【正文】 e 組網(wǎng) 協(xié)調(diào)器組建個 人局 域網(wǎng) (PAN)成功后，頻繁的以廣播方式向外發(fā)送信標幀，用來表示它的存在。此時，父節(jié)點要檢查自身的短地址資源，如果自身地址未滿，那么就可以為該子節(jié)點分配短 MAC 地址，只要節(jié)點接收到父節(jié)點為之分配的 16 位的短地址，那么在通信的過程中，將使用該地址進行通信。網(wǎng)絡層將不斷重復這個過程直到節(jié)點成功加入到網(wǎng)絡為止。 在 ZStack 中，一個具體的 Sample 應用組網(wǎng)過程如下：一個作為協(xié)調(diào)器編譯的Sarhple 應用將會組建一個網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡使用 DEFAULT CHANLIST 中說明的信道之一。 如果 ZDAPP_CONFIG_PAN_ID=0XFFFF，則基于它自身 IEEE 地址產(chǎn)生一個 隨機的 PAN ID。如果 ZDAPP_CONFIG_PAN_ID沒有被定義為0XFFFF，路由器將被限制僅僅加入那些被定義的 PAN ID。 如果 ZDAPP_CONFIG_PAN_ID 被定義為一個有效的 、 小于或等于 OX3FFF 的值，協(xié)調(diào)器將僅僅試圖 用這個特殊的 個 域網(wǎng) ID 建立一個網(wǎng)絡。新加入的路由器和終端將不會知道建立的“不沖突”的個域網(wǎng) ID 值，因此僅僅會加入特定的個域網(wǎng) ID。 作 為 協(xié) 調(diào) 器節(jié) 點 上 電掃 描 信 道 （ E D ） 并 檢 測 網(wǎng) 絡根 據(jù) 能 量 值 ， 選 擇 信 道 值獲 得 P A N I D組 網(wǎng) 成 功頻 繁 發(fā) 送 信 標作 為 子 節(jié) 點節(jié) 點 上 電接 收 信 標設 備 發(fā) 現(xiàn)修 改 自 身 P A N I D 和 信 道與 父 節(jié) 點 相 同發(fā) 送 入 網(wǎng) 請 求接 受 網(wǎng) 絡 加 入 請 求短 地 址 判 斷分 配 短 地 址發(fā) 送 入 網(wǎng) 響 應無 短 地 址入 網(wǎng) 失 敗發(fā) 送 連 接 失 敗 響 應已 滿未 滿成 功 加 入 網(wǎng) 絡休 眠 狀 態(tài)作 為 父 節(jié) 點 圖 29組網(wǎng)算法流程圖 ZStack 協(xié)議棧運行機制 一個完整的基于 ZStack 協(xié)議棧的應用程序主流程圖如圖 210 所示。在該循環(huán)中，操作系統(tǒng)不斷監(jiān)視系統(tǒng)的任務列表，根據(jù)任務的不同，操作系統(tǒng)分別做出不同的處理。 事件的激發(fā)方法和執(zhí)行順序是值得注意的，協(xié)議棧中通常使用三種函數(shù)進行事件激發(fā)，三種函數(shù)為 osal_start_timer()、 osal_start_timerEx()和 osal_set_event()。函 數(shù) osal_start_timer()也被用來開啟一個在 n 毫秒后到期的時鐘，當時鐘到期時，調(diào)用任務將獲得特定的事件，但使用時不用指明任務 ID。 關 全 部 中 斷電 源 檢 查存 儲 器 初 始 化開 發(fā) 板 初 始 化設 備 地 址 檢 查全 F F ’ s協(xié) 議 棧 初 始 化按 鍵O S 初 始 化O S 無 線 循 環(huán) 圖 210 ZStack 的運行機制流程 華北科技學院畢業(yè)設計（論文 ） 第 19 頁 共 49 頁 3 無線傳感 網(wǎng)絡中定位技術 介紹 無線傳感器網(wǎng)絡技術的應用主要是把大量的傳感器節(jié)點放置于需要監(jiān)測的區(qū)域，讓這些節(jié)點采集人們所感興趣的數(shù)據(jù)，之后通過無線傳輸?shù)姆绞桨?