【正文】 上位機(jī)功能實(shí)現(xiàn)流程圖如圖410所示。(2)區(qū)域定位。定位信息處理包括2個(gè)方面：(1)提供PC和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)間接口。(3)保存和修改工程。將接收到的網(wǎng)絡(luò)參考節(jié)點(diǎn)地址顯示出來(lái)。用戶(hù)為特定定位場(chǎng)景自行選擇bmp、jpg、gif等格式的定位區(qū)域示意圖，將示意圖加載到上位機(jī)顯示窗口處。定位信息處理完成數(shù)據(jù)讀取并解析、數(shù)據(jù)處理等功能。無(wú)線傳感器定位系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控軟件中，與定位相關(guān)功能主要包括兩大類(lèi)：定位工程管理和定位信息處理。使用如下定義，加載節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)用層文件。定義兩種宏如下：define LOCATl0N_REFNODEdefine LOCATION_BLINONODE根據(jù)節(jié)點(diǎn)功能差別,選擇一個(gè)，屏蔽掉另一個(gè)。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，共用其它層文件。盲節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的程序?yàn)锽lind．C和Blind．h，而參考節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的程序是Reference．。這三個(gè)流程圖都是基于命令調(diào)用模式的。下面簡(jiǎn)要介紹一下各類(lèi)節(jié)點(diǎn)工作流程圖。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)特有的功能用虛線標(biāo)出。)將數(shù)據(jù)包發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。圖46傳感器網(wǎng)絡(luò)定位通信流程圖(5)盲節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)包發(fā)送到協(xié)調(diào)器。(4)盲節(jié)點(diǎn)發(fā)送RSSI的數(shù)據(jù)包請(qǐng)求信號(hào)。(3)參考節(jié)點(diǎn)預(yù)處理RSSI值。(2)盲節(jié)點(diǎn)廣播RSSI值信號(hào)。(1)主節(jié)點(diǎn)查詢(xún)未知節(jié)點(diǎn)。因此，首先需要在硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的通信，可分為如下五步進(jìn)行(數(shù)據(jù)量類(lèi)型有定位算法抉定，這里以RSSI為例)。狀態(tài)指示電路如圖45所示。串口轉(zhuǎn)換電路如圖44所示。供電電路如圖43所示。其中，直流(DC)電源模塊為5V供電，該芯片能夠提供高達(dá)500mA的電流輸出，電路簡(jiǎn)單。實(shí)際中的各種節(jié)點(diǎn)根據(jù)功能要求，分別選取所需部分電路焊接器件，即可完成各自功能。輔助功能模塊PCB制作無(wú)特殊要求。外圍器件尺寸盡量小，可使用0402規(guī)格組容器件。建議無(wú)線通信模塊采用PCB雙層板，頂層用于信號(hào)線布線，底層用于電源和地布線，在無(wú)布線的開(kāi)放區(qū)域采用少量過(guò)孔相連到地。由于CC2530將8051內(nèi)核與無(wú)線收發(fā)模塊集成到了一個(gè)芯片當(dāng)中，從而簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)過(guò)程，省去了單片機(jī)和無(wú)線收發(fā)芯片之間接口電路的設(shè)計(jì)，縮短了硬件開(kāi)發(fā)周期。CC2530的主要性能參數(shù)如下：(1)工作頻帶范圍：～；(2)采用IEEE ；(3)數(shù)據(jù)速率達(dá)250kbps，碼片速率達(dá)2MChip/s；(4)采用OQPSK調(diào)制方式；(5)超低電流消耗(RX18:8mA，TX:)，高接收靈敏度(95dBm)；(6)抗鄰頻道干擾能力強(qiáng)(30/45dB)；(7)內(nèi)部集成有VCO、LNA、PA以及電源整流器，采用低電壓供電(2．1～3．6V)；(8)輸出功率編程可控；(9)IEEE MAC層硬件可支持自動(dòng)幀格式生成、同步插入與檢測(cè)、16bit CRC校驗(yàn)、電源檢測(cè)、完全自動(dòng)MAC層安全保護(hù)(CTR、CBCMAC、CCM)；(10)與控制微處理器的接口配置容易(4總線SPI接口)；(11)開(kāi)發(fā)工具齊全，提供有開(kāi)發(fā)套件和演示套件；(12)采用QLP48封裝，外形尺寸只有77mm。