【正文】 ee 協(xié)議。 隨著對(duì) ZigBee 技術(shù)研究的不斷深入，大量的實(shí)用 ZigBee 硬件、軟件載體都相繼被 推出，使得 基于 ZigBee 技術(shù)的 WSN 和定位技術(shù)獲得了迅猛的發(fā)展。 基于 ZigBee 技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn) 在所有的定位實(shí)現(xiàn)中，室內(nèi)空間由于其環(huán)境的復(fù)雜性，一直是定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的一個(gè) 難點(diǎn)。本文試圖利用 ZigBee 技術(shù)實(shí)現(xiàn)一種較低成本、較低復(fù)雜度的室內(nèi)定位 系統(tǒng)。當(dāng) GPS接收機(jī)在室內(nèi)工作時(shí)，由于信號(hào)受 建筑物的影響而大大衰減，定位精度也很低，要想達(dá)到室外一樣直接從衛(wèi)星廣播中提取 導(dǎo)航數(shù)據(jù)和時(shí)間信息是不可能的。室內(nèi) GPS 技術(shù)采用大量的相關(guān)器并行地搜索可能的延遲碼，同時(shí)也有助于 實(shí)現(xiàn)快速定位。缺點(diǎn)是 定位信號(hào)到達(dá)地面時(shí)較弱，不能穿透建筑物，而且定位器終端的成本較高。該方法是通過對(duì)特定環(huán)境下的 RF 信號(hào)衰落特征值進(jìn) 行處理實(shí)現(xiàn)的。 RADAR 系統(tǒng)把信號(hào)強(qiáng)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(hào)的傳輸信道模型，確定信號(hào)衰減與發(fā)射器、接 收器間墻壁數(shù)量的關(guān)系，從而得到給定位置接收器最優(yōu)的距離估算參數(shù)。首 先是一個(gè)離線的數(shù)據(jù)收集的過程，由各移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送廣播報(bào)文，基站的接收器根據(jù)信號(hào) 強(qiáng)度確定移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置，并將此位置存入一個(gè)場(chǎng)景．位置的表結(jié)構(gòu)中。 RADAR 系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)在于易于安裝、需要很少基站，采用無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 RADAR 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 樓內(nèi) 2～ 3m的實(shí)時(shí)定位。 (2)SpotON系統(tǒng) SpotONt6】標(biāo)簽的硬件有 Dragonball EZ處理器、在 916． 5MHZ的 TRl000射頻收發(fā)器和 10． bit A／ D 轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。 SpotON 系統(tǒng)中硬件標(biāo)簽網(wǎng)絡(luò)狀分布，無需中央控制單元，通過標(biāo)簽 測(cè)試到的信號(hào)強(qiáng)弱來表征標(biāo)簽之間的幾何距離。 (3)Cricket 系統(tǒng) I 7】 E． 911 系統(tǒng)和智能機(jī)器人導(dǎo)航領(lǐng)域都有使用 AOA 技術(shù)確定目標(biāo)方向和位置的技術(shù)， 但它們大都使用了高能耗的天線陣列測(cè)量信號(hào)方向，不適用于低功耗的 WSN 領(lǐng)域。角內(nèi)以 177。的誤差確定接收信號(hào)方向。該定位系統(tǒng)利用射頻信號(hào)與超聲波信號(hào)到達(dá)時(shí)間間隔和各自 的傳播速度，計(jì)算出未知位置節(jié)點(diǎn)到已知位置節(jié)點(diǎn)的距離。 ℃4)Active Badge室內(nèi)定位系統(tǒng) Active Badget8】系統(tǒng)是最早的室內(nèi)定位跟蹤系統(tǒng)之一。每個(gè)待定位的物體使用紅外發(fā)射機(jī)定 期發(fā)送自身唯一的 ID 識(shí)別碼。墻壁對(duì)紅外線 的屏蔽作用，確保接收機(jī)只能接受到同一房間中的標(biāo)識(shí)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的準(zhǔn) 確定位。 (5)UC Berkeley 系統(tǒng) 19J 傳感器網(wǎng)絡(luò)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(huì)有誤差，有 時(shí)誤差非常嚴(yán)重，這樣的數(shù)據(jù)需要直接剔出。這就需要采用多傳感器融合技術(shù)，使用空 間相關(guān)性，融合后的二進(jìn)制測(cè)量值提供更加精確的信息。每個(gè)節(jié)點(diǎn) 通過二進(jìn)制值來報(bào)告目標(biāo)是否靠近傳感器。該實(shí)驗(yàn)使用多傳感器融 合算法，使用空間相關(guān)性，融合后的二進(jìn)制測(cè)量值提供更加精細(xì)的位置信息。