【正文】 將出現(xiàn)圖 48 所示 界面： 圖 48 ZStack協(xié)議棧組成 Figure 48 Construction of ZStack protocol 在工程文件的 workspace 中選擇 Coordi。 節(jié)點(diǎn)設(shè)置及 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì) 拷貝光盤中“ Zigbee2021 定位系統(tǒng)源代碼”下的“ Texas Instruments ”文件夾到 IAR 安裝盤符的根目錄下 [16]。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 : N N N 開 始 入網(wǎng)成功 收到位置查詢請(qǐng)求命令 發(fā)送數(shù)據(jù)包到協(xié)調(diào)器 打包所有平均 RSSI 值 發(fā)送 RSSI Blast 發(fā)送 RSSI Blast 請(qǐng)求命令 接收 1跳參考節(jié)點(diǎn)的平均 RSSI 接收到 RSSI 響應(yīng)命令？ 發(fā)送完畢？ 300 次發(fā)送完？ Y Y Y 22 define LOCATION_REFNODE define LOCATION_BLINDNODE 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，共用其它層 文件。盲節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的程序?yàn)? 和 ，而參考節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的程序是 和[15]。 。 網(wǎng)關(guān) 參考節(jié)點(diǎn) 盲節(jié)點(diǎn) 網(wǎng)絡(luò)建立 通信正常 位置查詢請(qǐng)求 廣播 RSSI 值（ 300 次） 廣播 RSSI 值（ 300 次） RSSI 請(qǐng)求信號(hào) RSSI 請(qǐng)求信號(hào) 平均 RSSI 值 平均 RSSI 值 全部 RSSI值 。圖 46 為協(xié)調(diào)器 /參考節(jié)點(diǎn)的定位流程圖，圖 47 為盲節(jié)點(diǎn)的定位流程圖。其余部分為參考節(jié)點(diǎn)功能程序。 圖 45 傳感器網(wǎng)絡(luò)定位通信流程圖 Figure 45 Communication flow chart positioning sensor works 考慮到協(xié)調(diào)器除了組網(wǎng)和串口通信功能外，它可以作為參考節(jié)點(diǎn)使用，故只需要編寫兩種節(jié)點(diǎn)程序即可。盲節(jié)點(diǎn)按照一定規(guī)則 (例如，協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)包按照 RSSI 大小排序，從中選擇最大的三個(gè)，這樣保證盲節(jié)點(diǎn)的周圍存在三個(gè)最強(qiáng)參考節(jié)點(diǎn)。接收到數(shù)據(jù)包請(qǐng)求命令信號(hào)后，參考節(jié)點(diǎn)將各種所需參量按一定格式打包，發(fā)送到盲節(jié)點(diǎn)。一跳范圍內(nèi)的參考節(jié)點(diǎn)接收到 RSSI Blast 信號(hào)，記 19 錄該盲節(jié)點(diǎn)的 RSSI 值，由于墻壁、行人等多種環(huán)境干擾源的存在， RSSI 會(huì)出現(xiàn)一定幅度的擾動(dòng)，因此各參考節(jié)點(diǎn)可對(duì)接收到的 RSSI 進(jìn)行適當(dāng)預(yù)處理 (如使用高斯概率模型處理 ),對(duì)預(yù)處理后 的 RSSI 值作平均 [12]。盲節(jié)點(diǎn)接收到查詢請(qǐng)求命令后，廣播一系列 (如 300次 )RSSI 值，在數(shù)據(jù)包中設(shè)定跳數(shù)為 l，從而保證只有在一跳范圍內(nèi)的參考節(jié)點(diǎn)才能接收到該數(shù)據(jù)包。在協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn) (協(xié)調(diào)器 )成功建立網(wǎng)絡(luò)后，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)要查詢盲節(jié)點(diǎn)的位置信息，首先要給該節(jié)點(diǎn)發(fā)送定 位請(qǐng)求信號(hào)，通信方式為廣播方式，保證所有的盲節(jié)點(diǎn)都可收到該查詢請(qǐng)求。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)量類型有定位算法決定 )。 (7)工程中相對(duì)路徑支持。 (5)高效浮點(diǎn)支持 。 (3)版本控制和擴(kuò)展工具支持良好 。 IAR 開發(fā)環(huán)境的特點(diǎn) : (1)完全兼容標(biāo)準(zhǔn) C。 定位系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 軟件開發(fā)平臺(tái) IAR Embedded Workbench(簡(jiǎn)稱 EW)是一套完整的集成開發(fā)工具集合，包括代碼編輯器、工程建立、 C/C++編譯器、匯編器、 連接定位器、庫管理員、連接器和調(diào)試器的各 18 類開發(fā)工具。狀態(tài)指示電路如圖 44 所示。串口轉(zhuǎn)換電路如圖 43 所示。供電電路如圖 42 所示。其中，直流 (DC)電源模 塊為 SV 供電，使用電壓轉(zhuǎn)換芯片 獲得 電壓，該芯片能夠提供高達(dá)5OOmA 的電流輸出，電路簡(jiǎn)單，僅需要兩個(gè) 10uF 的擔(dān)電容即可輸出 的恒定電壓 。 C11 和 C15 電容是去耦合電容，用來電源濾波，以此來提高芯片工作的穩(wěn)定性。用 1 個(gè) 32 MHz 的石英諧振器和 2 個(gè)電容構(gòu)成一個(gè) 32 MHz 的晶振電路。電路中的非平衡變壓器由電容 C12 和電感 L L L3 以及一個(gè) PCB 微波傳輸線組成，整個(gè)結(jié)構(gòu)滿足 RF 輸入 /輸出匹配電阻 (50Ω )的要求。 CC2430/2431 沒有接地的管腳，為了方便制版，在 CC2430 加了一個(gè) 49 號(hào)管腳，用于接地 ， CC2430/2431 整體設(shè)計(jì)電路見附錄 1。 (13)集成 1 個(gè)高精度定位跟蹤引擎 (此項(xiàng)為 CC2431 獨(dú)有的特點(diǎn) )。 (11)集成電池檢測(cè)和溫度感測(cè)功能 。 (9)集成了 AES 安全協(xié)處理器 。 (7)帶有 2 個(gè) USART，以及 4 個(gè)計(jì)時(shí)器，其中一個(gè)是 16 位符合 IEEE 規(guī)范的 MAC 計(jì)時(shí)器、 1 個(gè) 16 位常規(guī)計(jì)時(shí)器和 2 個(gè) 8 位計(jì)時(shí)器 。 (5)較寬的電壓范圍 ()。 (3)有兩的無線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性 。其主要特點(diǎn)如下 : (1)集成符合 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)的 的 RF 無線電收發(fā)機(jī) 。CC2430/2431 整合了 ZigBee 射頻 (RF)前端、內(nèi)存和微控制器。 CC2430/2431 SoC 家族包括 3 個(gè)不同產(chǎn)品 :CC2430F32, CC2430F64 和CC2430F 128，本 文設(shè)計(jì)所用的是 CC2430F128,他們的區(qū)別在于內(nèi)置閃存的容量不同。 圖 41 硬件組成 框 圖 Figure 41 Hardware block diagram 主控芯片 CC2430/CC2431 本設(shè)計(jì)選用了 CC2430/ZigBee 產(chǎn)品，所有的功能都集成在一個(gè)硅片內(nèi) [9]。為了降低開發(fā)成本，硬件平臺(tái)沒有按節(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。無線通信模塊為節(jié)點(diǎn)間的無線數(shù)據(jù)收發(fā)接口，它是節(jié)點(diǎn)核心部分。 硬件總體規(guī)劃 定位節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)框架如圖 41 所示。然后將適當(dāng)?shù)男畔l(fā)送給網(wǎng)關(guān)，通過網(wǎng)關(guān)與計(jì)算機(jī)形成另一個(gè)直觀的系統(tǒng)，芯片選擇 CC2431。它的任務(wù)是提供一個(gè)包含自己位置 X， Y 坐標(biāo)和 RSSI 值的 信息包給移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，數(shù)量至少為 4 個(gè)。它在整個(gè)系統(tǒng)中有著至關(guān)重要的作用，首先它接收由監(jiān)控軟件提供的各參考點(diǎn)的配置數(shù)據(jù)，并發(fā)送給相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，其次，還要接收各節(jié)點(diǎn)反饋的有效數(shù)據(jù)并傳輸給監(jiān)控軟件。 4 基于 ZigBee 無線定位系統(tǒng)設(shè)計(jì) 定位 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 定位系統(tǒng)由網(wǎng)關(guān)、參考節(jié)點(diǎn)、定為節(jié)點(diǎn)組成。