基于Zigbee无线定位技术研究毕业论文.doc

基于zigbee的无线定位技术研究 摘要：随着现代通信技术和无线网络的快速发展，人们对定位与导航的需求日益增大，尤其在复杂的室内环境，但是受定位时间、定位精度以及复杂室内环境等条件的限制，比较完善的封闭空间定位技术目前还无法很好地利用。本文的重点就在于设计并实现了一种低成本、实用的无线传感器定位系统。 本论文主要研究了基于zigbee网络的室内无线定位技术，它包括硬件平台、节点通信程序和上位机监测软件三部分。本文详细介绍了三部分的实现。其中，硬件平台以集成了射频与51微控制器的cc2430芯片为核心，该平台包括射频模块、辅助电路、功能指示电路等。 论文最后对定位系统进行了实际测试。测试表明:本系统达到了设计要求，是一个低成本、易实现的系统。关键词： zigbee 无线定位 cc2430 z-stack the research wireless localization based on zigbee teacher：liu zhi (changchun university of science and technology of electronic information engineering institute,060412225 wang meng) abstract： with the rapid development of modern communication technology and wireless network,peoples demand for positioning and navigation is increasing. especially in complex indoor environments, but as the limitation of positioning time, positioning accuracy as well as the complexity of the indoor environment conditions, well-positioning technology is still unable to be used in an encloseure space. the combination of zigbee technology and localization is one of the key researches.this paper, aiming at zigbee network, investigates the indoor wireless location techniques and implements a real-time localization system. this paper achieves a localization system. three parts are included. they are hardware platform, communication program of nodes and pc monitor software. the achievement of every part is clear introduced in this paper. the core of hardware platform is cc2430 which is integrated by rf and 51 mcu, the localization nodes are designed and made. it includes rf module, auxiliary module and function indication circuits. in the end, practical test is implemented. this system is confirmed to be a good one, it is a low cost and easy achieved system.keywords: zigbee wireless localization cc2430 z-stack 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用a4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订引 言1第一章 绪 论21.1 课题研究背景与意义21.2 