【正文】 的實際位置信息，從 而提供用戶所需的與位置和方向相關的服務。1996年， Communications 1法規(guī)IIJ，要 美國聯(lián)邦通信委員會 Federal Commission，F(xiàn)CC $lJ定了E．91 求所有移動通信運營商，在移動用戶發(fā)出緊急呼叫時，必須向公共安全服務系統(tǒng)提供用 戶的位置信息和終端號碼，以便對用戶實施緊急救援工作，并要求分階段實施定位精度 不斷提高的用戶定位服務。此后，日本、德國、法 國、瑞典、芬蘭等國家紛紛推出各種各具特色的商用定位服務。無線定位服務已經(jīng)在軍用、民用和商用領域證明了其 重要性。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。因此，這種網(wǎng)絡系統(tǒng)可以被廣泛應用于國防軍事、國 家安全、環(huán)境監(jiān)測、交通管理、醫(yī)療衛(wèi)生、制造業(yè)、反恐、抗災等領域，它是信息感知 和采集的一場革命。WSN的定位機制逐漸成為其主要技術之一。 技術的定位系統(tǒng)的研究與開發(fā)逐漸成為了一個研究熱點。現(xiàn)今，成熟的室內(nèi)定位系統(tǒng)仍然比較少、而且多存在成本偏高的缺陷，不利于大 范圍廣泛應用。 1．2典型室內(nèi)無線定位系統(tǒng) 1．2．1室內(nèi)GPS定位技術 GPS是目前應用最為廣泛的定位技術。為了得到較高的信號靈敏度，就需要延長在每個碼延 遲上的停留時間，A―GPS AssistedGPS，無線網(wǎng)絡輔助GPS 技術為這個問題的解決提供 了可能性。 利用GPS進行定位的優(yōu)勢是衛(wèi)星有效覆蓋范圍大，且定位導航信號免費。 1．2．2室內(nèi)無線定位系統(tǒng) 1 RADAR系統(tǒng) WLAN中定位移動計算設備的問題。 RADAR系統(tǒng)是基于IEEES02．1lWLAN的室內(nèi)無線射頻定位系統(tǒng)，屬于采用經(jīng)驗測 試和信號傳播模型相結(jié)合的場景法定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)事先在 建筑物內(nèi)部固定有三個位置已知的基站，待定位置的移動點通過兩個步驟獲取位置。第二個步驟是 在線數(shù)據(jù)處理過程，移動節(jié)點定期發(fā)送廣播報文，基站節(jié)點查表，根據(jù)接收信號的強度 找出最為接近的位置作為節(jié)點當前的位置。但是， 其依賴于無線局域網(wǎng)技術，制約了節(jié)點的種類、大小和電源情況。提出了WAF模型替代經(jīng)驗數(shù)據(jù)來推動節(jié)點位置的方法并做了初 步嘗試。該系統(tǒng)基于射頻接收信號強度 RSS 分析的三維位置感知方法， 實現(xiàn)小范圍的定位。但是，完整的SpotON系統(tǒng)到目前為止還 沒有建成。針對 Compass，其原型系統(tǒng)可在+40。5。 樓內(nèi)的具體所在房間位置。然后通過比較到各個臨近信 標節(jié)點的距離，選擇出離自己最近的信標節(jié)點，從該信標節(jié)點廣播的信息中取得自身所 在的房間位置。它采用了紅外線技術實現(xiàn)室內(nèi) 定位，屬于無線小區(qū)監(jiān)視接入的相鄰法定位系統(tǒng)。同時，在定位區(qū)域的每一個房間里固定放置紅外接收機， 用于提取紅外信號攜帶的數(shù)據(jù)，并通過有線網(wǎng)絡上報給控制中心數(shù)據(jù)庫。 Active Badges系統(tǒng)的不足之處在于：使用有線網(wǎng)絡的代價較大，在一定程度上限制 了系統(tǒng)容量的擴充；由于紅外信號的直線視距和傳輸距離較短，房間中存在著一些死角， 而紅外接收機不能檢測到；使用相鄰法定位，位置信息不夠精確。剔出這種數(shù)據(jù)可以通過歷史數(shù)據(jù)的分析， 基于Zig,Bee技術的室內(nèi)定位系統(tǒng)研究與實現(xiàn) 或者通過相鄰的傳感器采集的數(shù)據(jù)進行判決。 Oh等人使用Trio傳感器節(jié)點，使用無線傳感器網(wǎng)絡跟蹤未知數(shù)目的目標。由于目標的個數(shù)和初始位置是未知的，對于 粗粒度測量的系統(tǒng)，從二進制值完成跟蹤的任務是非常困難的。