【正文】 統(tǒng)一編入） 6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結(jié)論 7）參考文獻(xiàn) 8）致謝 9）附錄（對(duì)論文支持必要時(shí)） ：理工類設(shè)計(jì)（論文）正文字?jǐn)?shù)不少于 1 萬字（不包括圖紙、程序清單等），文科類論文正文字?jǐn)?shù)不少于 萬字。 、圖表要求： 1）文字通順，語言流暢，書寫字跡 工整，打印字體及大小符合要求，無錯(cuò)別字，不準(zhǔn)請(qǐng)他人代寫 2）工程設(shè)計(jì)類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計(jì)算機(jī)繪制，所有圖紙應(yīng)符合國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。該系統(tǒng)基于 規(guī)范的無線技術(shù)，工作在，用于個(gè)人區(qū)域網(wǎng)和對(duì)等網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。他是一種介于紅外無線技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)提案。它依據(jù) 標(biāo)準(zhǔn)。這些傳感器只需要很小的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器，所以它們的通信效率非常高。這一技術(shù)目前正向工業(yè)、民用方向推廣和發(fā)展，市場(chǎng)前景廣闊。因此，本文介紹的基于 ZigBee 技術(shù)的嵌入式無線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，這一無線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)可應(yīng)用于工業(yè)控制、信息家電、保安系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、港務(wù)運(yùn)輸、煤礦安全、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化合醫(yī)療監(jiān)護(hù)設(shè)備等許多行業(yè)和設(shè)備。并能彌補(bǔ)其他無線通信技術(shù)的不足，保證其安全性，降低服務(wù)成本。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無線定位服務(wù)逐漸走進(jìn)人們的生活。以便對(duì)用戶提供緊急救援行動(dòng)。在軍事上、商業(yè)上、生活中都發(fā)揮著其不 可忽視的作用。其中自我定位是指被定為節(jié)點(diǎn)通過測(cè)量自己相對(duì)某個(gè)已知位置發(fā)送器的距離或者方向來確定自己的位置；而基于網(wǎng)絡(luò)的定位則利用一系列的測(cè)量方法和算法估算自己在網(wǎng)絡(luò)中的位置。 GPS 的出現(xiàn)解決啦軍事和民用的很多實(shí)際問題。而且處于其成本高，能耗大等因素，許多情況下他們不適合在室內(nèi) 或者是小范圍內(nèi)區(qū)域的環(huán)境中使用。目前，常見的技術(shù)有紅外技術(shù)，以 ZigBee/IEEE 為代表的無線局域網(wǎng)技術(shù)，超聲波技術(shù)和 RFID 技術(shù)。 基于測(cè)距的定位技術(shù)介紹 基于測(cè)距的技術(shù)，首先要測(cè)量被定為節(jié)點(diǎn)和參考節(jié)點(diǎn)之間的距離和方向，然后計(jì)算定位節(jié)點(diǎn)的位置。這里我們主要介紹基于 RSSI 測(cè)量方法。 由于 RSSI 測(cè)量法是利用信號(hào)衰減程度來進(jìn)行測(cè)距的，所以周圍環(huán)境對(duì)信 3 號(hào)的傳播有很大的影響，如溫度、障礙物等對(duì)信號(hào)衰減程度就會(huì)造成很大的影響，此外無線傳輸芯片所使用的天線也在很大程度上對(duì)信號(hào)產(chǎn)生一定的影響。如果我們?cè)诰唧w應(yīng)用中，根據(jù)具體的應(yīng)用環(huán)境，找出一個(gè)最適合的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停儆靡恍┬拚乃惴▽?duì)定位誤差加以修正，這無疑是一個(gè)十分好的定位算法。而且我們還可以根據(jù)環(huán)境的要求使用混合的定位測(cè)距方法。 國(guó)內(nèi)外研 究現(xiàn)狀 1992 年，英國(guó)劍橋 ORL 的 Actice Badge 系統(tǒng)是最早期的室內(nèi)定位系統(tǒng)之一。 1999 年， Bat System 作為 Active Badge 系統(tǒng)的后繼發(fā)展，實(shí)現(xiàn)啦最高達(dá) 3cm的定位精度，他是使用超聲波和設(shè)頻信號(hào)收發(fā)器，基于 TOA 技術(shù)定位的一種定位系統(tǒng)。 2020 年，基于 TDOA 測(cè)距的 AHLOS 系統(tǒng)使用啦一種迭代的定位算法。 無線定位系統(tǒng)在中國(guó)的發(fā)展起步比較晚，但發(fā)展速度非?？?。其中比較典型的有：中興的 CDMA 移動(dòng)通信系統(tǒng)定位業(yè)務(wù)解決方案，康柏電腦公司的 移動(dòng)定位服務(wù)解決方案，中軟安人的 3G 車載無線定位系統(tǒng)以及蘇州工業(yè)園區(qū)的基于 WiFi 的實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)等等。