基于测距的定位技术介绍21.3 国内外研究现状31.4 无线定位系统未来发展趋势3第二章 zigbee技术概述52.1 zigbee简介52.2 zigbee网络的构成52.2.1星状网络拓扑62.2.2对等网络拓扑72.3 zigbee协议的研究82.4 zigbee技术应用前景8第三章 基于zigbee技术定位系统的设计103.1 zigbee定位技术的介绍103.2 系统所采用的算法介绍113.2.1 基于rssi测距算法113.2.2三边测量法113.3 系统硬件设计123.3.1硬件总体规划123.3.2无线通信芯片cc2430123.3.3 cc2430射频模块设计133.3.5定位节点软件设计16第四章 定位功能测试204.1 测试条件与环境204.2测试结果20第五章 结 论21致 谢23参考文献2426引 言无线网络系统源自美国军方的“电子尘埃（emote)”技术，是目前国内、外研究的热点技术之一。该系统基于ieee802.15.4规范的无线技术，工作在2.4ghz，用于个人区域网和对等网状网络。zigbee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术。他是一种介于红外无线技术和蓝牙之间的技术提案。主要用于近距离无线连接。它依据802.15.4标准。在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很小的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。相对于现有的各种无线通信技术，无线zigbee网络技术将是近距离通信最低功耗和成本的技术。这一技术目前正向工业、民用方向推广和发展，市场前景广阔。包括国家863计划等项目都在进行相关的研究工作。因此，本文介绍的基于zigbee技术的嵌入式无线网络平台，这一无线网络平台可应用于工业控制、信息家电、保安系统、环境监测、港务运输、煤矿安全、农业自动化合医疗监护设备等许多行业和设备。具有广泛的适应性。并能弥补其他无线通信技术的不足，保证其安全性，降低服务成本。 第一章 绪 论 1.1 课题研究背景与意义 无线定位系统最初是为拉满足远程航海等要求产生的。随着科学技术的发展，无线定位服务逐渐走进人们的生活。1996年，两帮通信委员会制定啦e-911服务，要求所有无线业务提供商在移动用户发出紧急呼叫时，必须向安全服务系统提供用户的位置信息和终端号码。以便对用户提供紧急救援行动。此后定位服务就走向人们的生活的各个领域。在军事上、商业上、生活中都发挥着其不可忽视的作用。 无线定位在实际应用中有两种意义，自我定位和基于网络定位。其中自我定位是指被定为节点通过测量自己相对某个已知位置发送器的距离或者方向来确定自己的位置；而基于网络的定位则利用一系列的测量方法和算法估算自己在网络中的位置。 无线通信技术的成熟和发展带动啦新兴无线业务的出现，越来越多的应用都需要自动定位服务。gps的出现解决啦军事和民用的很多实际问题。但是，当需要定位的物体位于建筑物内部时，其定位精度就明显下降，甚至无法工作。而且处于其成本高，能耗大等因素，许多情况下他们不适合在室内或者是小范围内区域的环境中使用。因此，必须研究的室内定位技术以弥补gps的不足。目前，常见的技术有红外技术，以zigbee/ieee 802.15.4为代表的无线局域网技术，超声波技术和rfid技术。而基于zigbee技术的定位系统，又以其功耗低，成本低，体积小等一系列的优点而近年来倍受人们青睐。 1.2 基于测距的定位技术介绍 基于测距的技术，首先要测量被定为节点和参考节点之间的距离和方向，然后计算定位节点的位置。 定位的测量方法有很多种：如基于aoa的方法、基于tdoa的方法、基于toa的方法。这里我们主要介绍基于rssi测量方法。 基于rssi测量方法：首先根据发射节点和接收节点的信号强度值，计算出信号在传播过程中衰减程度；然后再利用理论和经验模型将传输损耗转换成距离；最后利用三边测量法或三角测量法计算出节点的位置，因此rssi法需要多个参考节点。 由于rssi测量法是利用信号衰减程度来进行测距的，所以周围环境对信号的传播有很大的影响，如温度、障碍物等对信号衰减程度就会造成很大的影响，此外无线传输芯片所使用的天线也在很大程度上对信号产生一定的影响。但由于目前很多无线传输模块都可以直接测量信号衰减的rssi值，因此这种方法的定位无需额外的硬件设备，满足现在低功耗、低成本的发展趋势。