在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27 mA或25 mA。它使用1個(gè)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(gè)定時(shí)器(Timer)、AESl28協(xié)同處理器、看門(mén)狗定時(shí)器(Watchdog timer)、32 kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路(Power On Reset)、掉電檢測(cè)電路(Brown out detection)，以及21個(gè)可編程I/O引腳。圖42節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)框圖CC2530芯片12lJ為Chipcon公司生產(chǎn)的2．4 GHz射頻系統(tǒng)單芯片。為了降低開(kāi)發(fā)成本，硬件平臺(tái)沒(méi)有按節(jié)點(diǎn)功能分別單獨(dú)設(shè)計(jì)，而是將所有功能放在了一個(gè)平臺(tái)上。無(wú)線通信模塊為節(jié)點(diǎn)間的無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)接口，它是節(jié)點(diǎn)核心部分。 定位系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)定位節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)框架如圖42所示。圖41 定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖一個(gè)完整的集中處理式無(wú)線傳感器定位系統(tǒng)包括三個(gè)部分：硬件節(jié)點(diǎn)、定位節(jié)點(diǎn)軟件和上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件。部分參考節(jié)點(diǎn)除完成參考節(jié)點(diǎn)相關(guān)功能外，它還具有鏈路路由功能。除完成自身特有功能外，協(xié)調(diào)器也可作為參考節(jié)點(diǎn)使用。無(wú)線傳感器定位網(wǎng)絡(luò)中存在3種功能類(lèi)型的節(jié)點(diǎn)，分別為協(xié)調(diào)器、參考節(jié)點(diǎn)和盲節(jié)點(diǎn)。對(duì)定位環(huán)境模型進(jìn)行適當(dāng)修改后，也可應(yīng)用于礦井巷道等其它環(huán)境中。4 基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)任何無(wú)線定位功能的實(shí)現(xiàn)都是基于某種無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的，以ZigBee技術(shù)為載體的定宜同樣也是基于一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的。同理可以分別得到圓O2和圓O3的坐標(biāo)和它們的半徑。而∠AO1C=2π2∠ADC。未知節(jié)點(diǎn)D相對(duì)于錨節(jié)點(diǎn)A，B，C的角度分別為∠ADB，∠ADC，∠BDC，這三個(gè)角度可以通過(guò)天線測(cè)量出來(lái)。節(jié)點(diǎn)A，B，C 的坐標(biāo)分別為:(x1,y1)、( x2,y2)和(x3,y3)。下面將介紹三角定位法，三角定位法的原理如圖36 所示?；贏OA 的定位法原理上就是三角定位法。 基于AOA 的定位法AOA(Angle Of Arrive)即是到達(dá)角度。由以上對(duì)基于TDOA 定位的分析可知，該定位算法不需要考慮節(jié)點(diǎn)之間時(shí)間原點(diǎn)的同步問(wèn)題，那么該算法只需考慮節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)鐘頻率偏移即可。將 x, y,d1當(dāng)作未知數(shù)，則式（314）就表示成了一個(gè)線性方程。一般來(lái)說(shuō)，用傳統(tǒng)解方程組的辦法求解上面的非線性方程組是非常復(fù)雜的，可對(duì)它們進(jìn)行線性化處理。由坐標(biāo)關(guān)系可知，未知節(jié)點(diǎn)和第i 個(gè)錨節(jié)點(diǎn)之間的距離di可以表示成：di=(xXi)2+(yYi)2 （37）設(shè)di,1為未知節(jié)點(diǎn)與第i個(gè)錨節(jié)點(diǎn)和第一個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的距離差，則：di,1=c*?i,1=did1=(xXi)2+(yYi)2(xX1)2+(yY1)2（38）式中，c 為電磁波在自由空間中的傳播速度，值為3108ms，?i,1為未知節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號(hào)到達(dá)第i 個(gè)錨節(jié)點(diǎn)與第一個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的時(shí)間差，di為第i 個(gè)錨節(jié)點(diǎn)到未知節(jié)點(diǎn)之間的距離。