【正文】 撲結(jié)構(gòu)進(jìn) 行相應(yīng)地調(diào)整，無(wú)需人工干預(yù)，保證整個(gè)系統(tǒng)仍然能正常工作。 (4)網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強(qiáng)。 ZigBee 采用了 CSMA． CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)的避免碰撞機(jī)制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留 了專用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突； MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī) 制，每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息，因此通信可靠性高。 ZigBee 技術(shù)采用了多種節(jié)電的工作模式，可以確保兩節(jié) 五號(hào)電池支持長(zhǎng)達(dá) 6 個(gè)月到 2 年左右的使用時(shí)間。 ZigBee 技術(shù)的最大傳輸速率只有 250kbps，專注于低速率傳 輸應(yīng)用。 表 2． 1 ZigBee 的主要技術(shù)特征 Tab． 2． 1 The main technology character of ZigBee 特性 取值／狀態(tài) 頻段 868／ 9 1 5MHz 和2． 4GHz 868MHz：20kbps 數(shù)據(jù)速率 915MHz： 42 kbps 2． 4GHz： 250 kbps 868／ 9 1 5MHz： BPSK 調(diào)制方式 2． 4GHz： OQPSK 擴(kuò)頻方式 直接序列擴(kuò)頻 通信范圍 10． 100m 通信延時(shí) 1530ms 868MHz： l 信道數(shù)目 915MHz10 2． 4GHz： 16 尋址方式 64bitlEEE 地址， 16bit 網(wǎng)絡(luò)地址 信道接入 CSMA／ CA 和時(shí)隙化的 CSl＼ dA／CA 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)? 星形、樹(shù)狀、網(wǎng)狀 功耗 極低 狀態(tài)模式 激活／休眠 選擇 ZigBee技術(shù)進(jìn)行項(xiàng)目開(kāi)發(fā)，是基于其具有的諸多性能優(yōu)點(diǎn)。 802． 15． 4 標(biāo)準(zhǔn)也就是 ZigBee 技術(shù)，目 標(biāo)市場(chǎng)是工業(yè)、家庭以及醫(yī)學(xué)等需要低功耗、低成本無(wú)線通信的應(yīng)用，對(duì)數(shù)據(jù)速率和 QoS的要求不高。 802． 15． 1 標(biāo)準(zhǔn)即藍(lán)牙技術(shù)，具有中等速率，適合于從 蜂窩電話到 PDA 的通信，其 QoS 機(jī)制適合于話音業(yè)務(wù)。 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 從 ZigBee與其他無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比圖 2． 1 中，可以看到 ZigBee技術(shù)在無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)體系 中的位置。 2020 年 11 月， IEEE 正式發(fā)布了該項(xiàng)技術(shù)的物理層 ,≠DMAC 層所采用的標(biāo)準(zhǔn)脅議．即 IEEE802 I 5 4 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，作為 ZigBee 技術(shù)物理層和媒體接入層的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議； 2020 年 12月， ZigBee 鞋盟在 IEEES02 15． 4 協(xié)議基礎(chǔ)上，止式發(fā)布了完整的 zlgBee 標(biāo)準(zhǔn)。也就是要開(kāi)發(fā)一種低速率的 WPAN(LRWPAN， Low． Rate Wireless Pe 囂 onal Area Network)標(biāo)準(zhǔn) 。 塋上 !!業(yè)竺堡查塑蘭塑星 !!墨竺堡壘蘭至坐 2 ZigBee 技術(shù)和 z Stack 協(xié)議棧 2 1 ZigBee 技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí) 21 1 Zigl3ee 發(fā)展概述 近十年來(lái)，隨著半導(dǎo)體按術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，陸續(xù)出現(xiàn)了多種新的短距 離無(wú)線通信技術(shù)。 總結(jié) 最后對(duì)論文進(jìn)行了總結(jié)和展望。給出了進(jìn)一步完善功能的方法。 第 4 章基于 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的定位系統(tǒng)設(shè)計(jì) 實(shí)現(xiàn)了一個(gè)無(wú)線傳感器定位系統(tǒng)，包括硬件平臺(tái)、以 Z． Stack 協(xié)議棧為基礎(chǔ)的定位 節(jié)點(diǎn)程序和 PC監(jiān)測(cè)軟件三部分?？偨Y(jié)了 幾種實(shí)用算法的優(yōu)缺點(diǎn)。給出了利用 Z． Stack 協(xié)議棧進(jìn)行應(yīng) 用開(kāi)發(fā)的步驟。 