融合后的 chainMonteCarloData 數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)關聯(lián)的馬爾可夫．蒙特卡羅算法 Markov 成功地實現(xiàn)了實時跟蹤戶外未知數(shù)目的移動目標。 1．3無線定位算法 節(jié)點定位算法是無線傳感器網(wǎng)絡的重要技術之一，在無線傳感器網(wǎng)絡部分應用中是 不可或缺的?；跍y距的定位機制需要測量未知節(jié)點與錨 節(jié)點之間的距離或者角度信息，然后使用三邊測量法、三角測量法或最大似然估計法計 算未知節(jié)點的位置。 1．3．1 基于測距的定位技術 算出節(jié)點之間的位置。 1 信號強度 RSS 測距法110】 已知發(fā)射功率，在接收節(jié)點測量接收功率，計算傳播損耗，使用理論或經(jīng)驗的信號 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，接收機功率隨發(fā)射機與接收機距離的平方衰減。 大連理工大學碩士學位論文 得到錨節(jié)點與未知節(jié)點之間的距離信息后，采用三邊測量法或最大似然估計法可計算出 未知節(jié)點的位置。反射、多徑傳播、非視距 NLOS 、 天線增益等問題都會對相同距離產(chǎn)生顯著不同的傳播損耗。信號強度測距法通常屬于一種粗糙的測 距技術。在TOA方法中，若電波 從錨節(jié)點到未知節(jié)點的傳播時間為t，電波傳播速度為c，則錨節(jié)點到未知節(jié)點的距離為 tc。 使用TOA技術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備 來精確同步衛(wèi)星時鐘。 誓3 時間差定位法 TDOA 時間差測距 TDOA …】是通過計算兩種不同無線信號 常使用無線電信號和超聲波 信號1到達未知節(jié)點的時間差，再根據(jù)兩種信號傳播速度來計算得到未知節(jié)點與錨節(jié)點 知節(jié)點的時間差，將其轉(zhuǎn)換成到兩個錨節(jié)點的距離之差，未知節(jié)點通過到多組錨節(jié)點的 距離之差得出自身的位置。因此TDOA定位在二維平面上的幾何意義為：得到未知節(jié) 點與兩個錨節(jié)點的距離之差，即可知未知節(jié)點定位于以兩個錨節(jié)點為焦點的雙曲線方程 上，通過測量得到未知節(jié)點所屬的兩個以上雙曲線方程時，這些雙曲線唯一的交點即為 未知節(jié)點的位置。 4 到達角定位法 AOA 基于zigBee技術的室內(nèi)定位系統(tǒng)研究與實現(xiàn) 到達角 AOA u11定位法通過陣列天線或多個接收器結(jié)合來得到相鄰節(jié)點發(fā)送信號 的方向，從而構(gòu)成一根從接收機到發(fā)射機的方位線。圖1．1所示為AOA定位法示意圖，未知節(jié)點N得到與錨節(jié)點Nl和N2所構(gòu)成的 角度之后就可以確定自身位置。采用混合定位法或者可以實現(xiàn)更高的精確度，減小誤差，或者可以降 低對某一種測量參數(shù)數(shù)量的需求。 1．3．2無需測距的定位技術 量此距離，而是僅根據(jù)網(wǎng)絡的連通性確定網(wǎng)絡中節(jié)點之間的跳數(shù)，同時根據(jù)已知位置參 考節(jié)點的位置等信息估計出每一跳的大致距離，然后估計出節(jié)點在網(wǎng)絡中的位置。該算法的中心思想是：未知節(jié)點以所有在其通信范圍內(nèi)的錨節(jié)點 的幾何質(zhì)心作為自己的估計位置。當未知節(jié)點在一段偵聽時間 內(nèi)接收到來自錨節(jié)點的信標信號數(shù)量超過某一個預設的門限后，該節(jié)點認為與此錨節(jié)點 連通，并將自身位置確定為所有與之連通的錨節(jié)點所組成的多邊形的質(zhì)心。 大連理工大學碩士學位論文 2 DV―Hop算法 與經(jīng)典的距離矢量路由算法比較相似。此信標在網(wǎng)絡 中被以泛洪的方式傳播出去，信標每次被轉(zhuǎn)發(fā)時跳數(shù)都增加l。通過這一機制，網(wǎng)絡中所有節(jié)點 包括其他錨節(jié)點 都獲得了到每一個錨 節(jié)點的最小跳數(shù)值。錨節(jié)點具有 到網(wǎng)絡內(nèi)部其他錨節(jié)點的跳數(shù)值以及這些錨節(jié)點的位置信息，因此錨節(jié)點可以通過計算 得到距其他錨節(jié)點的實際距離。