在 Trio 節(jié)點(diǎn)的大規(guī)模跟蹤實(shí)驗(yàn)中，該算法 成功地實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)跟蹤戶外未知數(shù)目的移動(dòng)目標(biāo)。 1． 3 無線定位算法 節(jié)點(diǎn)定位算法是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要技術(shù)之一，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部分應(yīng)用中是 不可或缺的。基于測(cè)距的定位機(jī)制需要測(cè)量未知節(jié)點(diǎn)與錨 節(jié)點(diǎn)之間的距離或者角度信息，然后使用三邊測(cè)量法、三角測(cè)量法或最大似然估計(jì)法計(jì) 算未知節(jié)點(diǎn)的 位置。 1． 3． 1 基于測(cè)距的定位技術(shù) 基于測(cè)距 (range． based)的技術(shù)，通過測(cè)量和估計(jì)節(jié)點(diǎn)之間的距離，根據(jù)幾何關(guān)系計(jì) 算出節(jié)點(diǎn)之間的位置。 (1)信號(hào)強(qiáng)度 (RSS)測(cè)距法 110】 已知發(fā)射功率，在接收節(jié)點(diǎn)測(cè)量接收功率，計(jì)算傳播損耗，使用理論或經(jīng)驗(yàn)的信號(hào) 傳播模型將傳播損耗轉(zhuǎn)化為距離。 G，名 2／ (4萬 )2d2L (1． 1) 其中， Pt 為發(fā)射機(jī)功率； Pdd)是在距離 d 處的接收功率； G。由公式可知，在自由空間中，接收機(jī)功率隨發(fā)射機(jī)與接收機(jī)距離的平方衰減。 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 得到錨節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)之間的距離信息后，采用三邊測(cè)量法或最大似然估計(jì)法可計(jì)算出 未知節(jié)點(diǎn)的位置。反射、多徑傳播、非視距 (NLOS)、 天線增益等問題都會(huì)對(duì)相同距離產(chǎn)生顯著不同的傳播損耗。信號(hào)強(qiáng)度測(cè)距法通常屬于一種粗糙的測(cè) 距技術(shù)。在 TOA 方法中，若電波 從錨節(jié)點(diǎn)到未知節(jié)點(diǎn)的傳播時(shí)間為 t，電波傳播速度為 c，則錨節(jié)點(diǎn)到未知節(jié)點(diǎn)的距離為 tc 。 使用 TOA 技術(shù)比較典型的定位系統(tǒng)是 GPS， GPS 系統(tǒng)需要昂貴高能耗的電子設(shè)備 來精確同步衛(wèi)星時(shí)鐘。 誓 3)時(shí)間差定位法 (TDOA) 時(shí)間差測(cè)距 (TDOA) 】是通過計(jì)算兩種不同無線信號(hào) (常使用無線電信號(hào)和超聲波 信號(hào) 1 到達(dá)未知節(jié)點(diǎn)的時(shí)間差，再根據(jù)兩種信號(hào)傳播速度來計(jì)算得到未知節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn) 之間的距離。 在二維平面上的，雙曲線的幾何意義是到兩個(gè)定點(diǎn)的距離之差為一個(gè)常數(shù)的所有點(diǎn) 的集合，兩個(gè)定點(diǎn)稱作焦點(diǎn)。 由于這種方法不是采用到達(dá)的絕對(duì)時(shí)間來確定節(jié)點(diǎn)的位置，降低了對(duì)時(shí)間同步的要 求，但是仍然需要較精確的計(jì)時(shí)功能，同時(shí)由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有分布密集和無線通 信范圍小的特點(diǎn)，這種方法實(shí)現(xiàn)起來難度較大。兩根方位線的交點(diǎn)即為未知節(jié)點(diǎn)的 位置。另外， AOA 信息還可以與 TOA、 TDOA 信息一起使用 成為混合定位法。 Fig． 1． 1 AOA sketch map AOA 定位法的硬件系統(tǒng)設(shè)備復(fù)雜，并且需要兩節(jié)點(diǎn)之間存在視距 fLine． ofsight Transmission， LOS)傳輸，因此不適合用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位。 (1)質(zhì)心法 質(zhì)心 (Centroid)法【 12]是南加州大學(xué) Nirupama Bulusu 等學(xué)者提出的一種僅基于網(wǎng)絡(luò)連 通性的室外定位算法。具體過程為：錨節(jié)點(diǎn)每隔一段時(shí)間向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播一 個(gè)信標(biāo)信號(hào)，信號(hào)中包含有錨節(jié)點(diǎn)自身的 ID 和位置信息。 質(zhì)心定位算法的最大優(yōu)點(diǎn)是它非常簡(jiǎn)單，計(jì)算量小，完全基于網(wǎng)絡(luò)的連通性，但是 需要較多的錨節(jié)點(diǎn) 。 DV． Hop 定位算法的原理 與經(jīng)典的距離矢量路由算法比較相似。此信標(biāo)在網(wǎng)絡(luò) 中被以泛洪的方式傳播出去，信標(biāo)每次被轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)跳數(shù)都增加 l。