未知節(jié)點(diǎn)向這N 個(gè)錨節(jié)點(diǎn)廣播一個(gè)數(shù)據(jù)包，每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)接收到該數(shù)據(jù)包的時(shí)刻為：ti，其中i = 1，2，．．．，N。N 個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)分別為(xi,yi)，其中i = 1，2，．．．．．．, N。假設(shè)有N 個(gè)錨節(jié)點(diǎn)，并且它們和未知節(jié)點(diǎn)在同一個(gè)平面內(nèi)，如圖35 所示。很明顯，未知節(jié)點(diǎn)不需要與錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步，只需錨節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行同步即可，這將會(huì)極大地簡(jiǎn)化定位的復(fù)雜度。從上面對(duì)于基于TDOA 的定位算法介紹中可以看出：利用TDOA 的定位算法對(duì)未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行位置估計(jì)首先需要通過(guò)提取時(shí)間信息，獲得未知節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息到達(dá)兩個(gè)不同錨節(jié)點(diǎn)的時(shí)間差測(cè)量值。距離差定位算法其實(shí)就是定義一個(gè)以錨節(jié)點(diǎn)為焦點(diǎn)的雙曲線，進(jìn)行多次的距離差測(cè)量，就會(huì)產(chǎn)生多個(gè)這樣的雙曲線。圖34三邊定位法的原理圖 基于TDOA 的定位法TDOA(Time Different Of Arrive)即為到達(dá)時(shí)間差，基于TDOA 的定位法本質(zhì)上屬于距離差定位算法。分別以三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)為圓心，錨節(jié)點(diǎn)到未知節(jié)點(diǎn)的距離為半徑作圓，這三個(gè)圓將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交點(diǎn)，該交點(diǎn)就是未知節(jié)點(diǎn)所在的位置。如果忽略獲取距離的方式，基于RSSI 的定位法和基于TOA 的定位法在原理上是相同的，這種方法叫做三邊定位法。時(shí)間同步也是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域研究的一個(gè)重要方面。這樣就可以建立方程組：(x1x)2+(y1y)2=C*(T1T0)(x2x)2+(y2y)2=C*(T2T0)(x3x)2+(y3y)2=C*(T3T0) (36)求解方程組(36)可以得到未知節(jié)點(diǎn)的位置。設(shè)電磁波在空氣中的傳播速度為C，那么未知節(jié)點(diǎn)M 和錨節(jié)點(diǎn)A 之間的距離為C*(T1T0)。A、B 和C 都是錨節(jié)點(diǎn)，位置分別為:(x1,y1)、( x2,y2)和(x3,y3)，M點(diǎn)為未知節(jié)點(diǎn)，設(shè)它的位置為(x,y)。該定位法的原理圖如圖33 所示。 基于TOA 的定位法TOA(Time Of Arrive)即為到達(dá)時(shí)間。另外，也有可能節(jié)點(diǎn)上使用了未經(jīng)校準(zhǔn)的無(wú)線收發(fā)裝置，這也使得在不同設(shè)備上使用相同的方式發(fā)射信號(hào)，而在接收端測(cè)得不同的RSSI 值?；赗SSI 的定位技術(shù)既不需要在系統(tǒng)中增加額外的硬件設(shè)施，也不需要節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，該定位方案看似十分具有應(yīng)用前景。M點(diǎn)向A點(diǎn)、B點(diǎn)和 C點(diǎn)分別發(fā)送數(shù)據(jù)包，設(shè)A 點(diǎn)接收到M 點(diǎn)發(fā)送的信息時(shí)，RSSI 值為RSSI 1，B 點(diǎn)接收到C 點(diǎn)發(fā)送的信息時(shí)，RSSI 值為RSSI 2 ，C點(diǎn)接收到M 點(diǎn)發(fā)送的信息時(shí)，RSSI值為RSSI 3?