【正文】 Bee技術基礎知識 1 21 Zigl3ee發(fā)展概述 近十年來，隨著半導體按術和無線通信技術的不斷發(fā)展，陸續(xù)出現(xiàn)了多種新的短距 離無線通信技術。 總結 最后對論文進行了總結和展望。給出了進一步完善功能的方法。 第4章基于ZigBee網(wǎng)絡的定位系統(tǒng)設計 實現(xiàn)了一個無線傳感器定位系統(tǒng)，包括硬件平臺、以Z．Stack協(xié)議棧為基礎的定位 節(jié)點程序和PC監(jiān)測軟件三部分?？偨Y了 幾種實用算法的優(yōu)缺點。 第2章ZigBee技術和Z．Stack協(xié)議棧 用開發(fā)的步驟。具 體章節(jié)內容安排如下： 第1章緒論 首先闡述了課題的研究背景，介紹了當前較實用的室內無線定位系統(tǒng)。本文主要通過對大量實測數(shù)據(jù)的 分析，總結信號傳輸規(guī)律，以建立適合實際應用的定位模型。 大連理工大學碩士學位論文 1．5論文研究思路與內容安排 本文主要研究基于ZigBee網(wǎng)絡的室內無線定位技術及定位跟蹤系統(tǒng)的實現(xiàn)。但由于其定位算法由硬件物理完成，導致基于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?；贑C2431商品化的定位系統(tǒng)大量涌現(xiàn)?；赯igBee技術的定位系統(tǒng)也以這些芯片為核心器件。 標準。國 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現(xiàn)了產品化。但是，APIT算法需要足夠的PIT三角形才能夠達到精確要求， 這就需要在通信范圍內有足夠的參考節(jié)點。如果未知節(jié)點在某三角形內部，稱此 基于ZigBee技術的室內定位系統(tǒng)研究與實現(xiàn) 三角形包含未知節(jié)點；最后，未知節(jié)點將包含自己的所有三角形的相交區(qū)域的質心作為 自己的估計位置。 4 APIT算法 Point―In．Triangulationtest，APIn算法【168。 3 不定型算法 法類似的方法獲得距錨節(jié)點的跳數(shù)，稱為梯度值。 Dv．Hop算法與基于測距算法具有相似之處，就是都需要獲得未知節(jié)點到錨節(jié)點的 距離，j但是DV．Hop獲得距離的方法是通過網(wǎng)絡中拓撲結構信息的計算而不是通過無線 電波信號的測量。經(jīng)過計算，一個錨節(jié)點得到網(wǎng)絡的平均每跳距離，并將 此估計值廣播到網(wǎng)絡中，稱作校正值，任何節(jié)點一旦接收到此校正值，就可以估計自己 到這個錨節(jié)點的距離。 為了將跳數(shù)值轉換成物理距離，系統(tǒng)需要估計網(wǎng)絡中平均每跳的距離。接收節(jié)點在它收到的關 于某一個錨節(jié)點的所有信標中保存具有最小跳數(shù)值的信標，丟棄具有較大跳數(shù)值的同一 錨節(jié)點的信標。在DV．Hop算法中，錨節(jié)點向網(wǎng)絡廣播一個信標， 信標中包含有此錨節(jié)點的位置信息和一個初始值為1的表示跳數(shù)的參數(shù)。 質心定位算法的最大優(yōu)點是它非常簡單，計算量小，完全基于網(wǎng)絡的連通性，但是 需要較多的錨節(jié)點。具體過程為：錨節(jié)點每隔一段時間向鄰居節(jié)點廣播一 個信標信號，信號中包含有錨節(jié)點自身的ID和位置信息。 1 質心法 Bulusu等學者提出的一種僅基于網(wǎng)絡連 質心 Centroid 法【12]是南加州大學Nirupama 通性的室外定位算法。 AOAsketch Fig．1．1 map Transmission，LOS 傳輸，因此不適合用于無線傳感器網(wǎng)絡的定位。另外，AOA信息還可以與TOA、TDOA信息一起使用 成為混合定位法。兩根方位線的交點即為未知節(jié)點的 位置。 由于這種方法不是采用到達的絕對時間來確定節(jié)點的位置，降低了對時間同步的要 求，但是仍然需要較精確的計時功能，同時由于無線傳感器網(wǎng)絡具有分布密集和無線通 信范圍小的特點，這種方法實現(xiàn)起來難度較大。 