如果我们在具体应用中，根据具体的应用环境，找出一个最适合的经验模型，再用一些修正的算法对定位误差加以修正，这无疑是一个十分好的定位算法。 此外还有一些不太常用的用于定位测距的算法，如接收信号相位差（pdoa）、近场电磁测距(nfer)等方法。而且我们还可以根据环境的要求使用混合的定位测距方法。如cricket系统即使用啦tdoa和pdoa混合的定位方法。1.3 国内外研究现状 1992年，英国剑桥orl的actice badge系统是最早期的室内定位系统之一。 1998年，由microsoft公司开发的radar定位系统利用“指纹识别法”技术定位，他是基于rssi技术的室内无线射频定位系统，利用信号传播模型和经验测试相结合的场景法定位。 1999年，bat system作为active badge系统的后继发展，实现啦最高达3cm的定位精度，他是使用超声波和设频信号收发器，基于toa技术定位的一种定位系统。 2000年，由麻省理工大学研制的cricket系统从硬件的尺寸和价格上都有所突破，是现在仍在使用的室内定位系统之一。 2001年，基于tdoa测距的ahlos系统使用啦一种迭代的定位算法。 2002年，加利福尼亚大学的calamari系统是一种为传感器网络设计的ad-hoc定位系统，他同时采用拉toa和rssi两种技术进行定位。 无线定位系统在中国的发展起步比较晚，但发展速度非常快。很多大小型公司都相继推出自己的定位解决方案。其中比较典型的有：中兴的cdma移动通信系统定位业务解决方案，康柏电脑公司的移动定位服务解决方案，中软安人的3g车载无线定位系统以及苏州工业园区的基于wi-fi的实时定位系统等等。由于近两年zigbee技术在国内的兴起，又有很多家小公司做起啦基于zigbee技术的定位系统，并且都达到不错的定位效果。其中包括：赫立讯的无线定位解决方案，深圳金图旭昂的zigbee无线定位方案以及北京博控的zigbee定位产品在消防中的应用等等。此外，成都的无线龙通讯科技有限公司还在2008年初，特意推出啦一本关于zigbee定位技术的书，也引起啦不错的反响。 1.4 无线定位系统未来发展趋势随着无线定位系统在国内外突飞猛进的发展，近年来涌现出啦越来越多的无线技术，这些技术在定位行业的发展上也起到啦很大的作用。从一开始at&t cambridge 研究室研制的基于红外技术的有源标签用于室内物体的定位开始，到基于ieee 802.11 的无线局域网定位系统，再到使用超声波技术的cricket系统和基于rssi技术的spoton系统。用于定位的无线技术发展得很迅速。目前，出啦上述技术外，围绕微雷达技术和uwb技术的定位研究也在进行中。2006年根据ieee802.15.4a标准制定的nanotron公司的css定位系统又进一步淘汰啦uwb的方案。而刚刚推出的zigbee技术又以低价格、低功耗等一定的特点在市场上占有拉一定的优势。由于zigbee技术是一门新推出的无线通信系技术，仍有很大的发展前景，所以放眼未来，使用zigbee技术作为无线定位系统的组网基础无疑会成为无线定位系统最好的选择。第二章 zigbee技术概述 2.1 zigbee简介 zigbee技术是由英国invensys公司、口本二菱电气公司、美国motorola公司以及荷兰philips等公司于2002年共同提出的，其目的是用来设计开发具有低成本、低速率、低功耗的无线通信网络系统。在此项技术推出的同时，上过几家公司宣布组成zigbee联盟，该联盟致力于定义允许不同厂商制造的设备相互兼容的应用纲要。到目前为止，除了上面提到的invensys等国际知名的大公司外，还有许多来自各个国家的公司也加入其中，如中国的华为技术有限公司等，zigbee联盟的成员企业已经达到了200多家。其中包括了芯片制造商、系统集成商、消费类电子厂商及软件开发商等等，而且，这个联盟还在不断地发展壮大。 2003年11月，ieee正式发布了ieee 802.15.4办议标准，该标准作为zigbee技术的物理层和mac层协议标准，网络层协议标准由zigbee技术联盟制定，应用层根据用户自己的应用需要进行开发。2004年末，zigbee联盟正式发布了该项技术标准，进一步推进了该技术的实际应用，许多生产商相应的推出了户己的芯片产品和开发系统，如freescale的mc13192, ti公司的chipcon系列cc2430 , cc2431 , jennic的jns 121以及韩国radiopulse公司的mg2455 等等。 