采集到的信息匯集到總處理器，總處理器通過分析數(shù)據(jù)得出所檢測區(qū)域的狀況。對于無線傳感網(wǎng)中定位技術的研究是非常有意義的。其中，到達時間差定位算法有不需要時間原點同步的特點，這將有助于在該算法的基礎上設計出更好的定位算法。 無線傳感網(wǎng)定位相關的基本概念 GPS(Global Positioning System)：即為人們所熟悉的全球定位系統(tǒng)。 錨節(jié)點 (Anchor Node)：指無線傳感器網(wǎng)絡中位置已經(jīng)事先知道的傳感器節(jié)點。它的主要功能是和其通信范圍內(nèi)的位置未知的節(jié)點進行數(shù)據(jù)交換從而確定它們的具體位置。 未知節(jié)點 (Unkown Node)：指無線傳感器網(wǎng)絡中位置未知的節(jié)點，該節(jié)點的位置信息需要通過一些方法測量得到。 鄰居節(jié)點 (Neighbor Nodes)：指在傳感器節(jié)點通信范圍內(nèi)的所有其他傳感器節(jié)點。 連通 (Connectible)：若兩個傳感器節(jié)點之間可以進行數(shù)據(jù)傳輸，則可以把這兩個無線傳感器節(jié)點稱為連通的。 錨節(jié)點密度 (Anchor Density)：指無線傳感器網(wǎng)絡中，錨節(jié)點個數(shù)占整個網(wǎng)絡中基于 ZigBee 技術的室內(nèi)無線定位技術設計 第 20 頁，共 49 頁 傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)的百分比。 非基于測距 (Rangefree)：指不需要距離的測量就能進行定位的方法。 非視距關系 (Nonline of sight, NLOS)：指兩個傳感器 節(jié)點之間有障礙物阻擋。定位的準確性指的是通過某定位算法求得的位置與實際位置之間的最大距離。對于定位性能的評價必須同時考慮定位的準確性和精確度。定位的誤差分為絕對誤差和相對誤差，絕對誤差指的是定位的位置與實際位置相差的距離，相對 誤差指絕對誤差與節(jié)點之間可以通信的最長距離的百分比。這些評價指標之間并不是孤立的，它們存在聯(lián)系。 華北科技學院畢業(yè)設計（論文 ） 第 21 頁 共 49 頁 表 31 定位技術的評價標準 名稱 描述 容錯性和 自適應性 通常情況下，定位算法運行時需要比較理想的環(huán)境，但在實際應用中，網(wǎng)絡節(jié)點會因為周圍環(huán)境和自身問題出 現(xiàn)失效的情況，這時就需要定位系統(tǒng)的軟、硬件具備很強的容錯性和自適應性。 代價 該項評價標準包含了時間代價、空間代價和資金代價等，其中資金代價是指實現(xiàn)一個定位系統(tǒng)所需的總費用，該項直接關系到定位系統(tǒng)的發(fā)展前景。例如，根據(jù)是否需要測量節(jié)點之間的距離，可以將定位算法分為基于測距 (Rangebased)的定位算法和非基于測距 (Rangefree)的定位算法。如果根據(jù)定位所得到的位置信息的類型，可以將定位算法分為絕對定位算法和相對定位算法。而非基于測距的定位算法則不需要測量距離和角度的信息，而是根據(jù)網(wǎng)絡拓撲結構等信息進行未知節(jié)點的定位。常用的非基于測距的定位算法有：質(zhì)心算法、凸規(guī)劃法、網(wǎng)絡多跳路由算法 (DVhop)?；跍y距的定位算法由于需要進過較為準確的距離 測量，所以它的定位精度比較好，但是在功耗和成本方面比較大。在實際的應用中應該根據(jù)需求的不同選擇不同的定位算法。