而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的距離測(cè)量由于存在距離誤差，正好可以利用這樣的冗余獲得更高的精確度。將式 式 、式 帶入式 可以 得到： yr yyxr xxrr j ujj ujjj ??????? ? ?? ?? （ ） 這樣就完成了對(duì)式 相對(duì)于未知數(shù) uu yx ?? , 的線性化。 單一測(cè)量距離可表示為 : 13 ),()()( 22 uuujujj yxfyyxxr ????? () 單一近似距離可表示為 : )?,?()?()?(? 22 uuujujj yxfyyxxr ????? () 如上所述，節(jié)點(diǎn)的真實(shí)位置由近似分量和增量 2 個(gè)部分組成，即 uuuuuu yyx xxx ??? ?????? ?? () 因此，有 )??(),( uuuuu yyxfyxf ???? 上式右邊函數(shù)用泰勒級(jí)數(shù)展開成 uu uuuu uuuuuuuu yy yxfxx yxfxxfyyxxf ??????????????? ? )?,?(? )?,?()?()??,?( () 為消除非線性，上述展開式中截去了 1 階偏導(dǎo) 數(shù)之后的各項(xiàng)。如果近似知道節(jié)點(diǎn)的估計(jì)位置，可以將其真實(shí)位置 ( ux ， uy )和近似位置 ( ux? , uy? )之間的偏離用位移 ( ux? ， uy? )來標(biāo)記。 假設(shè) 3 個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)分別為 (1x ， 1y )、（ 2 x ， 2y )、 ( 33,yx )，待定位節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)是 ( ux ， uy )，該節(jié)點(diǎn)到 3 個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的距離分別是 1r 、 2r 、 3r ，根據(jù)二維空間距離計(jì)算公式，可以獲得方程組 。 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)，這一點(diǎn)與全球定位系統(tǒng) (GPS)的基本原理一樣?；?RSSI 技術(shù)方法的最大優(yōu)點(diǎn)就是我們能夠充分利用現(xiàn)有的系統(tǒng)，基本不需要輔助設(shè)備就可以建立定位系統(tǒng)，因此獲得 RSSI信息要比獲得到達(dá)時(shí)間 ((TOA)和到達(dá)角度 ((AOA)遠(yuǎn)遠(yuǎn)容易。 (4)AOA 測(cè)距方法 在 AOA 定位方法中，接收節(jié)點(diǎn)通過天線陣列或多個(gè)超聲波接收機(jī)感知發(fā)射節(jié)點(diǎn)信號(hào)的到達(dá)方向，計(jì)算接收節(jié)點(diǎn)和發(fā)射節(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)方位或角度，再通過三角測(cè)量 法計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的位置。 Cricket 系統(tǒng)和 AHLOS 系統(tǒng)就是利用 TDOA 方法進(jìn)行定位。但(a) 星型 (c) 網(wǎng)狀 (b) 樹 狀 協(xié)調(diào)器 FFD RFD 12 由于硬件設(shè)備復(fù)雜，價(jià)格高和功耗大等方面，使得 TOA 方法很少應(yīng)用在室內(nèi)定位方面。 (2)TOA 測(cè)距方法 在 TOA 定位方法中，已知信號(hào)的傳播速度，根據(jù)參考節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號(hào)到定位節(jié)點(diǎn)所需的傳播時(shí)間來計(jì)算節(jié)點(diǎn)間的距離。 RSSI 的主要優(yōu)勢(shì)在于通信負(fù)載較低而且不需要增加額外的硬件設(shè)備。 (1)基于 RSSI 的測(cè)距方法 在基于接收信號(hào)強(qiáng)度 (RSSI)的定位中，發(fā)射節(jié)點(diǎn)的發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度是已知的，接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的信號(hào)強(qiáng)度，計(jì)算出信號(hào)的傳播損耗，利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ突蛘呃碚搶?RSSI 的傳輸損耗轉(zhuǎn)化為距離。 