在二維平面上的，雙曲線的幾何意義是到兩個定點的距離之差為一個常數(shù)的所有點 的集合，兩個定點稱作焦點。在無線傳感器網(wǎng)絡中，節(jié)點間的距離較小，采用TOA測距難度 較大1．同時節(jié)點硬件尺寸、價格和功耗的限制也決定了TOA技術對無線傳感器網(wǎng)絡是 不可行的。TOA要求接收信號的錨節(jié)點或未知節(jié)點知道信號開始傳輸?shù)臅r刻，并要求節(jié)點有 非常精確的時鐘。 2 到達時間測距法 TOA 到達時 TOA 【11】技術通過測量信號傳播時間來測量距離。因此這種方法的主要誤差來 源是環(huán)境影響所造成的信號傳播模型的復雜性。 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)學模型，實際應用中的情 況要復雜的多，尤其是在分布密集的無線傳感器網(wǎng)絡中。 這樣，通過測量接收信號的強度，再利用公式1．1就能計算出收發(fā)節(jié)點間的大概距離。、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為與傳播無關的系統(tǒng)損耗因子；五是波長， 單位為米。例如，在自由空間中，距發(fā)射機d處的天線接收到的 信號強度由下面的公式給出： Pr d P,O。通常采用以下方法。而不基于測距的定位機制無需距離或角度信息，或者不用直接測量 這些信息，僅根據(jù)網(wǎng)絡的連通性等信息實現(xiàn)節(jié)點的定位。根據(jù)具體的定位機制，可以將現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡定位方法分為兩類： 基于測距的方法和不基于測距的方法【9’321。該實驗可能是無線傳感器網(wǎng)絡一次最 大規(guī)模的多目標跟蹤組網(wǎng)演示。該實驗使用多傳感器融 合算法，使用空間相關性，融合后的二進制測量值提供更加精細的位置信息。每個節(jié)點 通過二進制值來報告目標是否靠近傳感器。這就需要采用多傳感器融合技術，使用空 間相關性，融合后的二進制測量值提供更加精確的信息。 5 UCBerkeley系統(tǒng)19J 傳感器網(wǎng)絡中的傳感器受環(huán)境噪聲和其他因素的影響，采集到的數(shù)據(jù)會有誤差，有 時誤差非常嚴重，這樣的數(shù)據(jù)需要直接剔出。墻壁對紅外線 的屏蔽作用，確保接收機只能接受到同一房間中的標識信號，從而實現(xiàn)對運動物體的準 確定位。每個待定位的物體使用紅外發(fā)射機定 期發(fā)送自身唯一的ID識別碼。 ℃4 Active Badge室內定位系統(tǒng) Active Badget8】系統(tǒng)是最早的室內定位跟蹤系統(tǒng)之一。該定位系統(tǒng)利用射頻信號與超聲波信號到達時間間隔和各自 的傳播速度，計算出未知位置節(jié)點到已知位置節(jié)點的距離。的誤差確定接收信號方向。角內以177。 7】 3 Cricket系統(tǒng)I E．911系統(tǒng)和智能機器人導航領域都有使用AOA技術確定目標方向和位置的技術， 但它們大都使用了高能耗的天線陣列測量信號方向，不適用于低功耗的WSN領域。SpotON系統(tǒng)中硬件標簽網(wǎng)絡狀分布，無需中央控制單元，通過標簽 測試到的信號強弱來表征標簽之間的幾何距離。 2 SpotON系統(tǒng) SpotONt6】標簽的硬件有Dragonball 10．bit A／D轉換器構成。RADAR系統(tǒng)實現(xiàn)了 大連理工大學碩士學位論文 樓內2～3m的實時定位。 RADAR系統(tǒng)的主要優(yōu)點在于易于安裝、需要很少基站，采用無線網(wǎng)絡結構。首 先是一個離線的數(shù)據(jù)收集的過程，由各移動節(jié)點發(fā)送廣播報文，基站的接收器根據(jù)信號 強度確定移動節(jié)點的位置，并將此位置存入一個場景．位置的表結構中。