第 2 章 ZigBee技術(shù)和 Z． Stack 協(xié)議棧 從 ZigBee網(wǎng)絡(luò)組成和協(xié)議結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面入手，對(duì)IEEE802． 15． 4／ ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)進(jìn) 行了概述，并從應(yīng)用的角度討論了 ZigBee 技術(shù)的優(yōu)越性。具 體章節(jié)內(nèi)容安排如下： 第 1章緒論 首先闡述了課題的研究背景，介紹了當(dāng)前較實(shí)用的室內(nèi)無(wú)線定位系統(tǒng)。本文主要通過(guò)對(duì)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的 分析，總結(jié)信號(hào)傳輸規(guī)律，以建立適合實(shí)際應(yīng)用的定位模型。 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 1． 5 論文研究思路與內(nèi)容安排 本文主要研究基于 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)無(wú)線定位技術(shù)及定位跟蹤系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。但由于其定位算法由硬件物理完成，導(dǎo)致基于 CC2431 的定位系統(tǒng)靈 活性較差。 總體而言，目前存在兩種 ZigBee 定位解決方案?；?CC2431 商品化的定位系統(tǒng)大量涌現(xiàn)?；?ZigBee 技術(shù)的定位系統(tǒng)也以這些芯片為核心器件。 4 個(gè)公司的芯片功能都各有其特點(diǎn)，適合于不同的應(yīng)用場(chǎng)合。 2020年第一季度，各大芯片制造商紛紛推出了符合 ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)的收發(fā)模塊和通信 套件，但是目前只有 4 個(gè)原始設(shè)備生產(chǎn)商 (OEM)的 ZigBee 套件符合 ZigBee 聯(lián)盟規(guī)定的 標(biāo)準(zhǔn)。國(guó) 外在硬件芯片、協(xié)議棧、軟件配套、定位算法理論研究上都實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化。國(guó)內(nèi)外許多 公司和研究機(jī)構(gòu)展開(kāi)了基于 ZigBee 技術(shù)的無(wú)線定位技術(shù)研究。但是， APIT 算法需要足夠的 PIT三角形才能夠達(dá)到精確要求， 這就需要在通信范圍內(nèi)有足夠的參考節(jié)點(diǎn)。 如果未知節(jié)點(diǎn)在某三角形內(nèi)部，稱此 基于 ZigBee 技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn) 三角形包含未知節(jié)點(diǎn)；最后，未知節(jié)點(diǎn)將包含自己的所有三角形的相交區(qū)域的質(zhì)心作為 自己的估計(jì)位置。 (4)APIT 算法 在近似三角形內(nèi)點(diǎn)測(cè)試法 (Approximate Point— In． Triangulation test， APIn 算法【 168。未知節(jié)點(diǎn)收集鄰居節(jié)點(diǎn)的梯度值，計(jì) 算關(guān)于某個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的局部梯度平均值。 (3)不定型算法 不定型 (Amorphous)【 ll， 121 定位 算法與 DV． Hop 算法類似。 Dv． Hop 算法與基于測(cè)距算法具有相似之處，就是都需要獲得未知節(jié)點(diǎn)到錨節(jié)點(diǎn)的 距離， j 但是 DV． Hop 獲得距離的方法是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)中拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息的計(jì)算而不是通過(guò)無(wú)線 電波信號(hào)的測(cè)量。經(jīng)過(guò)計(jì)算，一個(gè)錨節(jié)點(diǎn)得到網(wǎng)絡(luò)的平均每跳距離，并將 此估計(jì)值廣播到網(wǎng)絡(luò)中，稱作校正值，任何節(jié)點(diǎn)一旦接收到此校正值，就可以估計(jì)自己 到這個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的距離。 為了將跳數(shù)值轉(zhuǎn)換成物理距離，系統(tǒng)需要估計(jì)網(wǎng)絡(luò)中平均每跳的距離。接收節(jié)點(diǎn)在它收到的關(guān) 于某一個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的所有信標(biāo)中保存具有最小跳數(shù)值的信標(biāo)，丟棄具有較大跳數(shù)值的同一 錨節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)。在 DV． Hop 算法中，錨節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)廣播一個(gè)信標(biāo)， 信標(biāo)中包含有此錨節(jié)點(diǎn)的位置信息和一個(gè)初始值為 1的表示跳數(shù)的參數(shù)。 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 (2)DV— Hop算法 DV． Hop 算法【 11． 12】是由 D． Niculescu 和 B． Nath 等人提出的。