【正文】 ，監(jiān)測人員的移動情況 。例如在超市、倉庫實現(xiàn)對貨品的無線定位后可以實現(xiàn)物流的自動管理 。 無線定位的應(yīng)用領(lǐng)域還有很多。 課題 研究 的背景 無線定位服務(wù)的發(fā)展始于美國。1999 年 FCC 對 E911 法進行修訂，對定位精度提出新的要求，極大的促進了美 國LBS(Location Based Service)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。這些服務(wù)主要應(yīng)用于 :公共安全，如緊急救援；報警信息發(fā)布，跟蹤業(yè)務(wù)，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(wù)：如車輛導航服務(wù)，城市觀光；基于 位置的信息發(fā)布等。現(xiàn)今實用的定位系統(tǒng)多半基于 GPS(Global Positioning System)技術(shù)，導致應(yīng)用成本較高。 另一方面，無線傳感器網(wǎng)絡(luò) (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。由于 WSN 的低成本、便于大規(guī) 模應(yīng)用，使得以 WSN 為載體的定位研究被給予了廣泛的關(guān)注。 在無線通信協(xié)議體系中， 是其中一種新興的協(xié)議標準，因其優(yōu)越性，它獲得了快速的發(fā)展。 20xx 年， ZigBee 聯(lián)盟在物理層和媒體接入控制層的基礎(chǔ)上對網(wǎng)絡(luò)層 (NWK)和應(yīng)用層 (APL)進行了具體定義，為用戶提供了大量的 API 函數(shù)，從而形成了完整的 ZigBee 協(xié) 議。 隨著對 ZigBee 技術(shù)研究的不斷深入，大量的實用 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。 在所有的定位實現(xiàn)中，室內(nèi)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。本文試圖利用 ZigBee 技術(shù)實現(xiàn)一種較低成本、較低復雜度的室內(nèi)定位系統(tǒng)。由于運用無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的大多數(shù)應(yīng)用中都需要知道節(jié)點的位置，所以人們不斷地尋找合適 的定位問題解決方案，不斷提高定位精度以便于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)更好地服務(wù)于人類社會。但是對于定位問題的研究還需要不斷深入。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中由于網(wǎng)絡(luò)的成本問題、耗電問題及網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點之間的距離有限，不能采用 GPS 技術(shù)實現(xiàn)定位。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中 ， 已有的針對定位問題的解決方案或多或少都存在著一些缺點 ：基于 RSSI 定位中，接收信號強度值會隨著距離的增長 而變得不準確，利用該技術(shù)的定位只能解決近距離的定位問題；基于 TOA 定位中，到達時間的測量要求網(wǎng)絡(luò)具備很好的時間同步，這大大增加了網(wǎng)絡(luò)的開銷，從而限制了基于達到時間定位技術(shù)的應(yīng)用；基于 TDOA 定位中，到達時間差的測量要么需要網(wǎng)絡(luò)同步，要么需要利用到超聲波。綜上所述，研究出更好的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位問題解決方案仍然是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域具有挑戰(zhàn)性的一項工作，這項研究將直接關(guān)系到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域是否能夠更加廣泛。近年來，廉價的 ZigBee 模塊構(gòu)建的傳感器網(wǎng)絡(luò)開始使用在控制、監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集等多種應(yīng)用領(lǐng)域，而 ZigBee 技術(shù)的低功耗、低成本、高容量、高可靠性的特點同樣也為構(gòu)建室外和室內(nèi)定位系統(tǒng)提 供一種很好的解決方案。在完成的定位系統(tǒng)中，能通過與其它監(jiān)控設(shè)備的協(xié)同工作完成數(shù)據(jù)的采集，以及對人員、物品等的位置監(jiān)測。 華北科技學院畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 第 5 頁 共 49 頁 本文主要工作及組織結(jié)構(gòu) 通過對定位技術(shù)的研究，本文以 ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò) 技術(shù)為基礎(chǔ)，詳細 講解了怎樣構(gòu)建 ZigBee 無線定位系統(tǒng)。