目前，實際應用中廣泛使用的是基于測距的定位算法，本文所要研究的也是基于測距的定位算法。分布式定位算法是通過傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點之間相互交換信息，每個節(jié)點自行地計算出自己的位置，即把定位計算分散到每個節(jié)點中進行。但是它的缺點也是很明顯的，與中心節(jié)點較近的 節(jié)點要頻繁的傳遞信息，這將增加這些節(jié)點電量的損耗，當這些節(jié)點電量耗完時，可能導致較遠的節(jié)點無法與中心節(jié)點進行通信。但是這種定位算法缺點也有很明顯，就是定位的結果不是很準確。而相對定位則是先選取網(wǎng)絡中的某個節(jié)點作為定位的參考節(jié)點，其他節(jié)點 的位置都是相對于該節(jié)點的位置而言的。相對定位的優(yōu)勢在于應用方便，不需要復雜的坐標信息，確定出的節(jié)點位置方便理解。下面本文將介紹無線傳感網(wǎng)中幾種基于測距的定位算法，常見的幾種定位算法分別是：包圍盒定位法、基于 RSSI (接收信號強度 ) 定位法、基于 TOA (到達時間 ) 定位法、基于 TDOA (到達華北科技學院畢業(yè)設計（論文 ） 第 23 頁 共 49 頁 時間差 ) 定位法和基于 AOA (到達角度 ) 定位法。這種定位方法通過利用節(jié)點之間距離的估計值繪制出一個重疊的矩形區(qū)域，最后將這個矩形區(qū)域的中心當作未知節(jié)點的位置。 圖 31 包圍盒定位法原理圖 如圖 31 所示， A 和 C 都是位置已知的錨節(jié)點， B 是需要定位的未知節(jié)點。分別以 A 點為頂 點 為邊長 ,和以 B 點為頂點 為邊長作正方形，這兩個正方形會產(chǎn)生相交區(qū)域，如圖 31 中的陰影部分。包圍盒矩形區(qū)域的對角線交點就是節(jié)點 B 的估計位置。包圍盒定位技術的性能很大程度上依賴于錨節(jié)點放置的位置。可以使用更多的錨節(jié)點使未知節(jié)點的位置精確化。 基于 RSSI 的定位法 RSSI（ receive signal strength indicator）即為接收信號強度指示。人們在研究中發(fā)現(xiàn)，接收信號強度值與信號的傳播距離之間有著明確的關系。由于傳感器節(jié)點本身 就具備無線信號收發(fā)功能，所以基于 RSSI 定位的技術具有低功率和廉價的優(yōu)點。 為接收節(jié)點接收到與它相距的發(fā)送節(jié) 點發(fā)送信號的強度值，單位為 dBm，通常情況下，選取 為 1m。設 A 為信號傳播了 1 米后的信號強度，則上面的無線信號傳輸模型可以改寫為： (34) 通過式 （ 34） 可以看出，參數(shù) A 和 決定了接收信號強度值和信號傳播距離之間的關系。該算法的定位原理如圖 32 所示， A、 B 和 C 都是錨節(jié)點，位置分別為 、 和 ， M點為未知節(jié)點，設它的位置為 (x, y)。 華北科技學院畢業(yè)設計（論文 ） 第 25 頁 共 49 頁 圖 32 基于 RSSI 定位原理圖 根據(jù)信號強度值與傳輸距離的關系可以將 、 和 分別轉換成對應的距離 、 、 ,那么就可以建立方程 (35) 解 (35)的方程組可以得到 (x,y)，從而實現(xiàn)對未知節(jié)點 C位置的確定。但是影響 RSSI 值的因素有很多，例如多徑衰減，非視距的影響等，即使發(fā)送方和接收方的位置不改變，每次測距都可能產(chǎn)生很大的差異。因此基于 RSSI 的測距抗外界干擾的性能不強，隨著外界情況的惡化，測得的距離與真實距離偏差較大，從而會造成很差的定位效果?；?TOA 定位法就是利用無線信號在節(jié)點之間的傳輸時間來測量節(jié)點之間距離，然后對未知節(jié)點進行定位。 