【正文】 第一章 緒 論 課題研究背景與意義 無線定位系統(tǒng)最初是為拉滿足遠程航海等要求產(chǎn)生的。1996年，兩幫通信委員會制定啦E911服務(wù)，要求所有無線業(yè)務(wù)提供商在移動用戶發(fā)出緊急呼叫時，必須向安全服務(wù)系統(tǒng)提供用戶的位置信息和終端號碼。此后定位服務(wù)就走向人們的生活的各個領(lǐng)域。 無線定位在實際應(yīng)用中有兩種意義，自我定位和基于網(wǎng)絡(luò)定位。 無線通信技術(shù)的成熟和發(fā)展帶動啦新興無線業(yè)務(wù)的出現(xiàn)，越來越多的應(yīng)用都需要自動定位服務(wù)。但是，當需要定位的物體位于建筑物內(nèi)部時，其定位精度就明顯下降，甚至無法工作。因此，必須研究的室內(nèi)定位技術(shù)以彌補GPS的不足。而基于ZigBee技術(shù)的定位系統(tǒng)，又以其功耗低，成本低，體積小等一系列的優(yōu)點而近年來倍受人們青睞。 定位的測量方法有很多種：如基于AOA的方法、基于TDOA的方法、基于TOA的方法。 基于RSSI測量方法：首先根據(jù)發(fā)射節(jié)點和接收節(jié)點的信號強度值，計算出信號在傳播過程中衰減程度；然后再利用理論和經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛯鬏敁p耗轉(zhuǎn)換成距離；最后利用三邊測量法或三角測量法計算出節(jié)點的位置，因此RSSI法需要多個參考節(jié)點。但由于目前很多無線傳輸模塊都可以直接測量信號衰減的RSSI值，因此這種方法的定位無需額外的硬件設(shè)備，滿足現(xiàn)在低功耗、低成本的發(fā)展趨勢。 此外還有一些不太常用的用于定位測距的算法，如接收信號相位差（PDOA）、近場電磁測距(NFER)等方法。如Cricket系統(tǒng)即使用啦TDOA和PDOA混合的定位方法。 1998年，由Microsoft公司開發(fā)的RADAR定位系統(tǒng)利用“指紋識別法”技術(shù)定位，他是基于RSSI技術(shù)的室內(nèi)無線射頻定位系統(tǒng)，利用信號傳播模型和經(jīng)驗測試相結(jié)合的場景法定位。 2000年，由麻省理工大學(xué)研制的Cricket系統(tǒng)從硬件的尺寸和價格上都有所突破，是現(xiàn)在仍在使用的室內(nèi)定位系統(tǒng)之一。 2002年，加利福尼亞大學(xué)的Calamari系統(tǒng)是一種為傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的Adhoc定位系統(tǒng)，他同時采用拉TOA和RSSI兩種技術(shù)進行定位。很多大小型公司都相繼推出自己的定位解決方案。由于近兩年zigBee技術(shù)在國內(nèi)的興起，又有很多家小公司做起啦基于ZigBee技術(shù)的定位系統(tǒng)，并且都達到不錯的定位效果。此外，成都的無線龍通訊科技有限公司還在2008年初，特意推出啦一本關(guān)于ZigBee定位技術(shù)的書，也引起啦不錯的反響。從一開始ATamp。用于定位的無線技術(shù)發(fā)展得很迅速。而剛剛推出的ZigBee技術(shù)又以低價格、低功耗等一定的特點在市場上占有拉一定的優(yōu)勢。第二章 ZigBee技術(shù)概述 ZigBee簡介 ZigBee技術(shù)是由英國Invensys公司、口本二菱電氣公司、美國Motorola公司以及荷蘭Philips等公司于2002年共同提出的，其目的是用來設(shè)計開發(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等國際知名的大公司外，還有許多來自各個國家的公司也加入其中，如中國的華為技術(shù)有限公司等，ZigBee聯(lián)盟的成員企業(yè)已經(jīng)達到了200多家。 2003年11月，IEEE正式發(fā)布了IEEE ，該標準作為ZigBee技術(shù)的物理層和MAC層協(xié)議標準，網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議標準由ZigBee技術(shù)聯(lián)盟制定，應(yīng)用層根據(jù)用戶自己的應(yīng)用需要進行開發(fā)。 ZigBee技術(shù)的主要特點包括：成本低，模塊的初始成本估計在6美元左右，最終目標要在1美元以內(nèi)，而且ZigBee協(xié)議是免專利費的；可靠性高，采用碰撞避免機制，同時為了保證傳輸數(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)算法對傳輸數(shù)據(jù)進行加密；網(wǎng)絡(luò)容量大，可支持多達65000個設(shè)備節(jié)點；功耗低，可以采用休眠模式，兩節(jié)五號電池可支持長達半年以上的使用時間，當然不同的應(yīng)用功耗是不同的。分別為：星狀網(wǎng)絡(luò)拓撲、樹狀網(wǎng)絡(luò)拓撲以及網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓撲結(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)器進行通信。在樹狀網(wǎng)絡(luò)中，路由節(jié)點使用等級路由機制進行數(shù)據(jù)的傳輸和控制信息，樹狀網(wǎng)絡(luò)可以使用信標使能的通信。 但是從功能上主要分為星狀網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和對等網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)兩種類型。下面分別對這兩種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)進行介紹。 FFD的特點有：支持任何網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、可以成為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器或路由器、可以充當網(wǎng)絡(luò)中的任何設(shè)備以及能和任何設(shè)備通信；RFD的特點有:不能成為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、不能有子節(jié)點、只能和自己的父節(jié)點通信。