該章節(jié)首先介紹了無線定位技術(shù)的出現(xiàn)以及發(fā)展歷程，并講解了目前無線定位技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。最后介紹了本文的組織結(jié)構(gòu)。 該章簡要介紹了 ZigBee技術(shù)的基礎(chǔ)知識 、 協(xié)議棧 、 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及協(xié)議棧相關(guān)的運行環(huán)境。 無線定位系統(tǒng)中，定位的參數(shù)、算法以及通 信技術(shù)三者必不可少。 第四章： CC2530 定位引擎工作過程及性能測試。 第五章， 實驗及結(jié)果分析 。 第 六 章：總結(jié)?；?ZigBee 技術(shù)的室內(nèi)無線定位技術(shù)設(shè)計 第 6 頁，共 49 頁 2 ZigBee 技術(shù) 簡介 ZigBee技術(shù)基礎(chǔ)知識 ZigBee 發(fā)展概述 近十年來，隨 著半導體 技 術(shù)和無線通信技術(shù)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(shù)。也就是要開發(fā)一種低速率的 WPAN(LRWPAN， LowRate Wireless Personal Area Network)標準。 20xx 年 11 月， IEEE 正式發(fā)布了該項技術(shù)的物理層和 MAC 層所采用的標準脅議，即 協(xié)議標準，作為 ZigBee 技術(shù)物理層和媒體接入層的標準協(xié)議 。 20xx 年 IEEE 發(fā)布了 協(xié)議標準修訂版。 標準即藍牙技術(shù)，具有中等速率，適合于從蜂窩電話到 PDA 的通信，其 QoS 機制適合于話音業(yè)務(wù)。 標準也就是 ZigBee技術(shù)，目標市場是工業(yè)、家庭以及醫(yī)學等需要低功耗、低成本無線通信的應(yīng)用，對數(shù)據(jù)速率和 QoS 的要求不高。 選擇 ZigBee 技術(shù)進行項目開發(fā)，是基于 其具有的諸多性能優(yōu)點。 ZigBee 技術(shù)的最大傳輸速率只有 250kbps，專注于低速率傳輸應(yīng)用。 ZigBee 技術(shù)采用了多種節(jié)電的工作模式，可以確保兩華北科技學院畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 第 7 頁 共 49 頁 節(jié)五號電池支持長達 6個月到 2 年左右的使用時間。 ZigBee 采用了 CSMACA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)的避免碰撞機制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突； MAC 層采用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸機制，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息，因此通信可靠性高。 (4)網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強。 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)增加或者刪除一個節(jié)點、節(jié)點位置發(fā)生變動、節(jié)點 發(fā)生故障等，網(wǎng)絡(luò)都能夠自我修復，并對網(wǎng)絡(luò)拓撲基于 ZigBee 技術(shù)的室內(nèi)無線定位技術(shù)設(shè)計 第 8 頁，共 49 頁 結(jié)構(gòu)進行相應(yīng)地調(diào)整，無需人工干預，保證整個系統(tǒng)仍然能正常工作。通常時延都在 15ms 到 30ms 之間，因此設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)傳送的延時時間很短，適合實時的監(jiān)測和控制應(yīng)用。設(shè)備的復雜程度低，且 ZigBee 協(xié)議是免專利費的，可以有效地降低設(shè)備成本。 (7)網(wǎng)絡(luò)容量大。 協(xié)議棧和 ZigBee 協(xié)議棧概述 協(xié)議棧 LRWPAN 是一種結(jié)構(gòu)簡單、低成本、低功耗的無線通信網(wǎng)絡(luò)，它的存在使得無線連接在低功耗和低數(shù)據(jù)吞吐量的應(yīng)用中成為可能。它具備以下主要特征 : (1)實現(xiàn) 20kb/s、 40kb/s、 100kb/s、 250kb/s 四種不同的傳輸標準。 (3)在網(wǎng)絡(luò)中采取兩種地址方式 :16 位地址和 64位地址。 (4)采用可選的時槽保障 (GTS， Guaranteed Time Slots)機制。 (6)支持 ACK 機 制以及保證可靠傳輸。 (8)信道能量檢測 (ED， Energy Detection)。 (10)工作在 ISM 頻段上，其中在 2450MHZ 波段上有 16 個信道，在 915MHZ 頻段上有 30個信道，在 868MHZ 上有 3個信道。 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議?；陂_放系統(tǒng)互連模型 (OSI)，如圖 21所示，每一層華北科技學院畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 第 9 頁 共 49 頁 都實現(xiàn)一部分通信功能，并向高層提供服務(wù)。 PHY 層由射頻收發(fā)器以及底層的控制模塊構(gòu)成。 MAC 子層為高層訪問物理信道提供點對點通信的服務(wù)接口。此外， MAC 層為實現(xiàn)適當?shù)陌?全機制應(yīng)用提供一 些方法。 ZigBee 協(xié)議棧概述 ZigBee 技術(shù)作為一種新興的低速率短距離無線通信技術(shù)，也是 ZigBee 聯(lián)盟(ZigBeeAlliance)所主導的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標準。每一層為上層提供一系列特殊的服務(wù)：數(shù)據(jù)實體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，管理實體則提供所有其他的服務(wù)。 ZigBee 協(xié)議體系架構(gòu)如圖 22所示。 定義的 PHY 層分別工作在兩個 頻段上： 868/915MHz 和 。 MAC 層采用 CSMACA 機制來控制信道接入，主要負責傳輸信標幀，同步以及提供可信賴的傳輸機制。網(wǎng)絡(luò)層的主要職責包括提供設(shè)備用來加入網(wǎng)絡(luò)和離開網(wǎng)絡(luò)的機制，提供數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)陌踩珯C制和路由機制。 ZigBee 協(xié)調(diào)器的 NWK 層還必須負責啟動一個新的網(wǎng)絡(luò)，給新的關(guān)聯(lián)設(shè)備分配地址等工作。 ZigBee 應(yīng)用層包括應(yīng)用支持子層 (APS)， ZigBee 設(shè)備對象 (ZDO)以及用戶定義應(yīng)用對象。設(shè)備綁定表用于根據(jù)設(shè)備間提華北科技學院畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 第 11 頁 共 49 頁 供的服務(wù)和需求來匹配設(shè)備并儲 存相關(guān)設(shè)備信息。 ZigBee 設(shè)備對象 (ZDO)還要負責網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的發(fā)現(xiàn)及判定對方提供服務(wù)類別。 FFD 和 RFD 的不同是按照節(jié)點的功能區(qū)分的，一個 FFD 可以充當網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器和路由器，因此 一個網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)該至少含有一個 FFD。 在 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中，將兩種物理設(shè)備定義成了三種邏輯設(shè)備類型：協(xié)調(diào)器、路由器、終端設(shè)備。設(shè)備類型不會以任何方式限制可能應(yīng)用在特定設(shè)備上的應(yīng)用類型。它是網(wǎng)絡(luò)中的第一個設(shè)備?？蛇x擇地，協(xié)調(diào)器 節(jié)點也能被 用來設(shè)置網(wǎng)絡(luò)中的安全性和應(yīng)用水平的綁定。一旦這些完成以后，協(xié)調(diào)器與路由器的功能就一樣了 (甚至可以斷開 )。 基于 ZigBee 技術(shù)的室內(nèi)無線定位技術(shù)設(shè)計 第 12 頁，共 49 頁 圖 24 路由器功能模塊示意圖 （ 2） 路由器 ,路由器執(zhí)行的功能有 :① 允許其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)； ② 多跳路由； ③ 輔助它的電池供電的子終端設(shè)備通信。而不能使用電池供電。當 一 個子節(jié)點 需要發(fā)送一個信息的時候，這個子節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)到它的父路由器。這使得終端設(shè)備可以回到休眠狀態(tài)，從而達到省電的目的。終端設(shè)備僅僅周期性的向它的父節(jié)點發(fā)送或接受來自它的父節(jié)點的數(shù)據(jù)。 