；赗SSI 定位法就是通過(guò)RSSI 值估算出收發(fā)節(jié)點(diǎn)之間的距離，然后根據(jù)錨節(jié)點(diǎn)的位置對(duì)未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位。n p為路徑損耗指數(shù)，它與具體的環(huán)境相關(guān)。在實(shí)際提供RSSI 值測(cè)量的芯片中，信號(hào)在節(jié)點(diǎn)之間的傳播可以使用經(jīng)驗(yàn)的無(wú)線信號(hào)傳輸模型進(jìn)行模擬，即：Pij=π010nplog10(dij?0) (33)Pij為發(fā)送節(jié)點(diǎn)i發(fā)送信號(hào)后，接收節(jié)點(diǎn)j接收到該信號(hào)時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度值，單位為dBm， d ij為發(fā)送節(jié)點(diǎn)i和接收節(jié)點(diǎn)j之間相距的距離。在實(shí)際的信號(hào)傳播過(guò)程中，可以利用RSSI 值來(lái)確定信號(hào)的傳播距離。無(wú)線信號(hào)在傳播過(guò)程中的一個(gè)重要特點(diǎn)就是信號(hào)強(qiáng)度值會(huì)隨著傳播距離的增大而減小。包圍盒定位的計(jì)算復(fù)雜度與所使用的錨節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)成線性關(guān)系，因此這種方法的計(jì)算成本非常低，易于實(shí)現(xiàn)。如果錨節(jié)點(diǎn)放置在包圍盒的兩邊，則未知節(jié)點(diǎn)的定位就會(huì)取得很好的效果。包圍盒定位法需要將錨節(jié)點(diǎn)放置在非對(duì)齊的位置。包圍盒就是圖31 中陰影部分的矩形區(qū)域。通過(guò)測(cè)量距離可以得到節(jié)點(diǎn)B 到節(jié)點(diǎn)A 和節(jié)點(diǎn)C 的距離，在圖中分別用dAB和dBC來(lái)表示。如圖31所示的是包圍盒定位法的原理圖。 包圍盒定位法包圍盒定位法(Boundingbox Method)是最先運(yùn)用到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位算法，該定位法的定位誤差比較大，但是它具備很低的計(jì)算成本。 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中基于測(cè)距的定位算法由于本文所研究的算法屬于基于測(cè)距的無(wú)線傳感網(wǎng)定位算法。絕對(duì)定位的好處在于能夠?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)提供確切的位置，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)位置的影響較小，有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。 絕對(duì)與相對(duì)定位算法絕對(duì)定位就是確定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的坐標(biāo)位置，如經(jīng)緯度，這種位置是確定的。而分布式定位算法的優(yōu)點(diǎn)在于它的信息處理和計(jì)算分布到每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)里進(jìn)行，這樣不但避免了中心控制節(jié)點(diǎn)的選擇，而且減少了傳感器節(jié)點(diǎn)電量的消耗，提高了定位的效率且延長(zhǎng)了設(shè)備的工作時(shí)間。集中式定位算法的優(yōu)點(diǎn)在于可以從全局的角度進(jìn)行傳感器網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的定位，定位精度較高，而且所有定位過(guò)程中涉及到的計(jì)算都在中心控制節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行，只需使用存儲(chǔ)量大且運(yùn)算速度快的設(shè)備作為中心控制節(jié)點(diǎn)就可以解決定位問(wèn)題。 集中式與分布式定位算法集中式定位算法將傳感器網(wǎng)絡(luò)中的所有信息傳送到一個(gè)中心控制節(jié)點(diǎn)，然后在這個(gè)中心節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行計(jì)算得出每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置，最后把所有位置信息發(fā)送給相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)從而實(shí)現(xiàn)定位。