【正文】 片的架構，在單個芯片上整合了 ZigBee 射頻 (RF)前端、內存和微控制器。根據節(jié)點實際功能要求，只需焊接所需器件即可。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 換電路實現 PC 機與協(xié)調器節(jié)點間的數據傳輸。硬件電路設計包括兩部分 :無線通信模塊設計和輔助功能模塊設計。的距離分別為 ad , bd , cd ,假設節(jié)點 O 的坐標為 (x,y)。這樣我們根據這個模型， 就可以在測量到 RSSI 值以后，通過計算得到相應的距離值。 本文以上述模型為理論基礎，參考 CC2431 定位模型，根據具體環(huán)境的要求，反復進行實驗測試，設計了如下的參考模型，作為利用 RSSI 測距的理論模型依據 (如 公式 (32)： BdAR S S I ?? 10lo g|| (32) 其中， A 為一個經驗值，要在實際使用環(huán)境中去測量它的值，在本文中，我們根據使用環(huán)境，多次測量取平均值，最后我們選擇 40 為 A 的經驗值； 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。 RADAR 系統(tǒng)是使用 RSSI 測距的最典型的系統(tǒng)。 11 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，所以利用這種技術來測距可大大地降低功率和成本。對系統(tǒng)的設計包括：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計以及各部分軟件功能的實現。隨著定位技術和無線傳感器網絡技術的不斷發(fā)展，基于ZigBee 網絡的定位技術在未來人們生活中將會得到越來越多的應用。都是利用一些已有的或是經過改進的一些定位算法，再利用 ZigBee 技術的組網功能進行位置的估計。相比于集中型的定位系統(tǒng)， RSSI 功能降低了網絡流量與通信延遲，在典型應用中可實現 35m 的精度。它內置有摩托羅拉為其專門設計的一款定位引擎，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。此外， TI 領先的 ZigBee 協(xié)議棧 ZStack 還可提供相關支持。 2020 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。 10 第三章 基于 ZigBee 技術定位系統(tǒng)的設計 ZigBee 定位技術的介紹 隨著無線技術在定位領域的迅猛發(fā)展，近些年來逐漸出現了很多用于定位的無線通信技術，比較典型的有紅外技術、超聲波技術以及同時兼顧定位精度和成本考慮的 RFID 方案。隨著微電子技術、計算機技術的不斷發(fā)展進步，微處理芯片的組網功能會進一步加強，使得智能傳感器與無線通信網絡的結合將會變得更加容易。 無論學術界還是實業(yè)界，人們看重 ZigBee 還有更重要的一點： ZigBee 技術為醞釀了 20 余年的普適計算理論，首次提供了一個從理論走向現實的技術平臺。 由于 ZigBee 標準還制定了能使不同制造商之間共享網絡資源的應用框架， 9 其目標定位在現存的系統(tǒng)還不能滿足產品需求的特定的市場，因而有著廣闊的應用前景。在產品發(fā)展初期，以工業(yè)或企業(yè)市場的感應式網絡為主，提供感應辨識、燈光和安全控制等功能，慢慢地逐漸將市場拓展至家庭應用領域。 其中各個層之間的通信是通過各層的數據或管理服務接口實現的。 ZigBee 協(xié)議的研究 ZigBee 協(xié)議棧的體系結構是由物理層 (Physical Layer,PHY) ,媒體訪問控制層(Medium Access Control Sublayer, MAC)、網絡層 (Network Layer, NWK）和應用層 (Application Layer, APL）組成的。 8 圖 23 網狀網絡拓撲結構圖 其中樹狀網絡中任何一個節(jié)點的故障都會使與其相連的子節(jié)點部分脫離網 絡。 圖 22 樹狀網絡拓撲結構圖 網狀網絡拓撲結構如圖 23 所示，網狀拓撲網絡中的所有節(jié)點都是 FFD 設備。 對等網絡拓撲 ZigBee 網絡中的樹狀網絡拓撲和網狀網絡拓撲兩種結構同屬于對等網絡 拓撲形式，其中樹狀網絡拓撲結構如圖 22 所示，其中防調器和路由器都是 FFD 設備，終端設備為 RFD。大部分管理工作都是由 PAN 協(xié)調器來完成的。 7 目前，星狀網絡拓撲結構以其結構簡單、 實現起來比較容易等特點而被大 量應用在遠程監(jiān)測和控制中。當協(xié)調器建立了新的網絡以后，其他從設備就可以加入到這個網絡之中，做為這個星狀網絡的子節(jié)點。 圖 21 星狀網絡拓撲結構圖 星狀網絡拓撲結構的形成：首先 選擇一個具有全功能的設備 ((FFD)做為網絡的 PAN 主協(xié)調器，然后由它來建立一個新的網絡，并確定該網絡的唯一的一個PAN 標識符，即 PANID 號。 星狀網絡拓撲 星狀網絡拓撲結構如圖 21 所示。 在介紹具體網絡拓撲結構之前先介紹兩個概念：全功能設備 ((Full Function Device, FFD 和精簡功能設備 (Reduced Function Device, RFD) 。 其中樹狀網絡和網狀網絡同屬于對等網絡拓撲結構。網狀網絡允許全對等通信，但是網狀網絡中的路由節(jié)點 發(fā)送的不是標準信標幀。在樹狀和網狀網絡中， ZigBee 協(xié)調器主 要負責形成網絡和選擇網絡主要參數，然后通過路由節(jié)點擴張網絡。在星狀網絡中，網絡主要由 ZigBee 協(xié)調器 控制，它主要負責網絡中設備的初始化和維護工作。 ZigBee 網絡的構成 ZigBee 網絡層支持三種網絡拓撲結構。 2020 年末， ZigBee 聯盟正式發(fā)布了 該項技術標準，進一步推進了該技術的實際應用，許多生產商相應的推出了戶 己的芯片產品和開發(fā)系統(tǒng)，如 Freescale 的 MC13192, TI 公司的 Chipcon 系列CC2430 , CC2431 , Jennic 的 JNS 121 以及韓國 Radiopulse 公司的 MG2455 等等。