其中包括：赫立訊的無線定位解決方案，深圳金圖旭昂的 ZigBee 無線定位方案以及北京博控的 ZigBee定位產(chǎn)品在消防中的應(yīng)用等等。 無線定位系統(tǒng)未來發(fā)展趨勢(shì) 隨著無線定位系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外突飛猛進(jìn)的發(fā)展，近年來涌現(xiàn)出啦越來越多的 4 無線技術(shù)，這些技術(shù)在定位行業(yè)的發(fā)展上也起到啦很大的作用。T cambridge 研究室研制的基于紅外技術(shù)的有源標(biāo)簽用于室內(nèi)物體的定位開始，到基于 IEEE 的無線局域網(wǎng)定位系統(tǒng)，再到使用超聲波技術(shù)的 Cricket 系統(tǒng)和基于 RSSI 技術(shù)的 Spoton 系統(tǒng)。目前，出啦上述技術(shù)外，圍繞微雷達(dá)技術(shù)和 UWB 技術(shù)的定位研究也在進(jìn)行中。 而剛剛推出的 ZigBee 技術(shù)又以低價(jià)格、低功耗等一定的特點(diǎn)在市場(chǎng)上占有拉一定的優(yōu)勢(shì)。 5 第二章 ZigBee 技術(shù)概述 ZigBee 簡(jiǎn)介 ZigBee 技術(shù)是由英國(guó) Invensys 公司、口本二菱電氣公司、美國(guó) Motorola 公司以及荷蘭 Philips 等公司于 2020 年共同提出的，其目的是用來設(shè)計(jì)開發(fā)具有低成本、低速率、低功耗的無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。到目前為止，除了上面提到的 Invensys 等國(guó)際知名的大公司外，還有許多來自各個(gè)國(guó)家的公司也加入其中，如中國(guó)的華為技術(shù)有限公司等，ZigBee 聯(lián)盟的成員企業(yè)已經(jīng)達(dá)到了 200 多家。 2020 年 11 月， IEEE 正式發(fā)布了 IEEE 辦議標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)作為 ZigBee技術(shù)的物理層和 MAC 層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)由 ZigBee 技術(shù)聯(lián)盟制定，應(yīng)用層根據(jù)用戶自己的應(yīng)用需要進(jìn)行開發(fā)。 ZigBee 技術(shù)的主要特點(diǎn)包括：成本低，模塊的初始成本估計(jì)在 6 美元左 右，最終目標(biāo)要在 1 美元以內(nèi)，而且 ZigBee 協(xié)議是免專利費(fèi)的；可靠性高， 采用碰撞避免機(jī)制，同時(shí)為了保證傳輸數(shù)據(jù)的可靠性，建立了完整的應(yīng)答通信 協(xié)議；具有安全保密性， ZigBee 提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，采用AES128(Advanced Encryption Standard)算法對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行加密；網(wǎng)絡(luò)容量 大，可支持多達(dá) 65000 個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)；功耗低，可以采用休眠模式，兩節(jié)五號(hào)電 池可支持長(zhǎng)達(dá)半年以上的使 用時(shí)間，當(dāng)然不同的應(yīng)用功耗是不同的。分別為：星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、樹? 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟约熬W(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。星狀網(wǎng)中的其他設(shè)備叫做 終端設(shè)備，直接和協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信。在樹狀網(wǎng) 6 絡(luò)中，路由節(jié)點(diǎn)使用等級(jí)路由機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和控制信息，樹狀網(wǎng)絡(luò)可以 使 用信標(biāo)使能的通信。 但是從功能上主要分為星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和對(duì)等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)兩種類型。下面分別對(duì)這兩種網(wǎng)絡(luò)拓 撲結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹。 FFD 的特點(diǎn) 有：支持任何網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、可以成為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器或路由 器、可以充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中 的任何設(shè)備以及能和任何設(shè)備通信； RFD 的特點(diǎn)有 :不能成為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、不能有子節(jié)點(diǎn)、只能和自己的父節(jié)點(diǎn)通信。