。 ZigBee設(shè)備對(duì)象 (ZDO)還要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的發(fā)現(xiàn)及判定對(duì)方提供服務(wù)類別。設(shè)備綁定表用于根據(jù)設(shè)備間提供的服 務(wù)和需求來(lái)匹配設(shè)備并儲(chǔ)存相關(guān)設(shè)備信息。 ZigBee 應(yīng)用層包括應(yīng)用支持子 層 (APS)， ZigBee 設(shè)備對(duì)象 (ZDO)以及用戶定義應(yīng)用對(duì)象。 ZigBee 協(xié)調(diào)器的 NWK層還必須負(fù)責(zé)啟 動(dòng)一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)，給新的關(guān)聯(lián)設(shè)備分配地址等工作。網(wǎng)絡(luò)層的主要職責(zé)包括提供設(shè)備用來(lái)加入網(wǎng)絡(luò)和離開網(wǎng)絡(luò)的機(jī)制， 提供數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)陌踩?機(jī)制和路由機(jī)制。 IEEE802． 1 5． 4 MAC 層采用 CSMA． CA 機(jī)制來(lái)控制信道接入，主要 負(fù)責(zé)傳輸信標(biāo)幀，同步以及提供可信賴的傳輸機(jī)制。 IEEE802． 15． 4 定義的 PHY 層分別工作在兩個(gè)頻段上： 868／ 915MHz 和 2． 4GHz。 ZigBee協(xié)議體系架 構(gòu)如圖 2． 3所示 ll 51。每一層為上層提供一系列特殊的服 務(wù)：數(shù)據(jù)實(shí)體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，管理實(shí)體則提供所有其他的服務(wù)。 2． 2． 2 ZigBee 協(xié)議棧概述 ZigBee 技術(shù)作為一種新興的低速率短距離無(wú)線通信技術(shù)，也是 ZigBee 聯(lián)盟(ZigBee Alliance)所主導(dǎo)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。此外， MAC 層為實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)陌? 全機(jī)制應(yīng)用提供～些方法。 MAC 子層為高層訪 問(wèn)物理信道提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的服務(wù)接口。 PHY 層由射頻收 發(fā)器以及底層的控制模塊構(gòu)成。 張采磊娩 1矗 0 井。 j’z 臻 ’‘ PHY ．瓿砧。 ”r’‘ 一。 “ 一 。 ” MAe j 毫～。 IEEE802． 1 5． 4 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議?；陂_放系統(tǒng)互連模型 (OSI)【 9， 161，如圖 2． 2 所示，每一層 都實(shí)現(xiàn)一部分通信功能，并向高層提供服務(wù)。 (10)工作在 ISM 頻段上，其中在 2450MHZ 波段上有 16 個(gè)信道，在 915MHZ頻段 上有 30 個(gè)信道，在 868MHZ 上有 3 個(gè)信道。 (8)信道能量檢測(cè) (ED，Energy Detection)。 (6)支持 ACK 機(jī)制以及保證可靠傳輸。 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 (4)采用可選的時(shí)槽保障 (GTS， Guaranteed Time Slots)機(jī)制。 (3)在網(wǎng)絡(luò)中采取兩種地址方式： 16位地址和 64位地址。它具備以下主要特征【 9】： (1)實(shí)現(xiàn) 20kb／ s、 40kb／ s、 100kb／ s、 250kb／ s 四種不同的傳輸標(biāo)準(zhǔn)。 2． 2 IEEE802． 1 5． 4 協(xié)議棧和 ZigBee 協(xié)議棧概述 2． 2． 1 IEEE802． 15． 4 協(xié)議棧 LR． WPAN 是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低成本、低功耗的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，它的存在使得無(wú)線 連接在低功耗和低數(shù)據(jù)吞吐量的應(yīng)用中成為可能。 (7)網(wǎng)絡(luò)容量大。設(shè)備的復(fù)雜程度低，且 ZigBee 協(xié)議是免專利費(fèi)的， 可以有效地降低設(shè)備成本。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。 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