其中包括了芯片制造商、系統(tǒng)集成商、消費類電子廠商及軟件開發(fā)商等等，而且，這個聯盟還在不斷地發(fā)展壯大。在此項技術推出的同時，上過幾家公司宣布組成 ZigBee 聯盟，該聯盟致力于定義允許不同廠商制造的設備相互兼容的應用綱要。由于 ZigBee 技術是一門新推出的無線通信系技術，仍有很大的發(fā)展前景，所以放眼未來，使用 ZigBee 技術作為無線定位系統(tǒng)的組網基礎無疑會成為無線定位系統(tǒng)最好的選擇。 2020 年根據 標準制定的 Nanotron 公司的 CSS 定位系統(tǒng)又進一步淘汰啦UWB 的方案。用于定位的無線技術發(fā)展得很迅速。從一開始 ATamp。此外，成都的無線龍通訊科技有限公司還在 2020 年初，特意推出啦一本關于 ZigBee 定位技術的書，也引起啦不錯的反響。由于近兩年 zigBee 技術在國內的興起，又有很多家小公司做起啦基于 ZigBee 技術的定位系統(tǒng)，并且都達到不錯的定位效果。很多大小型公司都相繼推出自己的定位解決方案。 2020 年，加利福尼亞大學的 Calamari 系統(tǒng)是一種為傳感器網絡設計的 Adhoc 定位系統(tǒng)，他同時采用拉 TOA 和 RSSI 兩種技術進行定位。 2020 年，由麻省理工大 學研制的 Cricket 系統(tǒng)從硬件的尺寸和價格上都有所突破，是現在仍在使用的室內定位系統(tǒng)之一。 1998 年，由 Microsoft 公司開發(fā)的 RADAR 定位系統(tǒng)利用“指紋識別法”技術定位，他是基于 RSSI 技術的室內無線射頻定位系統(tǒng)，利用信號傳播模型和經驗測試相結合的場景法定位。如 Cricket 系統(tǒng)即使用啦 TDOA 和 PDOA 混合的定位方法。 此外還有一些不太常用的用于定位測距的算法，如接收信號相位差（ PDOA）、近場電磁測距 (NFER)等方法。但由于 目前很多無線傳輸模塊都可以直接測量信號衰減的 RSSI 值，因此這種方法的定位無需額外的硬件設備，滿足現在低功耗、低成本的發(fā)展趨勢。 基于 RSSI 測量方法：首先根據發(fā)射節(jié)點和接收節(jié)點的信號強度值，計算出信號在傳播過程中衰減程度；然后再利用理論和經驗模型將傳輸損耗轉換成距離；最后利用三邊測量法或三角測量法計算出節(jié)點的位置，因此 RSSI 法需要多個參考節(jié)點。 定位的測量方法有很多種：如基于 AOA 的方法、基于 TDOA 的方 法、基于 TOA 的方法。而基于 ZigBee 技術的定位系統(tǒng)，又以其功耗低，成本低，體積小等一系列的優(yōu)點而近年來倍受人們青睞。因此，必須研究的室內定位技術以彌補 GPS 的不足。但是，當需要定位的物體位于建筑物內部時，其定位精度就明顯下降，甚至無法工作。 無線通信技術的成熟和發(fā)展帶動啦新興無線業(yè)務的出現，越來越多的應用都需要自動定位服務。 無線定位在實際應用中有兩種意義，自我定位和基于網絡定位。此后定位服務就走向人們的生活的各個領域。 1996 年，兩幫通信委員會制定啦 E911服務，要求所有無線業(yè)務提供商在移動用戶發(fā)出緊急呼叫時，必須向安全服務系統(tǒng)提供用戶的位置信息和終端號碼。 2 第一章 緒 論 課題研究背景與意義 無線定位系統(tǒng)最初是為拉滿足遠程航海等要求產生的。具有 廣泛的適應性。包括國家 863 計劃等項目都在進行相關的研究工作。相對于現有的各種無線通信技術，無線 ZigBee網絡技術將是近距離通信最低功耗和成本的技術。在數千個微小的傳感器之間相 互協(xié)調實現通信。主要用于近距離無線連接。 ZigBee 是一種新興的近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的無線網絡技術。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準用徒手畫 3）畢業(yè)論文須用 A4 單面打印，論文 50 頁以上的雙面打印 4）圖表應繪制于無格子的頁面上 5）軟件工程類課題應有程序清單，并提供電子文檔 1）設計（論文） 2）附件：按照任務書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復印件）次序裝訂 5 引 言 .............................................................................................................................. 1 第一章 緒 論 ................................................................................................................ 2 課題研究背景與意義 ........................................................................................ 2 基于測距的定位技術介紹 ................................................................................. 2 國內外研究現狀 ................................................................................................. 3 無線定位系統(tǒng)未來發(fā)展趨勢 ............................................................................... 3 第二章 ZigBee技術概述 ...........................................................................