通過這一機(jī)制，網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn) (包括其他錨節(jié)點(diǎn) )都獲得了到每一個(gè)錨 節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù)值。錨節(jié)點(diǎn)具有 到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部其他錨節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)值以及這些錨節(jié)點(diǎn)的位置信息，因此錨節(jié)點(diǎn)可以通過計(jì)算 得到距其他錨節(jié)點(diǎn)的實(shí)際距離。如果一 個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠獲得到 3 個(gè)以上錨節(jié)點(diǎn)的估計(jì)距離，它就可以 利用三邊法估計(jì)其自身的位置。 在基于測(cè)距的方法中，未知節(jié)點(diǎn)只能獲得到自己射頻覆蓋范圍內(nèi)的錨節(jié)點(diǎn)的距離， 而 DV=Hop 算法可以獲得到未知節(jié)點(diǎn)無線射程以外的錨節(jié)點(diǎn)的距離，這樣就可以獲得更 多的有用數(shù)據(jù)，提高定位精度。首先，采用與 DV． Hop 算 法類似的方法獲得距錨節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)，稱為梯度值。與 DV． Hop 算法不同的是： Amorphous 算法假定 預(yù)先知道網(wǎng)絡(luò)的密度，然后離線計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的平均每跳距離，最后當(dāng)獲得 3 個(gè)或更多錨節(jié) 點(diǎn)的梯度值后，未知節(jié)點(diǎn)計(jì)算與每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的距離，并使用三邊測(cè)量法和最大似然估計(jì) 法估算自身位置。 ，12l 中，一個(gè)未知節(jié)點(diǎn)從它所有能夠與之通信的錨節(jié)點(diǎn)中選擇 3 個(gè)節(jié)點(diǎn)，測(cè)試它自身是在這 3 個(gè)錨節(jié)點(diǎn)所組成的三角形內(nèi)部還是在其外部；然后再選擇另外 3 個(gè)錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同樣的 測(cè)試，直到窮盡所有的組合或者達(dá)到所需的精度。 APIT算法在不規(guī)則傳播信號(hào)模式和節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署的條件下，通信開銷小，精度較 高，適合跟蹤等應(yīng)用。 1． 4 ZigBee 定位技術(shù)研究現(xiàn)狀和發(fā)展 伴隨著 ZigBee 技術(shù)的出現(xiàn)，基于 ZigBee 技術(shù)的定位研究也隨之展開。總體而言，基于ZigBee 的無線定位問題的研究在國(guó)內(nèi)才剛剛起步，主要還處于利用國(guó)外芯片應(yīng)用開發(fā)上面。不過在實(shí)際 應(yīng)用中，因各種外部環(huán)境的限制，許多算法存在有待改進(jìn)的方面。這四家公司分別是挪威的 Chipon AS(CC2420／ CC2430 和 CC2500／ CC2550 等 )、美 國(guó) CompXs 公 N(ML7065)、美國(guó) Ember 公司 (EM2420)、美國(guó) Freescale Semiconductor 公司 (MCl3192／ MCl3193)。 其中主流的芯片為 Chipcon 公司的芯片 CC2420 和 CC2430，以及Freescale 公司的芯片 MCl3193。 2020 年 7 月，德州儀器 (TI)宣布推出業(yè)界首款帶硬件定位引擎的片上系統(tǒng) (soc)解 決方案 CC2431，該芯片的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了 ZigBee 定位技術(shù)的飛躍，即將定位算法用硬件實(shí) 現(xiàn)【 1 31。國(guó)內(nèi)如成都無線龍、深圳旭昂科技等 公司也推出了自己成熟的定位解決方案。 (1)基于 CC2431片上系統(tǒng)的單芯片定位方案 CC243l在 CC2430 基礎(chǔ)之上增加了基于 RSSI的硬件定位引擎【 13,28】，通過輸入環(huán)境 信息以及參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)信息，即可輸出未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，在典型應(yīng)用中可以實(shí)現(xiàn) 3～ 5m 的精確定位。 (2)CC2430／ (MCU+CC2420)+定位算法 利用 CC2430 實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的信息傳輸，將定位方法嵌入芯片內(nèi)部或在上位機(jī)集 中處理，其定位算法可以靈活選擇，本文就是使用 CC2430 芯片進(jìn)行定位實(shí)現(xiàn)的。