zigbee技术的主要特点包括：成本低，模块的初始成本估计在6美元左右，最终目标要在1美元以内，而且zigbee协议是免专利费的；可靠性高，采用碰撞避免机制，同时为了保证传输数据的可靠性，建立了完整的应答通信协议；具有安全保密性，zigbee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用aes-128(advanced encryption standard)算法对传输数据进行加密；网络容量大，可支持多达65000个设备节点；功耗低，可以采用休眠模式，两节五号电池可支持长达半年以上的使用时间，当然不同的应用功耗是不同的。 2.2 zigbee网络的构成 zigbee网络层支持三种网络拓扑结构。分别为：星状网络拓扑、树状网络拓扑以及网状网络拓扑结构。在星状网络中，网络主要由zigbee协调器控制，它主要负责网络中设备的初始化和维护工作。星状网中的其他设备叫做终端设备，直接和协调器进行通信。在树状和网状网络中，zigbee协调器主要负责形成网络和选择网络主要参数，然后通过路由节点扩张网络。在树状网络中，路由节点使用等级路由机制进行数据的传输和控制信息，树状网络可以使用信标使能的通信。网状网络允许全对等通信，但是网状网络中的路由节点发送的不是标准信标帧。 但是从功能上主要分为星状网络拓扑结构和对等网络拓扑结构两种类型。其中树状网络和网状网络同属于对等网络拓扑结构。下面分别对这两种网络拓扑结构进行介绍。 在介绍具体网络拓扑结构之前先介绍两个概念：全功能设备(full functiondevice, ffd和精简功能设备(reduced function device, rfd) 。 ffd的特点有：支持任何网络拓扑结构、可以成为网络协调器或路由器、可以充当网络中的任何设备以及能和任何设备通信；rfd的特点有:不能成为网络协调器、不能有子节点、只能和自己的父节点通信。 2.2.1星状网络拓扑 星状网络拓扑结构如图2-1所示。星状拓扑网络结构由一个叫作个域网(personal area network, pan)主协调器的中央控制器和多个从设备组成，其中主协调器必须为ffd设备，从设备既可为ffd设备也可为rfd设备。 图2-1星状网络拓扑结构图 星状网络拓扑结构的形成：首先选择一个具有全功能的设备(ffd)做为网络的pan主协调器，然后由它来建立一个新的网络，并确定该网络的唯一的一个pan标识符，即panid号。每个星状网络中只有唯一的一个pan主协调器，所以每个星型网络通信都是独立于当前其他星型网络的，所以应该选择一个新的panid号以确保网络的唯一性，这种特点是zigbee技术所特有的。当协调器建立了新的网络以后，其他从设备就可以加入到这个网络之中，做为这个星状网络的子节点。其中，从设备可以是ffd设备，也可以是rfd设备。 目前，星状网络拓扑结构以其结构简单、实现起来比较容易等特点而被大量应用在远程监测和控制中。星状网络结构的简单主要体现在紧需要执行很少的上层协议、对路由功能的控制相对容易，而且方便管理。大部分管理工作都是由pan 协调器来完成的。但是由于其只能实现简单的网络，所以在大规模组网的场合里便无法应用，而且如果通信中某个节点的断开，便会对其他节点的通信造成影响，一定程度上限制了无线网络的覆盖范围，同时星状网络拓扑结构也很难实现高密度的扩展。 2.2.2对等网络拓扑 zigbee网络中的树状网络拓扑和网状网络拓扑两种结构同属于对等网络拓扑形式，其中树状网络拓扑结构如图2-2所示，其中防调器和路由器都是ffd设备，终端设备为rfd。终端设备节点只能与自己的父节点进行通信，从属于不同父节点的子节点之间不能进行通信。 图2-2树状网络拓扑结构图 网状网络拓扑结构如图2-3所示，网状拓扑网络中的所有节点都是ffd设备。节点间是完全对等的通信，每个节点都可以与它的无线通信范围内的其它节点通信，但也需要有一个节点作为网络防调器，通常把第一个在信道中通信的节点作为防调器节点。 图2-3网状网络拓扑结构图 其中树状网络中任何一个节点的故障都会使与其相连的子节点部分脱离网络。如果在稳定的无线电射频环境中，需要有一定的网络覆盖范围，而且网络有一定的稳定性和扩展性，那么树状网络拓扑将是一个很好的选择。 2.3 zigbee协议的研究 zigbee协议栈的体系结构是由物理层(physical layer,phy) ,媒体访问控制层(medium access control sub-layer, mac)、网络层(network layer, nwk）和应用层(application layer, apl）组成的。