值得注意的是，在非基于測(cè)距的定位算法中，網(wǎng)絡(luò)多跳路由算法也需要計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)和錨節(jié)點(diǎn)之間的距離，但是這種距離的估算是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息進(jìn)行計(jì)算的，而不是通過(guò)信號(hào)傳輸特性進(jìn)行測(cè)量。而非基于測(cè)距的定位算法在成本和功耗方面比較小，易于實(shí)現(xiàn)，但是其定位精度比較差。這樣劃分的兩種定位算法各有其優(yōu)缺點(diǎn)。常用的基于測(cè)距的定位算法有：基于接收信號(hào)強(qiáng)度測(cè)量法(RSSI)、到達(dá)時(shí)間測(cè)量法(TOA)、到達(dá)時(shí)間差測(cè)量法(TDOA)和到達(dá)角度測(cè)量法(AOA)。 基于測(cè)距與非基于測(cè)距的定位算法基于測(cè)距的定位算法通過(guò)測(cè)量未知節(jié)點(diǎn)和錨節(jié)點(diǎn)之間的距離或者角度從而計(jì)算出未知節(jié)點(diǎn)的位置。如果根據(jù)定位過(guò)程中定位計(jì)算所處的位置劃分，可以將定位算法分為集中式(Centralized Computation)定位算法和分布式(Distributed Computation)定位算法。 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)的分類(lèi)根據(jù)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)的不同，可以將無(wú)線傳感網(wǎng)定位算法進(jìn)行不同的分類(lèi)。功耗由于傳感器節(jié)點(diǎn)電源能量有限，所以在保證定位準(zhǔn)確性和精確度的前提下，盡量減少定位所需要的功耗是非常有必要的。對(duì)于定位技術(shù)的好壞只能從某個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該綜合考慮各方面的要求設(shè)計(jì)出合適的定位系統(tǒng)。假設(shè)有N 個(gè)未知節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)的實(shí)際位置是Xi ，(i = 1,2,…,N)，經(jīng)過(guò)定位算法的運(yùn)算得到的測(cè)量位置是Yi ，(i = 1,2,…,N)，于是就可以得到定位平均絕對(duì)誤差為：E=1Ni=1N|XiYi| (31)如果節(jié)點(diǎn)之間能夠通信的最大距離是R，那么定位的平均相對(duì)誤差為：Er=ER (32)此外還有一些其他的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表31 所列舉：以上介紹的定位技術(shù)的評(píng)價(jià)指標(biāo)還可以作為設(shè)計(jì)定位系統(tǒng)的參考因素，不同的定位應(yīng)用中應(yīng)該選擇不同的定位算法，在保證定位精度的前提下，最大限度地減少資源浪費(fèi)。實(shí)際應(yīng)用中使用的定位算法都具備很強(qiáng)的穩(wěn)定性能，多次定位得到的位置偏差不大，所以對(duì)于定位技術(shù)的評(píng)價(jià)可以用定位的誤差表示。定位的精確度指的是定位準(zhǔn)確性能達(dá)到的百分比，它需要通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)得到的。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。視距關(guān)系(Line of sight, LOS)：指兩個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)之間沒(méi)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)。基于測(cè)距(Rangebased)：指需要測(cè)量距離然后進(jìn)行定位的方法。連通度(Connectivity)：指無(wú)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(chēng)為該節(jié)點(diǎn)的連通度。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(guò)鄰居節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)。也稱(chēng)為待定位節(jié)點(diǎn)(Unpositioning Node)。也有的文獻(xiàn)中將錨節(jié)點(diǎn)稱(chēng)作信標(biāo)節(jié)點(diǎn)(Beacon Node)。該節(jié)點(diǎn)的位置信息可以通過(guò)GPS 測(cè)定，或者通過(guò)放置該節(jié)點(diǎn)的時(shí)候人工測(cè)定出。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。