【正文】 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)概述無(wú)線傳感網(wǎng)定位技術(shù)就是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中一些位置已知的節(jié)點(diǎn)通過(guò)與位置未知的節(jié)點(diǎn)交換數(shù)據(jù)，從而得出位置未知節(jié)點(diǎn)的具體位置。本章首先介紹了關(guān)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方面的基礎(chǔ)知識(shí)，接著將目前定位技術(shù)的評(píng)價(jià)指標(biāo)和定位方法的分類作了介紹，最后著重介紹了基于測(cè)距的定位算法。由此可以看出，位置信息對(duì)所采集的數(shù)據(jù)是非常重要的。函數(shù)osal_set_event()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)。其中，函數(shù)osal_start_timerEx ()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。因此，必須首先在任務(wù)列表中添加任務(wù)，完成任務(wù)的初始化，在事件處理的回調(diào)函數(shù)中加入相應(yīng)事件處理函數(shù)，如按鍵事件、狀態(tài)轉(zhuǎn)換事件、數(shù)據(jù)包發(fā)送確認(rèn)事件、收到數(shù)據(jù)包的指示事件等，響應(yīng)到某種事件，就轉(zhuǎn)去執(zhí)行相關(guān)的消息事件處理函數(shù)。由圖可以看出，在ZStack開始運(yùn)行之前，系統(tǒng)必須完成硬件設(shè)備及內(nèi)部存儲(chǔ)器的初始化，其間要判斷節(jié)點(diǎn)的長(zhǎng)地址，若此時(shí)長(zhǎng)地址為全FF，那么要往存儲(chǔ)器隨機(jī)寫入64位的長(zhǎng)地址，然后進(jìn)入操作系統(tǒng)的無(wú)限循環(huán)中。當(dāng)被允許的信道屏蔽允許不止一個(gè)的信道并且由于PAN ID沖突，協(xié)調(diào)器不能使用第一個(gè)信道的時(shí)候，一個(gè)相似的、有挑戰(zhàn)性的場(chǎng)景將會(huì)出現(xiàn)一在被允許的情況下，路由器和終端將會(huì)加入第一次信道掃描到的特定PAN ID。因此，如果協(xié)調(diào)器被限制在一個(gè)信道，并且特定的個(gè)域網(wǎng)ID已經(jīng)在那個(gè)信道里被建立起來(lái)，新的起始協(xié)調(diào)器將會(huì)做出連續(xù)的變化直到它產(chǎn)生一個(gè)唯一的個(gè)域網(wǎng)ID。當(dāng)ZDAPP_CONFIG_PAN_ID沒有被定義為0XFFFF的時(shí)候，因?yàn)橐粋€(gè)協(xié)調(diào)器和一個(gè)路由器或終端之間的行為上的差異，不可預(yù)料的結(jié)果就會(huì)產(chǎn)生。一個(gè)作為路由器或終端編譯的Sample應(yīng)用將會(huì)試圖加入一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，它使用DEFAULT_CHANLIST中說(shuō)明的信道之一。如果它沒有定義ZDAPP_CONFIG_PAN_ID為0XFFFF的話，協(xié)調(diào)器將會(huì)建立一個(gè)以ZDAPP_CONFIG_PAN_ID 為PAN ID 的個(gè)域網(wǎng)。組網(wǎng)算法流程如圖29所示。如果沒有足夠的地址資源，那么節(jié)點(diǎn)將收到來(lái)自父節(jié)點(diǎn)的連接失敗響應(yīng)，此時(shí)子節(jié)點(diǎn)即可以向其他父節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求ZigBee網(wǎng)絡(luò)短地址來(lái)加入網(wǎng)絡(luò)。其它終端節(jié)點(diǎn)接收信標(biāo)幀，以完成設(shè)備發(fā)現(xiàn)任務(wù)，終端節(jié)點(diǎn)要加入該P(yáng)AN，那么只要將自己的信道以及個(gè)域網(wǎng)標(biāo)識(shí)符(PAN ID)設(shè)置成與要加入網(wǎng)絡(luò)中的父節(jié)點(diǎn)的相同，并提供正確的認(rèn)證信息，即可請(qǐng)求加入(Join)網(wǎng)絡(luò)。OSAL任務(wù)調(diào)度流程如圖28所示。當(dāng)一個(gè)事件產(chǎn)生時(shí)，對(duì)應(yīng)任務(wù)的Event就被設(shè)置為相應(yīng)的事件，這樣事件調(diào)度就會(huì)調(diào)用相應(yīng)的任務(wù)處理程序。它是通過(guò)對(duì)任務(wù)的事件觸發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)資源的調(diào)度。OSAL提供如下服務(wù)和管理功能：信息管理、任務(wù)同步、時(shí)間管理、任務(wù)管理、內(nèi)存管理、電源管理以及非易失存儲(chǔ)管理。ZStack協(xié)議棧結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，要想理解它的運(yùn)行機(jī)制，很關(guān)鍵的一點(diǎn)就是要理解OSAL的運(yùn)行機(jī)制。簡(jiǎn)單的說(shuō)，ZStack協(xié)議棧就是用戶的應(yīng)用程序、ZigBee標(biāo)準(zhǔn)以及各種用戶配置結(jié)合起來(lái)的一套完整的具有堆棧格式的文件系統(tǒng)。ZDO是ZigBee設(shè)備對(duì)象的簡(jiǎn)稱，在該層主要定義了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部設(shè)備的入網(wǎng)，綁定以及設(shè)備發(fā)現(xiàn)等功能實(shí)現(xiàn)。