其中，phy层和mac层协议由ieee 802.15.4定义，网络层和应用层的协议由zigbee联盟定义，而应用层又包含应用支持子层(application support sub-layer, aps),应用框架(application framework, af), zigbee设备对象(zigbee device objects,zdo)和由制造商制定的应用对象。其中各个层之间的通信是通过各层的数据或管理服务接口实现的。 2.4 zigbee技术应用前景 zigbee标准的制定不是用来与蓝牙及其它已经存在的标准竞争的，它的出发点是希一望能够实现一种易布建的低成本无线网络。在产品发展初期，以工业或企业市场的感应式网络为主，提供感应辨识、灯光和安全控制等功能，慢慢地逐渐将市场拓展至家庭应用领域。通常zigbee技术适用的场合主要有：要求设备成本低，数据传输量少的应用；要求设备体积小、功耗低，长时间无需更换电池的场合；需要大范围的通信覆盖，网络中设备非常多的远程监控中。 由于zigbee标准还制定了能使不同制造商之间共享网络资源的应用框架，其目标定位在现存的系统还不能满足产品需求的特定的市场，因而有着广阔的应用前景。其应用领域主要包括以下几个方面：家庭和楼宇网络中涉及到的空调温度的监控、照明设备的自动控制、电表和水表的计量控制、窗帘的自动控制、家用电器的远程控制等；工业控制中涉及到的各种监控器、传感器的自动化控制等；商业领域的智能标签等；公共场所的烟雾探测器等；农业控制上收集各种土壤信息和气候信息等；以及老人与行动不便者的紧急呼叫器和医疗传感器等等。 无论学术界还是实业界，人们看重zigbee还有更重要的一点：zigbee技术为酝酿了20余年的普适计算理论，首次提供了一个从理论走向现实的技术平台。zigbee标准的普及，可以说是计算技术第四次浪潮的第一波。随着微电子技术、计算机技术的不断发展进步，微处理芯片的组网功能会进一步加强，使得智能传感器与无线通信网络的结合将会变得更加容易。应用高性能的嵌入式处理器可以使信息网络的功能越来越强，相信在不久的将来，我们周围的生活环境将是无所不在的网络。 第三章 基于zigbee技术定位系统的设计 3.1 zigbee定位技术的介绍 随着无线技术在定位领域的迅猛发展，近些年来逐渐出现了很多用于定位的无线通信技术，比较典型的有红外技术、超声波技术以及同时兼顾定位精度和成本考虑的rfid方案。随着zigbee协议的推出，人们便开始了基于zigbee技术定位的研究。2006年，德州仪器(ti)公司率先推出了一款带有定位引擎的并且满足zigbee协议的片上系统(soc)解决方案cc2431。这款来自chipcon产品系列的器件可满足多种应用要求，其中包括资产和设备跟踪、库存控制、病人监护、远程控制、安全监控网络等。此外，ti领先的zigbee协议栈z-stack还可提供相关支持。 cc2431建立在业界首款针对低功耗rf应用的soc解决方案cc2430的基础上的，封装小、功能强。它内置有摩托罗拉为其专门设计的一款定位引擎，是基于接收到的信号强度rssi测量的定位引擎，其中rssi值随距离增大而减小。cc2431基于rssi的定位引擎能根据接收信号的强度与已知cc2430参考节点的位置准确计算出有关节点的位置，然后将位置信息发送给接收端，如电脑、pda、手机等。相比于集中型的定位系统，rssi功能降低了网络流量与通信延迟，在典型应用中可实现3-5m的精度。 除了使用像cc2431这种带定位功能的zigbee芯片之外，近两年已经有越来越多的企业、研究所和高校在从事研究利用zigbee网络进行定位的工作。都是利用一些已有的或是经过改进的一些定位算法，再利用zigbee技术的组网功能进行位置的估计。并且有些地方已经进行了实际应用，例如，停车场车辆定位、矿井下人员定位、发生火灾时消防队员的定位以及医院或家庭里老人或重病人的定位监护等等。随着定位技术和无线传感器网络技术的不断发展，基于zigbee网络的定位技术在未来人们生活中将会得到越来越多的应用。 本论文所设计的系统就是利用zigbee网络，以及已有定位算法所开发出的一套基于zigbee技术的无线定位系统。对系统的设计包括：对定位系统所采用算法的选择、硬件芯片的选取及外围电路的设计以及各部分软件功能的实现。下面将对各个部分的设计做详细的介绍。 3.2 系统所采用的算法介绍 3.2.1 基于rssi测距算法 由于传感器节点自身具备通信能力，通常通信控制芯片都有测量rssi值的功能，所以利用这种技术来测距可大大地降低功率和成本。