當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)在一段偵聽(tīng)時(shí)間 內(nèi)接收到來(lái)自錨節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)信號(hào)數(shù)量超過(guò)某一個(gè)預(yù)設(shè)的門限后，該節(jié)點(diǎn)認(rèn)為與此錨節(jié)點(diǎn) 連通，并將自身位置確定為所有與之連通的錨節(jié)點(diǎn)所組成的多邊形的質(zhì)心。該算法的中心思想是：未知節(jié)點(diǎn)以所有在其通信范圍內(nèi)的錨節(jié)點(diǎn) 的幾何質(zhì)心作為自己的估計(jì)位置。 1． 3． 2 無(wú)需測(cè)距的定位技術(shù) 無(wú)需測(cè)距 (rangefree)的算法不需要知道未知節(jié)點(diǎn)到錨節(jié)點(diǎn)的距離或者不需要直接測(cè) 量此距離，而是僅根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的連通性確定網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間的跳數(shù)，同時(shí)根據(jù)已知位置參 考節(jié)點(diǎn)的位置等信息估計(jì)出每一跳的大致距離，然后估計(jì)出節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的位置。采用混合定位法或者可以實(shí)現(xiàn)更高的精確度，減小誤差，或者可以降 低對(duì)某一種測(cè)量參數(shù)數(shù)量的需求。圖 1． 1 所示為 AOA 定位法示意圖，未知節(jié)點(diǎn) N 得到與錨節(jié)點(diǎn) Nl 和 N2 所構(gòu)成的 角度之后就可以確定自身位置。 (4)到達(dá)角定位法 (AOA) 基于 zigBee技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn) 到達(dá)角 (AOA)u11 定位法通過(guò)陣列天線或多個(gè)接收器結(jié)合來(lái)得到相鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號(hào) 的方向，從而構(gòu)成一根從接收機(jī)到發(fā)射機(jī)的方位線。因此 TDOA 定位在二維平面上的幾何意義為：得到未知節(jié) 點(diǎn)與兩個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的距離之差，即可知未知節(jié)點(diǎn)定位于以兩個(gè)錨節(jié)點(diǎn)為焦點(diǎn)的雙曲線方程 上，通過(guò)測(cè)量得到未知節(jié)點(diǎn)所屬的兩個(gè)以上雙曲線方程時(shí)，這些雙曲線唯一的交點(diǎn)即為 未知節(jié)點(diǎn)的位置。 TDOA 定位與 TDOA 測(cè)距不同， TDOA 定位計(jì)算兩個(gè)錨節(jié)點(diǎn)信號(hào)到達(dá)未 知節(jié)點(diǎn)的時(shí)間差，將其轉(zhuǎn)換成到兩個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的距離之差，未知節(jié)點(diǎn)通過(guò)到多組錨節(jié)點(diǎn)的 距離之差得出自身的位置。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)間的距離較小，采用 TOA 測(cè)距難度 較大 1．同時(shí)節(jié)點(diǎn)硬件尺寸、價(jià)格和功耗的限制也決定了 TOA 技術(shù)對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是 不可行的。 TOA 要求接收信號(hào)的錨節(jié)點(diǎn)或未知節(jié)點(diǎn)知道信號(hào)開(kāi)始傳輸?shù)臅r(shí)刻，并要求節(jié)點(diǎn)有 非常精確的時(shí)鐘。 (2)到達(dá)時(shí)間測(cè)距法 (TOA) 到達(dá)時(shí) (TOA)【 11】技術(shù)通過(guò)測(cè)量信號(hào)傳播時(shí)間來(lái)測(cè)量距離。因此這種方法的主要誤差來(lái) 源是環(huán)境影響所造成的信號(hào)傳播模型的復(fù)雜性。 然而，公式 1． 1 只是電磁波在理想的自由空間中傳播的數(shù)學(xué)模型，實(shí)際應(yīng)用中的情 況要復(fù)雜的多，尤其是在分布密集的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。 這樣，通過(guò)測(cè)量接收信號(hào)的強(qiáng)度，再利用公式 1． 1 就能計(jì)算出收發(fā)節(jié)點(diǎn)間的大概距離。、 G，分別是發(fā)射天線 和接收天線的增益； d 是距離，單位為米； L 為與傳播無(wú)關(guān)的系統(tǒng)損耗因子；五是波長(zhǎng)， 單位為米。例如，在自由空間中，距發(fā)射機(jī) d 處的天線接收到的 信號(hào)強(qiáng)度由下面的公式給出： Pr(d)=P,O。通常采用以下方法。而不基于測(cè)距的定位機(jī)制無(wú)需距離或角度信息，或者不用直接測(cè)量 這些信息，僅根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的連通性等信息實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的定位。根據(jù)具體的定位機(jī)制，可以將現(xiàn)有的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法分為兩類： 基于測(cè)距的方法和不基于測(cè)距的方法【 9’321 。