圖 33基于 TOA 定位原理圖 圖 33 表示在二維平面內(nèi)，用三個位置已知的錨節(jié)點對未知節(jié)點進行定位。 M節(jié)點在 時刻向 A、 B 和 C 廣播一個數(shù)據(jù)包，三個錨節(jié)點 A、 B 和 C 接基于 ZigBee 技術的室內(nèi)無線定位技術設計 第 26 頁，共 49 頁 收到該數(shù)據(jù)包的時刻分別是 ， , 。同理可得未知節(jié)點 M 與錨節(jié)點 B 和錨節(jié)點 C 之間的距離分別為 和 。 通過以上的描述可以看出，基于 TOA 的定位法不但 要求知道兩個節(jié)點之間傳輸信號的準確時刻，而且還要求定位系統(tǒng)有著精確的時間同步。 GPS 系統(tǒng)就是采用基于 TOA 的定位法，它的特點是能夠精確同步，但是造價昂貴且耗電量較大。三邊定位法是一種精確的定位方法，通過分別測量未知節(jié)點到三個不在同一直線上的錨節(jié)點的距離，再結合三個錨節(jié)點的坐標信息就可以得出未知節(jié)點的位置信息。圖 34 給出了三邊定位法的原理圖。距離差定位算法通過測量未知節(jié)點和錨節(jié)點之間的距離差值，從而對未知節(jié)點進行定位。未知節(jié)點的估計位置就在這 些雙曲線的相交區(qū)域。其次，需要將該時間差測量值轉化成未知節(jié)點到這兩個錨節(jié)點的距離差，這樣就可以利用已知信息建立起雙曲線方程，通過求解雙曲線方程組成的方程組能夠得出未知節(jié)點的估計位置。 下面本文將介紹 TDOA 定位算法中到達時間差的提取 和雙曲線方程的建立。 圖 35 TDOA 定位原理圖 圖 35 中表示的是在二維平面內(nèi)，使用 N 個錨節(jié)點對未知節(jié)點進行定位的情況。未知節(jié)點的坐標為 。假設錨節(jié)點 1 離未知節(jié)點最近，它是第一個接收 到未知節(jié)點信號的。這樣就可以得到 個雙曲線方程組成的非線性方程組。由式（ 37）可以得到： (39) 設 ，則： (310) 再對 式 (38)進行重新整理可以得到： (311) 將等式 (311)兩邊平方，再進 行整理可以得到： (312) 由式 (310)可得： (313) 把式 (310)和式 (313)帶入式 (312)，整理可以得到： (314) 其中， , 。通過以上處理之后，可以利用解線性方程組得到未知節(jié)點的 估計位置。也有的文獻中指出到達時間差的測量是通過測量兩種不同傳輸速度的信號到達同一地點的時間差異，將其轉化成兩個節(jié)點之間的距離，這不是本文所討論的概念?；?AOA 的定位法是當節(jié)點接收到信號時，通過利用天線陣列判斷信號源的方位，繼而進行定位。 三 角定位法主要是利用天線測得未知節(jié)點和錨節(jié)點之間的角度關系，然后根據(jù)錨節(jié)點的位置確定出未知節(jié)點的位置。 圖 36 三角定位法原理圖 圖 36 中， A、 B、 C 都表示位置已知的錨節(jié)點， D 表示的是未知節(jié)點。假設未知節(jié)點的坐標為 。對于節(jié)點 A，節(jié)點 C 和 來說，如果弧段 AC 在三角形 ABC 內(nèi)，那么能夠唯一確定一個圓，如圖中的圓 ，假設圓心 的坐標為 ，半徑為 。那么可以得到以下方程組： (315) 可以通過解 (315)的方程組可以得到圓心 的坐標和半徑。最后通過利用圓心 ， ， 和三邊定位法原理可以確定未知節(jié)點 D 的坐標。本文實現(xiàn)的系統(tǒng)就是在 ZigBee 網(wǎng)絡的基礎上，針對樓道及辦公室環(huán)境的定位跟蹤應用，通過定位跟蹤室內(nèi)人員、物品 (貴重設備、醫(yī)療器械等 )來進行實時監(jiān)測和管理。 定位系統(tǒng)結構圖 定位系統(tǒng)結構圖如圖 41 所示