但这种方法的不足就是直接使用时会有很大的误差，其误差主要来源于信号实际传播的过程中周围环境影响造成的信号衰减与理论或经验模型不符，从而造成实际测量的误差。 radar系统是使用rssi测距的最典型的系统。在radar系统中，忽略了走廊以及楼梯等的影响，主要考虑建筑物墙壁对信号传播的影响，建立了信号衰减和传播距离间的关系模型，如公式(3-1)所示： (3-1) 其中p(司表示基站接收到用户的信号强度；表示基站接收到在参考节点发送信号的强度，假设所有节点的发送强度相同；n表示参考节点和路径损耗之间的比例因子，依赖十建筑物的结构和使用的材料；表示参考节点和基站的距离；d表示需要计算的节点和基站的距离；表示节点和基站间墙壁个数；c表示信号穿过墙壁个数的闽值；waf表示信号穿过墙壁的衰减因子，依赖于建筑物的结构和使用的材料。 本文以上述模型为理论基础，参考cc2431定位模型，根据具体环境的要求，反复进行实验测试，设计了如下的参考模型，作为利用rssi测距的理论模型依据(如公式(3-2)： (3-2) 其中，a为一个经验值，要在实际使用环境中去测量它的值，在本文中，我们根据使用环境，多次测量取平均值，最后我们选择40为a的经验值；b是信号接收节点距离发射节点1米时，信号衰减值，在此处为20；d为发射点到接收点的距离。这里需要强调的是，rssi的值是一个负数值，所以在上面的公式中我们取rssi的绝对值。这样我们根据这个模型，就可以在测量到rssi值以后，通过计算得到相应的距离值。 3.2.2三边测量法三边测量法，已知a,b,c二个节点的坐标分别为（）、（）、（）以及它们到未知节点。的距离分别为 , , ,假设节点o的坐标为(x,y)。 那么存在下列公式: (3-3) (3-4) (3-5)由上式可以得到节点o的坐标，如公式(3-6): (3-6) 3.3 系统硬件设计 3.3.1硬件总体规划定位节点硬件设计框架如图3-1所示。硬件电路设计包括两部分:无线通信模块设计和辅助功能模块设计。无线通信模块为节点间的无线数据收发接口，它是节点核心部分。辅助功能模块完成定位状态指示、供电、串口通信等辅助功能，它通过rs232串口转换电路实现pc机与协调器节点间的数据传输。为了降低开发成本，硬件平台没有按节点功能分别单独设计，而是将所有功能放在了一个平台上。根据节点实际功能要求，只需焊接所需器件即可。 图3-1 节点硬件设计框图 3.3.2无线通信芯片cc2430cc2430芯片为chipcon公司生产的2.4 ghz射频系统单芯片。它沿用了以往cc2420芯片的架构，在单个芯片上整合了zigbee射频(rf)前端、内存和微控制器。它使用1个8位mcu(8051)，具有128 kb可编程闪存和8 kb的ram，还包含模拟数字转换器(adc)、几个定时器(timer), aes 128协同处理器、看门狗定时器(watchdog timer),32 khz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路(power on reset)、掉电检测电路(brown out detection)，以及21个可编程vo引脚。cc2430芯片采用0.18urn cmos工艺生产，工作时的电流损耗为27 ma。在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27 ma或25 mao cc2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。 cc2430的主要性能参数如下： (1)工作频带范围:2.400-2.4835ghz; (2)采用ieee 802.15.4规范要求的直接序列扩频方式; (3)数据速率达250kbps，码片速率达2mchip/s; (4)采用o-qpsk调制方式; (5)超低电流消耗(rx: 18.8ma，tx: 17.4ma)，高接收灵敏度(-95dbm); (6)抗邻频道干扰能力强(30/45db); (7)内部集成有vco, lna, pa以及电源整流器，采用低电压供电(2.1-3.6v); (8)输出功率编程可控; (9) ieee 802.15.4 mac层硬件可支持自动帧格式生成、同步插入与检测、16bit crc校验、电源检测、完全自动mac层安全保护(ctr, cbc-mac, ccm); (10)与控制微处理器的接口配置容易(4总线spi接口); (11)开发工具齐全，提供有开发套件和演示套件; (12)采用qlp-48封装，外形尺寸只有7x7mm。 