RADAR系統(tǒng)把信號強度作為估算射頻發(fā) 射器與接收器間距的依據(jù)，建立射頻信號的傳輸信道模型，確定信號衰減與發(fā)射器、接 收器間墻壁數(shù)量的關系，從而得到給定位置接收器最優(yōu)的距離估算參數(shù)。該方法是通過對特定環(huán)境下的RF信號衰落特征值進 行處理實現(xiàn)的。缺點是 定位信號到達地面時較弱，不能穿透建筑物，而且定位器終端的成本較高。室內GPS技術采用大量的相關器并行地搜索可能的延遲碼，同時也有助于 實現(xiàn)快速定位。當GPS接收機在室內工作時，由于信號受 建筑物的影響而大大衰減，定位精度也很低，要想達到室外一樣直接從衛(wèi)星廣播中提取 導航數(shù)據(jù)和時間信息是不可能的。本文試圖利用ZigBee技術實現(xiàn)一種較低成本、較低復雜度的室內定位 系統(tǒng)。 基于ZigBee技術的室內定位系統(tǒng)研究與實現(xiàn) 在所有的定位實現(xiàn)中，室內空間由于其環(huán)境的復雜性，一直是定位系統(tǒng)實現(xiàn)的一個 難點。 在無線通信協(xié)議體系中，IEEE802．15．4是其中一種新興的協(xié)議標準，因其優(yōu)越性， Access 和媒體接入控制層 Media 體接入控制層的基礎上對網(wǎng)絡層 NWK 和應用層 APL 進行了具體定義，為用戶提供了 低功耗、低速率的短距離無線通信技術，它的獨特技術特點使得其成為WSN中的理想 通信技術選擇。由于WSN的低成本、便于大規(guī)模應用，使得以wSN為載體的定 位研究被給予了廣泛的關注。 另一方面，無線傳感器網(wǎng)絡 WSN 可以使人們在任何時間、任何地點和任何環(huán)境條 件下獲取大量詳實而可靠的信息?，F(xiàn)今實用的定位系統(tǒng)多半基于GPS【2l GlobalPositioningSystem 技術，導致應用 成本較高。這些服務主要應用于： 公共安全，如緊急救援；報警信息發(fā)布，跟蹤業(yè)務，如犯罪嫌疑人的跟蹤，走失老人和 兒童的尋找，車輛的防盜報警，交通監(jiān)控；基于位置的信息業(yè)務：如車輛導航服務，城 市觀光；基于位置的信息發(fā)布等。1999年FCC對E．911法進行修訂，對定位精度提出新的要求， Based 極大的促進了美[雪LBS LocationService 產業(yè)的快速發(fā)展。無線定位服務的發(fā)展始于美國。 學位論文題目：盥型皇竺絲查：魚塾魚墾匡垂絲蘭i壘￡筮墊 作者簽名： 盔國楹 日期：壟壘霪年―生月_三王日 導師簽名： 大連理工大學碩士學位論文 1 緒論 1．1 課題背景 隨著現(xiàn)代移動通信技術和無線網(wǎng)絡的蓬勃發(fā)展，人們對無線定位的需求與日俱增。 學位論文題目： 基王圣ig旦曼曼墊苤鮑室凼定焦丕統(tǒng)盟究生塞趣 作者簽名： 盔國奎盆 日期．一．塑!塹年j生月二墮日 大連理工大學碩士研究生學位論文 大連理工大學學位論文版權使用授權書 本人完全了解學校有關學位論文知識產權的規(guī)定，在校攻讀學位期間 論文工作的知識產權屬于大連理工大學，允許論文被查閱和借閱。與我一同工作的同志對本研究所做的貢獻 均已在論文中做了明確的說明并表示了謝意。 關鍵詞：室內定位系統(tǒng)；ZigBee；Z．STACK；RSSI；混合算法 基于ZigBee技術的室內定位系統(tǒng)研究與實現(xiàn) TheResearchandRealization ofindoorlocalizationbasedon ZigBee Abstract W砧the ofmodern andwireless munication network， rapiddevelopment technology for demand and is in indoor people’S positioningnavigationincreasing．Especiallyplex asthe environments，suchairporthall，exhibition andSO allthese indoorIocationinf