星狀拓撲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由一個叫作個域網(wǎng)(Personal Area Network, PAN)主協(xié)調(diào)器的中央控制器和多個從設(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。每個星狀網(wǎng)絡(luò)中只有唯一的一個PAN主協(xié)調(diào)器，所以每個星型網(wǎng)絡(luò)通信都是獨立于當前其他星型網(wǎng)絡(luò)的，所以應(yīng)該選擇一個新的PANID號以確保網(wǎng)絡(luò)的唯一性，這種特點是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)的簡單主要體現(xiàn)在緊需要執(zhí)行很少的上層協(xié)議、對路由功能的控制相對容易，而且方便管理。但是由于其只能實現(xiàn)簡單的網(wǎng)絡(luò)，所以在大規(guī)模組網(wǎng)的場合里便無法應(yīng)用，而且如果通信中某個節(jié)點的斷開，便會對其他節(jié)點的通信造成影響，一定程度上限制了無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，同時星狀網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)也很難實現(xiàn)高密度的擴展。終端設(shè)備節(jié)點只能與自己的父節(jié)點進行通信，從屬于不同父節(jié)點的子節(jié)點之間不能進行通信。節(jié)點間是完全對等的通信，每個節(jié)點都可以與它的無線通信范圍內(nèi)的其它節(jié)點通信，但也需要有一個節(jié)點作為網(wǎng)絡(luò)防調(diào)器，通常把第一個在信道中通信的節(jié)點作為防調(diào)器節(jié)點。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)定性和擴展性，那么樹狀網(wǎng)絡(luò)拓撲將是一個很好的選擇。其中，PHY層和MAC層協(xié)議由IEEE ，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)備對象(ZigBee Device Objects,ZDO)和由制造商制定的應(yīng)用對象。 ZigBee技術(shù)應(yīng)用前景 ZigBee標準的制定不是用來與藍牙及其它已經(jīng)存在的標準競爭的，它的出發(fā)點是希一望能夠?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，長時間無需更換電池的場合；需要大范圍的通信覆蓋，網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備非常多的遠程監(jiān)控中。其應(yīng)用領(lǐng)域主要包括以下幾個方面：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)備的自動控制、電表和水表的計量控制、窗簾的自動控制、家用電器的遠程控制等；工業(yè)控制中涉及到的各種監(jiān)控器、傳感器的自動化控制等；商業(yè)領(lǐng)域的智能標簽等；公共場所的煙霧探測器等；農(nóng)業(yè)控制上收集各種土壤信息和氣候信息等；以及老人與行動不便者的緊急呼叫器和醫(yī)療傳感器等等。ZigBee標準的普及，可以說是計算技術(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，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、遠程控制、安全監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等。 CC2431建立在業(yè)界首款針對低功耗RF應(yīng)用的SOC解決方案CC2430的基礎(chǔ)上的，封裝小、功能強。CC2431基于RSSI的定位引擎能根據(jù)接收信號的強度與已知CC2430參考節(jié)點的位置準確計算出有關(guān)節(jié)點的位置，然后將位置信息發(fā)送給接收端，如電腦、PDA、手機等。 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)進行定位的工作。并且有些地方已經(jīng)進行了實際應(yīng)用，例如，停車場車輛定位、礦井下人員定位、發(fā)生火災(zāi)時消防隊員的定位以及醫(yī)院或家庭里老人或重病人的定位監(jiān)護等等。 本論文所設(shè)計的系統(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)。下面將對各個部分的設(shè)計做詳細的介紹。但這種方法的不足就是直接使用時會有很大的誤差，其誤差主要來源于信號實際傳播的過程中周圍環(huán)境影響造成的信號衰減與理論或經(jīng)驗?zāi)Ｐ筒环?，從而造成實際測量的誤差。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信號傳播的影響，建立了信號衰減和傳播距離間的關(guān)系模型，如公式(31)所示： (31) 其中P(司表示基站接收到用戶的信號強度；表示基站接收到在參考節(jié)點發(fā)送信號的強度，假設(shè)所有節(jié)點的發(fā)送強度相同；n表示參考節(jié)點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；表示參考節(jié)點和基站的距離；d表示需要計算的節(jié)點和基站的距離；表示節(jié)點和基站間墻壁個數(shù)；C表示信號穿過墻壁個數(shù)的閩值；WAF表示信號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。這里需要強調(diào)的是，RSSI的值是一個負數(shù)值，所以在上面的公式中我們?nèi)SSI的絕對值。 三邊測量法，已知A,B,C二個節(jié)點的坐標分別為（）、（）、（）以及它們到未知節(jié)點。 那么存在下列公式: (33) (34) (35)由上式可以得到節(jié)點O的坐標，如公式(36): (36) 系統(tǒng)硬件設(shè)計 定位節(jié)點硬件設(shè)計框架如圖31所示。無線通信模塊為節(jié)點間的無線數(shù)據(jù)收發(fā)