3.3.3 cc2430射频模块设计无线通信模块包括cc2430芯片及其相关外围电路。由于cc2430将8051内核与无线收发模块集成到了一个芯片当中，从而简化了电路设计过程，省去了单片机和无线收发芯片之间接口电路的设计，缩短了硬件开发周期。本将cc2430芯片引脚全部引出，便于定位功能模块功能扩展。对射频电路来说，解决好器件间干扰问题是至关重要的。建议无线通信模块采用pcb双层板，顶层用于信号线布线，底层用于电源和地布线，在无布线的开放区域采用少量过孔相连到地。另外，务必使cc2430芯片底部可靠接地。外围器件尺寸尽量小，可使用0402规格组容器件。如果使用pcb天线，为了减少板材对pcb天线的影响，使天线获得最佳性能，可以采用rf4板材，板材介电常数为4.5.厚度为1 mm，敷铜厚度为0.35um。辅助功能模块pcb制作无特殊要求。 3.3.4功能模块设计 辅助功能模块包括供电电路、串口电路、功能指示电路等。实际中的各种节点根据功能要求，分别选取所需部分电路焊接器件，即可完成各自功能。 (1)供电电路设计 根据zigbee多种节点用电特点，供电电路设计了两种方式，电池供电和直流(dc)电源模块供电，使用单刀双掷开关实现两种供电方式间的切换。其中，直流(dc)电源模块为sv供电，使用电压转换芯片ams 1117-3.3获得3.3v电压，该芯片能够提供高达500ma的电流输出，电路简单，仅需要两个l0uf的担电容即可输出3.3v的恒定电压。电池供电方式采用2节aa电池供电。供电电路如图3-2所示。 图3-2 供电电路 (2)串口转换电路 串口转换电路采用美信公司的max3232双通道转换芯片，工作电压范围为3v -5.5v，该电路主要用于协调器与pc之间的串口电压转换。串口转换电路如图3-3所示。 图3-3 串口转换电路(3)状态指示电路加蜂鸣器、指示灯等器件用于定位节点状态指示。状态指示电路如图3-4所示。图3-4 状态指示电路除了上面介绍的几种功能电路外，还包括复位电路、按键电路和jtag下载电路等。实际模块效果如图3-5和3-6所示。其中，图3-5中所示模块为盲节点和参考节点。图3-6所示模块为网关。 图3-5 盲节点和参考节点的模块图 图3-6 网关模块图3.3.5定位节点软件设计无线传感器网络定位的基本思想是盲节点将周围所有的一跳范围内的参考节点的信号强度(rssi)返回到网关，由网关将信号强度值传送到上位机监测软件，上位机软件调用相应的定位算法，计算出盲节点的坐标位置并实现必要的显示。因此，首先需要在硬件平台上实现节点间的通信，可分为如下五步进行(数据量类型有定位算法决定，这里以rssi为例)。图3-7为传感器网络定位通信流程图。(1)主节点查询未知节点。在协调器节点(协调器)成功建立网络后，网关要查询盲节点的位置信息，首先要给该节点发送定位请求信号，通信方式为广播方式，保证所有的盲节点都可收到该查询请求。(2)盲节点广播rssi值信号。盲节点接收到查询请求命令后，广播一系列(如300次)rssi值，在数据包中设定跳数为1，从而保证只有在一跳范围内的参考节点才能接收到该数据包。 (3)参考节点预处理rssi值。一跳范围内的参考节点接收到rssi blast信号，记录该盲节点的rssi值，由于墙壁、行人等多种环境干扰源的存在，rssi会出现一定幅度的扰动，因此各参考节点可对接收到的rssi进行适当预处理(如使用高斯概率模型处理)，对预处理后的rssi值作平均。 (4)盲节点发送rssi的数据包请求信号。接收到数据包请求命令信号后，参考节点将各种所需参量按一定格式打包，发送到盲节点。 图3-7 传感器网络定位通信流程图（5）盲节点将数据包发送到网关。盲节点按照一定规则，将数据包发送给网关。考虑到网关除了组网和串口通信功能外，它可以作为参考节点使用，故只需要编写两种节点程序即可。网关特有的功能用虚线标出。其余部分为参考节点功能程序。下面简要介绍一下各类节点工作流程图。图3-8为网关的定位流程图，图3-9为盲节点和参考节点的定位流程图。两种流程图都是基于命令调用模式的。图3-8 网关的定位流程图 图3-9 盲节点的定位流程图第四章 定位功能测试 4.1 测试条件与环境任何一种定位空间，都有其特殊性。楼宇内定位，主要空间就是走廊和房间。特殊的环境，可以使用特定的方法。 4.2测试结果在室内环境中，测试结果如表4-1所示。这是一组测试数据，从测试结果可知，在靠近墙壁的区域，定位误差较大，在中心区域，定位误差较小。