OSAL(Operate System Abstract Layer)是操作系統(tǒng)抽象層，協(xié)議棧即運(yùn)行在該操作系統(tǒng)之上。用戶可以通過(guò)調(diào)用它的API函數(shù)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序功能的外部表征。包括最上層的應(yīng)用層(APP)，在該層內(nèi)主要完成應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)，外部任務(wù)的調(diào)用和執(zhí)行，并可以通過(guò)API函數(shù)調(diào)用下層的函數(shù)完成相應(yīng)的操作。在該集成開發(fā)環(huán)境中，可以看到個(gè)完整的ZStack協(xié)議棧包含的功能部分組成。對(duì)ZStack協(xié)議棧的理解運(yùn)用是項(xiàng)目開發(fā)的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一，下面對(duì)ZStack協(xié)議棧進(jìn)行了較詳細(xì)的說(shuō)明。TI協(xié)議棧一直在不斷的完善中，無(wú)論從路由協(xié)議還是從地址分配模式都作了大量的改進(jìn)。 ZStack協(xié)議棧 ZStack概述為了適應(yīng)ZigBee產(chǎn)品開發(fā)的需求，德州儀器(TI)推出了一套完整的協(xié)議棧ZStack。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26所示的(c)中，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)涫强梢詫?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。(a)星型(b)樹狀(c)網(wǎng)狀協(xié)調(diào)器FFDRFD圖26 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)樹狀拓?fù)涫嵌鄠€(gè)星形拓?fù)涞募?，如圖26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)需基于ZigBee技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)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)。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26所示。若對(duì)電池供電沒有要求，網(wǎng)絡(luò)中可以全部采用FFD設(shè)備。因此終端設(shè)備能夠使用電池供電的方式工作很長(zhǎng)時(shí)間。圖25 終端節(jié)點(diǎn)功能模塊示意圖（3）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)。路由器為它的子節(jié)點(diǎn)緩存信息，直到子節(jié)點(diǎn)被喚醒并請(qǐng)求數(shù)據(jù)。一般來(lái)說(shuō)，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。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(PAN ID)并開啟網(wǎng)絡(luò)。圖23 協(xié)調(diào)器功能模塊示意圖（1）協(xié)調(diào)器，這個(gè)設(shè)備“開啟”一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)。一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)包括一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和多個(gè)路由器和終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)。RFD只能與主設(shè)備通信，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，只能作為終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)。 ZigBee網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備類型：全功能設(shè)備(FFD)、精簡(jiǎn)功能設(shè)備(RFD)。ZigBee設(shè)備對(duì)象(ZDO)負(fù)責(zé)定義設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的角色(如ZigBee協(xié)調(diào)器或中斷設(shè)備)，提出或響應(yīng)綁定請(qǐng)求，以及建立網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間的安全關(guān)系。應(yīng)用支持子層(APS)負(fù)責(zé)維護(hù)設(shè)備綁定表，以及傳輸在綁定的設(shè)備間傳輸數(shù)據(jù)。應(yīng)用匯聚層將主要負(fù)責(zé)把不同的應(yīng)用映射到ZigBee網(wǎng)絡(luò)上，具體而言包括：安全與鑒權(quán)、多個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的會(huì)聚、設(shè)備發(fā)現(xiàn)、業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)。另外，發(fā)現(xiàn)并保持設(shè)備間的路由，發(fā)現(xiàn)一跳鄰居并存儲(chǔ)潛在鄰居信息也是由NWK層完成的。