論文 通過對(duì)目前各種無線定位技術(shù)的分析研究，借鑒了無線局域網(wǎng)的經(jīng)典定位技術(shù)，利用 RSSI 和 LQI 值進(jìn)行定位，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)定位跟蹤系統(tǒng)。全文共分為六個(gè)部分。對(duì)無線定位 算法進(jìn)行了簡(jiǎn)單的說明，探討了 ZigBee 技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展，最后總結(jié)了本文的主 要工作和論文的框架結(jié)構(gòu)。對(duì) Z． Stack 協(xié)議棧進(jìn)行了詳細(xì) 的介紹，總結(jié)了理解 Z． Stack 協(xié)議棧的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。 第 3 章實(shí)用室內(nèi)定位方法研究 對(duì)各種較實(shí)用的定位算法進(jìn)行了研究，通過實(shí)驗(yàn)，獲取了大量的測(cè)試數(shù)據(jù)。提出了自己的定位實(shí)現(xiàn)方案。 第 5 章定位系統(tǒng)功能測(cè)試 對(duì)定位系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，總結(jié)優(yōu)缺點(diǎn)。并指出 了可以進(jìn)一步研究的方向。在該部分中對(duì)自己的工作進(jìn)行了總結(jié)，并針對(duì)論文 尚未解決的問題給出了改進(jìn)建議。為了滿足對(duì)低功率，低價(jià)格無線網(wǎng)絡(luò)的需求， 2020 年 12 月， IEEE 標(biāo)準(zhǔn) 委員會(huì)正式批準(zhǔn)成立 T80215 412 作組，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)具有超低復(fù)雜度、超低價(jià)格、超低功耗、超低數(shù)據(jù)傳輸率的無線接人 標(biāo)準(zhǔn)。 《 曰 妒，～， — ； ≤■ ： _ 目 2 1 ZigBee與其他無線標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比 Fig 2 I The parisonofZigBee and otherwireless standards 2020 年，英匡 ]Invensys 公司、日本二菱電氣公司、美囤摩托羅拉公司以及荷蘭飛利 浦等公司茫同宣布組成 ZigBee 技術(shù)聯(lián)盟，共同研究開發(fā) ZigBee技術(shù)。 2020 年 IEEE發(fā) 布了 IEEE802 1 5 4 阱議標(biāo)準(zhǔn)修 U 版。 2． 1． 2 ZigBee 技術(shù)特點(diǎn) IEEE802． 15 委員會(huì)制定了三種不同的 WPAN(Wireless Personal AreaNetwork)標(biāo)準(zhǔn)， 區(qū)別在于通信速率、 QoS 能力等。 802． 15． 3 標(biāo)準(zhǔn)是高速率的WPAN 標(biāo)準(zhǔn)，適合于多媒體應(yīng)用，有較高的 QoS 保證。 ZigBee 的主要技術(shù)特征如表 2． 1 所示。具體來講，可總 結(jié)如下【 15】： 基于 ZigBee 技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn) (1)數(shù)據(jù)傳輸速率低。 (2)設(shè)備省電，功耗極低。 (3)通信可靠性高，數(shù)據(jù)安全。 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 AES． 128，同時(shí)協(xié)議棧的各層可以靈活確 定其安全屬性。 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)無需人工干預(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)。 (5)時(shí)延短，設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)快。 (6)成本低廉，工作頻段靈活。 ZigBee 的工作頻段靈活，使用的頻段分別為 2． 4GHz(全球 )、 868MHz(歐洲 )及 915MHz(美國(guó) )，均為免執(zhí)照頻段。每個(gè) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)最多可支持 65000 個(gè)節(jié)點(diǎn)，也就是說每個(gè) ZigBee 節(jié)點(diǎn)可以與數(shù)萬節(jié)點(diǎn)相連接，可以說網(wǎng)絡(luò)容量極其龐大，尤其適用大規(guī)模無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)。為了滿足這些需 求， IEEE802． 15． 4 I 作組為 LR— WPAN專 fJN定了物理層和 MAC 子層的標(biāo)準(zhǔn)。 (2)支持星型和點(diǎn)到點(diǎn)兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。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。 (5)采用帶沖突避免的載波偵聽多路訪 Whl(CSMA． CA．， Carrier Sense M