图4-1 房间内测试结果从多次测试结果分析可知，在40m距离上，定位精度为3m。室内使用基于数值匹配的定位算法定位精度可以在2m以内，但复杂度很大。上位机定位监测软件z-location_engine。它较好的实现了定位效果显示功能。 根据实验情况，可以知道，本系统能够实现一定的定位功能，达到了设计目的。但定位效果仍不理想。分析原因有以下几条: (1)定位节点天线非理想全向天线，而基于rssi和lqi的距离定位方法都是假定天线为理想全向的。 (2)硬件平台有待改进，有效的无线传输距离较短。为保证定位精度，需要较高的节点密度，不利于降低实际应用成本。 (3) rssi-d和lqi-d模型建立的不精确，导致距离测量有较大的误差存在。 (4)节点放置位置有待优化。根据实验经验，节点如果距离地面、墙壁等较近，影响无线传输距离。在一个具体应用中，应该找出来一个较合理的节点放置高度。 (5)显示动态节点效果不理想，上位机软件实时性有待提高。 (6)传输模型的建立依赖硬件平台，硬件平台改变，即使测试环境不变，整个传输模型也需要重新建立。第五章 结 论 近些年来，zigbee技术依靠其低成本、低功耗等优势占据了一部分无线通信市场，在人们生活中的各个领域得到了越来越多的应用。本文就是在zigbee技术组网的基础上，设计了一个无线定位系统，再次拓宽了zigbee技术的应用领域，然后又结合具体的实际环境，将系统应用到了小区的室外停车场中。论文主要完成的工作和结论如下： 首先，研究了现有的用十无线定位的算法以及当今比较流行的几种无线定位技术，并分析了现有的一些定位系统的优势与不足，最后基十成本、功耗、实现难易程度等方面因素的考虑，并结合具体应用环境确定了本系统的最终设训一方案； 其次，对zigbee协议进行了具体的研究，对各个层的协议规定都有了很深的了解。依据本系统所使用的协议栈的特点，进行了本定位系统应用profile的设计，自定义了一系列用于定位系统的cluster。然后基十对网络层的了解，分析了各种网络拓扑结构的适用范围及实现的难易程度，并最终选择了树状网络拓扑结构作为系统的组网依据； 再次，通过对系统硬件部分的设计，使用了cc2431和cc2430。由于其刚刚问世不久，所以对它了解的人不是很多。我们这里利用它更低成本、更低功耗、且相对传输距离较远等优势，进行了系统定位模块的设计。经过实际测试，证明该模块的性能在定位系统的应用上要好于现有其他zigbee模块。 然后，对定位系统的软件部分进行了设计，根据节点所实现的不同功能完成了协调器、参考点以及移动节点软件部分的设计。利用满足zigbee-2006规范协议栈，实现了本定位系统的软件程序编写。出十节能方面的考虑，软件设计上采用了休眠唤醒的机制，并目_分析了系统运行过程中，移动节点设计可能遇见的问题，并采取相应的方法进行了解决，实现了系统的鲁棒性能。本定位系统的设计基本达到了预期的要求，目前在较为理想的环境中可以满足移动节点的定位需求，系统因其更低成本、较低的功耗等特点，且具有较高的实用价值。但由于本人能力有限，未来对于基于zigbee网络的无线定位技术还需要有更多理论和实践的研究，仍有许多地方有待进一步研究，其中主要包括： (1)对定位算法有待进一步的研究，可以使用多种算法相结合的方式来提高定位的精度，通过算法的优化，期望可以用最少的参考节点实现更高精度的定位性能; (2)由于系统的设计中，涉及到很多算法的软件实现，本系统中所有的数学运算都是由单片机本身处理的，因此为了提高运算的速度，我们可以考虑和专门的运算处理器相结合的方式来进行今后定位系统的设计。这样可以提高系统的运行速度，更好的达到实时定位的要求； (3)本系统采用的树状网络拓扑结构，对节点的摆放位置以及各个节点参数的设计上都有很多的要求。新出的zigbee pro规范对网状网络的实现进行了更好的定义，今后可以通过使用满足zigbee pro规范的协议栈来实现网状网络拓扑结构，从而使系统有了更好的网络自愈功能； (4)在今后更大更复杂的网络中，网络的同步也是一个值得注意的问题，我们可以通过使用信标帧等方式来实现网络同步要求，从而可以提高整个网络的性能。 致 谢 感谢我的导师刘智老师。在刘智老师的谆谆教导下， 我的毕业设计及论文顺利完成 。在由我不知道什么是zigbee到完成整个zigbee无线定位设计，是刘智导师给拉我学习的机会和帮助。同时感谢我的研究生学长张卫东。在张卫东学长的帮助下我克服啦重重困难，掌握了大量关于zigbee方面的知识。 最后谢谢长春理工大学能给