11 圖 32 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) Figure 32 Topology 基于 RSSI 的 定位算法分析 ZigBee 定位技術(shù)基于無線局域網(wǎng)絡(luò)，在特定的無線局域網(wǎng)絡(luò)中，先安裝一些已知位置信息的參考節(jié)點(diǎn)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)通過無 線通信得到已知節(jié)點(diǎn)的信息 (時(shí)間或信號(hào)強(qiáng)度值 )，并結(jié)合定位算法計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo) 。網(wǎng)形拓?fù)渑c星形、樹形相比，更加復(fù)雜，其路由拓?fù)涫莿?dòng)態(tài)的，不存在一個(gè)固定的路由模式。 如圖 32(c)中 所示 ，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)自由設(shè)計(jì)的拓?fù)?，具有很高的適應(yīng)環(huán)境的能力。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(gè)節(jié)點(diǎn)的中斷或故障將會(huì)使部分節(jié)點(diǎn)脫離網(wǎng)絡(luò)。樹形拓?fù)涫?可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)“多跳”信息服務(wù)的最簡(jiǎn)單的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，樹形拓?fù)渥钪档米⒁獾牡胤骄褪撬３至诵切瓮負(fù)涞暮?jiǎn)單性 :較少的上層路由信息、較低的存儲(chǔ)器需求。 樹狀拓?fù)涫嵌鄠€(gè)星形拓?fù)涞募?，如圖 32 中的 (b)所示。集中的信息涌向中心節(jié)點(diǎn)，容易造成網(wǎng)絡(luò)堵塞、丟包、性能下降等。中心節(jié)點(diǎn)需要承擔(dān)更多的管理工作。如果用通信模塊構(gòu)造星形網(wǎng)絡(luò)，只需要一個(gè)模塊配置成協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，其他模塊可以配置成終端節(jié)點(diǎn)。 拓?fù)浣Y(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?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 所示。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。因此終端設(shè)備能夠使用電池供電的方式工作很長時(shí)間。 終端設(shè)備 :終端設(shè)備對(duì)維持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)沒有特殊的責(zé)任，因此，它可以有選擇的休眠和喚醒。然后，路由器負(fù)責(zé)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(rèn)。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節(jié)點(diǎn)被喚醒并請(qǐng)求數(shù)據(jù)而不能使用電池供電。2)多跳路由 。由于 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的分布式本質(zhì)，網(wǎng)絡(luò)的繼續(xù)運(yùn)行不依賴于協(xié)調(diào)器的存在。協(xié)調(diào)器的功能主要是開啟和配置網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)選擇一個(gè)信道和一個(gè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符 (PANID)并開啟網(wǎng)絡(luò)。 協(xié)調(diào)器 :這個(gè)設(shè)備“開啟”一個(gè) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)。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)陌踩珯C(jī)制和路由機(jī)制。 層采用 CSMACA 機(jī)制來控制信道接入，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。 定義的 PHY 層分別工作在兩個(gè)頻段上 :868/9l5MHz 和 。 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)體則都通過服務(wù)