星狀拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由一個(gè)叫作個(gè)域網(wǎng)(Personal Area Network, PAN)主協(xié)調(diào)器的中央控制器和多個(gè)從設(shè)備組成，其中主協(xié)調(diào)器必須為 FFD 設(shè)備，從設(shè)備既可為 FFD 設(shè)備也可為 RFD 設(shè)備。每個(gè)星狀網(wǎng)絡(luò)中只有唯一的一個(gè) PAN 主協(xié)調(diào)器，所以每個(gè)星型網(wǎng)絡(luò)通信都是獨(dú)立于當(dāng)前其他星型網(wǎng)絡(luò)的，所以應(yīng)該選擇一個(gè)新的 PANID 號(hào)以確保網(wǎng)絡(luò)的唯一性，這種特點(diǎn)是 ZigBee 技術(shù)所特有的。其中，從設(shè)備可以是 FFD 設(shè)備，也可以是 RFD 設(shè)備。星狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單主要體現(xiàn)在緊需要執(zhí)行很少的上層協(xié)議、對(duì)路由功能的控制相對(duì)容易，而且方便管理。但是由于其只能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)，所以在大規(guī)模組網(wǎng)的場(chǎng)合里便無法應(yīng)用，而且如果通信中某個(gè)節(jié)點(diǎn)的斷開，便會(huì)對(duì)其他節(jié)點(diǎn)的通信造成影響，一定程度上限制了無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，同時(shí)星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也很難實(shí)現(xiàn)高密度的擴(kuò)展。終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)只能與自己的父節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信， 從屬于不同父節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)之間不能進(jìn)行通信。節(jié)點(diǎn)間是完全對(duì)等的通信，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以與它的無線通信范圍內(nèi)的其它節(jié)點(diǎn)通信，但也需要有一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)防調(diào)器，通常把第一個(gè)在信 道中通信的節(jié)點(diǎn)作為防調(diào)器節(jié)點(diǎn)。如果在穩(wěn)定的無線電射頻環(huán)境中，需要有一定的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，而且網(wǎng)絡(luò) 有一定的穩(wěn)定性和擴(kuò)展性，那么樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵⑹且粋€(gè)很好的選擇。其中， PHY 層和 MAC 層協(xié)議由 IEEE 定義，網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的協(xié)議由 ZigBee 聯(lián)盟定義，而應(yīng)用層又包含應(yīng)用支持子層 (Application Support Sublayer, APS),應(yīng)用框架 (Application Framework, AF), ZigBee 設(shè)備對(duì)象 (ZigBee Device Objects,ZDO)和由制造商制定的應(yīng)用對(duì)象。 ZigBee 技術(shù)應(yīng)用前景 ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)的制定不是用來與藍(lán)牙及其它已經(jīng)存在的標(biāo)準(zhǔn)競(jìng)爭(zhēng)的，它的出發(fā)點(diǎn)是希一望能夠?qū)崿F(xiàn)一種易布建的低成本無線網(wǎng)絡(luò)。通常 ZigBee 技術(shù)適用的場(chǎng)合主要有：要求設(shè)備成本低，數(shù)據(jù)傳輸量少的應(yīng)用；要求設(shè)備體積小、功耗低，長(zhǎng)時(shí)間無需更換電池的場(chǎng)合；需要大范圍的通信覆蓋，網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備非常多的 遠(yuǎn)程監(jiān)控中。其應(yīng)用領(lǐng)域主要包括以下幾個(gè)方面：家庭和樓宇網(wǎng)絡(luò)中涉及到的空調(diào)溫度的監(jiān)控、照明設(shè)備的自動(dòng)控制、電表和水表的計(jì)量控制、窗簾的自動(dòng)控制、家用電器的遠(yuǎn)程控制等；工業(yè)控制中涉及到的各種監(jiān)控器、傳感器的自動(dòng)化控制等；商業(yè)領(lǐng)域的智能標(biāo)簽等；公共場(chǎng)所的煙霧探測(cè)器等；農(nóng)業(yè)控制上收集各種土壤信息和氣候信息等；以及老人與行動(dòng)不便者的緊急呼叫器和醫(yī)療傳感器等等。ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)的普及，可以說是計(jì)算技術(shù)第四次浪潮的第一波。應(yīng)用高性能的嵌入式處理器可以使信息網(wǎng)絡(luò)的功能越來越強(qiáng)，相信在不久的將來，我們周圍的生活環(huán)境將是無所不在的網(wǎng)絡(luò)。隨著 ZigBee 協(xié)議的推出，人們便開始了基于 ZigBee技術(shù)定位的研究。這款來自 Chipcon 產(chǎn)品系列的器件可滿足 多種應(yīng)用要求，其中包括資產(chǎn)和設(shè)備跟蹤、庫存控制、病人監(jiān)護(hù)、遠(yuǎn)程控制、安全監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等。 CC2431 建立在業(yè)界首款針對(duì)低功耗 RF 應(yīng)用的 SOC 解決方案 CC2430 的基礎(chǔ)上的，封裝小、功能強(qiáng)。 CC2431 基于 RSSI 的定位引擎能根據(jù)接收信號(hào)的強(qiáng)度與已知 CC2430 參考節(jié)點(diǎn)的位置準(zhǔn)確計(jì)算出有關(guān)節(jié)點(diǎn)的位置，然后將位置信息發(fā)送 給接收端，如電腦、 PDA、手機(jī)等。 除了使用像 CC2431 這種帶定位功能的 ZigBee 芯片之外，近兩年已經(jīng)有越來越多的企業(yè)、研究所和高校在從事研究利用 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行定位的工作。并且有些地方已經(jīng)進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，例如，停車場(chǎng)車輛定位、礦井下人員定位、發(fā)生火災(zāi)時(shí)消防隊(duì)員的定位以及醫(yī)院或家庭里老人或重病人的定位監(jiān)護(hù) 等等。 本論文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)就是利用 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，以及已有定位算法所開發(fā)出的一套基于 ZigBee 技術(shù)的無線定位系統(tǒng)。下面將對(duì)各個(gè)部分的設(shè)計(jì)做詳細(xì)的介紹。但這種方法的不足就是直接使用時(shí)會(huì)有很大的誤差，其誤差主要來源于信號(hào)實(shí)際傳播的過程中周圍環(huán)境影響造成的信號(hào)衰減與理論或經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒环?，從而造成?shí)際測(cè)量的誤差。在 RADAR 系統(tǒng)中，忽略了走廊以及樓梯等的影響，主要考慮建筑物墻壁對(duì)信號(hào)傳播的影響，建立了信號(hào)衰減和傳播距離間的關(guān)系模型，如公式 (31)所示： ., .,{)l o g (10])[(])[( 00 CnWW A FC CnWW A FnWddnd B mdpd B mdp ?? ????? (31) 其中 P(司表示基站接收到用戶的信號(hào)強(qiáng)度； )(0dp 表示基站接收到在參考節(jié)點(diǎn) 0d 發(fā)送信號(hào)的強(qiáng)度，假設(shè)所有節(jié)點(diǎn)的發(fā)送強(qiáng)度相同； n 表示參考節(jié)點(diǎn)和路徑損耗之間的比例因子，依賴十建筑物的結(jié)構(gòu)和使用的材料 ； 0d 表示參考節(jié)點(diǎn)和基站的距離； d 表示需要計(jì)算的節(jié)點(diǎn)和基站的距離； nW 表示節(jié)點(diǎn)和基站間墻壁個(gè)數(shù)； C 表示信號(hào)穿過墻壁個(gè)數(shù)的閩值； WAF 表示信號(hào)穿過墻壁的衰減因子，依賴于建筑物的結(jié)構(gòu)和使用的材料。這里需要強(qiáng)調(diào)的是， RSSI 的值是一個(gè)負(fù)數(shù)值，所以在上面的公式中我們?nèi)?RSSI 的絕對(duì)值。 三邊測(cè)量法 三邊測(cè)量法，已知 A,B,C 二個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)分別為（ aayx, ）、（ bbyx, ）、（ ccyx, ） 12 以及它們到未知節(jié)點(diǎn)。 那么存在下列公式 : aaa dyyxx ???? 22 )()( (33) bbb dyyxx ???? 22 )()( (34) ccc dyyxx ???? 22 )()( (35) 由上式可以得到節(jié)點(diǎn) O 的坐標(biāo)，如公式 (36): ???????? ????? ????????????? ?? ??????????? ?2222222222221)(2)(2 )(2)(2 bccbcb accacacbcb caca ddyyxx ddyyxxyyxx yyxxyx (36) 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 硬件總體規(guī)劃 定位節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)框架如圖 31 所示。無線通信模塊為節(jié)點(diǎn)間的無線數(shù)據(jù)收發(fā)接口，