如果一個節(jié)點能夠獲得到3個以上錨節(jié)點的估計距離，它就可以 利用三邊法估計其自身的位置。 在基于測距的方法中，未知節(jié)點只能獲得到自己射頻覆蓋范圍內(nèi)的錨節(jié)點的距離， 而DV Hop算法可以獲得到未知節(jié)點無線射程以外的錨節(jié)點的距離，這樣就可以獲得更 多的有用數(shù)據(jù)，提高定位精度。未知節(jié)點收集鄰居節(jié)點的梯度值，計 預先知道網(wǎng)絡的密度，然后離線計算網(wǎng)絡的平均每跳距離，最后當獲得3個或更多錨節(jié) 點的梯度值后，未知節(jié)點計算與每個錨節(jié)點的距離，并使用三邊測量法和最大似然估計 法估算自身位置。12l 在近似三角形內(nèi)點測試法 Approximate 中，一個未知節(jié)點從它所有能夠與之通信的錨節(jié)點中選擇3個節(jié)點，測試它自身是在這 3個錨節(jié)點所組成的三角形內(nèi)部還是在其外部；然后再選擇另外3個錨節(jié)點進行同樣的 測試，直到窮盡所有的組合或者達到所需的精度。 APIT算法在不規(guī)則傳播信號模式和節(jié)點隨機部署的條件下，通信開銷小，精度較 高，適合跟蹤等應用。 1．4 ZigBee定位技術研究現(xiàn)狀和發(fā)展 的無線定位問題的研究在國內(nèi)才剛剛起步，主要還處于利用國外芯片應用開發(fā)上面。不過在實際 應用中，因各種外部環(huán)境的限制，許多算法存在有待改進的方面。這四家公司分別是挪威的Chipon MCl3193。 現(xiàn)【131。國內(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 信息以及參考節(jié)點的坐標信息，即可輸出未知節(jié)點的坐標，在典型應用中可以實現(xiàn)3～ 5m的精確定位。 2 CC2430／ MCU+CC2420 +定位算法 利用CC2430實現(xiàn)網(wǎng)絡中節(jié)點的信息傳輸，將定位方法嵌入芯片內(nèi)部或在上位機集 中處理，其定位算法可以靈活選擇，本文就是使用CC2430芯片進行定位實現(xiàn)的。論文 通過對目前各種無線定位技術的分析研究，借鑒了無線局域網(wǎng)的經(jīng)典定位技術，利用 RSSI和LQI值進行定位，實現(xiàn)了一個定位跟蹤系統(tǒng)。全文共分為六個部分。對無線定位 算法進行了簡單的說明，探討了ZigBee技術的研究現(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)。 第3章實用室內(nèi)定位方法研究 對各種較實用的定位算法進行了研究，通過實驗，獲取了大量的測試數(shù)據(jù)。提出了自己的定位實現(xiàn)方案。 第5章定位系統(tǒng)功能測試 對定位系統(tǒng)進行了實際測試，總結(jié)優(yōu)缺點。并指出 了可以進一步研究的方向。在該部分中對自己的工作進行了總結(jié)，并針對論文 尚未解決的問題給出了改進建議。為了滿足對低功率，低價格無線網(wǎng)絡的需求，2000年12月，IEEE標準 委員會正式批準成立T80215412作組，其目標是：在廉價的、倒定或便攜的、移動的 裝置中，提出一個具有超低復雜度、超低價格、超低功耗、超低數(shù)據(jù)傳輸率的無線接人 Wireless Pe囂onalArea 標準。 曰 《 妒，～， ―；≤■：_ 目21 ZigBee與其他無線標準的對比 2I The andotherwirelessstandards Fig parisonofZigBee 浦等公司茫同宣布組成ZigBee技術聯(lián)盟，共同研究開發(fā)ZigBee技術。 大連理工大學碩士學位論文 中的位置。802．15．1標準即藍牙技術，具有中等速率，適合于從 標市場是工業(yè)、家庭以及醫(yī)學等需要低功耗、低成本無線通信的應用，對數(shù)據(jù)速率和 QoS的要求不高。 表2．1 ZigBee的主要技術特征 Tab．2．1Themain characterof technology ZigBee 特性 取值／狀態(tài) 頻段 868／915MHz和2．4GHz 868MHz：20kbps 數(shù)據(jù)速率 915MHz：42 kbps