華北科技學院畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 第 13 頁 共 49 頁 在能量管理方面，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器與路由器需要突發(fā)的處理一些請求，包括入網(wǎng)、退出網(wǎng)絡(luò)以及數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn) 等功能，一般情況下，使用永久性電源；若終端節(jié)點在大部分的時間里都處于休眠狀態(tài)就可以采用電池供電。 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)主要有三種組網(wǎng)方式。 如圖 26 中 (a)所示，星型網(wǎng)絡(luò)是 一 個輻射狀系統(tǒng)，數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)命令都是通過中心節(jié)點傳輸。星狀拓撲結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點就是結(jié)構(gòu)簡單，這種簡單帶來的是很少有上層協(xié)議需要執(zhí)行、較低的設(shè)備成本、較少的上層路由信息和管理方便。由于把每個終端節(jié)點放在中心節(jié)點的通信范圍之內(nèi)，這必然會限制無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，并且星形拓撲很難實現(xiàn)高密度的擴展。到目前為止，星形拓撲是最常見的網(wǎng)絡(luò)配置結(jié)構(gòu)，被大量的應(yīng)用在遠程檢測和控制中。若干個星形拓撲連接在一起，擴展到更廣闊的區(qū)域。但是樹形結(jié)構(gòu)不能很好的適應(yīng)外部的動態(tài)環(huán)境。樹形拓撲的最佳應(yīng)用是在穩(wěn)定的無線電射頻環(huán)境中，也可以很好的用在一些簡單的低數(shù)據(jù)量的大規(guī)模集合的應(yīng)用之中。網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點都是一個小的路由器，都具有重新路由選擇的能力，以確保網(wǎng)絡(luò)最大限度的可靠性，可以看出網(wǎng)絡(luò)中任意兩個節(jié)點的通信路徑不是唯一的。這樣信息傳輸?shù)臅r間更加依賴瞬時網(wǎng)絡(luò)連接質(zhì)量，因而難以預計。 ZStack 是 ZigBee 技術(shù)的核心軟件，是開發(fā) 關(guān)產(chǎn)品的關(guān)鍵軟件， ZStack 符合 ZigBee20xx 規(guī)范的要求，并且在硬件上支持 CC2530，CC2530 以及 MSP430 平臺。本文構(gòu)建的定位系統(tǒng)是以 ZStack 協(xié)議棧為基礎(chǔ)的，網(wǎng)絡(luò)中按照節(jié)點完成的功能分為參考節(jié)點、定位節(jié)點。 ZStack 運行在 IAR 以上的集成開發(fā)環(huán)境， IAR 運用 C51 編譯器，是一個與 KELLC51 類似的，功能強大的 C51 編譯器 /IDE/DEBUG 開發(fā)平臺。 ZStack 是完全符合 ZigBee20xx 標準的，其協(xié)議棧結(jié)構(gòu)也與 ZigBee 規(guī)范完全吻合。 HAL(Hardware Abstract Layer)層為硬件抽象層，在該層中根據(jù)用戶硬件平臺的不同，給出了各種不同的硬件資源，如按鍵、發(fā)光二極管、串口、定時器以及 ADC 等各種硬件設(shè)各的功能函數(shù)定義。 MAC 以及 NWK 層主要實現(xiàn)了 ZigBee 標準的媒體接入控制層和網(wǎng)絡(luò)層。 Tools 是配置文件，通過對其內(nèi)部文件的修改可以設(shè)置網(wǎng)絡(luò)的信道編號和 PAN ID 號，并且最重要的一個功 能是通過設(shè)置其相應(yīng)的文件包含可以預定義節(jié)點的邏輯類型 ， 即協(xié)調(diào)器，路由節(jié)點或者是終端設(shè)備節(jié)點。 ZMain 是應(yīng)用程序的主函數(shù)，每個應(yīng)用程序都是從 ZMain 函數(shù)作為入口，首先是硬件初始化，存儲器初始化最后是操作系統(tǒng)無限循環(huán)。各層之間通過各層的 API 函數(shù)實現(xiàn)相互連接和通信，最終達到完整有效的 運行。 OSAL 運行機制 OSAL(Operator System Abstract Layer，操作系統(tǒng)抽象層 )層是與協(xié)議棧相獨立的，但是整個協(xié)議棧都要基于本操作系統(tǒng) (OS)才能正常運行，或者說協(xié)議棧運行在本層之上。 下 一 個 激 活 任 務(wù)執(zhí) 行 激 活 任 務(wù)開 始激 活 任 務(wù) ？NY 圖 28 OSAL操作系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度流程 具體來說， OSAL 是一個基于任務(wù)調(diào)度機制的操作系統(tǒng)。每個任務(wù)都包含若干個事件，每個事件都對應(yīng)一個事件號。 OSAL 中的任務(wù)可以通過任務(wù)處理 API 函數(shù)添加到系統(tǒng)中，這樣就可以實現(xiàn)多任務(wù)機制。 ZigBe