ZigBee聯(lián)盟在此基礎(chǔ)上定義了網(wǎng)絡(luò)層(Network Layer，NWK)，應(yīng)用層(Application Layer，APL)架構(gòu)。其中低頻段物理層覆蓋了868MHz的歐洲頻段和915MHz的美國(guó)與澳大利亞等國(guó)的頻段，高頻段則全球通用。圖22 ZigBee協(xié)議體系架構(gòu)圖其中，．2003標(biāo)準(zhǔn)定義了底層：物理層(Physical Layer，PHY)和MAC層。所有的服務(wù)實(shí)體都通過(guò)服務(wù)接入點(diǎn)(SAP)為上層提供一個(gè)接口，每個(gè)SAP都支持一定數(shù)量的服務(wù)原語(yǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的功能。完整的ZigBee協(xié)議棧有物理層、MAC子層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用匯聚子層和高層應(yīng)用規(guī)范層組成。在MAC子層之上的高層包括網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，對(duì)于不同的高層協(xié)議，也可以通過(guò)邏輯鏈路控制子層(LLC，Logical Link Control)以及特定服務(wù)聚合子層(SSCS，ServiceSpecific Convergence Sublayer)來(lái)訪問(wèn)MAC子層。它的功能是進(jìn)行信標(biāo)管理、信道介入、保證時(shí)基于ZigBee技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)隙(GTS)管理、幀確認(rèn)、應(yīng)答幀傳送、連接和斷開連接。物理層的特性是激活和關(guān)閉無(wú)線收發(fā)器、能量檢測(cè)、鏈路質(zhì)量指示、空閑信道評(píng)估、通過(guò)物理媒介接收和發(fā)送分組數(shù)據(jù)。高層協(xié)議SSCSPHYMAC物理媒質(zhì)圖21 。(11)數(shù)據(jù)安全策略。(9)鏈路質(zhì)量指示(LQI，Link quality indication)。(7)低功耗機(jī)制。(5)采用帶沖突避免的載波偵聽多路訪問(wèn)(CSMACA，Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)的信道訪問(wèn)機(jī)制。其中16位地址是由協(xié)調(diào)器分配的，64位地址是全球唯一的擴(kuò)展地址。(2)支持星型和點(diǎn)到點(diǎn)兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為了滿足這些需求。每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可支持65000個(gè)節(jié)點(diǎn)，也就是說(shuō)每個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)可以與數(shù)萬(wàn)節(jié)點(diǎn)相連接，可以說(shuō)網(wǎng)絡(luò)容量極其龐大，尤其適用大規(guī)模無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。ZigBee的工作頻段靈活，(全球)、868MHz(歐洲)及915MHz(美國(guó))，均為免執(zhí)照頻段。(6)成本低廉，工作頻段靈活。(5)時(shí)延短，設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)快。ZigBee網(wǎng)絡(luò)無(wú)需人工干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠感知其它節(jié)點(diǎn)的存在，并確定連接關(guān)系，構(gòu)成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)。ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用AES128，同時(shí)協(xié)議棧的各層可以靈活確定其安全屬性。表21 ZigBee的主要技術(shù)特征特性取值/狀態(tài)頻段868/數(shù)據(jù)速率868MHz：20kbps915MHz：42kbps：250kbps調(diào)制方式868/915MHz:BPSK：OQPSK擴(kuò)頻方式直接序列擴(kuò)頻通信范圍10100m通信延時(shí)1530ms信道數(shù)目868MHz:1915MHz:10:16尋址方式64bitIEEE地址，16bit網(wǎng)絡(luò)地址信道接入CSMA/CA和時(shí)隙化的CSMA/CA網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫切?、樹狀、網(wǎng)狀功耗極低狀態(tài)模式激活/休眠 (3)通信可靠性高，數(shù)據(jù)安全。(2)設(shè)備省電，功耗極低。具體來(lái)講，可總結(jié)如下：(1)數(shù)據(jù)傳輸速率低。ZigBee的主要技術(shù)特征如表21所示。適合于多媒體應(yīng)用，有較高的QoS保證。 ZigBee技術(shù)特點(diǎn)(Wireless Personal AreaNetwork)標(biāo)準(zhǔn)，區(qū)別在于通信速率、QoS能力等。2004年12月，正式發(fā)布了完整的ZigBee標(biāo)準(zhǔn)。2002年，英國(guó)Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國(guó)摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦等公司共同宣布組成ZigBee技術(shù)聯(lián)盟，共同研究開發(fā)ZigBee技術(shù)。