該實(shí)驗(yàn)可能是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)一次最 大規(guī)模的多目標(biāo)跟蹤組網(wǎng)演示。融合后的 數(shù)據(jù)通 過(guò) 數(shù) 據(jù) 關(guān) 聯(lián) 的 馬 爾 可 夫 ． 蒙 特 卡 羅 算 法 (Markov chain Monte Carlo Data Association． MCMADA)跟蹤未 知個(gè)數(shù)的目標(biāo)。由于目標(biāo)的個(gè)數(shù)和初始位置是未知的，對(duì)于 粗粒度測(cè)量的系統(tǒng)，從二進(jìn)制值完成跟蹤的任務(wù)是非常困難的。 Oh 等人使用 Trio 傳感器節(jié)點(diǎn)，使用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)跟蹤未知數(shù)目的目標(biāo)。剔出這種數(shù)據(jù)可以通過(guò)歷史數(shù)據(jù)的分析， 基于 Zig,Bee技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn) 或者通過(guò)相鄰的傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行判決。 Active Badges 系統(tǒng)的不足之處在于：使用有線網(wǎng)絡(luò)的代價(jià)較大，在一定程度上限制 了系統(tǒng)容量的擴(kuò)充；由于紅外信號(hào)的直線 視距和傳輸距離較短，房間中存在著一些死角， 而紅外接收機(jī)不能檢測(cè)到；使用相鄰法定位，位置信息不夠精確。同時(shí)，在定位區(qū)域的每一個(gè)房間里固定放置紅外接收機(jī)， 用于提取紅外信號(hào)攜帶的數(shù)據(jù)，并通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)上報(bào)給控制中心數(shù)據(jù)庫(kù)。它采用了紅外線技術(shù)實(shí)現(xiàn)室內(nèi) 定位，屬于無(wú)線小區(qū)監(jiān)視接入的相鄰法定位系統(tǒng)。然后通過(guò)比較到各個(gè)臨近信 標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離，選擇出離自己最近的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，從該信標(biāo)節(jié)點(diǎn)廣播的信息中取得自身所 在的房間位置。 Cricket系統(tǒng)是麻省理工學(xué)院的 Oxygen 項(xiàng)目的一部分，用來(lái)確定移動(dòng)或靜止節(jié)點(diǎn)在大 樓內(nèi)的具體所在房間位置。5 。針對(duì) 這個(gè)問(wèn)題， MIT 提出了一種融合 TDOA 和信號(hào)到達(dá)相位差的硬件解決方案一 ricket Compass，其原型系統(tǒng)可在 +40。但是，完整的 SpotON系統(tǒng)到目前為止還 沒(méi)有建成。 該系統(tǒng)基于射頻接收信號(hào)強(qiáng)度 (RSS)分析的三維位置感知方法， 實(shí)現(xiàn)小范圍的定位。提出了 WAF 模型替代經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)推動(dòng)節(jié)點(diǎn)位置的方法并做了初 步嘗試。但是， 其依賴于無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)，制約了節(jié)點(diǎn)的種類、大小和電源情況。第二個(gè)步驟是 在線數(shù)據(jù)處理過(guò)程，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定期發(fā)送廣播報(bào)文，基站節(jié)點(diǎn)查表，根據(jù)接收信號(hào)的強(qiáng)度 找出最為接近的位置作為節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的位置。該系統(tǒng)事先在 建筑物內(nèi)部固定有三個(gè)位置已知的基站，待定位置的移動(dòng)點(diǎn)通過(guò)兩個(gè)步驟獲取位置。 RADAR 系統(tǒng)是基于 IEEES02． 1l WLAN 的室內(nèi)無(wú)線射頻定位系統(tǒng)，屬于采用經(jīng)驗(yàn)測(cè) 試和信號(hào)傳播模型相結(jié)合的場(chǎng)景法定位系統(tǒng)。 1． 2． 2 室內(nèi)無(wú)線定位系統(tǒng) (1)RADAR系統(tǒng) Microsoft 公司開(kāi)發(fā)的 RADAR 室內(nèi)定位系統(tǒng)【 5J 利用 “ 指紋識(shí)別 ” 技術(shù)進(jìn)行定位，解決 WLAN 中定位移動(dòng)計(jì)算設(shè)備的問(wèn)題。 利用 GPS 進(jìn)行定位的優(yōu)勢(shì)是衛(wèi)星有效覆蓋范圍大，且定位導(dǎo)航信號(hào)免費(fèi) 。為了得到較高的信號(hào)靈敏度，就需要延長(zhǎng)在每個(gè)碼延 遲上的停留時(shí)間， A— GPS(Assisted GPS，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)輔助 GPS)技術(shù)為這個(gè)問(wèn)題的解決提供 了可能性。 1． 2 典型室內(nèi)無(wú)線定位系統(tǒng) 1． 2． 1 室內(nèi) GPS 定位技術(shù) GPS是目前應(yīng)用最為廣泛的定位技術(shù)?，F(xiàn)今，成熟的室內(nèi)定位系統(tǒng)仍然比較少、而且多存在