為了滿足對(duì)低功率、低價(jià)格無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的需求，2000年12月，其目標(biāo)是：在廉價(jià)的、倒定或便攜的、移動(dòng)的裝置中，提出一個(gè)具有低復(fù)雜度、低價(jià)格、低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸率的無(wú)線接入標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)畢設(shè)完成的工作進(jìn)行總結(jié)，并提出改進(jìn)意見。在室內(nèi)環(huán)境中對(duì)引擎的定位效果進(jìn)行了測(cè)試并分析測(cè)試結(jié)果。該章主要講述了定位系統(tǒng)中所使用的參數(shù)特性，并對(duì)用來(lái)做定位計(jì)算的定位引擎的工作原理做了簡(jiǎn)要介紹。在本章中主要講解了定位的基本原理、幾種常用的參數(shù)以及算法，在下一章對(duì)ZigBee無(wú)線通信技術(shù)做了介紹。第三章：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中定位技術(shù)。第二章：ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介。然后分析了本文的研究背景：在目前階段，還沒有如同衛(wèi)星定位那樣成熟的局域定位系統(tǒng)，而ZigBee 技術(shù)的出現(xiàn)提供一個(gè)很好的解決方案。第一章：緒論。該系統(tǒng)在室內(nèi)、室外環(huán)境中均能使用，且通過(guò)對(duì)定位系統(tǒng)的分析和研究提高定位精度，能夠使系統(tǒng)在更多更復(fù)雜的環(huán)境中應(yīng)用。本課題的目的是以ZigBee 技術(shù)為基礎(chǔ)構(gòu)建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，完成對(duì)各種設(shè)備的控制、參數(shù)的測(cè)量、數(shù)據(jù)的傳輸?shù)?，?shí)現(xiàn)定位設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交互，定位計(jì)算，最終構(gòu)建一個(gè)完善的無(wú)線定位系統(tǒng)。在目前的局域定位系統(tǒng)中，還沒有一種像衛(wèi)星定位這樣成熟且得到廣泛使用的系統(tǒng)出現(xiàn)，在定位系統(tǒng)的精度、成本、可適用的布網(wǎng)環(huán)境等各個(gè)方面還有很多需要提升的地方。如果要求網(wǎng)絡(luò)同步就會(huì)增大網(wǎng)絡(luò)的開銷，而如果利用了超聲波，超聲波的傳播距離有限，這些問(wèn)題都限制了基于到達(dá)時(shí)間差定位技術(shù)的應(yīng)用；基于AOA 定位中，到達(dá)角度的測(cè)量要依賴昂貴的天線，這就制約了基于到達(dá)角度定位技術(shù)的應(yīng)用。目前，研究人員通過(guò)研究設(shè)計(jì)了一些方案來(lái)解決無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的定位問(wèn)題，這些解決方案有：基于信號(hào)接收強(qiáng)度值(RSSI)的定位技術(shù)、基于到達(dá)時(shí)間(TOA)的定位技術(shù)、基于到達(dá)時(shí)間差(TDOA)的定位技術(shù)和基于到達(dá)角度(AOA)的定位技術(shù)等。目前，GPS(全球定位系統(tǒng))可以算是人們所熟悉的定位問(wèn)題解決方案，這種定位是利用衛(wèi)星對(duì)地面上的物體進(jìn)行位置的確定，可是該定位技術(shù)不但昂貴而且功耗大。到目前為止，對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中定位問(wèn)題已經(jīng)有了一些比較令人滿意的解決方案。 課題意義與目標(biāo)不論在理論研究還是在實(shí)際應(yīng)用中，定位問(wèn)題一直都是人們研究的熱點(diǎn)所在。現(xiàn)今，成熟的室內(nèi)定位系統(tǒng)仍然比較少、而且多數(shù)存在成本偏高等缺陷，不利于大范圍廣泛應(yīng)用。尤其是基于ZigBee技術(shù)的定位系統(tǒng)的研究與開發(fā)逐漸成為了一個(gè)研究熱點(diǎn)。ZigBee技術(shù)作為一種新興的低成本、低功耗、低速率的短距離無(wú)線通信技術(shù)，它的獨(dú)特技術(shù)特點(diǎn)使得其成為WSN中的理想通信技術(shù)選擇。它確定了低速個(gè)人局域網(wǎng)(LRWPAN)標(biāo)準(zhǔn)，定義了物理層(PHY)和媒體接入控制層(Media Access Control，MAC)。WSN的定位機(jī)制逐漸成為其主要技術(shù)之一。因此，這種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以被廣泛應(yīng)用于國(guó)防軍事、國(guó)家安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)、交通管理、醫(yī)療衛(wèi)生、制造業(yè)、反恐、抗災(zāi)等領(lǐng)域，它是信息感知和采集的一場(chǎng)革命。低成本、高可靠性的新型定位系統(tǒng)的研究開發(fā)變得非常緊迫。無(wú)線定位服務(wù)已經(jīng)在軍用、民用和商用領(lǐng)域證明了其重要性。此后，日本、德國(guó)、法國(guó)、瑞典、芬蘭等國(guó)家紛紛推出各種各具特色的商用定位服務(wù)。1996年，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(Federal Communications Commission，F(xiàn)CC)制定了E911法規(guī)，要求所有移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商，在移動(dòng)用戶發(fā)出緊急呼叫時(shí)，必須向公共安全服務(wù)系統(tǒng)提供用戶的位置信息和終